2023年上半年，各种自然灾害造成中国4 876.4万人次不同程度受灾，因灾死亡失踪95人，紧急转移安置11.3万人次。其中，4级以上地震43次，5月2日云南保山5.2级地震灾害损失最严重，造成保山、大理2市(州)6.2万人不同程度受灾，1.3万间房屋损坏，直接经济损失2.2亿元^[1]。2020年达沃斯世界经济论坛发布的《全球风险报告》也指出，今后10年内地球将持续受到极端天气事件和重大自然灾害的风险威胁^[2]。然而，当前公众在地震灾害发生时不够冷静、响应不够迅速，一旦发生地震，大量居民会陷入手足无措的被动状态^[3]。地震发生时的过度恐惧、悲伤和愤怒等应激表现^[4]是由于出现了急性应激反应(acute stress reaction, ASD)。ASD是一种带来强烈恐惧体验的精神运动性兴奋，会导致行为出现盲目性，或者出现精神运动性抑制，甚至木僵^[5]，这种应激反应显著影响公众在地震发生时的行为能力，因此能否有效控制应激水平决定了公众能否开展自救。

当前研究多采用生理测量的方法测量公众应激水平。Keitel等^[6]通过模拟紧急事件情景以唾液皮质醇水平验证了高压力反应的表现。Armario等^[7]综合讨论了激素、心率和血压等各类急性应激的标志物，认为皮肤电和瞳孔反应测量在急性应激研究方面具有前景。

此外，许多学者研究了应激状态的影响因素。Kiecolt-Glaser等^[8]认为在相同应激条件下，ASD可能存在较大差异，并且应激反应的增强和延长可能与性格、成长环境和感知力等因素相关。Huang等^[9]研究了在地震救援等重大任务中的ASD表现，发现不同任务类型、身体素质会引发认知和负面情绪的变化。公众对地震应激源的4个反应阶段如下：

1) 地震风险信息感知阶段。文[10-11]指出，个体获得的直接经验对于风险认知具有重要影响。Lo等^[12]提出公众的地震风险感知水平与其年龄、收入和教育等因素有关。Parsizadeh等^[13]认为女性具有更高的风险感知度。杨维等^[14]发现个体情绪的稳定状态以及个体对地震灾害的关注程度都会对风险感知产生影响。Slovic等^[15]也强调了情绪的重要作用。

2) 地震风险信息理解阶段。刘金平等^[16]认为风险信息的理解程度与个人知识结构有关。Finucane等^[17]研究表明，个体的情绪稳定程度与风险信息的理解过程有重要联系。

3) 地震自救行为决策阶段。Alexander等^[18]发现受教育程度较高的人在地震突发时会采取更加积极的行为。此外，气质和性格差异同样对自救行为的决策产生重要影响，如黏液质和多血质的个体在突发状况下更能保持冷静^[19]，性格稳定的个体在突发事件发生时情绪更稳定^[20]。

4) 地震自救行为执行阶段。Bajić等^[21]指出在突发事件发生时大脑的反应时间与肌肉的力量、耐力存在重要联系。文[22-23]调查地震灾区民众发现，地震灾害的认知水平与防震减灾技能均需要提高。

基于既往研究成果，本文构建了地震“应激-响应”模型，如图 1所示。

图 1 地震“应激-响应”模型

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通过对研究背景和相关成果梳理并建模，本文发现突发事件发生时，应激水平是开展自救的决定性因素。因此，本文设想采用生理测量与计算的方法得到地震发生时公众的应激水平参考值，并将应激水平参考值与应激水平相关因素进行关联，通过统计学方法找到能有效改善应激反应的相关因素。

本文在已有地震模拟场馆的基础上完成平台搭建，同时利用ErgoLAB云平台、ErgoLAB可穿戴生理传感器、PsyLAB心理实验平台和金数据平台等，实现地震模拟时的生理指标及应激水平影响因素测量。基于生理信号敏感指标集，计算应激水平参考值，采用聚类的方法区分应激反应的表现，并通过相关性分析及回归分析得出应激水平与影响因素之间的关联性，找出关键影响因素，最终帮助公众找到控制地震应激水平的有效方法。

地震以地震波的形式进行传播，并产生道路变形、建筑物损坏等一系列影响。本文结合地震要素，调研了北京现有的多个地震安全场馆，并在国家地震紧急救援训练基地和北京公共安全体验馆开展了预实验，实验场地如图 2所示。

图 2 实验场地

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国家地震紧急救援训练基地可体验4—6级渐进式地震，该基地部分建筑结构倾斜，会引发眩晕，适合逃生和救援研究^[24]；北京公共安全体验馆可体验2—7级渐进式地震，屏幕可以播放影片，更符合一般居家环境。经对比，本文最终选定北京公共安全体验馆作为实验场地。

