基于CPS的智慧家庭系统设计研究

叶根军　何波　叶帅兵

摘要：为了将家庭生活中的日常行为信息和各种家电、家居产品深度融合，构建出更符合用户需求、提升生活质量的服务系统。本文以客厅娱乐系统中的电视机产品为载体，研究了电视行业的竞争现状，电视机产品的互联网化趋势、用户黏性、系统的概念设计与产品开发等问题。通过洞悉用户在客厅内的娱乐行为特征，结合信息物理融合理论，开发了相应的系统功能。结论通过用户测试发现，系统的功能有效地提升了用户的使用体验和满意度，具有较好的市场前景。

关键词：信息物理融合系统 智慧家庭 客厅娱乐系统 智能电视

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2018）10-0123-03

前言

电视机产品的发展经历了电脑化、智能化、内容扁平化和互联网化四个主要阶段。当前正处于第四个阶段，其特点是“价值闭环与系统设计”，不是单一关注于电视机硬件或是其控制软件的设计，而是注重于电视机硬件、软件、电视内容与生活信息、多重身份的用户共同组成的信息物理融合系统（Cyber Physical System，CPS）的设计。

伴随着传感器监控以及无线通信等技术的发展，加快了计算过程、物理过程和通信过程的高度集成化。通过在物理过程中不断加强感知控制、计算和通信等能力，可实现物理设备的信息化和网络化，从而产生集计算、通信和控制为一体的信息物理融合系统（Cyber Physical Systems，CPS），其核心是3C（Computation、Communication、Control）的融合（如图1）。

从CPS的角度分析，电视产品的创新涉及到终端硬件（物理对象）、媒体内容（信息对象）、用户体验（人-系统交互）、产品生态（软硬件的系统架构、内容和相关社会因素）等多方面的因素。以CPS的架构和设计理念规划电视机产品乃至家庭内所有电器电子产品的开发是大势所趋。

一、CPS在智慧家庭领域的应用研究

（一）智慧家庭中的人机交互技术

智慧家庭系统本质上是一种信息物理融合系统，随着智能终端和信息技术迅速发展，人也成为了智慧家庭系统的一部分，人的行为会影响系统的运行行为，拓展之后甚至包括家庭环境中的植物和动物。这也更进一步体现了CPS组成部分的多维度、多尺度、异质性等特点。

由于图像技术本身的不受影响和丰富性，它是智慧家庭系统中使用最多的数据采集技术。例如Henry Tan and De Silva和Tan et al提出了一种利用移动数据探测识别人类行为的技术，智能环境是此类行为探测技术最为直接的应用领域。基于图像传感器的探测方法也存在一些缺陷。例如，无法覆盖整个房间、由于遮蔽而无法探测到事件等，鉴于此，一些学者提出了基于声音的事件探测方法。De Silva在他的论文中对咳嗽、哭泣、呼喊和走动、开门、跌倒进行了区分，利用声音等高线对行为进行探测。Smeaton and McHugh利用麦克风矩阵探测到的声音事件可以在很大程度上弥补多个摄像头捕捉到的图像等。目前关于多通道感知技术的研究大多集中在视觉和听觉通道。Vadakkepat et al.提出了利用机器人，通过多通道技术追踪和跟随人的场景。De Silva and Miyasato、De Silva等把图像和声音相结合识别人的情绪，为智慧家庭中人的行为探测提供信息处理机制。Oliver Brdiczka et al.利用三维视频信息追踪系统提出了一种获取增强现实环境中人类行为情景模型的方法。在针对健康医疗应用领域的智慧家庭研发中，可穿戴设备系统得到了广泛的应用。这些设备穿戴在用户身上，或者嵌入到房屋里，通过有线或无线的方式连接到服务中心，并与环境和健康诊断设施相连接。它们可以用来评估声音、图像、身体动态和环境参数，还可以探测人的睡眠模式和其他健康参数。系统软件通过收集人的动态活动和健康信息建立用户个性化档案，并通过对比探测紧急情况。

