基于CPS的智慧家庭系統(tǒng)設(shè)計研究

葉根軍　何波　葉帥兵

摘要：為了將家庭生活中的日常行為信息和各種家電、家居產(chǎn)品深度融合，構(gòu)建出更符合用戶需求、提升生活質(zhì)量的服務(wù)系統(tǒng)。本文以客廳娛樂系統(tǒng)中的電視機產(chǎn)品為載體，研究了電視行業(yè)的競爭現(xiàn)狀，電視機產(chǎn)品的互聯(lián)網(wǎng)化趨勢、用戶黏性、系統(tǒng)的概念設(shè)計與產(chǎn)品開發(fā)等問題。通過洞悉用戶在客廳內(nèi)的娛樂行為特征，結(jié)合信息物理融合理論，開發(fā)了相應(yīng)的系統(tǒng)功能。結(jié)論通過用戶測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的功能有效地提升了用戶的使用體驗和滿意度，具有較好的市場前景。

關(guān)鍵詞：信息物理融合系統(tǒng) 智慧家庭 客廳娛樂系統(tǒng) 智能電視

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2018）10-0123-03

前言

電視機產(chǎn)品的發(fā)展經(jīng)歷了電腦化、智能化、內(nèi)容扁平化和互聯(lián)網(wǎng)化四個主要階段。當(dāng)前正處于第四個階段，其特點是“價值閉環(huán)與系統(tǒng)設(shè)計”，不是單一關(guān)注于電視機硬件或是其控制軟件的設(shè)計，而是注重于電視機硬件、軟件、電視內(nèi)容與生活信息、多重身份的用戶共同組成的信息物理融合系統(tǒng)（Cyber Physical System，CPS）的設(shè)計。

伴隨著傳感器監(jiān)控以及無線通信等技術(shù)的發(fā)展，加快了計算過程、物理過程和通信過程的高度集成化。通過在物理過程中不斷加強感知控制、計算和通信等能力，可實現(xiàn)物理設(shè)備的信息化和網(wǎng)絡(luò)化，從而產(chǎn)生集計算、通信和控制為一體的信息物理融合系統(tǒng)（Cyber Physical Systems，CPS），其核心是3C（Computation、Communication、Control）的融合（如圖1）。

從CPS的角度分析，電視產(chǎn)品的創(chuàng)新涉及到終端硬件（物理對象）、媒體內(nèi)容（信息對象）、用戶體驗（人-系統(tǒng)交互）、產(chǎn)品生態(tài)（軟硬件的系統(tǒng)架構(gòu)、內(nèi)容和相關(guān)社會因素）等多方面的因素。以CPS的架構(gòu)和設(shè)計理念規(guī)劃電視機產(chǎn)品乃至家庭內(nèi)所有電器電子產(chǎn)品的開發(fā)是大勢所趨。

一、CPS在智慧家庭領(lǐng)域的應(yīng)用研究

（一）智慧家庭中的人機交互技術(shù)

智慧家庭系統(tǒng)本質(zhì)上是一種信息物理融合系統(tǒng)，隨著智能終端和信息技術(shù)迅速發(fā)展，人也成為了智慧家庭系統(tǒng)的一部分，人的行為會影響系統(tǒng)的運行行為，拓展之后甚至包括家庭環(huán)境中的植物和動物。這也更進(jìn)一步體現(xiàn)了CPS組成部分的多維度、多尺度、異質(zhì)性等特點。