本实验共招募32名参与者，其中男性16名，女性16名，年龄18—44周岁。实验过程中，1名女性因认知实验测试困难选择退出，1名男性肌电仪器脱落，这2名被试的数据无效，因此对其余30名被试的数据进行处理分析。实验前被试得到了充分休息，身体和精神状态良好。实验期间，所有被试都未饮用酒精饮料或服用任何刺激性药物。

震动初次发生时，公众需要在大幅震动之前克服自身的心理应激状态，冷静分析地震情况，并利用就近的工具或设备开展自救。因此，实验测量的生理指标应能够反映应激情绪变化。

不同于心电、皮电等生理指标，呼吸状态的变化不仅反映情绪变化，而且呼吸行为本身也会影响情绪。具体来说，呼吸中枢分别存在于脑干、脑边缘系统和脑运动皮层，分别控制代谢性、情绪性和行为性呼吸^[25]。在监测与地震事件相关的呼吸行为时，不仅可以测得作为应激表征的情绪性呼吸数据，还可得到由应激状态引发的异常行为性呼吸数据，这种异常行为性呼吸是导致情绪进一步恶化的原因。考虑呼吸与情绪之间存在密切联系^[26-27]，本文选用呼吸指标作为神经维度的测量依据，如表 1所示。然而对于应激水平的评估，单维度测量往往不准确，还需要引入其他维度以全面评估情绪反应。肌电信号适用于研究高唤醒的负面刺激，可代表行为维度^[28]。肌电信号由骨骼肌兴奋引起的肌纤维动作电位变化产生，是多个运动单元的电位序列在皮肤表面叠加的结果^[29]。人在情绪激动时肌肉细胞受到神经刺激，产生肌肉动作电位促使肌肉收缩，从而使肌肉张力发生改变^[30]，这是测量应激情绪的常用方法^[31]，常见指标如表 2所示。

通过生理测量和计算区分不同的应激反应是为了完成与相关因素的关联判断，因此选择相关因素需要格外谨慎。根据前述研究成果，依据各项因素特点制定测量方案，如表 3所示。

地震发生时通常先产生小幅震动，间隔约12 s后发生大幅震动^[32]。此段间隔时间是珍贵的避险逃生时机，也是开展实验研究的时间节点，实验流程如图 3所示。

图 3 实验流程图

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对表 1中的7项数据进行Shapiro-Wilk检验，结果表明各组呼吸信号指标均不符合正态分布(P＜0.050)，因此采用配对样本秩和检验的方法对地震情景下受试者基线期和应激期的呼吸信号指标进行显著性分析，显著变化(P＜0.010)的结果共有5项，如图 4所示。

图 4 呼吸信号指标显著性分析

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对表 2中的10项数据进行Shapiro-Wilk检验，各组肌电信号指标均不符合正态分布(P＜0.050)，因此选用配对样本秩和检验的方法对地震情景下受试者基线期和应激期的肌电信号指标进行显著性分析，显著变化(P＜0.010)的结果共有7项，如图 5所示。

图 5 肌电信号指标显著性分析

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基于生理测量和统计分析的结果，本文将生理数据的平均振幅与个体振幅之差作为应激反应评价的依据。首先，计算被试个体各生理指标从基线期到应激期变动率A_ij的绝对值，用以表示该被试地震应激期的生理波动，其中，i为被试计数，j为生理指标计数；其次，计算被试总体的各生理指标变动率绝对值的均值μ_j，用以表示地震发生时被试的平均生理波动水平；最后，以μ_j-|A_ij|表示被试总体生理波动与被试个体生理波动的差值。以0为平均水平，当应激水平参考值f为正值时，表明被试生理波动小于平均波动，f值越大表明被试的生理数据波动越小，应激反应越小；当f为负值时，表明被试生理波动大于平均波动，f值越小表明生理数据波动越大，个体应激反应越大。

其中：f_i为第i位被试的应激水平表现，h_ij为每位被试地震应激期的生理指标值，q_ij为每位被试基线期的生理指标值，n为被试总人数，m为生理指标总数。因此，$\left|\frac{100\left(h_{i j}-q_{i j}\right)}{q_{i j}}\right| $即为被试个体各生理指标从基线期到应激期变动率的绝对值|A_ij|，$\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^n\left|\frac{100\left(h_{i j}-q_{i j}\right)}{q_{i j}}\right| $即为被试总体各生理指标变动率绝对值的均值μ_j。

