多維動(dòng)態(tài)創(chuàng)新模型的高校智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探究

徐亞平 韓建軍 孟君

摘要：隨著高校學(xué)生規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，需要提供滿(mǎn)足學(xué)生實(shí)驗(yàn)的環(huán)境場(chǎng)所，開(kāi)發(fā)智能教育實(shí)驗(yàn)室可以以較小的代價(jià)改善這些服務(wù)。文章以高校智慧實(shí)驗(yàn)室為例，依托多維動(dòng)態(tài)創(chuàng)新模型，概述了開(kāi)發(fā)此類(lèi)環(huán)境背后的驅(qū)動(dòng)因素，并詳細(xì)介紹了它們可能存在的不同方式，凝練在建立智能生活環(huán)境中的初步經(jīng)驗(yàn)，以開(kāi)發(fā)輔助技術(shù)來(lái)支持獨(dú)立生活的決策。

關(guān)鍵字：智能環(huán)境;ADL;多維動(dòng)態(tài)創(chuàng)新模型;信息管理

中圖分類(lèi)號(hào)：TP308 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）02-0149-05

0引言

隨著人口規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，人們需要提供獨(dú)立生活環(huán)境的數(shù)量不斷增加，與此同時(shí)，適齡大學(xué)生的數(shù)量也逐漸增加。盡管在過(guò)去的二十年中技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，尤其是在信息和通信技術(shù)（ICT）領(lǐng)域，但是將技術(shù)映射到特定的用戶(hù)需求并實(shí)際提供解決方案仍然是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)最終用戶(hù)的價(jià)值?？紤]到這一點(diǎn)，可以考慮技術(shù)進(jìn)步與輔助技術(shù)解決方案的交付之間的關(guān)系不是線(xiàn)性關(guān)系的，前者的進(jìn)步在很大程度上取代了后者。造成這種情況的一個(gè)可能原因可能是難以引起用戶(hù)需求，隨后難以將其轉(zhuǎn)化為可操作的技術(shù)解決方案。人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到，缺乏對(duì)新技術(shù)的接受的主要原因是在設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)和評(píng)估過(guò)程中缺乏用戶(hù)輸入。然而，還應(yīng)理解，如果用戶(hù)不是他們正常生活中任何形式的技術(shù)的頻繁用戶(hù)，則用戶(hù)可能難以描述他們希望技術(shù)如何運(yùn)行。然后，挑戰(zhàn)就變成了將對(duì)用戶(hù)需求的理解以及用戶(hù)的“感知”需求映射到一種技術(shù)解決方案中，這確實(shí)會(huì)增加收益。因此，正在改變創(chuàng)建新輔助技術(shù)的開(kāi)發(fā)周期，以考慮所有這些因素，并促進(jìn)用戶(hù)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的新范例。

一般來(lái)說(shuō)，解決問(wèn)題的環(huán)境可以分為3類(lèi)：①基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，是學(xué)術(shù)研究的環(huán)境，位于學(xué)校、研究或工業(yè)機(jī)構(gòu)內(nèi);②專(zhuān)門(mén)的智能家居;③智慧生活環(huán)境。任何從事輔助技術(shù)開(kāi)發(fā)的機(jī)構(gòu)都有可能建立某種形式的內(nèi)部測(cè)試和評(píng)估環(huán)境。從實(shí)驗(yàn)室的一部分到在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中建立類(lèi)似房間的環(huán)境，其范圍可能很大。在這些環(huán)境中，通常會(huì)看到較高的技術(shù)開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新水平，而用戶(hù)評(píng)估的水平可能較低。對(duì)于第二類(lèi)，即專(zhuān)用智能家居，存在許多著名的例子。這些提供了基于核心IcT和基于工程的主題（例如網(wǎng)絡(luò)，家庭自動(dòng)化設(shè)備和傳感技術(shù)）開(kāi)發(fā)和評(píng)估各種形式的技術(shù)的能力。在美國(guó)，許多研究小組已經(jīng)建立了專(zhuān)用的智能家居資源，以支持他們正在進(jìn)行的研發(fā)工作。在這種環(huán)境下的研究工作集中于開(kāi)發(fā)解決方案，以通過(guò)使用普及的計(jì)算技術(shù)來(lái)最大化家庭中人們的獨(dú)立性。本文旨在介紹建立可以開(kāi)發(fā)針對(duì)日益增加學(xué)生的高校智慧實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，具體而言，將從工程的角度概述多學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)的感知需求，開(kāi)展工作的物理環(huán)境以及現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的概述。