（二）智慧家庭研究案例

智慧家庭的本质在于利用各种智能技术实现各种家居功能的自动化。Ding et al.认为，智慧家庭概念起源于提供便利、保障安全、节省能源三个方面的诉求，而这些都将通過嵌入式的传感器和智能系统实现，并将其整合到功能性的建筑空间之中。杜克大学开发的智能家庭占地6000平方英尺，是一个用于展示未来居住环境设计的实验室。其主要理念是通过集成智能技术提升人类的生活质量。项目开发团队认为，智慧家庭不应该仅仅局限于服务老龄人群和失能人群。该项目的原型在技术集成方面的教育和研究中持续发挥作用。Drexel Smart House的作用是为智能环境领域的研究和实验提供一个“居住环境实验室”。该项目聚焦于居住环境设计、能源、智能家电和生活方式等方面，致力于提高居住者的生活质量。在该项目中，除了关注于建筑的智能化和自动化控制之外，可持续方法和绿色设计理念也受到了极大的重视。

二、智慧家庭系统的设计问题

（一）智慧家庭系统的创新设计

智慧家庭系统的架构将各种功能分配给相关的设备。但这种系统功能的分配对情境十分敏感，不同家庭环境中的产品和服务环境，以及使用系统的社会行为存在一定的差异。因此，智慧家庭系统的架构是开放式的，相关的创新设计流程也是开放式的，一定要考虑不同家庭环境内的日常生活行为和事件。

智慧家庭领域创新设计面临的挑战取决于两种不同知识的协调程度。第一，与家庭网络相关的产品和服务提供最基本的系统功能，这些产品和服务内嵌于成熟的产业结构之中。第二，特定产品环境的可行性取决于促进各组件相互协同作用的技术解决方案。因此，智慧家庭系统的架构知识由快速变化且涉及宽泛领域的ICT技术的发展所决定，它的发展横跨了科学、技术和创新三大领域。

（二）智慧家庭系统交互行为

智慧家庭系统就是典型的复杂系统，各组成部件之间的交互关系以及这些组件协同作用，实现某些系统功能时与人的交互关系都非常复杂。

1.传统的人机交互

目前的人机交互大多关注于人和计算机之间的交互，也称为HCI（Human Computer Interaction）。在这一概念之中，人和计算机处于对立位置，计算机作为一种辅助人完成某种特定工作的工具存在。这种传统的人机交互过程具有L2T特点：（1）人处于主导地位；（2）交互行為具有明确的目的；（3）交互界面比较明显；（4）人机交互通道有限；（5）交互情境比较简单。

2.智慧家庭系统中的交互行为

而在智慧家庭系统中，由于物理和信息系统的深入融合，以及系统更加智能的自动化运行和持续的监视功能，人与系统的交互行为完全不同于传统的人机交互行为，主要体现在以下几个方面：（1）任何一方都可以发起交互行为；（2）系统的某些行为并不明显；（3）交互界面更加透明；（4）更多的人机交互通道；（5）交互情境非常复杂。

（三）产业化相关问题

虽然智慧家庭在国内发展势头迅猛，但是基于国情与客观环境，智慧家庭当前的发展遭遇了很大的瓶颈。以下将从几个方面探讨未来智慧家庭系统设计与开发可能遇到的一些问题。

1.用户需求、接受程度和满意度

满足用户需求是智慧家庭系统研究、设计、开发所面临的主要问题。如果早期没有发现或很好地定义某一用户需求，那么设计过程中就不可能考虑相关的问题，设计结果也无法满足这一类需求。因此，在用户研究阶段的工作显得非常重要。另外，消费大众对智慧家庭系统的接受程度和系统运行的满意程度应该得到同样重视。要提升用户对特定智慧家庭系统的接受程度，深入研究特定目标群体的需求，有针对性地设计开发服务系统是一个良好的解决办法。

2.相关的法律事务

为了提供更具针对性的服务，智慧家庭系统中的数据大部分都设计到个人隐私，这些数据的安全性将面临极大的挑战。另外，如果智慧家庭系统中针对财产安全保护的安防系统受到病毒入侵或黑客攻击而丧失功能，导致家庭财产损失，该如何界定各方的责任。针对这些问题都需要建立相应的法律保障机制，确保智慧家庭系统各利益方之间对于信息的保密和使用责任。

3.成本效益以及对社会经济的影响

长期来看，智慧家庭系统实现对家庭的自动化控制以及通过传感器监控家庭环境的各种活动，在危急时刻发出警报和呼救都具有较高的成本效益。通过自动化调整灯光、室温、水电气的供给能在长期内节省大量社会资源，实现可持续发展。通过远程健康医疗保健系统，可以实现在家庭中解决一些常见病的救治问题，能极大地节省各方面的资源，同时也能提高医疗效率，改善目前的医疗资源紧张问题