采用K-means聚类方法，得出应激反应平稳者4人，中等水平者17人，严重者9人。

对13项影响因素的统计信息进行系统聚类，将各测试结果相近的个体聚类为固定等级，结果如图 6所示。由图 6可知，应激反应平稳者并非每项因素得分都很高，应激反应严重者也并非每项得分都很低。为了找出显著影响应激反应的某些特定因素，需要进一步探究相关关系和影响强度大小。

图 6 应激水平相关因素对比图

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通过Kendall's Tau-b方法对地震情景下公众应激水平及其影响因素做相关性分析，得出公众的应急技能(P=0.012)、地震培训(P=0.026)、情绪稳定性(P=0.009)、记忆力(P=0.011)、视觉反应力(P=0.010)、听觉反应力(P=0.008)，6个因素与f的相关性系数均大于0.6，且P值均小于0.050(双尾)，其中情绪稳定性和听觉反应力相关性最显著。

为了对比与应激水平具有显著相关性的影响因素的作用能力，将地震情景下公众应激水平的影响因素作为自变量，地震情景下公众应激水平参考值作为因变量，建立回归模型。

首先进行共线性诊断，发现各组方差膨胀因子均小于5，不存在多重共线性。因此采用多元线性回归，结果显示回归方程显著，F=33.31，P＜0.050，调整后的回归拟合度R²=0.902。其中，标准化系数如表 4所示，重要度从高至低依次为应急技能(67.9%)、地震培训(58.4%)、情绪稳定性(44.8%)、视觉反应力(39.8%)、听觉反应力(39.0%)、记忆力(30.5%)。

由于应激水平与人的复杂多变的应激情绪相关，而从影响因素来看，又与技能训练和培训经历相关。因此，需要相关部门与公众密切配合，并借助相关技术手段才能有效改善应激水平。应急技能方面，建议借助数据推送技术，提高宣传效率；地震培训和情绪稳定性方面，建议由单位和社区协助开展培训，宣讲逃生路线^[33]，营造自救知识学习氛围；记忆力和反应能力方面看，需要公众在了解技能提升方法后，制定适合自身的计划并坚持练习。为了科学有效地克服恐惧心理，控制地震应激反应，依照影响因素的分析结果，分类提出应激反应改善建议，如图 7所示。

图 7 应激反应改善思路导图

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目前的研究工作主要存在3方面局限性：1) 当前实验在地震体验馆中开展，全过程处于可控状态，因此被试体验可能与地震实际发生时存在细微差别^[34]。2) 当前研究只着眼于应激水平，而自救能力除与应激反应是否可控有关外，还与后续行为的有效性有关。考虑自救行为不仅与经验、知识等因素相关，还与不同场景下的临场发挥密切相关。如何科学计算自救行为的有效性以及完整评估自救能力将是未来的研究重点。3) 本文被试年龄分布于18—44岁，未收集未成年和老年群体的样本，因此结论更适用于青壮年群体，而不适用于其他群体，值得进一步分类研究^[35]。

中国地震灾害频发，造成了严重的后果。为研究公众在面对地震险境时的应激水平，本文分析了显著影响公众地震应激水平的因素。通过搭建地震模拟实验平台，基于生理测量和计算确定了公众地震应激水平的等级，采用多种实验方法对影响因素进行测量，最终完成了关联及重要度判断并确定了显著项，主要结论如下：

1) 构建了面向一般公众的地震“应激-响应”模型。其中，影响因素共13项，分别为：应急基本素质、应急知识、应急技能、应急经验、个性及应急心理(性格、情绪稳定性、应急意识)、认知心理(视觉反应能力、听觉反应能力、注意力、记忆力、思维)和身体素质。

2) 通过对呼吸和肌电信号的时域、频域指标进行显著性分析，最终从17项人体生理信号指标中提取了12项在地震应激过程中具有显著变化的指标。其中，时域指标包括呼吸动作幅度的最小值、平均值、标准差和方差，以及肌电数据的最大值、最小值、平均值、标准差、方差、平均绝对值和均方根值；频域指标仅有呼吸动作幅度的平均频率。

3) 通过计算基线期和应激期各生理信号时域、频域指标的波动变化，确定了基于生理数据的应激水平参考值，并通过K-means聚类分析将地震情景下公众应激反应程度划分为平稳、中等和严重3种。

4) 通过系统聚类、Kendall's Tau-b和多元线性回归等方法完成了公众应激水平与其影响因素的关联分析，得到影响公众地震应激水平的6项关键因素，分别为应急技能、地震培训、情绪稳定性、记忆力、视觉反应力和听觉反应力，重要度分别为67.9%、58.4%、44.8%、39.8%、39.0%和30.5%，并在此基础上提出了改善公众地震应激反应的针对性方案。