智慧養(yǎng)老建筑體系中的AI技術(shù)研究與應(yīng)用

　　摘要:老齡化日益嚴(yán)峻，智慧養(yǎng)老成為解決養(yǎng)老問(wèn)題的新型模式，而人工智能近年來(lái)的快速發(fā)展為智慧養(yǎng)老及承擔(dān)養(yǎng)老服務(wù)的建筑提供了新的發(fā)展思路。從人工智能的主要技術(shù)及智慧養(yǎng)老的研究現(xiàn)狀入手，對(duì)人工智能在智慧養(yǎng)老領(lǐng)域的研究和應(yīng)用進(jìn)行了梳理總結(jié)。結(jié)果表明，人工智能在智慧養(yǎng)老中的研究主要包括智能家居、醫(yī)療保健和智能養(yǎng)老機(jī)器人3個(gè)方面。本文提出了將建筑與養(yǎng)老服務(wù)結(jié)合成為智慧養(yǎng)老建筑體系進(jìn)行研究，分析了人工智能與該體系結(jié)合研究的發(fā)展前景，指出了智慧養(yǎng)老建筑體系將實(shí)現(xiàn)從感性到理性、從獨(dú)立到交叉的跨越，以期探索未來(lái)面向智慧養(yǎng)老的人工智能之路。

　　關(guān)鍵詞:人工智能;建筑;智慧養(yǎng)老;老年人;智慧養(yǎng)老建筑體系

　　引言

　　從1997年IBM公司的“深藍(lán)”到2017年谷歌旗下DeepMind團(tuán)隊(duì)的AlphaGoZero，人工智能(artificialintelligence，AI)在一次次驚艷世界的同時(shí)，也在潛移默化地影響著計(jì)算機(jī)科學(xué)以外的領(lǐng)域。在老齡化的社會(huì)背景下，“智慧養(yǎng)老”這種新興的養(yǎng)老服務(wù)發(fā)展模式應(yīng)運(yùn)而生，不可避免地會(huì)參與到人工智能的浪潮中。我國(guó)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中也提出了“圍繞教育、醫(yī)療、養(yǎng)老等迫切民生需求，加快人工智能創(chuàng)新應(yīng)用，為公眾提供個(gè)性化、多元化、高品質(zhì)服務(wù)”［1］的時(shí)代要求。而建筑作為供老年人開(kāi)展養(yǎng)老居住生活和為其提供養(yǎng)老服務(wù)的載體，必然會(huì)在AI技術(shù)和智慧養(yǎng)老的時(shí)代背景下產(chǎn)生全新的發(fā)展模式。從人工智能的3種技術(shù)和智慧養(yǎng)老的研究現(xiàn)狀入手，通過(guò)對(duì)AI在智慧養(yǎng)老領(lǐng)域的研究與應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)梳理，提出智慧養(yǎng)老建筑體系，探究其與人工智能結(jié)合研究的發(fā)展前景。

　　1人工智能與智慧養(yǎng)老

　　1．1人工智能

　　人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，簡(jiǎn)要來(lái)說(shuō)，它是人類(lèi)智慧的載體，企圖應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)人類(lèi)水平的智能，根據(jù)對(duì)環(huán)境的感知做出合理的反應(yīng)，并獲得最大收益。人工智能技術(shù)包括傳統(tǒng)編程方法、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)［2］:傳統(tǒng)編程方法是將人的邏輯告訴機(jī)器，利用機(jī)器高速運(yùn)算和儲(chǔ)存能力幫助人類(lèi)解決問(wèn)題，滿足在不同場(chǎng)景下執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的指令，得到對(duì)應(yīng)結(jié)果;機(jī)器學(xué)習(xí)是將大量數(shù)據(jù)告訴機(jī)器，讓機(jī)器自主學(xué)習(xí)去分析數(shù)據(jù)并建立邏輯，模擬或?qū)崿F(xiàn)人類(lèi)的學(xué)習(xí)行為，以獲取新的知識(shí)或技能，主要使用歸納、綜合而不是演繹;而深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)子領(lǐng)域，是目前人工智能領(lǐng)域的熱點(diǎn)，其模型結(jié)構(gòu)具有多隱層節(jié)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)原始樣本特征進(jìn)行逐層變換形成抽象的高層特征表示，從而形成高存儲(chǔ)效率的分布式表征。深度學(xué)習(xí)在與計(jì)算智能和大數(shù)據(jù)相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域取得了最先進(jìn)的成果，包括計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理、語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理(NLP)和機(jī)器翻譯等。

