宋建文 周偉 馬哲峰

一 引言

近年來，多起由老年人在公共場所跌倒而引發(fā)的法律問題引起社會的極大關(guān)注。伴隨老年人年齡的增長，身體突發(fā)狀況可能較頻繁發(fā)生。當(dāng)問題出現(xiàn)的時候，如何及時與家人或醫(yī)療救助單位取得聯(lián)系，成為老年人生活中日益凸顯的問題。

據(jù)中國國家統(tǒng)計局2016年發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示：60周歲及以上人口23086萬人，占總?cè)丝诘?6.7%；65周歲及以上人口15003萬人，占總?cè)丝诘?0.8%。中國已經(jīng)進(jìn)入嚴(yán)重老齡化社會，研究老年人如何獲得遠(yuǎn)程應(yīng)急預(yù)警服務(wù)成為中國社會十分緊迫的重要命題。

1.在老年人健康管理研究中提出科學(xué)命題

（1） 研究現(xiàn)狀分析：本課題從深入老年人摔倒命題的本質(zhì)入手，分析國內(nèi)外關(guān)于老年人跌倒問題比較通常的研究方法，了解目前業(yè)內(nèi)的研究現(xiàn)狀與成果。

現(xiàn)狀分析言要分為三類：1、傳統(tǒng)的實驗與統(tǒng)計分析方法，研究者應(yīng)用統(tǒng)計分析方法對老年人群進(jìn)行站立、轉(zhuǎn)向、走及出行等項目的測試，通過FGA[Functional Gait Assessment]與BBS[Berg Balance Scale]1MinoruYamada,Hidenori Arai,KoutatsuNagai,"Development of a new fall risk assessment index for older adults",International Journal of Gerontology,Volume 6 (September 2012),pp.160-162.的統(tǒng)計學(xué)分析，以敏感性與特異性變量建立預(yù)測老年人跌倒ROC[Receiver Operating Characteristic Curve]曲線2周明,彭楠等撰，〈功能性步態(tài)評價與Berg平衡量表對社區(qū)老年人跌倒風(fēng)險的預(yù)測價值〉，載《中國康復(fù)理論與實踐》，2013年1月刊，第66-69頁。，進(jìn)行價值預(yù)測評估，反映出年齡相對偏高和集中群體的特殊規(guī)律性。2、計算機(jī)視覺的深度圖像算法，研究者3梁力撰，〈基于老年人摔倒行為識別模型的計算機(jī)視覺監(jiān)控系統(tǒng)〉，載《科技通報》，2013年10月刊，第177-179頁。用Kinect獲取人體各個部位的骨骼關(guān)鍵點如：頭部、肩中心、脊柱、髖中心等空間位置進(jìn)行摔倒識別特征設(shè)計，用這種方法進(jìn)行跌倒檢測算法的優(yōu)點是計算量小，該方法的不足之處是Kinect所獲取的關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，遇到障礙物遮擋時，骨骼上的一些重要的關(guān)節(jié)點會丟失，造成計算錯誤而誤報。還有學(xué)者提出了一種松弛變異遺傳算法的老年人體摔倒行為挖掘算法,每次基因位的確定都能改變遺傳算法的尋優(yōu)空間，從中找出不能被觀察到的摔倒行為特征信息，效提高了老年人體摔倒行為挖掘的準(zhǔn)確性。3、傳感器和機(jī)器人行走方法，研究者4-5秦昉等撰，〈基于加速度傳感器的無線跌倒檢測系統(tǒng)〉，載《控制工程》,2016年1月刊，第124-128頁。使用加速度傳感器采集的人體活動加速度信號，針對老年人跌倒檢測問題，設(shè)計了一種基于加速度傳感器的跌倒檢測裝置,系統(tǒng)能有效識別出跌倒和日常行為，算法具有較高實時性、靈敏度和特異度。

（2）提出基于科學(xué)原理的可實施方案

綜上所述，傳統(tǒng)的統(tǒng)計學(xué)發(fā)現(xiàn)方法只適用于小范圍內(nèi)對老年人運(yùn)動行為的分析，不具備老年人日常的應(yīng)用條件。計算機(jī)視覺研究方法受設(shè)備固定和場地的限制，如遇遮擋物時就失去作用，無法進(jìn)行戶外檢測。而以慣性傳感器為技術(shù)基礎(chǔ)的研究具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景，這些研究方法共同存在的不足是對通過實驗所獲取的數(shù)據(jù)缺少深度挖掘分析。因此，本研究命題嘗試從老年人日常健康管理問題中獲得整體的解決方案，用15個慣性傳感器節(jié)點制成可穿戴衣服，采集老年人日常的行為數(shù)據(jù)，進(jìn)行實時地動態(tài)分析，獲得老年人運(yùn)動行為特征，從而解決使老年人在出現(xiàn)問題時，云端能夠及時報警，讓老年人在第一時間內(nèi)獲得及時的救助。

