多維動態創新模型的高校智慧實驗室建設探究

徐亞平 韓建軍 孟君

摘要：隨著高校學生規模的不斷增長，需要提供滿足學生實驗的環境場所，開發智能教育實驗室可以以較小的代價改善這些服務。文章以高校智慧實驗室為例，依托多維動態創新模型，概述了開發此類環境背后的驅動因素，并詳細介紹了它們可能存在的不同方式，凝練在建立智能生活環境中的初步經驗，以開發輔助技術來支持獨立生活的決策。

關鍵字：智能環境;ADL;多維動態創新模型;信息管理

中圖分類號：TP308 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）02-0149-05

0引言

隨著人口規模的不斷增長，人們需要提供獨立生活環境的數量不斷增加，與此同時，適齡大學生的數量也逐漸增加。盡管在過去的二十年中技術取得了巨大進步，尤其是在信息和通信技術（ICT）領域，但是將技術映射到特定的用戶需求并實際提供解決方案仍然是一個復雜的問題，對最終用戶的價值。考慮到這一點，可以考慮技術進步與輔助技術解決方案的交付之間的關系不是線性關系的，前者的進步在很大程度上取代了后者。造成這種情況的一個可能原因可能是難以引起用戶需求，隨后難以將其轉化為可操作的技術解決方案。人們越來越認識到，缺乏對新技術的接受的主要原因是在設計，開發和評估過程中缺乏用戶輸入。然而，還應理解，如果用戶不是他們正常生活中任何形式的技術的頻繁用戶，則用戶可能難以描述他們希望技術如何運行。然后，挑戰就變成了將對用戶需求的理解以及用戶的“感知”需求映射到一種技術解決方案中，這確實會增加收益。因此，正在改變創建新輔助技術的開發周期，以考慮所有這些因素，并促進用戶驅動開發的新范例。

一般來說，解決問題的環境可以分為3類：①基于實驗室環境，是學術研究的環境，位于學校、研究或工業機構內;②專門的智能家居;③智慧生活環境。任何從事輔助技術開發的機構都有可能建立某種形式的內部測試和評估環境。從實驗室的一部分到在實驗室環境中建立類似房間的環境，其范圍可能很大。在這些環境中，通常會看到較高的技術開發和創新水平，而用戶評估的水平可能較低。對于第二類，即專用智能家居，存在許多著名的例子。這些提供了基于核心IcT和基于工程的主題（例如網絡，家庭自動化設備和傳感技術）開發和評估各種形式的技術的能力。在美國，許多研究小組已經建立了專用的智能家居資源，以支持他們正在進行的研發工作。在這種環境下的研究工作集中于開發解決方案，以通過使用普及的計算技術來最大化家庭中人們的獨立性。本文旨在介紹建立可以開發針對日益增加學生的高校智慧實驗室環境，具體而言，將從工程的角度概述多學科研究團隊的感知需求，開展工作的物理環境以及現有技術基礎設施的概述。

1多維動態創新模型

本文設計和建立智能實驗室的動力來自于支持獨立學習的技術領域的持續研究，以促進和維持高校學生的獨立性和幸福感。這將通過開發創新技術和基于自主學習的綜合方法來實現。我們的參與旨在為輔助技術的開發和評估，智能感測環境以及所收集數據的分析提供支持。參與項目為建立基于實驗室的智能環境提供了一種手段（在適度的預算限制內），可以將其用作在實際生活環境中部署技術解決方案之前對其進行評估的資源。智能實驗室的布局應代表房屋的布局，這將在“雛鳥技術倡議”的背景下進行開發。以下幾節旨在提供與該過程中涉及的人員，我們的智能實驗室的設計，如何構建以及已安裝的基本技術有關的更多詳細信息。

在當前的工作中，旨在建立一個基于多維動態創新模型的環境，該環境可用于支持技術開發和評估新形式的輔助技術。到目前為止，已經從工程角度解決了這個問題，圖1為視圖封裝。

從多維動態創新模型角度出發，但是要支持智能環境中輔助技術的設計和正在進行的研究，需要一支跨學科的團隊。圖2概述了團隊結構，每個團隊成員在整個過程中都扮演著關鍵角色：

1）技術組件：主要從事數據管理的計算機科學家以及人工智能和軟件工程師組成。技術團隊的作用是根據工程和計算技術的最新進展，了解用戶需求并開發新的和新興的解決方案和產品。（盡管這項工作是從工程學的角度出發的，但是，該團隊的所有其他多學科要素不斷地為之提供信息和支持，這一點是創新）。

