智慧居家养老系统构建问题研究

张雯雰 兰宇琳

（湘南学院计算机与人工智能学院 湖南省郴州市 423099）

1 引言

根据第七次全国人口普查结果，2020年我国大陆31 个省、自治区、直辖市人口中，60 岁及以上人口占18.70%，其中65 岁及以上人口占13.50%[1]。与2010年第六次全国人口普查相比，60 岁及以上人口的比重上升5.44 个百分点，65 岁及以上人口的比重上升4.63 个百分点[1]。民政部在2020年第四季度例行新闻发布会做出预测，“十四五”期间，我国老年人口将突破3 亿，将从轻度老龄化迈入中度老龄化。人口老龄化让养老服务成为迫在眉睫亟待解决的一个重要问题。

目前，我国养老方式以传统家庭养老为主，机构养老为辅。但这两种养老方式都面临着一定的困境。以家庭养老为例，由于经济社会发展，家庭规模倾向小型化，空巢家庭增多。2014年王方兵博士对上海的调研数据显示，老年人空巢化特征明显，其中只与配偶同住的比重为34.9%,独居老年人比重为16.8%，两者合计达51.7%[2]。由此可见，依靠子女的传统家庭养老模式已难以适应目前情况。机构养老虽然可以为老人提供全天候的养老服务，但是专门的养老机构数量有限，无法满足国内迅速增大的养老需求。据民政部2020年第四季度统计数据，全国共有养老机构3.8 万个，养老服务床位483.1 万张，即我国每百名60 岁以上老年人拥有的养老机构床位数只有1.83 张左右，也就是说最多只有1.83%左右的老年人能够到养老机构享受养老服务，而其余98.17%的老年人，只能选择居家养老。

早在2011年的“社会养老服务体系建设规划（2011-2015）”中，民政部就明确提出了以居家为基础、社区为依托、机构为支撑的社会养老服务体系。各地方也制定了相应的养老服务规划，例如：2015年北京市在《北京市养老服务设施专项规划》中明确提出了“9064”养老发展目标，即到2020年，90%的老年人在社会化服务协助下通过家庭照顾养老，6%的老年人通过政府购买社区照顾服务养老，4%的老年人入住养老服务机构集中养老。

另一方面，居家养老也是老年人首选的养老模式。根据贺坤等的调查结果，河南省老年人选择居家养老、社区养老和机构养老比例分别为 89.81%、5.79%和 4.40%[3]。柳红娟等调查了山东省老年人养老意愿，结果显示山东省老年人选择家庭养老、社区居家养老和机构养老比例分别为89.1%、2.7%和8.2%[4]。索欣等对呼和浩特市蒙古族老年人的调查结果显示，选择社区居家养老服务模式的人占89.7%，选择养老院的有7.8%,选择其他养老方式占2.6%[5]。王章安等的调查显示，南宁市97.2% 的老年人倾向选择居家养老，选择各类养老机构者仅占 2.8%[6]。

智慧居家养老是随着物联网和互联网技术发展起来的，老年人通过智能养老网络服务平台、适老智能家居和各种智能设备，在家就能获得生活照料、安全监测、健康管理、医疗护理、精神关爱等方面的个性化服务。全面推进智能居家养老服务，是破解我国日趋尖锐的养老难题，提高广大老年人生活质量和幸福指数的重要途径。为加快构建完善的居家养老服务体系，2015年我国在《关于进一步做好养老服务业发展有关工作的通知》中指出，要将信息技术、人工智能和互联网思维与居家养老服务机制建设相融合，提供高效的智能养老服务。

目前，国内外基于物联网、互联网和移动网络技术的智慧居家养老服务系统已经推向市场，但是这些系统还普遍存在一些问题。本文主要关注国内智慧居家养老服务系统的现状和改进方案，将从居家养老服务需求出发，调查智慧养老系统的现状，发现存在的主要问题，并提出一个建议的系统架构，讨论解决问题的方法和关键技术。