2.老年人健康管理中的藝術(shù)設(shè)計命題的提出

健康管理課題在科學(xué)與數(shù)字化層面推進(jìn)的同時，重點思考研究命題中的人文關(guān)懷，使健康監(jiān)測及相關(guān)管理產(chǎn)品更具有吸引力。本研究引入藝術(shù)設(shè)計命題，以科藝融合的視野解決產(chǎn)品外觀和老年人心理上的需求。老年人行動不便和遲緩，帶來固有的自卑感，如果行為采集產(chǎn)品暴露在外，則會加重老年人的自卑心理，引起抵觸情緒。因此，將設(shè)備外觀設(shè)計納入藝術(shù)設(shè)計范疇，在產(chǎn)品的造型、色彩、形狀等方面與產(chǎn)品功能和諧統(tǒng)一，符合相應(yīng)老年人群的審美情趣，可提高老人們的購買欲望。設(shè)備隱蔽和外觀的小巧精美，讓老人們在使用心理上能夠接受，十分重要。

在老年健康監(jiān)測產(chǎn)品、運(yùn)動及可穿戴設(shè)備日益增長的年代，借助藝術(shù)設(shè)計手段讓產(chǎn)品更具有時尚性與外觀吸引力，將設(shè)備簡便小巧、玩具化是設(shè)計的潮流和趨勢，這種趨勢是本研究關(guān)注的重點。

二 跨界思維中的工程與藝術(shù)

1.用戶體驗設(shè)計

用戶體驗是言觀的判定和感受，是用戶在使用產(chǎn)品時，對產(chǎn)品所做出的關(guān)于喜好、行為方式、認(rèn)知等方面的綜合反映，因此，ISO 9241-210標(biāo)準(zhǔn)將用戶體驗定義為“人們對于針對使用或期望使用的產(chǎn)品、系統(tǒng)或者服務(wù)的認(rèn)知印象和回應(yīng)”。6用戶體驗設(shè)計包含了兩個層面的意義：1）工程設(shè)計層面的體驗，即產(chǎn)品的技術(shù)結(jié)構(gòu)和制作工藝是否符合“以人為本”的思想；2）產(chǎn)品藝術(shù)設(shè)計方面的體驗，即產(chǎn)品設(shè)計在造型、色彩及材質(zhì)方面是否符合以“用戶體驗為核心”的設(shè)計理念。其中包括：系統(tǒng)，用戶和使用環(huán)境等因素。因此，針對60歲以上人群的系統(tǒng)，對用戶體驗的研究更具有重要的實踐意義。

2.課題研究中的系統(tǒng)工程7系統(tǒng)工程指為實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計目的，對系統(tǒng)組成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息流、控制機(jī)構(gòu)等進(jìn)行分析研究的科學(xué)方法。系統(tǒng)工程是一門交叉學(xué)科，其研究對象不限于特定的工程物質(zhì)對象，可以是任何一種系統(tǒng)。系統(tǒng)工程運(yùn)用最有效的組織管理技術(shù)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)從整體至局部間的關(guān)系相互協(xié)調(diào)與配合，達(dá)成總體的最優(yōu)運(yùn)行。思維

本研究以系統(tǒng)工程理論為指導(dǎo)，將課題分解為具體的目標(biāo)任務(wù)，其中包括實現(xiàn)目標(biāo)的路徑、實現(xiàn)目標(biāo)的周期規(guī)劃、在合理的時間內(nèi)，按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)高效率地完成目標(biāo)任務(wù)等。

從系統(tǒng)分析層面看，本研究涉及到老年人的可穿戴服飾制作、傳感器布局、數(shù)據(jù)接收、網(wǎng)絡(luò)平臺等內(nèi)容的集成，并在有限時間內(nèi)需要完成的工作任務(wù)，因此，具備了工程的基本屬性。

圖1 手杖與雨傘組合設(shè)計效果圖

圖2 可穿戴服裝設(shè)計效果圖

課題圍繞以慣性傳感器原理為核心，實現(xiàn)老年人健康管理的目標(biāo)展開具體的研究工作，并分解為：（1）傳感器在人體上的布局設(shè)計； （2）傳感器可穿戴服飾設(shè)計；（3）傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)試與實現(xiàn)；（4）老年人健康管理數(shù)據(jù)分析平臺與預(yù)警平臺設(shè)計與實現(xiàn)等目標(biāo)任務(wù)。