三、以智能电视为核心的客厅娱乐系统

（一）智能电视行业的竞争

电视曾经是家庭生活和客厅活动的中心，但随着智能技术的发展和人们需求的变化，电视的地位逐渐被手机等移动智能设备取代，随之而来人们的生活方式也越来越个人化。

从2011年至今，电视这个产品在智能化的过程中经历了四个阶段的演化。第一个阶段为“电视的电脑化”，特点是“交互方式向pc＼pad＼phone其他三个智能终端看齐”；第二个阶段为“电视的智能化”，特点是“强调以人为中心的智能推荐等体验”；第三个阶段为“电视的扁平化”，特点是“内容即界面的呈现方式”。而眼下正处于第四个阶段，是“电视的互联网化”，特点是“价值闭环与系统设计”。这已经不是单一的设计，而是系统的设计。进一步看，这不仅仅是电视机硬件或是其控制软件的设计，而是注重于电视机硬件、软件、电视内容与生活信息、多重身份的用户共同组成的信息物理融合系统（Cyber Physical System，CPS）的设计。

（二）客厅娱乐系统设计

1.电视产品的互联网化

电视产品就产品生态的CPND（内容＼平台＼网络＼终端）四个方面来看，都具有潜力可挖，但是需要上升到新的层面，即产品的互联网化。通过分析TAB几家主要互联网公司的产品，总结出“三步走”的互联网化趋势。第一步是“做好工具”，把核心功能做到足够强，形成基因；第二步是“用户圈地”，依托核心功能向外围拓展相关服务，巩固用户群；第三步是“流量变现”，通过用户红利实现盈利。电视最根本是提供以视频为主的观看体验，以此为核心，通过“三步走”的方式互联网化。

2.概念设计与产品开发

概念设计与产品开发是相互影响的，一方面，概念设计通过趋势分析、需求调研、提出创新，保证产品的领先优势和良性发展；另一方面，转化成产品之后收到的用户反馈和具体数据，又是设计继续创新的来源。概念设计与产品开发紧密结合，可以节省调研成本、缩短开发周期。但概念设计在全部完成之后输出给产品公司转化，往往会遇到技术储备不充分、市场时机不成熟等问题，概念转化度不高。

（三）系统解决方案

研究信息物理融合系统建模方法、人机交互技术、情境感知技术等方面的文献和相关案例。通过创意设计工作坊、用户参与式设计等方法确定系统功能，完成系统的场景概念设计，并完成系统功能模块的定义、理清各个相关功能模块的关系、拟定系统产品的设计风格。

1.个人频道

打通四个圈子（亲友圈＼兴趣圈＼公众圈＼物联圈），针对不同身份用户规划内容，实现电视机操作和内容的自适应机制。电视根据用户的需求，不同的人群来定义设置不同的操控和观看模式，同时可在网上下载其他人的自定义模式。为用户提供快捷观看体验同时提供用户专属内容定制。

通过“个人频道”集合用户观看习惯，起到简化概念作用，并为用户提供一种个性化快捷入口。通过“个人频道”中的添加用户，可以为其他家庭成员创建“个人频道”，并为他们管理节目。通过年轻人在自己的手机上为老人和小孩设置“个人频道”，老人和小孩只需用遥控器在电视上简单点选，就可以看到想看的节目。通过家庭成员的互助，使双屏协同有了更家庭化的应用场景，也为家长提供了一种友好的监督方式。

2.全方位、立体化的影视内容

用户的观影过程是一次导航，从用户进入主页开始（如图2），他可以从“新片速递”、直播点播“分类推荐”、“个人频道”快捷入口、“搜索”等多个地方进入影片选择；当他查看影片详情时，可以看到精彩剧照、历史评论，以做决定是否进入观看等等。通过细化用户观影过程的每个步骤，分层次提供丰富的内容，把导航、推荐、互动等不同类型的功能有机地结合在一起，打造完整而极致的观看体验。