2 智慧居家养老服务需求

居家养老服务主要涵盖生活照料、医疗保健、安全保障、精神慰藉和维权服务等，以上门服务为主要形式。生活照料主要包括家政服务、生活护理、助餐送餐、安装维修、接送陪同、代购代办等。医疗保健主要包括看病诊疗、康复护理、健康管理、健康咨询等。安全保障主要包括紧急救助，以及急病、跌倒、煤气泄漏、防火防盗等安全报警。精神慰藉主要包括文化娱乐、聊天关怀、心理咨询等。维权服务主要有法律咨询、法律援助、政策宣传等。

许多文献对居家养老服务需求做了调查，例如，王岚[7]对哈尔滨市287 位60 岁以上老年人进行了问卷调查，结果表明生活照料、医疗保健、精神慰藉、安全监测四类服务需求的重要程度依次为生活照料、精神慰藉、安全监测、医疗保健，而且老年人的年龄越大、身体越差、文化程度越高、收入越高对这些养老服务的需求越大。王建云等[8]则根据魅力质量理论对上海市779 位老年人的需求进行了分析，结果表明健康管理、健康知识、安全检查、政策宣传、法律援助、助餐服务等是老年人最需要的服务，老年人对精神慰藉、上门看病服务的需求较低，而且发现80 岁及以上高龄老年人对生活照料、医疗康复和紧急救助等服务需求大于中低龄老年人。郑娟等[9]对徐州市2134 位老年人，针对生活照料、医疗护理、文体娱乐、精神慰藉等四类养老服务进行了需求调查，结果显示其重要程度依次为：医疗护理、文化娱乐、生活照料、精神慰藉。候冰等[10]则调查了上海市237位70岁以上的独居老人在生活照料、医疗保健、精神娱乐和援助维权服务上的需求，结果表明紧急援助、维修、做饭、打扫、健康维护是中高龄老年人最需要的服务。

以上调查结果并不完全一致，可能是因为调查人群、调查地点、服务定义等方面的差异。但同时也表明这些服务是不同老年群体在不同程度上需要的服务。另外，可以看到对于中高龄老人，生活照料、紧急救助和医疗保健服务是其最需要的服务类别。这也符合马斯洛需求理论，这一理论将人的需求从低到高依次分为：生理需求、安全需求、社交需求、尊重需求和自我实现需求。低龄老年人健康状况较好，生活能够自理，因此更需要精神层面的服务，而对于中高龄老年人则更需要生理和安全方面的帮助。

除了以上居家养老服务需求，智慧居家养老系统还应该具备良好的人机交互和服务反馈机制，具有可维护性以及与其他系统的接口，便于基础数据共享，避免信息孤岛。

3 智慧居家养老平台建设现状分析

目前，我国的智慧居家养老服务体系已经起步，各种养老信息服务平台也应运而生，例如：社村通智慧居家养老服务平台、乐无忧智慧养老平台、杰佳通智慧养老平台、医家通智慧养老管理系统、爱牵挂家庭养老床位运营管理平台、健康e 族智慧居家养老服务系统等等。这些养老服务平台的一般模式为：依托网络信息平台，通过手机APP 和电话呼叫服务，外加使用智能设备进行定位、测跌倒、测心率等安全和健康监测，提供生活照料、健康管理、安全监测等养老服务。

