面向自閉癥兒童的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

李妍 楊子倩

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)設(shè)計 自閉癥干預(yù)療法 智能家居 交互技術(shù) 兒童設(shè)計

引言

系統(tǒng)設(shè)計基于使用系統(tǒng)科學(xué)思想和設(shè)計方法對系統(tǒng)進(jìn)行的系統(tǒng)分析。自閉癥是一種發(fā)展障礙疾病，在兒童期治療效果最佳。本文從系統(tǒng)設(shè)計入手，結(jié)合智能家居與現(xiàn)存干預(yù)技術(shù)手段，針對特定人群即自閉癥患兒，提出針對性的系統(tǒng)設(shè)計方法和策略。

一、智能家居系統(tǒng)

（一）研究現(xiàn)狀：智能家居系統(tǒng)在我國發(fā)展速度很快，涉及到的技術(shù)多，功能豐富。它以當(dāng)今日益流行、功能日益強(qiáng)大的手機(jī)、PC機(jī)等終端設(shè)備為基礎(chǔ)，不僅能控制家庭內(nèi)部的電器設(shè)備、窗簾等，還能遠(yuǎn)距離控制家庭外的手機(jī)等，大大提高了家庭內(nèi)電器設(shè)備的安全性和控制力。智能化住區(qū)系統(tǒng)是以住區(qū)為平臺進(jìn)行管理的，它包括互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)等，給人們提供更好的居家環(huán)境，通過網(wǎng)絡(luò)將住區(qū)的各種設(shè)備連接到系統(tǒng)中進(jìn)行管理[1]。

（二）市場現(xiàn)存使用技術(shù)：根據(jù)市場調(diào)研，市場上智能家居產(chǎn)品系統(tǒng)中所用的技術(shù)可分為三個模塊，分別對應(yīng)通信協(xié)議、傳感器和云計算。

1.智能家居產(chǎn)品系統(tǒng)中的通信協(xié)議：智能家居產(chǎn)品比傳統(tǒng)家庭產(chǎn)品增加了通訊和感知功能，被智能家居運(yùn)用的通訊協(xié)議主要有物聯(lián)網(wǎng)、藍(lán)牙、互聯(lián)網(wǎng)等，這幾種手段的使用方法各不相同。zigBee，也就是物聯(lián)網(wǎng)紫蜂技術(shù)是另一種具有低功率和多產(chǎn)品連接優(yōu)勢的連接方式。而設(shè)備的點對點連接可以通過藍(lán)牙協(xié)議來實現(xiàn)，比如使用藍(lán)牙音箱連接手機(jī)來播放音樂。目前互聯(lián)網(wǎng)通信被廣泛應(yīng)用，其特點是傳輸速度快，覆蓋面廣，移動性強(qiáng)，可實現(xiàn)一定規(guī)模的設(shè)備連接方案。

2.智能家居產(chǎn)品系統(tǒng)中的傳感技術(shù)：從感應(yīng)水龍頭到光電鼠標(biāo)，傳感器在智能家居中的使用功能十分強(qiáng)大。它可以通過光感、溫感、聲感等功能直接感知到一個家庭中的聲音、光線、溫度等各種外界因素[2]，甚至可以直接感知得到一些使用者無法檢測得到的信息，如距離傳感器可以感應(yīng)距離，可以感應(yīng)柜體的柜門或是房間的房門打開和關(guān)閉的情況。

3.智能家居產(chǎn)品系統(tǒng)中的云計算：此外，隨著云計算的引入，智能家居的核心早已不再是簡單的互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動。利用數(shù)據(jù)庫和云計算服務(wù)器為基礎(chǔ)，對后臺的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，再將其投入到某智能系統(tǒng)中，可以幫助系統(tǒng)的優(yōu)化升級，為智能家庭提供更方便安全舒適的生活環(huán)境。

（三）技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展突破口

1.現(xiàn)存智能家居技術(shù)的發(fā)展突破口：在家居智能即將或者已經(jīng)成為趨勢的背景下，我們對現(xiàn)有智能交互技術(shù)條件的運(yùn)用需要得到一個新的突破口，將其運(yùn)用在不同性質(zhì)的家居產(chǎn)品當(dāng)中，如表1。

