面向自闭症儿童的智能家居系统设计

李妍 杨子倩

关键词：系统设计 自闭症干预疗法 智能家居 交互技术 儿童设计

引言

系统设计基于使用系统科学思想和设计方法对系统进行的系统分析。自闭症是一种发展障碍疾病，在儿童期治疗效果最佳。本文从系统设计入手，结合智能家居与现存干预技术手段，针对特定人群即自闭症患儿，提出针对性的系统设计方法和策略。

一、智能家居系统

（一）研究现状：智能家居系统在我国发展速度很快，涉及到的技术多，功能丰富。它以当今日益流行、功能日益强大的手机、PC机等终端设备为基础，不仅能控制家庭内部的电器设备、窗帘等，还能远距离控制家庭外的手机等，大大提高了家庭内电器设备的安全性和控制力。智能化住区系统是以住区为平台进行管理的，它包括互联网技术、计算机技术、通讯技术等，给人们提供更好的居家环境，通过网络将住区的各种设备连接到系统中进行管理[1]。

（二）市场现存使用技术：根据市场调研，市场上智能家居产品系统中所用的技术可分为三个模块，分别对应通信协议、传感器和云计算。

1.智能家居产品系统中的通信协议：智能家居产品比传统家庭产品增加了通讯和感知功能，被智能家居运用的通讯协议主要有物联网、蓝牙、互联网等，这几种手段的使用方法各不相同。zigBee，也就是物联网紫蜂技术是另一种具有低功率和多产品连接优势的连接方式。而设备的点对点连接可以通过蓝牙协议来实现，比如使用蓝牙音箱连接手机来播放音乐。目前互联网通信被广泛应用，其特点是传输速度快，覆盖面广，移动性强，可实现一定规模的设备连接方案。

2.智能家居产品系统中的传感技术：从感应水龙头到光电鼠标，传感器在智能家居中的使用功能十分强大。它可以通过光感、温感、声感等功能直接感知到一个家庭中的声音、光线、温度等各种外界因素[2]，甚至可以直接感知得到一些使用者无法检测得到的信息，如距离传感器可以感应距离，可以感应柜体的柜门或是房间的房门打开和关闭的情况。

3.智能家居产品系统中的云计算：此外，随着云计算的引入，智能家居的核心早已不再是简单的互联网联动。利用数据库和云计算服务器为基础，对后台的数据进行处理分析，再将其投入到某智能系统中，可以帮助系统的优化升级，为智能家庭提供更方便安全舒适的生活环境。

（三）技术系统发展突破口

1.现存智能家居技术的发展突破口：在家居智能即将或者已经成为趋势的背景下，我们对现有智能交互技术条件的运用需要得到一个新的突破口，将其运用在不同性质的家居产品当中，如表1。

2.人机互学习的过程：除此之外，要想根本实现智能家居系统的突破，要从人机互学习的角度来解决。智能系统的学习主要通过分析用户使用记录，反馈用户信息来完成。用户信息的记录，其中包括了记录用户的生活场景记录、行为特点等，使产品进行自学习，从而智能化产品。例如用户可以在手机上通过应用软件来查看和音箱对话的使用记录等，当亚马逊的智能音箱在用户与其对话完成后，然后通过用户对每次对话进行评估和后台云计算分析来帮助智能音箱完成机器学习。

同样，除了系统对用户需要进行学习以促使其自身进行更新之外，用户也需要对智能系统及其产品进行深度理解。例如产品说明书会帮助用户使用产品，但它是一种低效的方法，用户学习时间过长。实际上，系统应帮助用户把学习的重点放在探索产品用法的过程中，进行引导帮助，以完成特定的任务。可以通过设定一系列场景去出发引导帮助，例如系统会提示用户还可以使用系统完成排水，当用户在只会使用卫浴智能产品排风的时候。这种方式会给用户带来一定的成收获感和新鲜感，且能有效规避学习的枯燥乏味，并促使用户和系统不断地进行互学习。

这一相互学习的过程在用于治疗特殊人群的智能产品交互系统中的作用是巨大的。

二、自闭症儿童干预系统

（一）用户现状

为了深入了解自闭症患儿的生活习惯和行为特征，笔者作为志愿者探访了玄武区某特殊儿童学校，通过简单的志愿活动与他们进行交流，对他们的行为进行深入解读，如图1、2、3。

在密切接触与观察中，笔者将他们的行为分成生理、心理认知和社交三类，并分别对应克兰西所编制的14种自闭症儿童测试的克氏行为量表进行归纳，克氏行为量表适用年龄为一岁至五岁儿童，测试需时约十分钟，总分大于14分即有自闭症倾向，超过三分之二得分者则确定是自闭症患儿[3]，如表2。

（二）干预系统：把儿童成长的环境划分为四个部分：微观系统、中间系统、外部系统和宏观系统，是布朗芬·布伦纳的主要理论[4]。由于人的本质是社会关系的总和[5]，并始终存在于社会生态系统中，因此这一理论从以上几个方面提出了各种可能受儿童发展及其影响的层次和类型的环境系统。因此为自闭症儿童的设计应以儿童为中心，充分考量其社会关系和发展需求，协调患儿家庭、学校和社会环境，从宏观环境与循环系统的角度为解决问题提出思路。

