智慧养老建筑体系中的AI技术研究与应用

　　摘要:老龄化日益严峻，智慧养老成为解决养老问题的新型模式，而人工智能近年来的快速发展为智慧养老及承担养老服务的建筑提供了新的发展思路。从人工智能的主要技术及智慧养老的研究现状入手，对人工智能在智慧养老领域的研究和应用进行了梳理总结。结果表明，人工智能在智慧养老中的研究主要包括智能家居、医疗保健和智能养老机器人3个方面。本文提出了将建筑与养老服务结合成为智慧养老建筑体系进行研究，分析了人工智能与该体系结合研究的发展前景，指出了智慧养老建筑体系将实现从感性到理性、从独立到交叉的跨越，以期探索未来面向智慧养老的人工智能之路。

　　关键词:人工智能;建筑;智慧养老;老年人;智慧养老建筑体系

　　引言

　　从1997年IBM公司的“深蓝”到2017年谷歌旗下DeepMind团队的AlphaGoZero，人工智能(artificialintelligence，AI)在一次次惊艳世界的同时，也在潜移默化地影响着计算机科学以外的领域。在老龄化的社会背景下，“智慧养老”这种新兴的养老服务发展模式应运而生，不可避免地会参与到人工智能的浪潮中。我国的《新一代人工智能发展规划》中也提出了“围绕教育、医疗、养老等迫切民生需求，加快人工智能创新应用，为公众提供个性化、多元化、高品质服务”［1］的时代要求。而建筑作为供老年人开展养老居住生活和为其提供养老服务的载体，必然会在AI技术和智慧养老的时代背景下产生全新的发展模式。从人工智能的3种技术和智慧养老的研究现状入手，通过对AI在智慧养老领域的研究与应用进行系统梳理，提出智慧养老建筑体系，探究其与人工智能结合研究的发展前景。

　　1人工智能与智慧养老

　　1．1人工智能

　　人工智能是计算机科学的一个分支，简要来说，它是人类智慧的载体，企图应用计算机模拟实现人类水平的智能，根据对环境的感知做出合理的反应，并获得最大收益。人工智能技术包括传统编程方法、机器学习和深度学习［2］:传统编程方法是将人的逻辑告诉机器，利用机器高速运算和储存能力帮助人类解决问题，满足在不同场景下执行相对应的指令，得到对应结果;机器学习是将大量数据告诉机器，让机器自主学习去分析数据并建立逻辑，模拟或实现人类的学习行为，以获取新的知识或技能，主要使用归纳、综合而不是演绎;而深度学习是机器学习的一个子领域，是目前人工智能领域的热点，其模型结构具有多隐层节点，通过对原始样本特征进行逐层变换形成抽象的高层特征表示，从而形成高存储效率的分布式表征。深度学习在与计算智能和大数据相关的各个领域取得了最先进的成果，包括计算机视觉和图像处理、语音识别、自然语言处理(NLP)和机器翻译等。

　　1．2智慧养老

　　随着人口老龄化问题日益严峻，世界各国都在积极探索养老新模式，智慧养老成为信息时代下养老问题的必然趋势。关于智慧养老的定义没有统一标准，但普遍以物联网、云计算、大数据、移动互联网等信息技术和产品作为智慧养老概念的基石［3］。

　　2人工智能在智慧养老中的研究与应用

　　智慧养老的核心意义是围绕老年人的生活起居、医疗保健、安全保障等方面利用现代技术实现其与老年人的智能交互，人工智能在智慧养老中的研究与应用主要体现在智能家居、医疗保健、智能养老机器人等3个方面。

　　2．1智能家居全面辅助老年人生活

　　在智能家居方面，人类活动识别(humanactivityrecognition，HAR)是智能家居中辅助生活、运动伤害监测和老年护理背景下持续监测人类行为的框架组成部分，是研究人类行为和人机交互的重要领域［16］。健康智能家居中日常生活活动(activitiesofdailyliving，ADL)分为睡觉、准备和享用早餐、穿衣脱衣、休息、卫生活动、排便、交流等7项活动，活动识别依赖于传感器，包括位置传感器、门接触、浴室温度和湿度传感器、麦克风(声音分类和语音识别)和可穿戴运动传感器等(图2)［17］。然而。人类活动具有高度复杂性和不确定性，有学者提出可利用深度学习技术获得优化的活动识别器［18］。深度学习和人工智能方法适用于图像识别、人类活动的特征抓取和分类等。