由于圖像技術(shù)本身的不受影響和豐富性，它是智慧家庭系統(tǒng)中使用最多的數(shù)據(jù)采集技術(shù)。例如Henry Tan and De Silva和Tan et al提出了一種利用移動數(shù)據(jù)探測識別人類行為的技術(shù)，智能環(huán)境是此類行為探測技術(shù)最為直接的應(yīng)用領(lǐng)域?；趫D像傳感器的探測方法也存在一些缺陷。例如，無法覆蓋整個房間、由于遮蔽而無法探測到事件等，鑒于此，一些學(xué)者提出了基于聲音的事件探測方法。De Silva在他的論文中對咳嗽、哭泣、呼喊和走動、開門、跌倒進(jìn)行了區(qū)分，利用聲音等高線對行為進(jìn)行探測。Smeaton and McHugh利用麥克風(fēng)矩陣探測到的聲音事件可以在很大程度上彌補多個攝像頭捕捉到的圖像等。目前關(guān)于多通道感知技術(shù)的研究大多集中在視覺和聽覺通道。Vadakkepat et al.提出了利用機器人，通過多通道技術(shù)追蹤和跟隨人的場景。De Silva and Miyasato、De Silva等把圖像和聲音相結(jié)合識別人的情緒，為智慧家庭中人的行為探測提供信息處理機制。Oliver Brdiczka et al.利用三維視頻信息追蹤系統(tǒng)提出了一種獲取增強現(xiàn)實環(huán)境中人類行為情景模型的方法。在針對健康醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域的智慧家庭研發(fā)中，可穿戴設(shè)備系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。這些設(shè)備穿戴在用戶身上，或者嵌入到房屋里，通過有線或無線的方式連接到服務(wù)中心，并與環(huán)境和健康診斷設(shè)施相連接。它們可以用來評估聲音、圖像、身體動態(tài)和環(huán)境參數(shù)，還可以探測人的睡眠模式和其他健康參數(shù)。系統(tǒng)軟件通過收集人的動態(tài)活動和健康信息建立用戶個性化檔案，并通過對比探測緊急情況。

（二）智慧家庭研究案例

智慧家庭的本質(zhì)在于利用各種智能技術(shù)實現(xiàn)各種家居功能的自動化。Ding et al.認(rèn)為，智慧家庭概念起源于提供便利、保障安全、節(jié)省能源三個方面的訴求，而這些都將通過嵌入式的傳感器和智能系統(tǒng)實現(xiàn)，并將其整合到功能性的建筑空間之中。杜克大學(xué)開發(fā)的智能家庭占地6000平方英尺，是一個用于展示未來居住環(huán)境設(shè)計的實驗室。其主要理念是通過集成智能技術(shù)提升人類的生活質(zhì)量。項目開發(fā)團隊認(rèn)為，智慧家庭不應(yīng)該僅僅局限于服務(wù)老齡人群和失能人群。該項目的原型在技術(shù)集成方面的教育和研究中持續(xù)發(fā)揮作用。Drexel Smart House的作用是為智能環(huán)境領(lǐng)域的研究和實驗提供一個“居住環(huán)境實驗室”。該項目聚焦于居住環(huán)境設(shè)計、能源、智能家電和生活方式等方面，致力于提高居住者的生活質(zhì)量。在該項目中，除了關(guān)注于建筑的智能化和自動化控制之外，可持續(xù)方法和綠色設(shè)計理念也受到了極大的重視。

二、智慧家庭系統(tǒng)的設(shè)計問題

（一）智慧家庭系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計

智慧家庭系統(tǒng)的架構(gòu)將各種功能分配給相關(guān)的設(shè)備。但這種系統(tǒng)功能的分配對情境十分敏感，不同家庭環(huán)境中的產(chǎn)品和服務(wù)環(huán)境，以及使用系統(tǒng)的社會行為存在一定的差異。因此，智慧家庭系統(tǒng)的架構(gòu)是開放式的，相關(guān)的創(chuàng)新設(shè)計流程也是開放式的，一定要考慮不同家庭環(huán)境內(nèi)的日常生活行為和事件。

智慧家庭領(lǐng)域創(chuàng)新設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)取決于兩種不同知識的協(xié)調(diào)程度。第一，與家庭網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的產(chǎn)品和服務(wù)提供最基本的系統(tǒng)功能，這些產(chǎn)品和服務(wù)內(nèi)嵌于成熟的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之中。第二，特定產(chǎn)品環(huán)境的可行性取決于促進(jìn)各組件相互協(xié)同作用的技術(shù)解決方案。因此，智慧家庭系統(tǒng)的架構(gòu)知識由快速變化且涉及寬泛領(lǐng)域的ICT技術(shù)的發(fā)展所決定，它的發(fā)展橫跨了科學(xué)、技術(shù)和創(chuàng)新三大領(lǐng)域。