3.老年人可穿戴設(shè)備的藝術(shù)設(shè)計

在跨界合作中，藝術(shù)設(shè)計的介入對工程實現(xiàn)是十分必要和不可或缺的。本設(shè)計包括對監(jiān)測設(shè)備外觀設(shè)計、造型設(shè)計、色彩設(shè)計等方面。這些設(shè)計可使設(shè)備在情感呵護(hù)和人文關(guān)懷上起到重要的作用。

首先，外觀設(shè)計必須結(jié)合具體功能來確定使用何種形質(zhì)，比如本課題中監(jiān)測設(shè)備的選型物體是手杖，其次根據(jù)形制設(shè)計手杖造型，選配色彩。這是一個循序漸進(jìn)的過程（圖1）。形制的選擇有多種，在選形時我們結(jié)合具體的功能選擇最符合特性的形制。如監(jiān)測心率脈搏的設(shè)備我們可以選型服裝或者內(nèi)嵌脫卸式背心，將監(jiān)測設(shè)備隱藏于服裝的胸部、袖口等處，充電裝置可以隱藏于內(nèi)部口袋中，便于攜帶更換，同時起到保護(hù)裝置的作用。設(shè)備的連接導(dǎo)線可通過內(nèi)部開口進(jìn)行連接貫通（圖2），選型既要保證監(jiān)測設(shè)備的正常使用，又要使設(shè)備比較隱蔽，這是一個極具創(chuàng)意思維的過程。其次，選型后的造型款式設(shè)計和色彩設(shè)計都要兼顧老年人群的審美趣味。由于老年人群的思想和接受度已經(jīng)趨于保守，在造型上不要過于夸張，色彩也不能過分奪目，這一點設(shè)計師應(yīng)掌握好設(shè)計的尺度。目前我國進(jìn)入老齡社會，對老年人群產(chǎn)品的設(shè)計分析，藝術(shù)設(shè)計探索還有十分廣闊的空間。實踐證明，藝術(shù)設(shè)計的介入提高了產(chǎn)品用戶體驗的愉悅感，使用戶在心理上減少對監(jiān)測設(shè)備的防御和緊張感，提高設(shè)備的準(zhǔn)確性和使用率。

4.健康管理平臺的界面藝術(shù)設(shè)計

（1）健康管理界面布局：界面布局設(shè)計時應(yīng)考慮老年人的視覺偏弱、花眼等因素，因此，功能區(qū)設(shè)計方正、區(qū)塊要大一些，功能性要明確、按鈕和字體要大，盡量使用通常的“宋體”、“微軟雅黑”、“仿宋”等筆畫工整，容易識別的字體，使界面功能明確，易于觸摸交互。

（2）界面的色彩設(shè)計：色彩對視覺的刺激作用很大，從心理學(xué)角度看，色彩的使用與人的情感密切相關(guān)，本研究關(guān)注色彩對老年人的對功能記憶形成聯(lián)想的作用，如紅色為警示色、綠色為正常色、金黃色為預(yù)警色、藍(lán)色為信息提示色等。

（3）數(shù)據(jù)可視化設(shè)計：數(shù)據(jù)可視化是本研究的重要內(nèi)容之一，它對健康管理中日常產(chǎn)生的大量生成數(shù)據(jù)進(jìn)行再現(xiàn)的重要手段，本研究設(shè)計了三種模式進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計：

1、直方圖：直方圖對數(shù)據(jù)可視化可以簡潔而明確的再現(xiàn)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能的色彩應(yīng)采用艷麗一些的純色塊以便日常行為數(shù)據(jù)的讀取和行為數(shù)據(jù)的報警。

2、曲線圖：曲線圖對記錄數(shù)據(jù)變化規(guī)律，呈現(xiàn)與時間的關(guān)系具有客觀準(zhǔn)確的描述，同時，老年人的親屬或監(jiān)護(hù)人可根據(jù)曲線回放近期的運(yùn)動行為，觀察他的身體狀態(tài)等。

3、圓餅圖：圓餅圖是在數(shù)據(jù)采集中，相關(guān)指標(biāo)百分比的模式記錄老人預(yù)警的頻率和報警的頻率。

三 老年人遠(yuǎn)程應(yīng)急預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

1.老年人跌倒過程分析

從人體運(yùn)動學(xué)角度來看，人的跌倒是由于身體失去平衡所造成的。跌倒瞬間言要由人體的資態(tài)（如頭部、軀干、四肢的相對位置等各部分的角速度）和體位（如站立、背臥或側(cè)臥等關(guān)于身體跌倒的加速度與重力垂直方向的相對關(guān)系）等運(yùn)動因素所決定。