　　1．2智慧養(yǎng)老

　　隨著人口老齡化問(wèn)題日益嚴(yán)峻，世界各國(guó)都在積極探索養(yǎng)老新模式，智慧養(yǎng)老成為信息時(shí)代下養(yǎng)老問(wèn)題的必然趨勢(shì)。關(guān)于智慧養(yǎng)老的定義沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但普遍以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)和產(chǎn)品作為智慧養(yǎng)老概念的基石［3］。

　　2人工智能在智慧養(yǎng)老中的研究與應(yīng)用

　　智慧養(yǎng)老的核心意義是圍繞老年人的生活起居、醫(yī)療保健、安全保障等方面利用現(xiàn)代技術(shù)實(shí)現(xiàn)其與老年人的智能交互，人工智能在智慧養(yǎng)老中的研究與應(yīng)用主要體現(xiàn)在智能家居、醫(yī)療保健、智能養(yǎng)老機(jī)器人等3個(gè)方面。

　　2．1智能家居全面輔助老年人生活

　　在智能家居方面，人類(lèi)活動(dòng)識(shí)別(humanactivityrecognition，HAR)是智能家居中輔助生活、運(yùn)動(dòng)傷害監(jiān)測(cè)和老年護(hù)理背景下持續(xù)監(jiān)測(cè)人類(lèi)行為的框架組成部分，是研究人類(lèi)行為和人機(jī)交互的重要領(lǐng)域［16］。健康智能家居中日常生活活動(dòng)(activitiesofdailyliving，ADL)分為睡覺(jué)、準(zhǔn)備和享用早餐、穿衣脫衣、休息、衛(wèi)生活動(dòng)、排便、交流等7項(xiàng)活動(dòng)，活動(dòng)識(shí)別依賴于傳感器，包括位置傳感器、門(mén)接觸、浴室溫度和濕度傳感器、麥克風(fēng)(聲音分類(lèi)和語(yǔ)音識(shí)別)和可穿戴運(yùn)動(dòng)傳感器等(圖2)［17］。然而。人類(lèi)活動(dòng)具有高度復(fù)雜性和不確定性，有學(xué)者提出可利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)獲得優(yōu)化的活動(dòng)識(shí)別器［18］。深度學(xué)習(xí)和人工智能方法適用于圖像識(shí)別、人類(lèi)活動(dòng)的特征抓取和分類(lèi)等。

　　2．2醫(yī)療保健進(jìn)入認(rèn)知計(jì)算時(shí)代

　　在醫(yī)療保健方面，老有所醫(yī)是提高老年人生活質(zhì)量的關(guān)鍵，智慧養(yǎng)老和智慧醫(yī)療密不可分。IBM公司的沃森系統(tǒng)(Watson)帶來(lái)了認(rèn)知計(jì)算(cognitivecomputing)［23］的革命，這種新的計(jì)算模式包含3個(gè)功能區(qū)域:參與(engage)、發(fā)現(xiàn)(discover)和決策(decide)。認(rèn)知系統(tǒng)已為世界各地的醫(yī)療服務(wù)提供者提供了更好的患者護(hù)理和決策。例如，醫(yī)藥創(chuàng)新公司CVSHealth［24］計(jì)劃開(kāi)發(fā)一種使用認(rèn)知計(jì)算能力的解決方案，其目標(biāo)在于改變對(duì)慢性病患者的護(hù)理管理;再如，Welltok公司［25］創(chuàng)建的CaféWell采用Watson提供的認(rèn)知方法向用戶提供個(gè)性化醫(yī)療保健建議。通過(guò)利用具有標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用編程接口(包括自然語(yǔ)言、視覺(jué)識(shí)別、數(shù)據(jù)集成等)的認(rèn)知平臺(tái)，任何數(shù)量的實(shí)體都可以構(gòu)建有效的解決方案，幫助老年人獲得個(gè)性化、可擴(kuò)展的體驗(yàn)。在國(guó)內(nèi)，智慧醫(yī)療的時(shí)代也已開(kāi)啟(表2)，如:科大訊飛與安徽省立醫(yī)院共建“安徽省立智慧醫(yī)院(人工智能輔助診療中心)”［26］，智醫(yī)助理能夠輔助基層醫(yī)生看300多種常見(jiàn)病;“騰訊覓影”具備AI醫(yī)學(xué)圖像分析和AI輔助診療2項(xiàng)核心能力，利用AI輔診引擎輔助醫(yī)生識(shí)別和預(yù)測(cè)700多種疾病風(fēng)險(xiǎn)，并與國(guó)內(nèi)100多家頂尖三甲醫(yī)院達(dá)成合作。

