信号检测论sd的心理学应用

信号检测论sd的心理学应用

信号检测理论（sdt）是信息论的一个分支，其研究对象是信号传输系统中的信号接收部分。它最早用于通讯工程中,即借助于数学的形式描述“接收者”在噪声背景中信号的接收问题。1954年密西根大学的W.P.Tanner和J.A.Swets等人首先将SDT应用于感知觉研究。目前,SDT作为一种新的心理物理学方法正广泛地应用于心理学研究的各个领域。SDT可以应用于任何存在二种信号状态(有信号/无信号或信号/噪声)和二种反应选择(有/无或信号/噪声)的场合。在每种信号状态下都存在二种反应可能,其组合就构成一个两择一判决矩阵,其中H和CR是正确反应,M和FA是错误反应。如果用概率表示则显然有P(H)+P(M)=1,P(FA)+P(CR)=1(表1)。SDT在心理学中之所以能占一席之地,这主要是因为在心理学中,人的感觉、由枢分析过程可以视为信息加工过程。如果将刺激变量看作信号,刺激的随机物理变化和神经系统在感知处理过程中的随机变化视为噪声,人作为接收者对刺激的分辩问题就可以等效于噪声背景下的信号检测问题。SDT的最大优点是它可以把操作者的反应敏感性和反应倾向分开。这一区分使它不仅为心理学研究提供了新的研究方法,而且为心理学的许多应用领域提供了更加有效的分析工具。它能使分析更加深入,结论更加可靠。今天,SDT无论在理论上,还是在实践应用上已经显示了它的优越性。本文限于篇幅,仅介绍它显示出较大成果的三个心理学应用领域。一、警戒能力的研究警戒操作是工程心理学中的一个重要问题。我们知道,操作者需要在相当长的一段时间里检测信号,而信号是间歇性的,无法,预测的,发生频率很低。诸如雷达操纵手监测偶然出现的飞机信号,复杂工业系统的操作人员监测偶然发生的系统故障,流水线上的质量检验员监测次品等操作都可以看作警戒操作。警戒系指操作者在相对较长的一段时间内,对环境中偶而出现的某种信号的察觉与做出反应的持续准备状态。对警戒问题的研究兴趣起源于第二次世界大战。当时,军事上需要高水平的雷达操作员。理想的雷达操作员应始终保持对显示屏的注意。可是,实际情况常常是,尽管重要的战备任务使操作员保持高度良好的动机和责任心,可是他们的工作成绩总是不能令人满意。或者是漏报信号,或者是谎报敌情,而且往往随着工作时间的延续，检测出的信号越来越少。很显然,不是操作员的主观愿望或其他主观因素直接决定他们的工作成绩,而是由于雷达监视工作的特点降低了操作员的警戒能力,从而使他们的工作成绩随时间的持续而下降。为了探明原因,心理学家们做了大量的研究工作。1948年N.N.Machworth以经典的“钟表任务”来观察人的警戒行为。在这个任务中,让被试监视一个钟表的指针,规定指针跳动某一角度为标准角度,而把偶而跳动标准角度的两倍的刺激称为信号事件。实验结果发现,被试正确检测信号的数量随时间呈下降趋势。在连续注视钟表达30分钟后,就只能检测到很少的信号了。以后,研究者们设计了多种警戒任务,以此来研究人的警戒行为。这些任务具有如下一些共性:①被试的任务费时长,且有连续性;②被试的反应与信号发生的可能性无关；③信号被知觉的清晰度较高;④信号是随机发生的,且概率较低。警戒操作的一般研究得出的结论是:1.人们的操作远非“最佳操作”,尤其是漏检率P(M)很高(或者是很长的延迟后才反应);2.以击中率P(H)衡量,某些情况下警戒操作在半小时内就开始恶化,这种情况称为警戒衰退(Vigilancedecrement,指操作随时间的延续而衰退),它不同于警戒水平,后者是警戒操作的稳定水平、绝对警戒水平通常用P(H)作指标。警戒衰退与绝对警戒水平的影响因素有所不同。一般来说,当信号较短、能量低、复杂程度高、信号概率降低时,绝对警戒水平将降低;但当信号概率稳定而仅仅事件频率[单位时间里的事件(包括信号和噪声)]发生变化时,警戒水平不受影响。对警戒衰退来说,信号较短、能量低、信号概率下降或者信号概率稳定但事件频率上升都能导致警戒衰退的增加。对警戒衰退所作的SDT分析表明,P(H)降低的原因既有敏感性下降(d′降低),也有反应倾向的变化(β增高),或者两者皆而有之。