其中，社村通、乐无忧和杰佳通三个品牌的养老服务平台比较典型，社村通已入选工业和信息化部、民政部和国家卫生健康委三部门公布的《智慧健康养老产品及服务推广目录（2020年版）》，表1列出了这三个平台的功能对比。从表1可见，目前国内智慧居家养老服务平台设置的养老服务涵盖了生活照料、医疗保健、安全保障、精神慰藉和维权服务等多个方面，并且支持按需订购，能够满足不同层次的养老需求；多个子系统分别为运营商、服务商、政府、用户、医生、志愿者等提供了全面服务；用户可以通过手机等多种人机交互方式获取信息和服务；系统支持多种智能设备接入，提供安全和健康监测功能。其中，居家安全设备主要包括紧急按钮、摄像头和红外、门磁、燃气、烟雾、水浸传感器等。可穿戴设备主要包括智能手表、手环、拐杖、吊牌等，可提供定位、紧急呼叫、摔倒报警、心率血压检测等功能。健康监测设备有智能床垫、血压、血糖、血氧、心电、体温、体重、体脂监测仪等。另外，这些平台一般都支持定制开发，可以为不同地区、不同运营方提供定制功能和子系统。

表1：国内三个典型智慧居家养老服务平台功能对比

综上所述，从功能设计上来说，目前国内智慧居家养老服务平台已经做得比较完善，能够满足老年人不同种类、不同层次的养老服务需求，并且具有服务质量监控功能，以保障养老服务的质量。但也普遍存在以下问题：

（1）缺少物联网设备维护系统，不能保证设备的可靠性、可维护性和健壮性。由于养老智能家居物联网节点和设备的数量众多，少则十几，多则上百，功能各异，而且大多安装在隐蔽或较高的位置，使用电池供电。一旦设备损坏或者电池耗尽，就无法正常使用，即便安装好了一整套物联网设备，也会出现“用也用不久”的现象。除了保证设备本身的质量和施工质量之外，系统必须具备自检和自恢复能力，不需要老年用户来检查和报修设备，提高系统的可靠性。

（2）居家安全报警的智能化程度较低，各类传感器独自报警，缺少基于多传感器的综合信息分析和异常检测，异常识别算法没有学习能力，安防报警和意外跌倒、失能报警的误报率较高。健康预警也存在类似问题，目前基本是通过设置各项体征数据阈值的方法进行预警，只要某项检测数值超出预设范围就发出警报，这种方式也易出现误报。这些误报会影响用户体验，引发老年人的紧张情绪，而且过多的误报还会给服务人员带来大量核实工作，最终导致服务响应速度和质量达不到要求。

（3）人机交互方式还不够友好和智能。目前老年人与平台一般通过手机APP、一键呼叫器、智能语音电视、座机电话和专用手机等进行交互。许多老年人不能熟练使用手机APP，尤其是下单订购商品或服务这类比较复杂的操作，而使用电话、手机或一键呼叫器直接联系服务人员的方式又看不到丰富的商品、服务介绍和其他各种资讯，此外坐席服务人员数量有限，有时还需排队等待。智能语音电视可以通过简单的语音交互进行操作，而且可以拨打视频电话，交互方式比较友好，但是使用不太方便，必须开着电视才能用，亦不方便移动，不能随时呼叫，而且智能化程度不高，聊天、提醒、问询、陪伴等功能缺乏或不完善。

（4）智能养老产品与智能养老系统间存在联通障碍[11]。目前，智能养老设备的对外接口并没有严格标准化，不同厂商生产的智能养老设备接入协议不尽相同，这给智能养老平台的软件开发带来了阻碍。有的软件公司例如广西金中软件有限公司只能寻求与硬件设备厂商合作，要求对方提供设备对接通讯协议，以实现硬件终端与智慧养老云平台的数据对接。有的公司例如北京思杰佳通信息技术有限公司则自己研发智能硬件产品。这样，一旦增加或更换不同厂商的硬件设备就需要修改软件代码，如何减少这种影响是需要思考的问题。