1多維動(dòng)態(tài)創(chuàng)新模型

本文設(shè)計(jì)和建立智能實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)力來(lái)自于支持獨(dú)立學(xué)習(xí)的技術(shù)領(lǐng)域的持續(xù)研究，以促進(jìn)和維持高校學(xué)生的獨(dú)立性和幸福感。這將通過(guò)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新技術(shù)和基于自主學(xué)習(xí)的綜合方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們的參與旨在為輔助技術(shù)的開(kāi)發(fā)和評(píng)估，智能感測(cè)環(huán)境以及所收集數(shù)據(jù)的分析提供支持。參與項(xiàng)目為建立基于實(shí)驗(yàn)室的智能環(huán)境提供了一種手段（在適度的預(yù)算限制內(nèi)），可以將其用作在實(shí)際生活環(huán)境中部署技術(shù)解決方案之前對(duì)其進(jìn)行評(píng)估的資源。智能實(shí)驗(yàn)室的布局應(yīng)代表房屋的布局，這將在“雛鳥(niǎo)技術(shù)倡議”的背景下進(jìn)行開(kāi)發(fā)。以下幾節(jié)旨在提供與該過(guò)程中涉及的人員，我們的智能實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)，如何構(gòu)建以及已安裝的基本技術(shù)有關(guān)的更多詳細(xì)信息。

在當(dāng)前的工作中，旨在建立一個(gè)基于多維動(dòng)態(tài)創(chuàng)新模型的環(huán)境，該環(huán)境可用于支持技術(shù)開(kāi)發(fā)和評(píng)估新形式的輔助技術(shù)。到目前為止，已經(jīng)從工程角度解決了這個(gè)問(wèn)題，圖1為視圖封裝。

從多維動(dòng)態(tài)創(chuàng)新模型角度出發(fā)，但是要支持智能環(huán)境中輔助技術(shù)的設(shè)計(jì)和正在進(jìn)行的研究，需要一支跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)。圖2概述了團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)，每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員在整個(gè)過(guò)程中都扮演著關(guān)鍵角色：

1）技術(shù)組件：主要從事數(shù)據(jù)管理的計(jì)算機(jī)科學(xué)家以及人工智能和軟件工程師組成。技術(shù)團(tuán)隊(duì)的作用是根據(jù)工程和計(jì)算技術(shù)的最新進(jìn)展，了解用戶(hù)需求并開(kāi)發(fā)新的和新興的解決方案和產(chǎn)品。（盡管這項(xiàng)工作是從工程學(xué)的角度出發(fā)的，但是，該團(tuán)隊(duì)的所有其他多學(xué)科要素不斷地為之提供信息和支持，這一點(diǎn)是創(chuàng)新）。

2）社會(huì)科學(xué)家：在輔助技術(shù)的開(kāi)發(fā)周期中，社會(huì)科學(xué)家的角色越來(lái)越受歡迎。這些研究人員具有設(shè)計(jì)原型開(kāi)發(fā)初始階段所需的技能，除了規(guī)劃評(píng)估和評(píng)估原型解決方案的使用情況外，還能提出用戶(hù)需求。

3）職業(yè)理療師：這些研究人員有能力通過(guò)與實(shí)際最終用戶(hù)合作的“動(dòng)手”經(jīng)驗(yàn)提供支持，并在基于實(shí)際社區(qū)的環(huán)境中滿(mǎn)足他們的需求，從而支持設(shè)計(jì)和評(píng)估過(guò)程。

4）技術(shù)轉(zhuǎn)讓員：接觸知識(shí)淵博的知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理人員并與工業(yè)團(tuán)體合作以促進(jìn)潛在合作關(guān)系的建立是有益的，以便將任何基于研究的開(kāi)發(fā)成果商業(yè)化。

5）客座研究員：為了改善實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的文化體驗(yàn)并促進(jìn)新知識(shí)和技能的交流，在研究生涯的早期和發(fā)達(dá)階段，為短期訪(fǎng)問(wèn)研究人員提供許多好處。