因此,在评价操作者警戒能力时,不能单一地采用击中概率为指标。而应把击中概率和虚报概率二者结合起来。还应把感觉敏感性和反应偏向分开处理,只有这样才能说明警戒下降的真正原因。就敏感性下降而言,早期研究集中于视觉信号检测,并认为d′降低的原因是疲劳(Broadbent,1971)。近期研究开始注意听觉信号检测任务,并指出记忆因素在d′降低中的作用,因为信号的检测通常需要将当前刺激同保持在工作记忆中的标准刺激或“刺激模板”进行比较(Parasuraman1979)。例如在一个听觉检测实验中,目标信号是音高、强度或时程与标准音调不同的声音。这时,非目标事件(标准音调)需要作为比较参照维持在记忆中,当时间延长时,观察到了d′降低。但当实验条件改为声音成对呈现时,检测任务无需记忆参与,因为此时比较参照与当前刺激同时呈现,结果,未观察到d′降低现象。在大部分警戒操作中,当P(H)降低时,P(FA)经常也同时降低。在某些情况下,P(FA)的降低幅度足以提醒人们,操作者的反应敏感性(d′)并未变化,而且是反应倾向(β)发生了变化(Broadbent&Gregory1965)。据此,Welford(1968)首先提出了警戒衰退的唤醒理论,他认为,在持续长时间的事件环境中,唤醒水平的降低将导致神经系,统整体活动的减少。这样,信号和噪声两者都倾向于减少而噪音分布和信号加噪声分布的分离程度保持不变,其效果是既降低P(H),同时也降低P(FA),这样,操作者d′不变只是β增高。Welford的唤醒理论受到一些事实的支持。例如,随时间延续而发生的唤醒降低的生理表现与β变化相一致;提高唤醒水平的药物能降低警戒衰退现象;提供背景噪声或任何新异刺激(提高唤醒水平)都能降低警戒衰退。但是唤醒理论无法解释所有的β变化,某些变量显然影响唤醒水平但并未对β产生预期的影响。例如,提高事件频率(但目标事件的时间间隔保持不变,如此降低了信号概率)能提高唤醒水平,但结果反而增加了警戒衰退。Baker(1961)提出的期望理论将警戒衰退归因于操作者对觉察到的(由此产生期望)信号概率的反应——调整反应标准(增加β)。实验室中观察到警戒衰退至少可以部分归因于实验前的训练:实验开始前通常以较高的频率呈现信号刺激以便让操作者熟悉需检测的信号。然后,信号概率降低到警戒状态下的低频率条件。这样,操作者的警戒衰退仅仅反映了操作者试图建立最佳β的努力:当信号概率低时,β应提高。Colouhoun和Baddeley(1967)曾指出,当实验前的训练在低信号频率条件下进行时,警戒衰退减少了。但是,实验前训练的影响无法解释所有随时间而发生的β变化。因此,期望理论进一步提出,操作者是根据觉察到的主观信号概率Ps(S)来确定β的。这样,只要信号因任何原因发生漏检,Ps(S)将会降低,因为操作者相信刚才发生的是非目标事件;Ps(S).又引起β上升,也将进一步降低Ps(S)。如此循环不已。Broadbent(1971)将此称为“恶性循环”,即β螺旋上升。P(H)螺旋下降。在实际操作中,由于其它因素的影响,β最终将大致稳定在一个较高的水平。由于“恶性循环”开始于第一个信号漏检,也就解释了降低反应敏感性的变量(如短、低强度信号)能增加警戒中的期望效应这个事实。借助SDT理论可以对警戒衰退现象进行更深入的分析,同时,它也能据此提出降低警戒衰退的措施。这些措施的作用在于提高反应敏感性,改善β,从而改善警戒操作。从Parasuraman对d′降低所作的解释中可以提出的逻辑结论是,改善操作者对信号特征的记忆或降低其记忆负荷的措施将减少d′衰退,同时,这将进一步有助于减少因期望因素产生的警戒衰退。有关的研究者据此提出了许多可以改善警戒操作的措施。例如,Fisk和Schneidet(1981)证实,反复训练操作者对目标信号的反应将大大降低警戒衰退。因为反复训练能使操作者形成自动化的刺激加工,而自动化的反应较少依赖于工作记忆。Childs(1976)进行的研究发现,当操作者的任务是检测一个目标而不是几个目标中的一个时,警戒操作得到了改善。此外,Childs进一步指出,告诉操作者目标刺激“是什么”的效果要优于告诉他们目标刺激“不是什么”。