面向自閉癥兒童的智能家居系統設計

李妍 楊子倩

關鍵詞：系統設計 自閉癥干預療法 智能家居 交互技術 兒童設計

引言

系統設計基于使用系統科學思想和設計方法對系統進行的系統分析。自閉癥是一種發展障礙疾病，在兒童期治療效果最佳。本文從系統設計入手，結合智能家居與現存干預技術手段，針對特定人群即自閉癥患兒，提出針對性的系統設計方法和策略。

一、智能家居系統

（一）研究現狀：智能家居系統在我國發展速度很快，涉及到的技術多，功能豐富。它以當今日益流行、功能日益強大的手機、PC機等終端設備為基礎，不僅能控制家庭內部的電器設備、窗簾等，還能遠距離控制家庭外的手機等，大大提高了家庭內電器設備的安全性和控制力。智能化住區系統是以住區為平臺進行管理的，它包括互聯網技術、計算機技術、通訊技術等，給人們提供更好的居家環境，通過網絡將住區的各種設備連接到系統中進行管理[1]。

（二）市場現存使用技術：根據市場調研，市場上智能家居產品系統中所用的技術可分為三個模塊，分別對應通信協議、傳感器和云計算。

1.智能家居產品系統中的通信協議：智能家居產品比傳統家庭產品增加了通訊和感知功能，被智能家居運用的通訊協議主要有物聯網、藍牙、互聯網等，這幾種手段的使用方法各不相同。zigBee，也就是物聯網紫蜂技術是另一種具有低功率和多產品連接優勢的連接方式。而設備的點對點連接可以通過藍牙協議來實現，比如使用藍牙音箱連接手機來播放音樂。目前互聯網通信被廣泛應用，其特點是傳輸速度快，覆蓋面廣，移動性強，可實現一定規模的設備連接方案。

2.智能家居產品系統中的傳感技術：從感應水龍頭到光電鼠標，傳感器在智能家居中的使用功能十分強大。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距離，可以感應柜體的柜門或是房間的房門打開和關閉的情況。

3.智能家居產品系統中的云計算：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網聯動。利用數據庫和云計算服務器為基礎，對后臺的數據進行處理分析，再將其投入到某智能系統中，可以幫助系統的優化升級，為智能家庭提供更方便安全舒適的生活環境。

（三）技術系統發展突破口

1.現存智能家居技術的發展突破口：在家居智能即將或者已經成為趨勢的背景下，我們對現有智能交互技術條件的運用需要得到一個新的突破口，將其運用在不同性質的家居產品當中，如表1。

2.人機互學習的過程：除此之外，要想根本實現智能家居系統的突破，要從人機互學習的角度來解決。智能系統的學習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，使產品進行自學習，從而智能化產品。例如用戶可以在手機上通過應用軟件來查看和音箱對話的使用記錄等，當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行評估和后臺云計算分析來幫助智能音箱完成機器學習。

同樣，除了系統對用戶需要進行學習以促使其自身進行更新之外，用戶也需要對智能系統及其產品進行深度理解。例如產品說明書會幫助用戶使用產品，但它是一種低效的方法，用戶學習時間過長。實際上，系統應幫助用戶把學習的重點放在探索產品用法的過程中，進行引導幫助，以完成特定的任務。可以通過設定一系列場景去出發引導幫助，例如系統會提示用戶還可以使用系統完成排水，當用戶在只會使用衛浴智能產品排風的時候。這種方式會給用戶帶來一定的成收獲感和新鮮感，且能有效規避學習的枯燥乏味，并促使用戶和系統不斷地進行互學習。

這一相互學習的過程在用于治療特殊人群的智能產品交互系統中的作用是巨大的。

二、自閉癥兒童干預系統

（一）用戶現狀

為了深入了解自閉癥患兒的生活習慣和行為特征，筆者作為志愿者探訪了玄武區某特殊兒童學校，通過簡單的志愿活動與他們進行交流，對他們的行為進行深入解讀，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、心理認知和社交三類，并分別對應克蘭西所編制的14種自閉癥兒童測試的克氏行為量表進行歸納，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）干預系統：把兒童成長的環境劃分為四個部分：微觀系統、中間系統、外部系統和宏觀系統，是布朗芬·布倫納的主要理論[4]。由于人的本質是社會關系的總和[5]，并始終存在于社會生態系統中，因此這一理論從以上幾個方面提出了各種可能受兒童發展及其影響的層次和類型的環境系統。因此為自閉癥兒童的設計應以兒童為中心，充分考量其社會關系和發展需求，協調患兒家庭、學校和社會環境，從宏觀環境與循環系統的角度為解決問題提出思路。