　　2．2医疗保健进入认知计算时代

　　在医疗保健方面，老有所医是提高老年人生活质量的关键，智慧养老和智慧医疗密不可分。IBM公司的沃森系统(Watson)带来了认知计算(cognitivecomputing)［23］的革命，这种新的计算模式包含3个功能区域:参与(engage)、发现(discover)和决策(decide)。认知系统已为世界各地的医疗服务提供者提供了更好的患者护理和决策。例如，医药创新公司CVSHealth［24］计划开发一种使用认知计算能力的解决方案，其目标在于改变对慢性病患者的护理管理;再如，Welltok公司［25］创建的CaféWell采用Watson提供的认知方法向用户提供个性化医疗保健建议。通过利用具有标准应用编程接口(包括自然语言、视觉识别、数据集成等)的认知平台，任何数量的实体都可以构建有效的解决方案，帮助老年人获得个性化、可扩展的体验。在国内，智慧医疗的时代也已开启(表2)，如:科大讯飞与安徽省立医院共建“安徽省立智慧医院(人工智能辅助诊疗中心)”［26］，智医助理能够辅助基层医生看300多种常见病;“腾讯觅影”具备AI医学图像分析和AI辅助诊疗2项核心能力，利用AI辅诊引擎辅助医生识别和预测700多种疾病风险，并与国内100多家顶尖三甲医院达成合作。

　　3人工智能与智慧养老建筑体系结合研究的发展前景

　　3．1智慧养老建筑体系

　　荷兰著名建筑师雷姆·库哈斯说:“建筑行业往往需要花费大量的时间，这种速度对于目前的变革来说实在太慢了。”他的担忧意味着建筑行业必须与时俱进，一步步走向AI时代。关于人工智能与建筑行业结合的研究早在20世纪60年代就崭露头角。1963年，美国工程师SouderJ．J．利用迭代算法，根据病人最短行走路线生成并优化医院建筑空间布局［33］。从那时起，学者们对于AI在建筑行业应用的期待从未消退。近年来，更因深度学习带来的变革引发了更多在建筑领域的探索研究。

　　AI算法通过对建筑信息(类型、数量和图像信息)进行数据描述，即深度神经网络的标签数据、浮点数据和矩阵数据，对于建筑风格归类、预测人流量、提取建筑特征、设计生成等问题有不同的网络架构以供选择［34］，如斯坦福大学Merrell等人利用贝叶斯网络(Bayesiannetwork)学习住宅案例并储存特征信息，根据功能气泡图随机生成一系列平面并对这些平面进行优化，实现建筑布局的自动生成［35］(图6)。国内外学者不断探索建筑智能设计的发展方向，悉尼大学JohnS．Gero教授提出了“处境自主体模型”(situatedagentmodel)，并基于此建立了一种设计优化工具［36］(图7);魏力恺等提出了“设计进化模型”和“建筑布局进化模型”［37］，之后又提出了建筑智能设计AID模型，将设计过程看作智能体与环境共同驱使的过程［33］。除建筑设计以外，人工智能还能有效识别建筑结构损伤、预测材料性能、管控建筑施工与运行。

　　3．2AI与智慧养老建筑体系结合研究的发展

　　前景AI自诞生以来，其理论和技术不断发展，智能应用领域随之扩大，AI与智慧养老建筑体系的结合研究具有广阔的发展前景。首先，从AI涵义和技术角度来说，重新成为热点的AI在科技较为发达的现代社会必将出现新突破，而民生问题更是AI最重要的着力点，养老问题就是其中之一，建筑和服务是解决问题的关键。其次，从智慧养老的涵义和研究现状中可以窥见信息技术的支撑作用，但多数研究集中在物联网、大数据等技术，近年来AI成为社会热点，智慧养老所依赖的信息技术也应与时俱进。最后，不管是建筑还是服务层面，AI都已渐渐渗透到智慧养老领域，脱掉其外衣便可看到AI的内核，如利用深度学习进行建筑设计;再如人机交互技术，在传统的健康养老设备上注入人体感应、语音交互等功能。将AI的思想精华和代表成果有机融合于该体系，以当前最前沿的深度学习思想和技术为主要手段，在该体系研究与应用中发挥作用。总之，AI与智慧养老建筑体系的结合研究有广阔前景，必将为养老产业和建筑产业带来惊喜。以上关于AI技术应用在智慧养老中的研究，对于该体系的发展具有启发性意义。