根据现状调研和整体研究，干预治疗自闭症儿童的根源和重点为心理认知层面的疏导。因此，在环境系统的方法论的基础上，干预治疗自闭症儿童的关键在于现有交互技术手段和评估手段。

1.技术手段：技术手段是目前治疗自闭症儿童效率最高，效果最好的手段。在市场现有的技术手段中，多媒体技术、辅助交流装置、体感技术、机器人等智能技术逐渐兴起。对于智能机器人的应用，以 NAO机器人为例，如图4，研究表明，机器人可以提高患儿专注力，激发学习兴趣并提高他们的行为能力[6]。对于体感交互技术，中国科学院设计了一种可穿戴设备，可以帮助自闭症儿童感知、理解并对社交距离做出适当反应通过收集自闭症儿童的行为数据，如图5;對于多媒体技术，常常是通过多媒体形式，如图像、视频、音频等单向向儿童传输生活常识，如使用平板电脑的 App训练自闭症儿童的情绪识别能力;对于辅助沟通设备，可以采用现代辅助沟通技术干预自闭症儿童的语言交流能力，如图6。

2.评估手段：在自闭症的系统干预治疗过程中，评估为干预的进程提供了重要保证，也是是进行有效干预的必要先决条件[7]。传统评估方法受各种不确定因素影响，测试并不准确。因此，越来越多研究者逐渐开始重视人机交互技术在评估方面的应用。

同时，定量的分析和评估能够有效的评判治疗的进度和有效程度，通过有效的评估，能够对不同阶段的病情进行深度解读。实际上，这一过程恰好对应了智能家居系统中的互学习阶段。因此评估技术的采集分析可以运用在家居环境或者训练学校的学习环境中，利用智能技术和云端数据库进行收集分析，为评估的执行提供条件。

三、智能家居技术与系统干预的结合

基于以上智能家居系统与干预治疗系统的研究，本课题的结论将以此为出发点，主要从患儿的生活环境方面出发，提出一种解决问题的系统思路。

（一）干预治疗的技术系统：现阶段单一的产品智能已经不能解决现有的家居问题，家居环境系统需要一套更加完善的循环流程去实现真正的人机交互。这套系统基于智能技术，以交互为手段，因此技术系统是整套系统的关键。

因此，本论文基于家居智能系统和自闭症儿童干预系统，如图7，总结归纳了一个总体的技术系统思路，即识别-评估交互-数据库-场景实践的循环系统。在这个系统中，结合虚拟现实VR技术和传感器，采集儿童的面部数据以及各项指标，通过物联网传递到云端数据库中，达到评估这一目的，从而使得患儿的疗愈过程有始有终。

根据自闭症儿童的克氏行为量表分析，可以将其行为障碍类型分为生理、心理和社交三种类别。结合交互技术中的智能识别技术，利用其中手势识别去识别患儿的行为、举止和动作;再利用语音识别去识别患儿的发音、声音;最后利用面孔识别技术中的眼动识别技术等去判断患儿的注意力和情绪状态，以此为基准首先对患儿的病症进行初步评估。

在评估过程中，将利用智能家居技术中的常用技术，互联网技术进行数据的传导、记录、计算、统计和分析。除此之外，在识别进程结束后，也可进行交互步骤。此步骤主要用于与患儿交流沟通，了解其需求，利用室内摄像头与体感传感器以及触控装置实现智能交互过程。

最终，这些技术将通过数据库的形式分配到室内或是产品中现存的场景方案中进行智能选择，以达到让患儿的各类行为通过在不同的虚拟场景进行训练，以适应现实生活中的各类场景。

这些场景将通过VR和AR技术，利用穿戴设备或者智能触控设备进行实现。而场景中可以对应的行为有运动、学习、吃饭、睡觉、洗漱、娱乐、社交等几大类，在这些类别中，可以通过拟定不同的主题故事，结合儿童可以接受的色彩颜色与图案进行情节的设计。

最终，根据患儿在不同场景中的表现情况，通过反馈与步骤循环，重复到数据库、评估交互与识别这几个步骤中，完成智能技术训练的循环。

（二）基于技术的干预治疗家居系统设计理论：在技术系统的基础上，并以布朗芬·布伦纳原理为导向，干预治疗自闭症儿童的过程中，可以归纳这样一个整体系统。即患儿在社会中的主要生活环境为家居环境和训练环境，而处于这两个主要环境中的主要家具有坐具、桌具、柜类家具和床具，他们可以根据不同的生活空间，这些空间包括客厅或教室、餐厅或食堂、卫浴空间、休息私人空间等。根据不同的空间，这些家具产品可以形成不同的排列组合，并分别对应一部分生活场景，根据场景建立不同的训练手段，如图8、9。