根據現狀調研和整體研究，干預治療自閉癥兒童的根源和重點為心理認知層面的疏導。因此，在環境系統的方法論的基礎上，干預治療自閉癥兒童的關鍵在于現有交互技術手段和評估手段。

1.技術手段：技術手段是目前治療自閉癥兒童效率最高，效果最好的手段。在市場現有的技術手段中，多媒體技術、輔助交流裝置、體感技術、機器人等智能技術逐漸興起。對于智能機器人的應用，以 NAO機器人為例，如圖4，研究表明，機器人可以提高患兒專注力，激發學習興趣并提高他們的行為能力[6]。對于體感交互技術，中國科學院設計了一種可穿戴設備，可以幫助自閉癥兒童感知、理解并對社交距離做出適當反應通過收集自閉癥兒童的行為數據，如圖5;對于多媒體技術，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訓練自閉癥兒童的情緒識別能力;對于輔助溝通設備，可以采用現代輔助溝通技術干預自閉癥兒童的語言交流能力，如圖6。

2.評估手段：在自閉癥的系統干預治療過程中，評估為干預的進程提供了重要保證，也是是進行有效干預的必要先決條件[7]。傳統評估方法受各種不確定因素影響，測試并不準確。因此，越來越多研究者逐漸開始重視人機交互技術在評估方面的應用。

同時，定量的分析和評估能夠有效的評判治療的進度和有效程度，通過有效的評估，能夠對不同階段的病情進行深度解讀。實際上，這一過程恰好對應了智能家居系統中的互學習階段。因此評估技術的采集分析可以運用在家居環境或者訓練學校的學習環境中，利用智能技術和云端數據庫進行收集分析，為評估的執行提供條件。

三、智能家居技術與系統干預的結合

基于以上智能家居系統與干預治療系統的研究，本課題的結論將以此為出發點，主要從患兒的生活環境方面出發，提出一種解決問題的系統思路。

（一）干預治療的技術系統：現階段單一的產品智能已經不能解決現有的家居問題，家居環境系統需要一套更加完善的循環流程去實現真正的人機交互。這套系統基于智能技術，以交互為手段，因此技術系統是整套系統的關鍵。

因此，本論文基于家居智能系統和自閉癥兒童干預系統，如圖7，總結歸納了一個總體的技術系統思路，即識別-評估交互-數據庫-場景實踐的循環系統。在這個系統中，結合虛擬現實VR技術和傳感器，采集兒童的面部數據以及各項指標，通過物聯網傳遞到云端數據庫中，達到評估這一目的，從而使得患兒的療愈過程有始有終。

根據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。結合交互技術中的智能識別技術，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音、聲音;最后利用面孔識別技術中的眼動識別技術等去判斷患兒的注意力和情緒狀態，以此為基準首先對患兒的病癥進行初步評估。

在評估過程中，將利用智能家居技術中的常用技術，互聯網技術進行數據的傳導、記錄、計算、統計和分析。除此之外，在識別進程結束后，也可進行交互步驟。此步驟主要用于與患兒交流溝通，了解其需求，利用室內攝像頭與體感傳感器以及觸控裝置實現智能交互過程。

最終，這些技術將通過數據庫的形式分配到室內或是產品中現存的場景方案中進行智能選擇，以達到讓患兒的各類行為通過在不同的虛擬場景進行訓練，以適應現實生活中的各類場景。

這些場景將通過VR和AR技術，利用穿戴設備或者智能觸控設備進行實現。而場景中可以對應的行為有運動、學習、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，結合兒童可以接受的色彩顏色與圖案進行情節的設計。

最終，根據患兒在不同場景中的表現情況，通過反饋與步驟循環，重復到數據庫、評估交互與識別這幾個步驟中，完成智能技術訓練的循環。

（二）基于技術的干預治療家居系統設計理論：在技術系統的基礎上，并以布朗芬·布倫納原理為導向，干預治療自閉癥兒童的過程中，可以歸納這樣一個整體系統。即患兒在社會中的主要生活環境為家居環境和訓練環境，而處于這兩個主要環境中的主要家具有坐具、桌具、柜類家具和床具，他們可以根據不同的生活空間，這些空間包括客廳或教室、餐廳或食堂、衛浴空間、休息私人空間等。根據不同的空間，這些家具產品可以形成不同的排列組合，并分別對應一部分生活場景，根據場景建立不同的訓練手段，如圖8、9。