　　1)从感性到理性随着当代世界环境与需求愈加复杂多变，原有建筑学科体系没有足够的智慧应对不同条件。传统意义上的建筑设计更多是凭借感性思维，在建筑师迸发出的灵感与不断的尝试中得到多种方案，但方案数量受限且无法判断最优解，甚至要承受设计失误带来的严重后果。同样的，建筑结构与材料、施工与运行都受到人脑自上而下的感性思维的限制，而所有事物背后隐藏的逻辑无法得到有效的梳理，这便需要严谨的科学作为补充。AI具有信息收集、极速运算、记忆储存和学习进化能力，应用于建筑领域将实现从感性到理性的跨越。当然，AI并不能完全替代人类，将建筑完全变成理性的产物，人类的创造性无可替代。总而言之，AI负责逻辑关系处理，人类则负责综合分析、创新创造。

　　2)从独立到交叉目前关于智慧养老的研究和应用多集中在服务层面，建筑角度上的研究较少，而建筑作为养老载体，却似乎与智慧养老涵义之间存在界限。在来势汹汹的银发浪潮中，单一的建筑学科无法适应时代需求;单一的智慧养老也局限于养老服务，忽略了养老硬件的智慧需求;AI技术作为计算机科学前沿，也面临着改善民生的需求。这就需要不同学科交叉融合、相互渗透，拓宽研究领域，弥补独立学科忽视的问题，在学科交叉点中找到更好的解决问题的方法。许多新理论、新技术都是在学科边缘产生的，本文以智慧养老建筑体系为核心，将智慧养老、建筑学、人工智能结合起来，也将建筑与养老服务结合起来，希望提供一种学科交叉的思路，为老龄化问题找到一条出路。

　　4人工智能:智慧养老建筑体系的未来

　　东京大学老年医学研究所的HirokoAkiyama教授说道:“我们需要重新设计整个社会。现有结构令我们目前无法满足老龄化社会的需求。”AI就是重构老龄化社会的一把钥匙。在AI和智慧养老的双重背景下，建筑与养老服务必然与时俱进，会产生全新的发展模式。通过对AI在智慧养老中的研究与应用进行梳理，发现智慧养老建筑体系将实现从感性到理性、从独立到交叉的跨越。AI将成为建筑领域的理性逻辑助手。随着各种学术领域的交叉融合，该体系将不仅限于建筑行业本身，它会融合智能家居、医疗保健、智能养老机器人等服务领域，从而构建一种“建筑共同体”的发展态势。本文并不期望能在短篇幅内将智慧养老建筑体系与AI结合的机理进行全面系统的阐述，仅从研究和应用现状入手提出学科交叉思维。面向智慧养老建筑与服务的人工智能长路漫漫，却让老年人的生活充满机遇与遐想。

　　参考文献:

　　［1］．新一代人工智能发展规划［J］．重庆与世界，2018(2):5-17．

　　［2］梁晏恺．人工智能在建筑领域的应用探索［J］．智能城市，2018，4(16):14-15．

　　［3］左美云．我对“智慧养老”的理解和发展建议［N］．社会报，2017-05-22(4)．

　　［4］MAXX，ZHANGXX，CUOLX，etal．Anintelligentold-agehomeendowmentmonitoringsystembasedonInternetofThings［C］//Proceedingsof2017InternationalConferenceonProgressinInformaticsandComputing．PIC，2017．

　　［5］左美云，陈洁．“SMART”智慧居家养老新模式［J］．信息界，2014(4):41-43．

　　张萍1，武佳文1，杨申茂2

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