　　3人工智能與智慧養(yǎng)老建筑體系結(jié)合研究的發(fā)展前景

　　3．1智慧養(yǎng)老建筑體系

　　荷蘭著名建筑師雷姆·庫(kù)哈斯說(shuō):“建筑行業(yè)往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間，這種速度對(duì)于目前的變革來(lái)說(shuō)實(shí)在太慢了。”他的擔(dān)憂意味著建筑行業(yè)必須與時(shí)俱進(jìn)，一步步走向AI時(shí)代。關(guān)于人工智能與建筑行業(yè)結(jié)合的研究早在20世紀(jì)60年代就嶄露頭角。1963年，美國(guó)工程師SouderJ．J．利用迭代算法，根據(jù)病人最短行走路線生成并優(yōu)化醫(yī)院建筑空間布局［33］。從那時(shí)起，學(xué)者們對(duì)于AI在建筑行業(yè)應(yīng)用的期待從未消退。近年來(lái)，更因深度學(xué)習(xí)帶來(lái)的變革引發(fā)了更多在建筑領(lǐng)域的探索研究。

　　AI算法通過(guò)對(duì)建筑信息(類(lèi)型、數(shù)量和圖像信息)進(jìn)行數(shù)據(jù)描述，即深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)簽數(shù)據(jù)、浮點(diǎn)數(shù)據(jù)和矩陣數(shù)據(jù)，對(duì)于建筑風(fēng)格歸類(lèi)、預(yù)測(cè)人流量、提取建筑特征、設(shè)計(jì)生成等問(wèn)題有不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以供選擇［34］，如斯坦福大學(xué)Merrell等人利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesiannetwork)學(xué)習(xí)住宅案例并儲(chǔ)存特征信息，根據(jù)功能氣泡圖隨機(jī)生成一系列平面并對(duì)這些平面進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)建筑布局的自動(dòng)生成［35］(圖6)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷探索建筑智能設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，悉尼大學(xué)JohnS．Gero教授提出了“處境自主體模型”(situatedagentmodel)，并基于此建立了一種設(shè)計(jì)優(yōu)化工具［36］(圖7);魏力愷等提出了“設(shè)計(jì)進(jìn)化模型”和“建筑布局進(jìn)化模型”［37］，之后又提出了建筑智能設(shè)計(jì)AID模型，將設(shè)計(jì)過(guò)程看作智能體與環(huán)境共同驅(qū)使的過(guò)程［33］。除建筑設(shè)計(jì)以外，人工智能還能有效識(shí)別建筑結(jié)構(gòu)損傷、預(yù)測(cè)材料性能、管控建筑施工與運(yùn)行。

　　3．2AI與智慧養(yǎng)老建筑體系結(jié)合研究的發(fā)展

　　前景AI自誕生以來(lái)，其理論和技術(shù)不斷發(fā)展，智能應(yīng)用領(lǐng)域隨之?dāng)U大，AI與智慧養(yǎng)老建筑體系的結(jié)合研究具有廣闊的發(fā)展前景。首先，從AI涵義和技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，重新成為熱點(diǎn)的AI在科技較為發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會(huì)必將出現(xiàn)新突破，而民生問(wèn)題更是AI最重要的著力點(diǎn)，養(yǎng)老問(wèn)題就是其中之一，建筑和服務(wù)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。其次，從智慧養(yǎng)老的涵義和研究現(xiàn)狀中可以窺見(jiàn)信息技術(shù)的支撐作用，但多數(shù)研究集中在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，近年來(lái)AI成為社會(huì)熱點(diǎn)，智慧養(yǎng)老所依賴的信息技術(shù)也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)。最后，不管是建筑還是服務(wù)層面，AI都已漸漸滲透到智慧養(yǎng)老領(lǐng)域，脫掉其外衣便可看到AI的內(nèi)核，如利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì);再如人機(jī)交互技術(shù)，在傳統(tǒng)的健康養(yǎng)老設(shè)備上注入人體感應(yīng)、語(yǔ)音交互等功能。將AI的思想精華和代表成果有機(jī)融合于該體系，以當(dāng)前最前沿的深度學(xué)習(xí)思想和技術(shù)為主要手段，在該體系研究與應(yīng)用中發(fā)揮作用?？傊珹I與智慧養(yǎng)老建筑體系的結(jié)合研究有廣闊前景，必將為養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)和建筑產(chǎn)業(yè)帶來(lái)驚喜。以上關(guān)于AI技術(shù)應(yīng)用在智慧養(yǎng)老中的研究，對(duì)于該體系的發(fā)展具有啟發(fā)性意義。