1.基于家具单品的干预系统研究：智能家居产品在当代具有轻量化的特点[8]，及用户可以根据自己的需求进行产品的组合，而不再是一整套以互联网为基础，无法拆分的系统。在此基础上，根据干预治疗的必要程度对坐具、桌具、柜类家具和床具进行功能和技术分析，从其产品构成和功能特性去分析其设计要点并结合技术系统中的系统需求，如图10。

通过图标的交叉归纳，可以得出结论，在识别-评估交互-数据库-场景实践的这个循环系统中，对于椅类家具来说，柔软性、包围性、可移动性和智能交互性是最重要的几点元素，可以主要针对解决患儿症状中的平衡能力问题、感官灵敏程度、对外反应度等方面的问题。如对于桌类家具来说，触控屏、场景化表达、智能交互以及可组合性是最重要的元素，可以主要针解决对患儿病症中的平衡能力、统一性行为、兴趣狭隘、无法社交等问题。床类家具中，触控、传导、场景化、包围性是最重要的元素，可以主要针对患儿的平衡能力、感官反应能力、对外界反应能力、同一性行为等病症，等等。

在设计过程中，可以根据这个图表对设计目标对象进行系统归纳，对这几点要素进行深入探讨和研究，如图11。

在这个基础上，结合单体家具，可以根据家居系统理论中不同的空间，组合不同的家具，找到不同单独产品之间的联系，从而建立能将他们连接在一起的系统场景，形成不同的组合方式。例如，在客厅，可以组合桌具、椅具和柜類家具。为了充分运用在识别-评估交互-数据库-场景实践的这个循环系统，在客厅中，可以设置休闲场景，如和家长玩一个游戏、或独自一个人阅读、或朋友一起看电视、或与朋友聊天的场景。当患儿进入“与朋友聊天”这个场景时，可能使用到的家具有椅具和桌具，那么干预功能将主要从这两个家具本身出发，从设定场景开始，整个家居系统将为这个场景服务。同时，患儿可以利用单独家具产品中携带的生理恢复功能进行物理锻炼，如表3。

2.基于室内空间的干预系统研究：更加整体的，则需要对居家空间提出系统性的设计原则。与传统互联网产品不同，外部条件和环境的因素通常会给用户的需求带来很大的影响。对于智能家居系统的用户而言，外部的环境因素会对其需求发生很大程度上的影响，而一系列环境因素会导致其需求发生变化[9]。患儿在医院所处的环境大致可以分为住宅、公共培训等环境。要进一步落实识别-评估交互-数据库-场景实践的这一循环系统，本文将坚持站在一个宏观的角度，主张在人机一环境系统下发展过程中去探讨如何提升用户的产品和使用经历，给室内空间中的不同部分提供一个系统思路，联系室内环境中不同功能的各个空间，如图12、13。

因此本文在在识别-评估交互-数据库-场景实践的这个循环系统的基础上，提出有关于干预空间的系统理论，即具有各自功能的不同空间呈现闭环的形式围绕公共空间进行组合。在所有变量相同的基础上，实验两种不同的空间组合形式，结果表明，按照三角环绕系统进行设计的空间组合更加合理，私人休闲空间和卫浴或是餐厅这样的空间到达公共空间的动线或距离基本一致，且每个空间之间的距离也基本一致，这样的动线更方便患儿的生活路线以及循环系统的实施。

3.基于构建场景的干预系统研究：除此之外，场景概念在整体系统的塑造中都有至关重要的作用。这些系统的实施都需要场景的支持。

在对孤独症儿童的日常训练方面，希腊雅典大学创造了一个虚构的“回家”场景。孤独症儿童可以和虚拟角色互动，学习一些基本的日常活动，并在现实生活中总结虚拟环境的技巧。研究结果显示，相对于传统的教学方式，使用虚拟现实技术能更好地把孤独症儿童的安全技能传授给他们。在训练自闭症儿童社会互动能力方面，虚拟现实技术模拟的真实世界环境能更有效地帮助患儿将游戏里学的技能运用到生活中。

场景的建立都以用户的需求为基础，而不同的情境因素会在各个场景中有不同的影响。以用患儿晚间休息为例，可以对应设置不同的情境，例如休息前的运动、睡前故事、游戏、整理等情景。另外，可以赋予场景不同的故事概念和主题，例如森林主题、海洋主题、童话主题、动物主题等，适合儿童参与的故事性话题，能让患儿更有参与感。

结语

本文通过对现代智能家居系统和干预治疗自闭症儿童的整体系统两方面的阐述，综合系统原则，为自闭症儿童提出一套具有针对性的治疗系统，从整体的技术循环系统到单独家居产品的干预系统和整体空间的干预系统，希望从宏观和整体的角度给这个选题提出建设性的意见，从系统层面上提出一种可以解决问题的方法论，为日后的设计提供参考。鉴于自闭症的特殊性，彻底解决患儿的病情是不现实的，为他们的康复和生活提出优化的方案，是设计者真正该思考的问题，而这个主题的深入讨论和思考也将一直延续。