（二）智慧家庭系統(tǒng)交互行為

智慧家庭系統(tǒng)就是典型的復(fù)雜系統(tǒng)，各組成部件之間的交互關(guān)系以及這些組件協(xié)同作用，實現(xiàn)某些系統(tǒng)功能時與人的交互關(guān)系都非常復(fù)雜。

1.傳統(tǒng)的人機交互

目前的人機交互大多關(guān)注于人和計算機之間的交互，也稱為HCI（Human Computer Interaction）。在這一概念之中，人和計算機處于對立位置，計算機作為一種輔助人完成某種特定工作的工具存在。這種傳統(tǒng)的人機交互過程具有L2T特點：（1）人處于主導(dǎo)地位；（2）交互行為具有明確的目的；（3）交互界面比較明顯；（4）人機交互通道有限；（5）交互情境比較簡單。

2.智慧家庭系統(tǒng)中的交互行為

而在智慧家庭系統(tǒng)中，由于物理和信息系統(tǒng)的深入融合，以及系統(tǒng)更加智能的自動化運行和持續(xù)的監(jiān)視功能，人與系統(tǒng)的交互行為完全不同于傳統(tǒng)的人機交互行為，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）任何一方都可以發(fā)起交互行為；（2）系統(tǒng)的某些行為并不明顯；（3）交互界面更加透明；（4）更多的人機交互通道；（5）交互情境非常復(fù)雜。

（三）產(chǎn)業(yè)化相關(guān)問題

雖然智慧家庭在國內(nèi)發(fā)展勢頭迅猛，但是基于國情與客觀環(huán)境，智慧家庭當(dāng)前的發(fā)展遭遇了很大的瓶頸。以下將從幾個方面探討未來智慧家庭系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)可能遇到的一些問題。

1.用戶需求、接受程度和滿意度

滿足用戶需求是智慧家庭系統(tǒng)研究、設(shè)計、開發(fā)所面臨的主要問題。如果早期沒有發(fā)現(xiàn)或很好地定義某一用戶需求，那么設(shè)計過程中就不可能考慮相關(guān)的問題，設(shè)計結(jié)果也無法滿足這一類需求。因此，在用戶研究階段的工作顯得非常重要。另外，消費大眾對智慧家庭系統(tǒng)的接受程度和系統(tǒng)運行的滿意程度應(yīng)該得到同樣重視。要提升用戶對特定智慧家庭系統(tǒng)的接受程度，深入研究特定目標(biāo)群體的需求，有針對性地設(shè)計開發(fā)服務(wù)系統(tǒng)是一個良好的解決辦法。

2.相關(guān)的法律事務(wù)

為了提供更具針對性的服務(wù)，智慧家庭系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)大部分都設(shè)計到個人隱私，這些數(shù)據(jù)的安全性將面臨極大的挑戰(zhàn)。另外，如果智慧家庭系統(tǒng)中針對財產(chǎn)安全保護(hù)的安防系統(tǒng)受到病毒入侵或黑客攻擊而喪失功能，導(dǎo)致家庭財產(chǎn)損失，該如何界定各方的責(zé)任。針對這些問題都需要建立相應(yīng)的法律保障機制，確保智慧家庭系統(tǒng)各利益方之間對于信息的保密和使用責(zé)任。

3.成本效益以及對社會經(jīng)濟的影響

長期來看，智慧家庭系統(tǒng)實現(xiàn)對家庭的自動化控制以及通過傳感器監(jiān)控家庭環(huán)境的各種活動，在危急時刻發(fā)出警報和呼救都具有較高的成本效益。通過自動化調(diào)整燈光、室溫、水電氣的供給能在長期內(nèi)節(jié)省大量社會資源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。通過遠(yuǎn)程健康醫(yī)療保健系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在家庭中解決一些常見病的救治問題，能極大地節(jié)省各方面的資源，同時也能提高醫(yī)療效率，改善目前的醫(yī)療資源緊張問題