　　1)從感性到理性隨著當(dāng)代世界環(huán)境與需求愈加復(fù)雜多變，原有建筑學(xué)科體系沒(méi)有足夠的智慧應(yīng)對(duì)不同條件。傳統(tǒng)意義上的建筑設(shè)計(jì)更多是憑借感性思維，在建筑師迸發(fā)出的靈感與不斷的嘗試中得到多種方案，但方案數(shù)量受限且無(wú)法判斷最優(yōu)解，甚至要承受設(shè)計(jì)失誤帶來(lái)的嚴(yán)重后果。同樣的，建筑結(jié)構(gòu)與材料、施工與運(yùn)行都受到人腦自上而下的感性思維的限制，而所有事物背后隱藏的邏輯無(wú)法得到有效的梳理，這便需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作為補(bǔ)充。AI具有信息收集、極速運(yùn)算、記憶儲(chǔ)存和學(xué)習(xí)進(jìn)化能力，應(yīng)用于建筑領(lǐng)域?qū)?shí)現(xiàn)從感性到理性的跨越。當(dāng)然，AI并不能完全替代人類(lèi)，將建筑完全變成理性的產(chǎn)物，人類(lèi)的創(chuàng)造性無(wú)可替代?？偠灾?，AI負(fù)責(zé)邏輯關(guān)系處理，人類(lèi)則負(fù)責(zé)綜合分析、創(chuàng)新創(chuàng)造。

　　2)從獨(dú)立到交叉目前關(guān)于智慧養(yǎng)老的研究和應(yīng)用多集中在服務(wù)層面，建筑角度上的研究較少，而建筑作為養(yǎng)老載體，卻似乎與智慧養(yǎng)老涵義之間存在界限。在來(lái)勢(shì)洶洶的銀發(fā)浪潮中，單一的建筑學(xué)科無(wú)法適應(yīng)時(shí)代需求;單一的智慧養(yǎng)老也局限于養(yǎng)老服務(wù)，忽略了養(yǎng)老硬件的智慧需求;AI技術(shù)作為計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿，也面臨著改善民生的需求。這就需要不同學(xué)科交叉融合、相互滲透，拓寬研究領(lǐng)域，彌補(bǔ)獨(dú)立學(xué)科忽視的問(wèn)題，在學(xué)科交叉點(diǎn)中找到更好的解決問(wèn)題的方法。許多新理論、新技術(shù)都是在學(xué)科邊緣產(chǎn)生的，本文以智慧養(yǎng)老建筑體系為核心，將智慧養(yǎng)老、建筑學(xué)、人工智能結(jié)合起來(lái)，也將建筑與養(yǎng)老服務(wù)結(jié)合起來(lái)，希望提供一種學(xué)科交叉的思路，為老齡化問(wèn)題找到一條出路。

　　4人工智能:智慧養(yǎng)老建筑體系的未來(lái)

　　東京大學(xué)老年醫(yī)學(xué)研究所的HirokoAkiyama教授說(shuō)道:“我們需要重新設(shè)計(jì)整個(gè)社會(huì)?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)令我們目前無(wú)法滿足老齡化社會(huì)的需求。”AI就是重構(gòu)老齡化社會(huì)的一把鑰匙。在AI和智慧養(yǎng)老的雙重背景下，建筑與養(yǎng)老服務(wù)必然與時(shí)俱進(jìn)，會(huì)產(chǎn)生全新的發(fā)展模式。通過(guò)對(duì)AI在智慧養(yǎng)老中的研究與應(yīng)用進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)智慧養(yǎng)老建筑體系將實(shí)現(xiàn)從感性到理性、從獨(dú)立到交叉的跨越。AI將成為建筑領(lǐng)域的理性邏輯助手。隨著各種學(xué)術(shù)領(lǐng)域的交叉融合，該體系將不僅限于建筑行業(yè)本身，它會(huì)融合智能家居、醫(yī)療保健、智能養(yǎng)老機(jī)器人等服務(wù)領(lǐng)域，從而構(gòu)建一種“建筑共同體”的發(fā)展態(tài)勢(shì)。本文并不期望能在短篇幅內(nèi)將智慧養(yǎng)老建筑體系與AI結(jié)合的機(jī)理進(jìn)行全面系統(tǒng)的闡述，僅從研究和應(yīng)用現(xiàn)狀入手提出學(xué)科交叉思維。面向智慧養(yǎng)老建筑與服務(wù)的人工智能長(zhǎng)路漫漫，卻讓老年人的生活充滿機(jī)遇與遐想。

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