例如,对流水线上的质量检验人员来说,提供次品的明确的视觉形象要比仅仅要求他们提出“与正品不同的产品”效果好得多。与减轻记忆负荷有关的另一类措施称为“信号增强技术”(Signalenhanementtechniques)。如果仅仅简单地增强信号事件的物理能量,往往难以收到改善操作的效果。因为在信号增强的同时噪声强度也增加了,结果信噪比并未改变。因此,信号增强技术经常赋予信号事件以区别于噪声事件的特征,这通常可以通过改进信号呈现系统来达到。例如,在雷达监测任务中,如果信号事件的呈现方式与噪声事件的呈现方式十分相似,检测任务将非常困难;但如果雷达系统在接收到目标信号时的呈现方式有显著区别(如亮点有独特的运动方式),则操作将大为改善。有些信号增强技术甚至采用转换感觉通道的方法,例如在工业系统的故障监测中,一旦系统发生故障,原先稳定的视觉呈现(信号灯)改为闪烁方式,同时信号转变为,听觉呈现(警铃),这将大大提高信号被检测到的概率。从反应倾向这一角度同样可以提出改善警戒操作的措施。一般来说,能够提高唤醒水平的措施都有助于降低警戒衰退。这些技术中甚至包括生物反馈技术,Beattg等人(1974)报告说,训练操作者抑制θ波(频率为3—7HZ的脑电波,指示低唤醒水平)亦将减少警戒衰退。Baker(1961)指出,在可能情况下引入假信号能使β维持在较低水平。因为引入假信号将提高Ps(S),同时它能提高唤醒水平,更进一步,如果假信号与真实信号物理上非常相似,他还能恢复操作者对信号特征的记忆,这将减少d′降低引起警戒衰退。例如,在流水线质量检测任务中,混入若干“预定的”次品(即使未被检验员发现最后也会被检出)将使检验员的主观信号概率ps(S)维持在较高水平,从而降低β。当然,引入假信号的方法存在一定的危险。首先,操作者绝不能意识到存在假信号,如果人们意识到存在假信号,他们将试图避免检测这些假信号,结果将使β反而提高。其次,在操作者检测到,信号后可能导致严重后果的场合,例如,在工业系统故障监测任务中,虚假的故障信号可能导致操作者将整个系统关机,这时就不能应用这一方法。综上所说,信号检测论不仅使我们弄清了警戒下降的原因,而且也使我们找到了防止警戒下降的某些方法。从原因上分析:首先,警戒下降可单单由反应标准的提高而引起,表现为操作者报告某个刺激是否为信号变得愈来愈慎重。在上述的SDT模型图上,报告轴向右移,即β值变大。这时,操作者的正确检测概率和虚惊概率都随时间而下降。众多的研究表明,警戒的下降大多数表现为β的提高。第二,警戒下降也可单纯地由感觉敏感性的下降而引起。这种下降具体表现为操作者愈来愈不能把信号从噪音中分辨出来。在信号检测论模型图上,可看到信号分布和噪音分布之间距离变小,即d′值变小。在此情况下,操作者的击中概率随操作时间而不断下降,而虚惊概率则保持原水平。第三,警戒下降还可由感觉敏感性和反应标准两指标的双重变化而引起。这种情况一般表现为操作者愈来愈不能把信号从噪声中鉴别出来。同时操作者报告一个刺激是否是信号也变得愈来愈慎重。在信号检测论模型图上,一方面报告标准轴向右边移,即β值变大;另一方面信号和噪音二分布之间的距离缩小,即d′值变小。当然,这二个因素所起的作用是不同的、多变的。二、sdt:更一种作为“反应”的工具实验心理学领域是SDT的重要应用领域。就感知觉研究而言,由古典心理物理学方法测得的阈限是被试辨别力和反应倾向两者的混合物。尽管古典心理物理学方法采取了许多措施试图消除动机、态度等因素的影响,但仍然无法从根本上解决问题。SDT对辨别力和反应倾向作出明确的区分,从而可以深化有关的研究。例如,Clack(1974)曾进行一项关于痛感受性的研究,借助SDT,Clack研究了主试提高对被试反应d′和反应标准β的影响,并同用古典心理物理学方法测得的阈值进行比较。第一阶段实验为测量痛阈和耐痛阈,然后给予提高,内容为告诉被试重复刺激将使皮肤感受器疲劳,从而更能耐受痛刺激,然后测量耐痛阈。用古典心理物理学方法处理数据得出的结论是主试提示确实能提高耐痛阈,但对痛阈无显著影响。