三、以智能電視為核心的客廳娛樂系統(tǒng)

（一）智能電視行業(yè)的競爭

電視曾經(jīng)是家庭生活和客廳活動的中心，但隨著智能技術(shù)的發(fā)展和人們需求的變化，電視的地位逐漸被手機等移動智能設(shè)備取代，隨之而來人們的生活方式也越來越個人化。

從2011年至今，電視這個產(chǎn)品在智能化的過程中經(jīng)歷了四個階段的演化。第一個階段為“電視的電腦化”，特點是“交互方式向pc＼pad＼phone其他三個智能終端看齊”；第二個階段為“電視的智能化”，特點是“強調(diào)以人為中心的智能推薦等體驗”；第三個階段為“電視的扁平化”，特點是“內(nèi)容即界面的呈現(xiàn)方式”。而眼下正處于第四個階段，是“電視的互聯(lián)網(wǎng)化”，特點是“價值閉環(huán)與系統(tǒng)設(shè)計”。這已經(jīng)不是單一的設(shè)計，而是系統(tǒng)的設(shè)計。進(jìn)一步看，這不僅僅是電視機硬件或是其控制軟件的設(shè)計，而是注重于電視機硬件、軟件、電視內(nèi)容與生活信息、多重身份的用戶共同組成的信息物理融合系統(tǒng)（Cyber Physical System，CPS）的設(shè)計。

（二）客廳娛樂系統(tǒng)設(shè)計

1.電視產(chǎn)品的互聯(lián)網(wǎng)化

電視產(chǎn)品就產(chǎn)品生態(tài)的CPND（內(nèi)容＼平臺＼網(wǎng)絡(luò)＼終端）四個方面來看，都具有潛力可挖，但是需要上升到新的層面，即產(chǎn)品的互聯(lián)網(wǎng)化。通過分析TAB幾家主要互聯(lián)網(wǎng)公司的產(chǎn)品，總結(jié)出“三步走”的互聯(lián)網(wǎng)化趨勢。第一步是“做好工具”，把核心功能做到足夠強，形成基因；第二步是“用戶圈地”，依托核心功能向外圍拓展相關(guān)服務(wù)，鞏固用戶群；第三步是“流量變現(xiàn)”，通過用戶紅利實現(xiàn)盈利。電視最根本是提供以視頻為主的觀看體驗，以此為核心，通過“三步走”的方式互聯(lián)網(wǎng)化。

2.概念設(shè)計與產(chǎn)品開發(fā)

概念設(shè)計與產(chǎn)品開發(fā)是相互影響的，一方面，概念設(shè)計通過趨勢分析、需求調(diào)研、提出創(chuàng)新，保證產(chǎn)品的領(lǐng)先優(yōu)勢和良性發(fā)展；另一方面，轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品之后收到的用戶反饋和具體數(shù)據(jù)，又是設(shè)計繼續(xù)創(chuàng)新的來源。概念設(shè)計與產(chǎn)品開發(fā)緊密結(jié)合，可以節(jié)省調(diào)研成本、縮短開發(fā)周期。但概念設(shè)計在全部完成之后輸出給產(chǎn)品公司轉(zhuǎn)化，往往會遇到技術(shù)儲備不充分、市場時機不成熟等問題，概念轉(zhuǎn)化度不高。

（三）系統(tǒng)解決方案

研究信息物理融合系統(tǒng)建模方法、人機交互技術(shù)、情境感知技術(shù)等方面的文獻(xiàn)和相關(guān)案例。通過創(chuàng)意設(shè)計工作坊、用戶參與式設(shè)計等方法確定系統(tǒng)功能，完成系統(tǒng)的場景概念設(shè)計，并完成系統(tǒng)功能模塊的定義、理清各個相關(guān)功能模塊的關(guān)系、擬定系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計風(fēng)格。