2.人機(jī)互學(xué)習(xí)的過程：除此之外，要想根本實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的突破，要從人機(jī)互學(xué)習(xí)的角度來解決。智能系統(tǒng)的學(xué)習(xí)主要通過分析用戶使用記錄，反饋用戶信息來完成。用戶信息的記錄，其中包括了記錄用戶的生活場景記錄、行為特點等，使產(chǎn)品進(jìn)行自學(xué)習(xí)，從而智能化產(chǎn)品。例如用戶可以在手機(jī)上通過應(yīng)用軟件來查看和音箱對話的使用記錄等，當(dāng)亞馬遜的智能音箱在用戶與其對話完成后，然后通過用戶對每次對話進(jìn)行評估和后臺云計算分析來幫助智能音箱完成機(jī)器學(xué)習(xí)。

同樣，除了系統(tǒng)對用戶需要進(jìn)行學(xué)習(xí)以促使其自身進(jìn)行更新之外，用戶也需要對智能系統(tǒng)及其產(chǎn)品進(jìn)行深度理解。例如產(chǎn)品說明書會幫助用戶使用產(chǎn)品，但它是一種低效的方法，用戶學(xué)習(xí)時間過長。實際上，系統(tǒng)應(yīng)幫助用戶把學(xué)習(xí)的重點放在探索產(chǎn)品用法的過程中，進(jìn)行引導(dǎo)幫助，以完成特定的任務(wù)?？梢酝ㄟ^設(shè)定一系列場景去出發(fā)引導(dǎo)幫助，例如系統(tǒng)會提示用戶還可以使用系統(tǒng)完成排水，當(dāng)用戶在只會使用衛(wèi)浴智能產(chǎn)品排風(fēng)的時候。這種方式會給用戶帶來一定的成收獲感和新鮮感，且能有效規(guī)避學(xué)習(xí)的枯燥乏味，并促使用戶和系統(tǒng)不斷地進(jìn)行互學(xué)習(xí)。

這一相互學(xué)習(xí)的過程在用于治療特殊人群的智能產(chǎn)品交互系統(tǒng)中的作用是巨大的。

二、自閉癥兒童干預(yù)系統(tǒng)

（一）用戶現(xiàn)狀

為了深入了解自閉癥患兒的生活習(xí)慣和行為特征，筆者作為志愿者探訪了玄武區(qū)某特殊兒童學(xué)校，通過簡單的志愿活動與他們進(jìn)行交流，對他們的行為進(jìn)行深入解讀，如圖1、2、3。

在密切接觸與觀察中，筆者將他們的行為分成生理、心理認(rèn)知和社交三類，并分別對應(yīng)克蘭西所編制的14種自閉癥兒童測試的克氏行為量表進(jìn)行歸納，克氏行為量表適用年齡為一歲至五歲兒童，測試需時約十分鐘，總分大于14分即有自閉癥傾向，超過三分之二得分者則確定是自閉癥患兒[3]，如表2。

（二）干預(yù)系統(tǒng)：把兒童成長的環(huán)境劃分為四個部分：微觀系統(tǒng)、中間系統(tǒng)、外部系統(tǒng)和宏觀系統(tǒng)，是布朗芬·布倫納的主要理論[4]。由于人的本質(zhì)是社會關(guān)系的總和[5]，并始終存在于社會生態(tài)系統(tǒng)中，因此這一理論從以上幾個方面提出了各種可能受兒童發(fā)展及其影響的層次和類型的環(huán)境系統(tǒng)。因此為自閉癥兒童的設(shè)計應(yīng)以兒童為中心，充分考量其社會關(guān)系和發(fā)展需求，協(xié)調(diào)患兒家庭、學(xué)校和社會環(huán)境，從宏觀環(huán)境與循環(huán)系統(tǒng)的角度為解決問題提出思路。

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)研和整體研究，干預(yù)治療自閉癥兒童的根源和重點為心理認(rèn)知層面的疏導(dǎo)。因此，在環(huán)境系統(tǒng)的方法論的基礎(chǔ)上，干預(yù)治療自閉癥兒童的關(guān)鍵在于現(xiàn)有交互技術(shù)手段和評估手段。