老年人由于重心失去平衡時，身體通常會出現(xiàn)突然向某一方向傾倒的狀態(tài),如：后仰跌倒、右側(cè)跌倒、左側(cè)跌倒、向前趴下等情況。因此，跌倒的檢測算法，將以跌倒時所產(chǎn)生的資態(tài)（角速度值）和體位（加速度值）變化作為判斷的重要依據(jù)。

為討論方便，本文選身體其向前跌倒的狀態(tài)進(jìn)行研究。老人隨重心的變化，跌倒實際上經(jīng)歷了三個階段（圖3）：

（1）正常運(yùn)動階段：正常運(yùn)動情況下，身體直立的中心線與重心重合，在雙腳的正中，伴隨腳步移動而同步平移。

（2）跌倒臨界階段：身體的中心線前傾，與重心形成夾角，此時，老年人步伐有加快的趨勢，形成跌倒發(fā)生的早期階段。

（3）跌倒階段：當(dāng)身體中心線與重心的夾角超出臨界控制角度時，跌倒形成（圖4）

2.預(yù)警系統(tǒng)模型設(shè)計

假設(shè)老年人身上有15個六軸慣性傳感器，其中13個穿戴在身上（圖5），1個嵌入手杖中，1個為數(shù)據(jù)接收傳感器，組成日常行為數(shù)據(jù)采集環(huán)境，并以獲取老年人的戶外運(yùn)動行為數(shù)據(jù)。每個傳感器可用一個動態(tài)集合來表示：

圖3 老人正常行走的步態(tài)示意圖

圖4 老人跌倒姿態(tài)示意圖

圖6 老人跌倒的決策預(yù)警算法示意圖

圖7 老人跌倒的三個階段示意圖

3.遠(yuǎn)程預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

遠(yuǎn)程預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)是將老年人日常運(yùn)動行為數(shù)據(jù)從傳感器采集后發(fā)送到云端健康管理系統(tǒng)，在云平臺上為用戶建立戶外遠(yuǎn)程預(yù)警應(yīng)急服務(wù)賬戶（如圖6所示），并將用戶身體各部位的戶外運(yùn)動數(shù)據(jù)分類保存在這個賬號里。在老人的日常行為中，跌倒是最嚴(yán)重的環(huán)節(jié)之一，這個過程的發(fā)生分為三個階段（如圖7所示）：

（1）正常運(yùn)動階段：分布在身體各個部位的傳感器，可感知身體直立的中心線與在雙腳的中心線重合情況。由此判定此時老人正處于正常行走狀態(tài)。其數(shù)據(jù)保存后，成為其正?；顒右?guī)律模式。

（2）跌倒臨界階段：分布在身體各個部位的傳感器偵測到身體的中心線瞬間加速前傾，此時，老年人會下意識地保持重心防止跌倒，步伐有加快的趨勢，同時上肢展開以維持身體原有的重心。身體各處的傳感器可以偵測到這種運(yùn)動規(guī)律的變化。拐杖瞬間失去原有的運(yùn)動周期，重心瞬間向前傾斜改變。這類資態(tài)通常被看作跌倒發(fā)生的早期階段。代表異常出現(xiàn)，系統(tǒng)啟動報警機(jī)制。

（3）跌倒階段：身體的中心線與原來的重心為垂直的夾角，當(dāng)?shù)膭討B(tài)數(shù)據(jù)在同一時刻均為零時，代表異常出現(xiàn)，系統(tǒng)啟動報警機(jī)制。根據(jù)動態(tài)矢量的變化規(guī)律，應(yīng)對集合中 P {正常,異常,報警 }的推理結(jié)果，在老人發(fā)生緊急狀態(tài)時，云端管理系統(tǒng)將信息發(fā)生給其家人或相關(guān)救助單位，使老人在第一時間得到救助信息的反饋（圖8）。

四 結(jié)語

本文以系統(tǒng)工程理論為指導(dǎo)，根據(jù)長期采集到的老年人日常運(yùn)動行為數(shù)據(jù)，應(yīng)用計算機(jī)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)對老年人的日?；顒右?guī)律進(jìn)行分析，預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)能階段性地通過手機(jī)終端為老年人推送和反饋健康監(jiān)控分析報告。

借助本次的跨界研究，從老年人日常行為數(shù)據(jù)挖掘與健康管理的角度探討了科學(xué)與藝術(shù)融合及科學(xué)原理轉(zhuǎn)換為工程實踐的方法，實踐證明這種方法是可靠和有效的，為美術(shù)類院?？缃鐓f(xié)同研發(fā)和設(shè)計探索了一條可借鑒的經(jīng)驗。