3.优化广告时间体验

不管在电视上还是移动终端上，广告始终不是一种受欢迎的形式，因为它与用户想要“沉浸观看”的心理有冲突。广告抢宝，就是及时抢购直播节目中出现的商品，或是直接团购当前广告中的商品。电视台、制片方、供应商、终端商形成了新的广告盈利模式，在为用户提供新体验的同时，创造了新的商业价值。

4.用户的情感需求

随着视频网站的成熟，原创内容成为视频内容中重要的组成部分。一方面是由于它带来了一种UGC（用户生产内容）的方式，另一方面是由于它迎合了草根用户个性崛起的需求。随着互联网上各种博客、空间的兴起，UGC的内容呈爆炸式增长，又通過社交网络快速蔓延，用户的这种行为习惯已经养成。电视不能携带，不方便作为内容产生的源头，但电视有显示优势，可以作为内容集成播放的终端。手机中的照片，经过简单编辑和上传，生成日志形式的电子相册，一键在电视上自动播放，满足了用户“收藏生活”、“想上电视”的情感需求，同时也实现了用户群体的拓展。

5.场景化的硬件交互

电视与手机的双屏协同是系统的主体，其他附件也在系统中提供支撑。充电板除了为手机提供电能，还可以通过“轻触”这个动作直接打开用户手机中的应用主页，虽然只简化了“解锁”和“点击应用图标”这两个步骤，但符合客厅的使用场景，细节也能为用户带来惊喜体验；音响在造型上整合了氛围灯的设计，除了提供画面、音效、灯光一体的各种情景模式，还可以在广告抢宝、宠物传话等场景中以呼吸灯形式进行消息提醒。

（四）客厅娱乐系统交互设计

客厅娱乐系统的交互设计是人与系统进行沟通的通道和具体方法，主要包括软硬件产品的人机界面设计，交互流程规划，信息架构规划等内容。基于CPS抽象模型建立系统的信息架构。结合系统功能定义建立系统交互的叙事模型，通过图表模型描述系统中的具体交互行为，并规划交互流程；根据具体的交互流程定义用于的交互操作行为和系统的软硬件界面。

1.系统软件的交互界面设计

根据系统概念设计所确定的功能点，针对每个功能点展开软件产品的交互界面规划与设计。主要包括：用户个性化定制内容模块、电视内容交流互动模块、用户上传和分享的视频、图片、文字、动画等内容的管理和展示模块、多屏互动的桌游模块、电子宠物管理与喂养系统、家庭内欢乐时光的录像与内容管理模块、社区内求助与活动信息的发布、管理、成员召集、信息展示模块等。将所有以上功能模块整合进电视机系统或是单独打包成等APP的形式上架到应用市场供用户选择性地下载使用。

2.客厅娱乐系统的人机交互方式设计

系统的信息交互主要体现在设备之间的交互方式上，主要包括多屏之间的画面切换、单APP控制所有家电的功能、多设备间的信息和内容传输方式、通过硬件产品的信号灯和不同色彩灯光提示用户进行操作等。通过1个APP可近/远程控制家里的所有电子/家电产品，实现各个电子/家电产品间的联动。在用户需下载视频时，通过智能分析选用其中空暇设备（手机、电视、PAD）完成下载并存储于云端，用户可选择其中任意一设备从云端调用播放，并记录播放进度。降低用户学习成本；减少多设备间线路的繁琐连接；减少多设备间切换、操作麻烦，提升操作效率；提升多设备的联动性，为用户带来便利。

结论

本文研究了信息物理融合系统的相关理论和技术基础，并从人机交互技术和现有的案例出发，分析了CPS在智慧家庭领域的应用现状。详细分析了智慧家庭系统的设计问题，以及智慧家庭系统中的交互行为。从用户需求、接受程度和满意度、传感器系统和数据处理软件的可靠性和有效性、信息和通信标准、相关法律事务、成本效益以及对社会经济的影响等方面分析了智慧家庭系统的产业化问题。并以智能电视为核心的客厅娱乐系统出发，通过洞悉用户在客厅内的娱乐行为特征，结合信息物理融合理论，开发了相应的系统功能。通过用户测试发现，系统的功能有效地提升了用户的使用体验和满意度，具有较好的市场前景。后续将针对智慧家庭系统中的其他场景，如厨房饮食活动、浴室洗浴活动、卧室休息行为等展开研究，设计开发出新的智慧家庭子系统。