2）社會科學家：在輔助技術的開發周期中，社會科學家的角色越來越受歡迎。這些研究人員具有設計原型開發初始階段所需的技能，除了規劃評估和評估原型解決方案的使用情況外，還能提出用戶需求。

3）職業理療師：這些研究人員有能力通過與實際最終用戶合作的“動手”經驗提供支持，并在基于實際社區的環境中滿足他們的需求，從而支持設計和評估過程。

4）技術轉讓員：接觸知識淵博的知識產權管理人員并與工業團體合作以促進潛在合作關系的建立是有益的，以便將任何基于研究的開發成果商業化。

5）客座研究員：為了改善實驗室環境中的文化體驗并促進新知識和技能的交流，在研究生涯的早期和發達階段，為短期訪問研究人員提供許多好處。

6）研究人員：研究人員，無論是研究生研究學生還是與特定研究項目相關的研究人員，都可以視為整個過程的基石，并且每天進行從設計到開發再到用戶評估過程的所有研究要素。

為了建立的實驗室環境，翻新了學校現有研究實驗室。房間是矩形的，面積大小為110m²。最初的想法是翻新整個空間，這樣做是為了減少可用的基于桌面的研究區域30%，而將其替換為定制的智能環境。雀巢技術項目中將要建立的住房環境是單層，兩居室公寓，并具有統一的用餐和客廳環境。在考慮對ADL進行評估時，可以在這兩個環境中評估大約75%的遠程監控對象。因此，本文制定了計劃，以創建一個廚房區域以及一個起居傭餐區域，每個區域的面積為17m²，其余的76m²用于基于桌面的研究。與專業辦公室設計師一起，重新設計了基于桌面的環境的布局，以優化研究人員用于工作和存儲的單個空間量，以便利于十個單獨的工作空間以及一個中等大小的會議空間。

翻新工程被認為是半永久性的，新建造的墻壁是木質的，并且是單釘的。對實驗室進行了重新布線，以實現每間客房12個插座以及每個房間4個連接點的高速網絡連接（100Mbs LAN）的市電（220V，50Hz）的最佳接入。在距地面約2m處的墻壁周圍還安裝了一條外部導管，以允許對設備進行進一步的重新安裝，并且還易于訪問主電源和電纜網絡連接。

2智慧實驗室核心技術

2.1云計算

云計算是近年來發展非常迅速的技術。它提供了一種虛擬化的動態資源分配方法，并且通過不斷調整資源分配，它成為用戶所需的最佳程序。云計算可以幫助用戶體驗每秒數千次的運行速度，并且可以用來模擬需要大量計算的結論。例如，核爆炸，氣候變化和市場發展趨勢。云計算通常在許多計算機上運行，但傳統上不是一臺計算機或傳統服務商。在智慧園區建設過程中，由于數據量大，響應時間短等特點，需要云計算來提供良好的用戶體驗。

2.2物聯網

隨著互聯網的擴展和傳播，物聯網扮演著相當重要的角色。通過傳感技術，識別技術和通信技術，它被廣泛用于網絡集成中。在智慧園區的發展中，傳統的設備和資源可以結合在一起，實現信息遠程管理控制和智能網絡。如果應用于食堂，圖書館或宿舍，它可以對人員進行實時動態管理。

2.3大數據

在互聯網發展的幾十年中，數據量呈現出快速增長的趨勢。尤其是近年來，隨著云計算時代的到來，從企業的角度來看，如果我們需要為用戶提供更好的體驗，就應該使用智能計算。但是，智能計算需要大量以前的數據。大數據通常是指未經處理且沒有明顯法律的數據。而且，不能在短時間內通過常規方法或工具來收集或管理它。大數據的意義不在于其數據量，而是從大量數據（即數據處理）中吸引有意義的數據。在建設智慧校園的過程中，應從大量歷史數據中提取有效數據，建立模型，為學校的決策提供有利的技術保障。大數據與云計算緊密相連。因為大數據不能由單個計算機或服務商處理，所以我們必須利用云計算來處理分布式數據庫和云存儲。

2.4移動網絡

近五年來，移動通信技術得到了快速發展。如今，諸如智能手機之類的設備可以完成傳統計算機完成的大部分任務。在建設智慧校園時，移動通信和學校信息管理的結合可以幫助師生隨時訪問校園網絡。因此，可以獲取和管理網絡信息，從而為靈活開展學術活動提供了基本條件。