1.個人頻道

打通四個圈子（親友圈＼興趣圈＼公眾圈＼物聯(lián)圈），針對不同身份用戶規(guī)劃內(nèi)容，實現(xiàn)電視機操作和內(nèi)容的自適應(yīng)機制。電視根據(jù)用戶的需求，不同的人群來定義設(shè)置不同的操控和觀看模式，同時可在網(wǎng)上下載其他人的自定義模式。為用戶提供快捷觀看體驗同時提供用戶專屬內(nèi)容定制。

通過“個人頻道”集合用戶觀看習(xí)慣，起到簡化概念作用，并為用戶提供一種個性化快捷入口。通過“個人頻道”中的添加用戶，可以為其他家庭成員創(chuàng)建“個人頻道”，并為他們管理節(jié)目。通過年輕人在自己的手機上為老人和小孩設(shè)置“個人頻道”，老人和小孩只需用遙控器在電視上簡單點選，就可以看到想看的節(jié)目。通過家庭成員的互助，使雙屏協(xié)同有了更家庭化的應(yīng)用場景，也為家長提供了一種友好的監(jiān)督方式。

2.全方位、立體化的影視內(nèi)容

用戶的觀影過程是一次導(dǎo)航，從用戶進(jìn)入主頁開始（如圖2），他可以從“新片速遞”、直播點播“分類推薦”、“個人頻道”快捷入口、“搜索”等多個地方進(jìn)入影片選擇；當(dāng)他查看影片詳情時，可以看到精彩劇照、歷史評論，以做決定是否進(jìn)入觀看等等。通過細(xì)化用戶觀影過程的每個步驟，分層次提供豐富的內(nèi)容，把導(dǎo)航、推薦、互動等不同類型的功能有機地結(jié)合在一起，打造完整而極致的觀看體驗。

3.優(yōu)化廣告時間體驗

不管在電視上還是移動終端上，廣告始終不是一種受歡迎的形式，因為它與用戶想要“沉浸觀看”的心理有沖突。廣告搶寶，就是及時搶購直播節(jié)目中出現(xiàn)的商品，或是直接團購當(dāng)前廣告中的商品。電視臺、制片方、供應(yīng)商、終端商形成了新的廣告盈利模式，在為用戶提供新體驗的同時，創(chuàng)造了新的商業(yè)價值。

4.用戶的情感需求

隨著視頻網(wǎng)站的成熟，原創(chuàng)內(nèi)容成為視頻內(nèi)容中重要的組成部分。一方面是由于它帶來了一種UGC（用戶生產(chǎn)內(nèi)容）的方式，另一方面是由于它迎合了草根用戶個性崛起的需求。隨著互聯(lián)網(wǎng)上各種博客、空間的興起，UGC的內(nèi)容呈爆炸式增長，又通過社交網(wǎng)絡(luò)快速蔓延，用戶的這種行為習(xí)慣已經(jīng)養(yǎng)成。電視不能攜帶，不方便作為內(nèi)容產(chǎn)生的源頭，但電視有顯示優(yōu)勢，可以作為內(nèi)容集成播放的終端。手機中的照片，經(jīng)過簡單編輯和上傳，生成日志形式的電子相冊，一鍵在電視上自動播放，滿足了用戶“收藏生活”、“想上電視”的情感需求，同時也實現(xiàn)了用戶群體的拓展。

5.場景化的硬件交互

電視與手機的雙屏協(xié)同是系統(tǒng)的主體，其他附件也在系統(tǒng)中提供支撐。充電板除了為手機提供電能，還可以通過“輕觸”這個動作直接打開用戶手機中的應(yīng)用主頁，雖然只簡化了“解鎖”和“點擊應(yīng)用圖標(biāo)”這兩個步驟，但符合客廳的使用場景，細(xì)節(jié)也能為用戶帶來驚喜體驗；音響在造型上整合了氛圍燈的設(shè)計，除了提供畫面、音效、燈光一體的各種情景模式，還可以在廣告搶寶、寵物傳話等場景中以呼吸燈形式進(jìn)行消息提醒。