1.技術(shù)手段：技術(shù)手段是目前治療自閉癥兒童效率最高，效果最好的手段。在市場現(xiàn)有的技術(shù)手段中，多媒體技術(shù)、輔助交流裝置、體感技術(shù)、機(jī)器人等智能技術(shù)逐漸興起。對于智能機(jī)器人的應(yīng)用，以 NAO機(jī)器人為例，如圖4，研究表明，機(jī)器人可以提高患兒專注力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣并提高他們的行為能力[6]。對于體感交互技術(shù)，中國科學(xué)院設(shè)計了一種可穿戴設(shè)備，可以幫助自閉癥兒童感知、理解并對社交距離做出適當(dāng)反應(yīng)通過收集自閉癥兒童的行為數(shù)據(jù)，如圖5;對于多媒體技術(shù)，常常是通過多媒體形式，如圖像、視頻、音頻等單向向兒童傳輸生活常識，如使用平板電腦的 App訓(xùn)練自閉癥兒童的情緒識別能力;對于輔助溝通設(shè)備，可以采用現(xiàn)代輔助溝通技術(shù)干預(yù)自閉癥兒童的語言交流能力，如圖6。

2.評估手段：在自閉癥的系統(tǒng)干預(yù)治療過程中，評估為干預(yù)的進(jìn)程提供了重要保證，也是是進(jìn)行有效干預(yù)的必要先決條件[7]。傳統(tǒng)評估方法受各種不確定因素影響，測試并不準(zhǔn)確。因此，越來越多研究者逐漸開始重視人機(jī)交互技術(shù)在評估方面的應(yīng)用。

同時，定量的分析和評估能夠有效的評判治療的進(jìn)度和有效程度，通過有效的評估，能夠?qū)Σ煌A段的病情進(jìn)行深度解讀。實際上，這一過程恰好對應(yīng)了智能家居系統(tǒng)中的互學(xué)習(xí)階段。因此評估技術(shù)的采集分析可以運(yùn)用在家居環(huán)境或者訓(xùn)練學(xué)校的學(xué)習(xí)環(huán)境中，利用智能技術(shù)和云端數(shù)據(jù)庫進(jìn)行收集分析，為評估的執(zhí)行提供條件。

三、智能家居技術(shù)與系統(tǒng)干預(yù)的結(jié)合

基于以上智能家居系統(tǒng)與干預(yù)治療系統(tǒng)的研究，本課題的結(jié)論將以此為出發(fā)點，主要從患兒的生活環(huán)境方面出發(fā)，提出一種解決問題的系統(tǒng)思路。

（一）干預(yù)治療的技術(shù)系統(tǒng)：現(xiàn)階段單一的產(chǎn)品智能已經(jīng)不能解決現(xiàn)有的家居問題，家居環(huán)境系統(tǒng)需要一套更加完善的循環(huán)流程去實現(xiàn)真正的人機(jī)交互。這套系統(tǒng)基于智能技術(shù)，以交互為手段，因此技術(shù)系統(tǒng)是整套系統(tǒng)的關(guān)鍵。

因此，本論文基于家居智能系統(tǒng)和自閉癥兒童干預(yù)系統(tǒng)，如圖7，總結(jié)歸納了一個總體的技術(shù)系統(tǒng)思路，即識別-評估交互-數(shù)據(jù)庫-場景實踐的循環(huán)系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，結(jié)合虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)和傳感器，采集兒童的面部數(shù)據(jù)以及各項指標(biāo)，通過物聯(lián)網(wǎng)傳遞到云端數(shù)據(jù)庫中，達(dá)到評估這一目的，從而使得患兒的療愈過程有始有終。

根據(jù)自閉癥兒童的克氏行為量表分析，可以將其行為障礙類型分為生理、心理和社交三種類別。結(jié)合交互技術(shù)中的智能識別技術(shù)，利用其中手勢識別去識別患兒的行為、舉止和動作;再利用語音識別去識別患兒的發(fā)音、聲音;最后利用面孔識別技術(shù)中的眼動識別技術(shù)等去判斷患兒的注意力和情緒狀態(tài)，以此為基準(zhǔn)首先對患兒的病癥進(jìn)行初步評估。

在評估過程中，將利用智能家居技術(shù)中的常用技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳導(dǎo)、記錄、計算、統(tǒng)計和分析。除此之外，在識別進(jìn)程結(jié)束后，也可進(jìn)行交互步驟。此步驟主要用于與患兒交流溝通，了解其需求，利用室內(nèi)攝像頭與體感傳感器以及觸控裝置實現(xiàn)智能交互過程。