6）研究人員：研究人員，無(wú)論是研究生研究學(xué)生還是與特定研究項(xiàng)目相關(guān)的研究人員，都可以視為整個(gè)過(guò)程的基石，并且每天進(jìn)行從設(shè)計(jì)到開(kāi)發(fā)再到用戶(hù)評(píng)估過(guò)程的所有研究要素。

為了建立的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，翻新了學(xué)?，F(xiàn)有研究實(shí)驗(yàn)室。房間是矩形的，面積大小為110m²。最初的想法是翻新整個(gè)空間，這樣做是為了減少可用的基于桌面的研究區(qū)域30%，而將其替換為定制的智能環(huán)境。雀巢技術(shù)項(xiàng)目中將要建立的住房環(huán)境是單層，兩居室公寓，并具有統(tǒng)一的用餐和客廳環(huán)境。在考慮對(duì)ADL進(jìn)行評(píng)估時(shí)，可以在這兩個(gè)環(huán)境中評(píng)估大約75%的遠(yuǎn)程監(jiān)控對(duì)象。因此，本文制定了計(jì)劃，以創(chuàng)建一個(gè)廚房區(qū)域以及一個(gè)起居傭餐區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的面積為17m²，其余的76m²用于基于桌面的研究。與專(zhuān)業(yè)辦公室設(shè)計(jì)師一起，重新設(shè)計(jì)了基于桌面的環(huán)境的布局，以?xún)?yōu)化研究人員用于工作和存儲(chǔ)的單個(gè)空間量，以便利于十個(gè)單獨(dú)的工作空間以及一個(gè)中等大小的會(huì)議空間。

翻新工程被認(rèn)為是半永久性的，新建造的墻壁是木質(zhì)的，并且是單釘?shù)?。?duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了重新布線(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)每間客房12個(gè)插座以及每個(gè)房間4個(gè)連接點(diǎn)的高速網(wǎng)絡(luò)連接（100Mbs LAN）的市電（220V，50Hz）的最佳接入。在距地面約2m處的墻壁周?chē)€安裝了一條外部導(dǎo)管，以允許對(duì)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的重新安裝，并且還易于訪(fǎng)問(wèn)主電源和電纜網(wǎng)絡(luò)連接。

2智慧實(shí)驗(yàn)室核心技術(shù)

2.1云計(jì)算

云計(jì)算是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的技術(shù)。它提供了一種虛擬化的動(dòng)態(tài)資源分配方法，并且通過(guò)不斷調(diào)整資源分配，它成為用戶(hù)所需的最佳程序。云計(jì)算可以幫助用戶(hù)體驗(yàn)每秒數(shù)千次的運(yùn)行速度，并且可以用來(lái)模擬需要大量計(jì)算的結(jié)論。例如，核爆炸，氣候變化和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。云計(jì)算通常在許多計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，但傳統(tǒng)上不是一臺(tái)計(jì)算機(jī)或傳統(tǒng)服務(wù)商。在智慧園區(qū)建設(shè)過(guò)程中，由于數(shù)據(jù)量大，響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，需要云計(jì)算來(lái)提供良好的用戶(hù)體驗(yàn)。

2.2物聯(lián)網(wǎng)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展和傳播，物聯(lián)網(wǎng)扮演著相當(dāng)重要的角色。通過(guò)傳感技術(shù)，識(shí)別技術(shù)和通信技術(shù)，它被廣泛用于網(wǎng)絡(luò)集成中。在智慧園區(qū)的發(fā)展中，傳統(tǒng)的設(shè)備和資源可以結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)程管理控制和智能網(wǎng)絡(luò)。如果應(yīng)用于食堂，圖書(shū)館或宿舍，它可以對(duì)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理。

2.3大數(shù)據(jù)

在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的幾十年中，數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。尤其是近年來(lái)，隨著云計(jì)算時(shí)代的到來(lái)，從企業(yè)的角度來(lái)看，如果我們需要為用戶(hù)提供更好的體驗(yàn)，就應(yīng)該使用智能計(jì)算。但是，智能計(jì)算需要大量以前的數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)通常是指未經(jīng)處理且沒(méi)有明顯法律的數(shù)據(jù)。而且，不能在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)常規(guī)方法或工具來(lái)收集或管理它。大數(shù)據(jù)的意義不在于其數(shù)據(jù)量，而是從大量數(shù)據(jù)（即數(shù)據(jù)處理）中吸引有意義的數(shù)據(jù)。在建設(shè)智慧校園的過(guò)程中，應(yīng)從大量歷史數(shù)據(jù)中提取有效數(shù)據(jù)，建立模型，為學(xué)校的決策提供有利的技術(shù)保障。大數(shù)據(jù)與云計(jì)算緊密相連。因?yàn)榇髷?shù)據(jù)不能由單個(gè)計(jì)算機(jī)或服務(wù)商處理，所以我們必須利用云計(jì)算來(lái)處理分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和云存儲(chǔ)。