（四）客廳娛樂系統(tǒng)交互設(shè)計

客廳娛樂系統(tǒng)的交互設(shè)計是人與系統(tǒng)進(jìn)行溝通的通道和具體方法，主要包括軟硬件產(chǎn)品的人機界面設(shè)計，交互流程規(guī)劃，信息架構(gòu)規(guī)劃等內(nèi)容。基于CPS抽象模型建立系統(tǒng)的信息架構(gòu)。結(jié)合系統(tǒng)功能定義建立系統(tǒng)交互的敘事模型，通過圖表模型描述系統(tǒng)中的具體交互行為，并規(guī)劃交互流程；根據(jù)具體的交互流程定義用于的交互操作行為和系統(tǒng)的軟硬件界面。

1.系統(tǒng)軟件的交互界面設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)概念設(shè)計所確定的功能點，針對每個功能點展開軟件產(chǎn)品的交互界面規(guī)劃與設(shè)計。主要包括：用戶個性化定制內(nèi)容模塊、電視內(nèi)容交流互動模塊、用戶上傳和分享的視頻、圖片、文字、動畫等內(nèi)容的管理和展示模塊、多屏互動的桌游模塊、電子寵物管理與喂養(yǎng)系統(tǒng)、家庭內(nèi)歡樂時光的錄像與內(nèi)容管理模塊、社區(qū)內(nèi)求助與活動信息的發(fā)布、管理、成員召集、信息展示模塊等。將所有以上功能模塊整合進(jìn)電視機系統(tǒng)或是單獨打包成等APP的形式上架到應(yīng)用市場供用戶選擇性地下載使用。

2.客廳娛樂系統(tǒng)的人機交互方式設(shè)計

系統(tǒng)的信息交互主要體現(xiàn)在設(shè)備之間的交互方式上，主要包括多屏之間的畫面切換、單APP控制所有家電的功能、多設(shè)備間的信息和內(nèi)容傳輸方式、通過硬件產(chǎn)品的信號燈和不同色彩燈光提示用戶進(jìn)行操作等。通過1個APP可近/遠(yuǎn)程控制家里的所有電子/家電產(chǎn)品，實現(xiàn)各個電子/家電產(chǎn)品間的聯(lián)動。在用戶需下載視頻時，通過智能分析選用其中空暇設(shè)備（手機、電視、PAD）完成下載并存儲于云端，用戶可選擇其中任意一設(shè)備從云端調(diào)用播放，并記錄播放進(jìn)度。降低用戶學(xué)習(xí)成本；減少多設(shè)備間線路的繁瑣連接；減少多設(shè)備間切換、操作麻煩，提升操作效率；提升多設(shè)備的聯(lián)動性，為用戶帶來便利。

結(jié)論

本文研究了信息物理融合系統(tǒng)的相關(guān)理論和技術(shù)基礎(chǔ)，并從人機交互技術(shù)和現(xiàn)有的案例出發(fā)，分析了CPS在智慧家庭領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。詳細(xì)分析了智慧家庭系統(tǒng)的設(shè)計問題，以及智慧家庭系統(tǒng)中的交互行為。從用戶需求、接受程度和滿意度、傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件的可靠性和有效性、信息和通信標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)法律事務(wù)、成本效益以及對社會經(jīng)濟的影響等方面分析了智慧家庭系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化問題。并以智能電視為核心的客廳娛樂系統(tǒng)出發(fā)，通過洞悉用戶在客廳內(nèi)的娛樂行為特征，結(jié)合信息物理融合理論，開發(fā)了相應(yīng)的系統(tǒng)功能。通過用戶測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的功能有效地提升了用戶的使用體驗和滿意度，具有較好的市場前景。后續(xù)將針對智慧家庭系統(tǒng)中的其他場景，如廚房飲食活動、浴室洗浴活動、臥室休息行為等展開研究，設(shè)計開發(fā)出新的智慧家庭子系統(tǒng)。