最終，這些技術(shù)將通過數(shù)據(jù)庫的形式分配到室內(nèi)或是產(chǎn)品中現(xiàn)存的場景方案中進(jìn)行智能選擇，以達(dá)到讓患兒的各類行為通過在不同的虛擬場景進(jìn)行訓(xùn)練，以適應(yīng)現(xiàn)實生活中的各類場景。

這些場景將通過VR和AR技術(shù)，利用穿戴設(shè)備或者智能觸控設(shè)備進(jìn)行實現(xiàn)。而場景中可以對應(yīng)的行為有運(yùn)動、學(xué)習(xí)、吃飯、睡覺、洗漱、娛樂、社交等幾大類，在這些類別中，可以通過擬定不同的主題故事，結(jié)合兒童可以接受的色彩顏色與圖案進(jìn)行情節(jié)的設(shè)計。

最終，根據(jù)患兒在不同場景中的表現(xiàn)情況，通過反饋與步驟循環(huán)，重復(fù)到數(shù)據(jù)庫、評估交互與識別這幾個步驟中，完成智能技術(shù)訓(xùn)練的循環(huán)。

（二）基于技術(shù)的干預(yù)治療家居系統(tǒng)設(shè)計理論：在技術(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，并以布朗芬·布倫納原理為導(dǎo)向，干預(yù)治療自閉癥兒童的過程中，可以歸納這樣一個整體系統(tǒng)。即患兒在社會中的主要生活環(huán)境為家居環(huán)境和訓(xùn)練環(huán)境，而處于這兩個主要環(huán)境中的主要家具有坐具、桌具、柜類家具和床具，他們可以根據(jù)不同的生活空間，這些空間包括客廳或教室、餐廳或食堂、衛(wèi)浴空間、休息私人空間等。根據(jù)不同的空間，這些家具產(chǎn)品可以形成不同的排列組合，并分別對應(yīng)一部分生活場景，根據(jù)場景建立不同的訓(xùn)練手段，如圖8、9。

1.基于家具單品的干預(yù)系統(tǒng)研究：智能家居產(chǎn)品在當(dāng)代具有輕量化的特點[8]，及用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行產(chǎn)品的組合，而不再是一整套以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，無法拆分的系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)干預(yù)治療的必要程度對坐具、桌具、柜類家具和床具進(jìn)行功能和技術(shù)分析，從其產(chǎn)品構(gòu)成和功能特性去分析其設(shè)計要點并結(jié)合技術(shù)系統(tǒng)中的系統(tǒng)需求，如圖10。

通過圖標(biāo)的交叉歸納，可以得出結(jié)論，在識別-評估交互-數(shù)據(jù)庫-場景實踐的這個循環(huán)系統(tǒng)中，對于椅類家具來說，柔軟性、包圍性、可移動性和智能交互性是最重要的幾點元素，可以主要針對解決患兒癥狀中的平衡能力問題、感官靈敏程度、對外反應(yīng)度等方面的問題。如對于桌類家具來說，觸控屏、場景化表達(dá)、智能交互以及可組合性是最重要的元素，可以主要針解決對患兒病癥中的平衡能力、統(tǒng)一性行為、興趣狹隘、無法社交等問題。床類家具中，觸控、傳導(dǎo)、場景化、包圍性是最重要的元素，可以主要針對患兒的平衡能力、感官反應(yīng)能力、對外界反應(yīng)能力、同一性行為等病癥，等等。

在設(shè)計過程中，可以根據(jù)這個圖表對設(shè)計目標(biāo)對象進(jìn)行系統(tǒng)歸納，對這幾點要素進(jìn)行深入探討和研究，如圖11。

在這個基礎(chǔ)上，結(jié)合單體家具，可以根據(jù)家居系統(tǒng)理論中不同的空間，組合不同的家具，找到不同單獨(dú)產(chǎn)品之間的聯(lián)系，從而建立能將他們連接在一起的系統(tǒng)場景，形成不同的組合方式。例如，在客廳，可以組合桌具、椅具和柜類家具。為了充分運(yùn)用在識別-評估交互-數(shù)據(jù)庫-場景實踐的這個循環(huán)系統(tǒng)，在客廳中，可以設(shè)置休閑場景，如和家長玩一個游戲、或獨(dú)自一個人閱讀、或朋友一起看電視、或與朋友聊天的場景。當(dāng)患兒進(jìn)入“與朋友聊天”這個場景時，可能使用到的家具有椅具和桌具，那么干預(yù)功能將主要從這兩個家具本身出發(fā)，從設(shè)定場景開始，整個家居系統(tǒng)將為這個場景服務(wù)。同時，患兒可以利用單獨(dú)家具產(chǎn)品中攜帶的生理恢復(fù)功能進(jìn)行物理鍛煉，如表3。