1.基于家具單品的干預系統研究：智能家居產品在當代具有輕量化的特點[8]，及用戶可以根據自己的需求進行產品的組合，而不再是一整套以互聯網為基礎，無法拆分的系統。在此基礎上，根據干預治療的必要程度對坐具、桌具、柜類家具和床具進行功能和技術分析，從其產品構成和功能特性去分析其設計要點并結合技術系統中的系統需求，如圖10。

通過圖標的交叉歸納，可以得出結論，在識別-評估交互-數據庫-場景實踐的這個循環系統中，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、對外反應度等方面的問題。如對于桌類家具來說，觸控屏、場景化表達、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、統一性行為、興趣狹隘、無法社交等問題。床類家具中，觸控、傳導、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、感官反應能力、對外界反應能力、同一性行為等病癥，等等。

在設計過程中，可以根據這個圖表對設計目標對象進行系統歸納，對這幾點要素進行深入探討和研究，如圖11。

在這個基礎上，結合單體家具，可以根據家居系統理論中不同的空間，組合不同的家具，找到不同單獨產品之間的聯系，從而建立能將他們連接在一起的系統場景，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。為了充分運用在識別-評估交互-數據庫-場景實踐的這個循環系統，在客廳中，可以設置休閑場景，如和家長玩一個游戲、或獨自一個人閱讀、或朋友一起看電視、或與朋友聊天的場景。當患兒進入“與朋友聊天”這個場景時，可能使用到的家具有椅具和桌具，那么干預功能將主要從這兩個家具本身出發，從設定場景開始，整個家居系統將為這個場景服務。同時，患兒可以利用單獨家具產品中攜帶的生理恢復功能進行物理鍛煉，如表3。

2.基于室內空間的干預系統研究：更加整體的，則需要對居家空間提出系統性的設計原則。與傳統互聯網產品不同，外部條件和環境的因素通常會給用戶的需求帶來很大的影響。對于智能家居系統的用戶而言，外部的環境因素會對其需求發生很大程度上的影響，而一系列環境因素會導致其需求發生變化[9]。患兒在醫院所處的環境大致可以分為住宅、公共培訓等環境。要進一步落實識別-評估交互-數據庫-場景實踐的這一循環系統，本文將堅持站在一個宏觀的角度，主張在人機一環境系統下發展過程中去探討如何提升用戶的產品和使用經歷，給室內空間中的不同部分提供一個系統思路，聯系室內環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-數據庫-場景實踐的這個循環系統的基礎上，提出有關于干預空間的系統理論，即具有各自功能的不同空間呈現閉環的形式圍繞公共空間進行組合。在所有變量相同的基礎上，實驗兩種不同的空間組合形式，結果表明，按照三角環繞系統進行設計的空間組合更加合理，私人休閑空間和衛浴或是餐廳這樣的空間到達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系統的實施。

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

在對孤獨癥兒童的日常訓練方面，希臘雅典大學創造了一個虛構的“回家”場景。孤獨癥兒童可以和虛擬角色互動，學習一些基本的日常活動，并在現實生活中總結虛擬環境的技巧。研究結果顯示，相對于傳統的教學方式，使用虛擬現實技術能更好地把孤獨癥兒童的安全技能傳授給他們。在訓練自閉癥兒童社會互動能力方面，虛擬現實技術模擬的真實世界環境能更有效地幫助患兒將游戲里學的技能運用到生活中。

場景的建立都以用戶的需求為基礎，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，可以對應設置不同的情境，例如休息前的運動、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。

結語

本文通過對現代智能家居系統和干預治療自閉癥兒童的整體系統兩方面的闡述，綜合系統原則，為自閉癥兒童提出一套具有針對性的治療系統，從整體的技術循環系統到單獨家居產品的干預系統和整體空間的干預系統，希望從宏觀和整體的角度給這個選題提出建設性的意見，從系統層面上提出一種可以解決問題的方法論，為日后的設計提供參考。鑒于自閉癥的特殊性，徹底解決患兒的病情是不現實的，為他們的康復和生活提出優化的方案，是設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。