2.4移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

近五年來(lái)，移動(dòng)通信技術(shù)得到了快速發(fā)展。如今，諸如智能手機(jī)之類(lèi)的設(shè)備可以完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)完成的大部分任務(wù)。在建設(shè)智慧校園時(shí)，移動(dòng)通信和學(xué)校信息管理的結(jié)合可以幫助師生隨時(shí)訪(fǎng)問(wèn)校園網(wǎng)絡(luò)。因此，可以獲取和管理網(wǎng)絡(luò)信息，從而為靈活開(kāi)展學(xué)術(shù)活動(dòng)提供了基本條件。

3實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

隨著環(huán)境的翻新，技術(shù)安裝的完成以及多學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)的到位，實(shí)驗(yàn)方面的最初目標(biāo)是進(jìn)行一系列簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證智能實(shí)驗(yàn)室的概念，此外還建立了用于未來(lái)的數(shù)據(jù)分析。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)側(cè)重于“準(zhǔn)備簡(jiǎn)單的飲料”的ADL。在此活動(dòng)中，可以監(jiān)視每一個(gè)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生行為并評(píng)估他們準(zhǔn)備冷飲還是熱飲。如果是后者，則可以將其進(jìn)一步分類(lèi)，以確定飲料是茶還是咖啡。考慮到這一點(diǎn)，確定了每種飲料的制備所涉及的必要階段，并將它們映射到傳感器陣列上，這將需要監(jiān)視所有活動(dòng)以區(qū)分實(shí)際執(zhí)行的活動(dòng)。表1提供了這七個(gè)傳感器的詳細(xì)信息，該傳感器在此實(shí)驗(yàn)中需要用來(lái)評(píng)估制備簡(jiǎn)單飲料的ADL。根據(jù)準(zhǔn)備的飲料，僅需要傳感器激活的特定子集。例如，當(dāng)準(zhǔn)備冷飲時(shí)，水壺傳感器將不會(huì)被激活。作為另一個(gè)示例，在準(zhǔn)備茶或咖啡糖時(shí)，可以添加或不添加糖，但是水壺傳感器將被激活，并指示已將熱水添加到杯子中。

每次激活傳感器時(shí)，都會(huì)發(fā)送其ID和時(shí)間戳，然后將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中以供將來(lái)分析。為了協(xié)助將來(lái)的實(shí)驗(yàn)，除了與研究社區(qū)內(nèi)的其他人公開(kāi)共享這些數(shù)據(jù)外，此外還開(kāi)發(fā)了一種基于XML的架構(gòu)來(lái)封裝所有信息。這種模式稱(chēng)為homeML，可用于存儲(chǔ)和交換在智能環(huán)境中記錄的信息。希望通過(guò)采用這種方法，可以克服智能環(huán)境中記錄的數(shù)據(jù)的異質(zhì)性。另外，考慮到這種方法基于XML的本質(zhì)，數(shù)據(jù)表示變得獨(dú)立于系統(tǒng)/應(yīng)用程序，格式。

0（可選）：表示在準(zhǔn)備給定飲料類(lèi)型時(shí)傳感器可能會(huì)激活，也可能不會(huì)激活，例如某個(gè)人可能不希望在咖啡中加糖。M（必選）：表示制作特定飲料時(shí)需要激活給定的傳感器，而N（非必需）表示制作特定飲料時(shí)不需要激活該傳感器。

如上所述的實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行了4個(gè)星期。在這段時(shí)間內(nèi)，總共拍攝了58張錄音。每個(gè)記錄都包括所有活動(dòng)的記錄，例如準(zhǔn)備簡(jiǎn)單飲料的過(guò)程，以及每個(gè)傳感器激活之間所花費(fèi)的時(shí)間。為了支持?jǐn)?shù)據(jù)分析，建立了一個(gè)信息管理框架。該框架的目的是處理從傳感器記錄的信息，并逐案識(shí)別該人準(zhǔn)備的是冷飲還是熱飲，如果是熱飲則是茶還是咖啡。該框架基于能夠管理信息及其潛在不確定性的混合方法。最值得注意的是，所使用的方法是Dempster-Shafer證據(jù)理論和等加權(quán)和算子。這項(xiàng)工作從理論的角度顯示了在結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)評(píng)估ADL時(shí)不確定性的影響。