2.基于室內(nèi)空間的干預(yù)系統(tǒng)研究：更加整體的，則需要對居家空間提出系統(tǒng)性的設(shè)計原則。與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品不同，外部條件和環(huán)境的因素通常會給用戶的需求帶來很大的影響。對于智能家居系統(tǒng)的用戶而言，外部的環(huán)境因素會對其需求發(fā)生很大程度上的影響，而一系列環(huán)境因素會導(dǎo)致其需求發(fā)生變化[9]?；純涸卺t(yī)院所處的環(huán)境大致可以分為住宅、公共培訓(xùn)等環(huán)境。要進(jìn)一步落實識別-評估交互-數(shù)據(jù)庫-場景實踐的這一循環(huán)系統(tǒng)，本文將堅持站在一個宏觀的角度，主張在人機(jī)一環(huán)境系統(tǒng)下發(fā)展過程中去探討如何提升用戶的產(chǎn)品和使用經(jīng)歷，給室內(nèi)空間中的不同部分提供一個系統(tǒng)思路，聯(lián)系室內(nèi)環(huán)境中不同功能的各個空間，如圖12、13。

因此本文在在識別-評估交互-數(shù)據(jù)庫-場景實踐的這個循環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出有關(guān)于干預(yù)空間的系統(tǒng)理論，即具有各自功能的不同空間呈現(xiàn)閉環(huán)的形式圍繞公共空間進(jìn)行組合。在所有變量相同的基礎(chǔ)上，實驗兩種不同的空間組合形式，結(jié)果表明，按照三角環(huán)繞系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的空間組合更加合理，私人休閑空間和衛(wèi)浴或是餐廳這樣的空間到達(dá)公共空間的動線或距離基本一致，且每個空間之間的距離也基本一致，這樣的動線更方便患兒的生活路線以及循環(huán)系統(tǒng)的實施。

3.基于構(gòu)建場景的干預(yù)系統(tǒng)研究：除此之外，場景概念在整體系統(tǒng)的塑造中都有至關(guān)重要的作用。這些系統(tǒng)的實施都需要場景的支持。

在對孤獨(dú)癥兒童的日常訓(xùn)練方面，希臘雅典大學(xué)創(chuàng)造了一個虛構(gòu)的“回家”場景。孤獨(dú)癥兒童可以和虛擬角色互動，學(xué)習(xí)一些基本的日?；顒樱⒃诂F(xiàn)實生活中總結(jié)虛擬環(huán)境的技巧。研究結(jié)果顯示，相對于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能更好地把孤獨(dú)癥兒童的安全技能傳授給他們。在訓(xùn)練自閉癥兒童社會互動能力方面，虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬的真實世界環(huán)境能更有效地幫助患兒將游戲里學(xué)的技能運(yùn)用到生活中。

場景的建立都以用戶的需求為基礎(chǔ)，而不同的情境因素會在各個場景中有不同的影響。以用患兒晚間休息為例，可以對應(yīng)設(shè)置不同的情境，例如休息前的運(yùn)動、睡前故事、游戲、整理等情景。另外，可以賦予場景不同的故事概念和主題，例如森林主題、海洋主題、童話主題、動物主題等，適合兒童參與的故事性話題，能讓患兒更有參與感。

結(jié)語

本文通過對現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)和干預(yù)治療自閉癥兒童的整體系統(tǒng)兩方面的闡述，綜合系統(tǒng)原則，為自閉癥兒童提出一套具有針對性的治療系統(tǒng)，從整體的技術(shù)循環(huán)系統(tǒng)到單獨(dú)家居產(chǎn)品的干預(yù)系統(tǒng)和整體空間的干預(yù)系統(tǒng)，希望從宏觀和整體的角度給這個選題提出建設(shè)性的意見，從系統(tǒng)層面上提出一種可以解決問題的方法論，為日后的設(shè)計提供參考。鑒于自閉癥的特殊性，徹底解決患兒的病情是不現(xiàn)實的，為他們的康復(fù)和生活提出優(yōu)化的方案，是設(shè)計者真正該思考的問題，而這個主題的深入討論和思考也將一直延續(xù)。