但是,同样的实验数据用SDT分析后表明,主试提示并未改变被试的感觉辨别力,而仅仅改变了反应标准。换句话,SDT分析揭示了,古典心理物理法公认的实验结果一一主试提示能明显提高耐痛阈——实际上是被试在主试提示的影响下改变了反应标准造成的。除感知觉问题外,SDT亦可应用于再认记忆的研究。在再认回忆中,被试所面临的操作实际上是检测当前刺激(可能识记过,也可能末识记过,即既可能是信号,也有可能是噪声),将它同记忆痕迹进行“匹配”,作出“是”或“不是”的反应,这一操作可以看作典型的信号检测问题。SDT应用于再认记忆研究同样具有很多优点。例如,在再认能力最佳年龄的一项研究(杨治良等,1680)中,SDT分析指出,在不同指导语条件下再认分数的变化不是因为被试辩别力的改变,而是由于反应倾向的变化所致,这是用古典方法分析难以得到的；其次,SDT将错误反应区分为漏检与虚惊二类。有利于进一步分析错误原因。此外,SDT的d′指标比传统再认法指标更加灵敏。除了实验室研究以外,SDT对实际生活中的记忆问题也可以提供很多帮助。一个有趣例子是见证人提供证词中的见证证据(eyewitnesstestimony)。在这一任务中,嫌疑者(可能参与犯罪(信号)也可能未参与(噪声)由见证人进行辨认,作出“是”或“不是”判,断,这既是一个再认问题,同时也可以看作信号检测问题。在见证人问题中,由于维护法律的公正、维护社会治安等动机因素的参与,见证人反应的β值往往或者偏高(漏检很多,罪犯很有可能逃脱,但清白者较少可能无故受惩),或者偏低(漏检少,罪犯很少逃脱,但清白者受惩的可能较大)。SDT对见证人问题的直接应用是见证人在若干名嫌疑者中进行辨认这一情况:见证人在5～6个人组成的“队列”中进行辨认,其中一人被警察认为是嫌疑犯。这是见证人的决策实际上分成了两个阶段。即:1.嫌疑者是否包括在这些人中72.如果包括在其中的话,是哪一个?Ellison和Buckhout曾对此问题进行了较为深入的研究,他们指出,见证人在回答第一个问题时,所持的反应标准较宽,通常作肯定回答。许多研究证实,对一个短暂的突发事件来说,见证人的视觉再认记忆可靠性相当低,因此,操纵见证人辨认的“队列”,将能影响他们的反应倾向。Ellison和Buckhout提出了如下观点:1.在肯定回答中表现出很大信心的见证人(“我可以肯定是他”)实际上比那些不太肯定的见证人敏感性更低;2.告诉见证人嫌疑者有可能不在“队列”中这一简单措施能使β接近最佳反应倾向;3.“队列”应由相似的人组成,尽管这样相似性将略微降低击中概率,但它能在更大程度上降低虚惊概率,其结果在敏感性上得到净收益。三、对其他具体诊断的操作坚持和发展了更具体的诊断在应用领域中,医学诊断是SDT可以大有作为的一个领域。异常症状既可出现于病人,也可出现于正常人,医生最初的任务就是作出决策“是”或“不是”。在这里,信号强度(将影响有′)与异常症状的显著程度、异常症状的多少、医生对有关线索的关注(取决于医生所受的训练)有关。反应倾向的影响因素包括信号概率和支付矩阵,具体地说,前者指疾病的发病率,后者主要是诊断的可能后果,例如,如果虚惊,就诊者将接收不必要的治疗(服药还是手术?治疗有无副作用?)如果漏检,病人将延误治疗(是否会产生严重后果?)Lusted(1976)、Swets和Pickett(1982)曾指出,医生的诊断操作可以用ROC曲线进行数量化,Swets和Pickett在进一步的研究中还详细考虑了应用SDT分析医学诊断问题时的方法学问题。;一部分研究者关注了更具体的诊断问题,如放射学家根据X光片所作的诊断。这类诊断通常距最佳操作相距甚远,据估计这类诊断中异常症状的遗漏率可高达20～40%。运用SDT进行的分析得出了一些有用的结果。例如,Swennsen(1977)的研究指出,让操作者的注意力集中于X光片上异常症状更有可能发生的区域能够提高检测到症状的可能性,但提高的原因是操作者降低了β而不是增加了d′。Swonnsen等人(1979)还比较了两种条件下进行的异常症状检测,第一种条件是很多X光片中有一部分包含了一种异常症状,第二种条件是需检测的关键异常症状同包括有其它病理表现的X