4 智慧居家养老系统构建

除以上问题之外，智慧居家养老系统还应该关注数据安全、隐私保护以及与其它系统的数据共享等问题。此节将基于这些问题，对智能居家养老系统架构和解决方案进行讨论。

4.1 智慧居家养老服务系统架构设计

为构建功能层次合理的智慧居家养老系统架构，改善一些存在的问题，本文参考物联网相关国家标准[12,13]设计了如图1所示系统架构。此架构将智慧居家养老系统分为三层，由下至上分别为：感知控制层、服务支撑层、用户应用层。其中，感知控制层主要功能是获取感知对象信息或发送控制信号给控制对象，包括各种物联网终端设备和物联网网关，布置在家中的设备可以通过网关接入广域网，智能手表等可穿戴设备一般通过移动网络直接接入广域网。服务支撑层包括服务提供、资源交换和运维管控三部分，服务提供系统为应用系统提供服务调用，资源交换系统是实现居家养老系统与外部系统间信息交换与共享的接口，运维管控系统的主要功能是安全认证、系统维护、法规监管等，以保障设备和系统安全可靠运行。用户应用层包括了各类用户使用的应用系统。此外，整个系统还要贯穿安全设计，主要包括用户身份认证、数据传输与存储保护、网络访问控制、设备接入认证等。

图1：智慧居家养老服务系统架构

4.2 关键技术方案

在上述智慧居家养老系统架构的基础上，有如下改善方案：

（1）实现设备自检和自动报修。物联网设备节点定时向运维管控系统发送心跳、自检等状态信息，一旦运维管控系统判断设备异常，则自动通过业务服务系统报修。

（2）提高安全警报的智能化程度，使用多传感器数据融合技术进行异常行为识别。对摄像头采集的视频信息进行分析，通过人脸识别、运动目标检测，结合其他传感器的信息进行行为识别，获取人的活动信息。通过生活习惯监测和学习算法，推算作息规律，为异常情况的判断提供参考，减少误报率。检测到异常之后先以自动语音方式呼叫用户，在无应答或者未收到解除求助信号的情况下，综合多种信息确定警报等级，根据警报等级启动相应处理过程。

（3）让人机交互方式更友好和智慧，使用智慧语音助手，通过语音和触摸屏进行人机交互，提供服务订购、信息问询、关怀提醒、视频电话、聊天陪伴等功能。

（4）让智能设备更易接入养老系统，使用数据协议转换模块，在增加新设备的时候设置数据格式转换规则，在数据接入时自动进行数据转换，实现设备与系统之间的低耦合、自动接入目标。另一方面，在智能设备厂商和服务平台软件设计公司中推广统一的接入协议，例如物联网感知控制设备接入国家标准[14,15]，尽量降低协议之间的差异。

（5）注重隐私保护，尤其是视频和语音信息的保护，使用边缘计算尽量在设备端或者家庭物联网网关内进行视频和语音处理，只有当用户主动使用语音、视频交互功能，或者检测到异常情况且呼叫本人无回应或回复需要帮助之后才允许外部获取音视频信息。

5 结论与展望

居家养老是目前我国主要的养老方式，智慧居家养老服务系统对实现养老信息化、提高养老服务质量具有重要作用。文献调研说明老年人需要的主要养老服务有生活照料、医疗保健、安全保障、精神慰藉和维权服务等，目前现有智慧居家养老服务平台已基本覆盖这些服务项目，但同时也存在缺少对物联网设备的维护、报警智能化程度不高、人机交互不够智能和友好、设备接入有阻碍等问题。为改善这些问题，本文在物联网参考体系结构国家标准的基础上提出了一个智慧居家养老系统架构，并讨论了相关技术方案。提出由运维管控系统判断设备异常并自动报修，使用多传感器数据融合技术进行异常识别，使用智能语音助手进行人机交互，采用数据协议转换模块进行自动数据转换，使用边缘计算进行隐私保护等。其中要用到数据融合、人脸识别、行为识别、自然语言处理等人工智能技术，虽然这些技术已经进入实际应用，但依然有研究和提高的空间。智慧居家养老系统以及智能手环等适老设备提高可靠性和智慧化的关键在于人工智能技术的发展，同时也必然随着人工智能技术的进步而不断完善，相信终有一天会实现智慧养老系统的高度智能化。