3實驗與結果

隨著環境的翻新，技術安裝的完成以及多學科研究團隊的到位，實驗方面的最初目標是進行一系列簡單實驗，以驗證智能實驗室的概念，此外還建立了用于未來的數據分析。第一個實驗的設計側重于“準備簡單的飲料”的ADL。在此活動中，可以監視每一個進入實驗室的學生行為并評估他們準備冷飲還是熱飲。如果是后者，則可以將其進一步分類，以確定飲料是茶還是咖啡。考慮到這一點，確定了每種飲料的制備所涉及的必要階段，并將它們映射到傳感器陣列上，這將需要監視所有活動以區分實際執行的活動。表1提供了這七個傳感器的詳細信息，該傳感器在此實驗中需要用來評估制備簡單飲料的ADL。根據準備的飲料，僅需要傳感器激活的特定子集。例如，當準備冷飲時，水壺傳感器將不會被激活。作為另一個示例，在準備茶或咖啡糖時，可以添加或不添加糖，但是水壺傳感器將被激活，并指示已將熱水添加到杯子中。

每次激活傳感器時，都會發送其ID和時間戳，然后將其存儲在數據庫中以供將來分析。為了協助將來的實驗，除了與研究社區內的其他人公開共享這些數據外，此外還開發了一種基于XML的架構來封裝所有信息。這種模式稱為homeML，可用于存儲和交換在智能環境中記錄的信息。希望通過采用這種方法，可以克服智能環境中記錄的數據的異質性。另外，考慮到這種方法基于XML的本質，數據表示變得獨立于系統/應用程序，格式。

0（可選）：表示在準備給定飲料類型時傳感器可能會激活，也可能不會激活，例如某個人可能不希望在咖啡中加糖。M（必選）：表示制作特定飲料時需要激活給定的傳感器，而N（非必需）表示制作特定飲料時不需要激活該傳感器。

如上所述的實驗裝置運行了4個星期。在這段時間內，總共拍攝了58張錄音。每個記錄都包括所有活動的記錄，例如準備簡單飲料的過程，以及每個傳感器激活之間所花費的時間。為了支持數據分析，建立了一個信息管理框架。該框架的目的是處理從傳感器記錄的信息，并逐案識別該人準備的是冷飲還是熱飲，如果是熱飲則是茶還是咖啡。該框架基于能夠管理信息及其潛在不確定性的混合方法。最值得注意的是，所使用的方法是Dempster-Shafer證據理論和等加權和算子。這項工作從理論的角度顯示了在結合傳感器數據評估ADL時不確定性的影響。

在此基礎上，開發了智慧實驗室應用系統，主要包括：

1）教學系統：該教學系統包括教學資源系統和教學應用系統。在不斷發展的過程中，實驗室積累了大量的數字資源，這些數字資源構成了教學資源系統，不僅為教師備課提供了資源，也為學生查閱文獻提供了方便。

2）科研體系：科學研究系統有利于師生跟隨科學研究動態，從而使研究更加輕松和高效。同時，由于可以一鍵完成填寫表格之類的重復任務，因此教師在申請項目時會更加方便。此外，實驗室管理將更加方便，因為其事務管理系統將有效地跟蹤項目。

3）評估與決策系統：評估和決策系統的功能包括：教師評估學生的在線學習，評估教師的教學質量的學生以及評估教學過程的師生。學校可以參考評估結果，做出相應的教學調整，做出正確的決定，提高教學質量。

4）人力資源系統：人力資源系統主要包括人力資源檔案管理，教職工管理，工資管理和考勤管理。有效地規劃和調整學校的人力資源可以促進大學的發展。

4結語

文章介紹了建立智能實驗室環境以支持大學生獨立學習輔助技術發展方面所做努力的細節，并以此為拓展對研究進行了分類，不僅介紹了當前所處環境的技術細節，而且還介紹了高校智慧實驗室中進行的首次實驗的細節，所記錄數據的處理以及基于現在可以反思迄今為止的經驗。

從工程角度來看，本文研究重點現在由兩個主要目標驅動。首先，介紹的傳感器可靠性評估方面進一步開展工作。傳感器故障很可能會在實際環境中發生，因此確定數據處理變得不可靠的閾值，因而認為環境不安全，無法以自主方式進行操作。第二，依托多維動態創新模型創造一個新的高校智慧實驗室環境，可以在研究社區內共享和交換數據，這主要是通過使用homeML架構來推動的，并以此為基礎并創建更多的存儲庫，以交換和存儲規則，學習資料和用戶界面設計。同時本文綜合考慮工作的多學科性質，并將用戶驅動設計的概念納入輔助技術的開發中，作為其固有組成部分。目前，這是通過許多正在進行的研究項目實現的，但是，隨著從實驗室內部的技術開發轉向社區內的解決方案評估，因而希望這種用戶在短期內會有所提高參與程度。