在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了智慧實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用系統(tǒng)，主要包括：

1）教學(xué)系統(tǒng)：該教學(xué)系統(tǒng)包括教學(xué)資源系統(tǒng)和教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)。在不斷發(fā)展的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室積累了大量的數(shù)字資源，這些數(shù)字資源構(gòu)成了教學(xué)資源系統(tǒng)，不僅為教師備課提供了資源，也為學(xué)生查閱文獻(xiàn)提供了方便。

2）科研體系：科學(xué)研究系統(tǒng)有利于師生跟隨科學(xué)研究動(dòng)態(tài)，從而使研究更加輕松和高效。同時(shí)，由于可以一鍵完成填寫(xiě)表格之類(lèi)的重復(fù)任務(wù)，因此教師在申請(qǐng)項(xiàng)目時(shí)會(huì)更加方便。此外，實(shí)驗(yàn)室管理將更加方便，因?yàn)槠涫聞?wù)管理系統(tǒng)將有效地跟蹤項(xiàng)目。

3）評(píng)估與決策系統(tǒng)：評(píng)估和決策系統(tǒng)的功能包括：教師評(píng)估學(xué)生的在線(xiàn)學(xué)習(xí)，評(píng)估教師的教學(xué)質(zhì)量的學(xué)生以及評(píng)估教學(xué)過(guò)程的師生。學(xué)?？梢詤⒖荚u(píng)估結(jié)果，做出相應(yīng)的教學(xué)調(diào)整，做出正確的決定，提高教學(xué)質(zhì)量。

4）人力資源系統(tǒng)：人力資源系統(tǒng)主要包括人力資源檔案管理，教職工管理，工資管理和考勤管理。有效地規(guī)劃和調(diào)整學(xué)校的人力資源可以促進(jìn)大學(xué)的發(fā)展。

4結(jié)語(yǔ)

文章介紹了建立智能實(shí)驗(yàn)室環(huán)境以支持大學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)輔助技術(shù)發(fā)展方面所做努力的細(xì)節(jié)，并以此為拓展對(duì)研究進(jìn)行了分類(lèi)，不僅介紹了當(dāng)前所處環(huán)境的技術(shù)細(xì)節(jié)，而且還介紹了高校智慧實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的首次實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)，所記錄數(shù)據(jù)的處理以及基于現(xiàn)在可以反思迄今為止的經(jīng)驗(yàn)。

從工程角度來(lái)看，本文研究重點(diǎn)現(xiàn)在由兩個(gè)主要目標(biāo)驅(qū)動(dòng)。首先，介紹的傳感器可靠性評(píng)估方面進(jìn)一步開(kāi)展工作。傳感器故障很可能會(huì)在實(shí)際環(huán)境中發(fā)生，因此確定數(shù)據(jù)處理變得不可靠的閾值，因而認(rèn)為環(huán)境不安全，無(wú)法以自主方式進(jìn)行操作。第二，依托多維動(dòng)態(tài)創(chuàng)新模型創(chuàng)造一個(gè)新的高校智慧實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，可以在研究社區(qū)內(nèi)共享和交換數(shù)據(jù)，這主要是通過(guò)使用homeML架構(gòu)來(lái)推動(dòng)的，并以此為基礎(chǔ)并創(chuàng)建更多的存儲(chǔ)庫(kù)，以交換和存儲(chǔ)規(guī)則，學(xué)習(xí)資料和用戶(hù)界面設(shè)計(jì)。同時(shí)本文綜合考慮工作的多學(xué)科性質(zhì)，并將用戶(hù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的概念納入輔助技術(shù)的開(kāi)發(fā)中，作為其固有組成部分。目前，這是通過(guò)許多正在進(jìn)行的研究項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的，但是，隨著從實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的技術(shù)開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向社區(qū)內(nèi)的解決方案評(píng)估，因而希望這種用戶(hù)在短期內(nèi)會(huì)有所提高參與程度。