Suggested Multi--Agent Model of Smart Home for Elderly

摘要

智能家居(Smart Home)(或者广泛称为智慧家居Intelligent Home)是一个很大的新领域，包含人机交互，人工智能和网络交互等，目的是通过网路互联起家居并且使设备自动化从而实现交互式智能的功能和服务，并且使使用者可以以更有效的交互式控制家居，来达到更加舒适和方便的居住环境。智能家居概念最早出现于上世纪80年代早期，其最简单和直接的定义是:“通过家庭网络整合科技和服务，而实现到更高质量的居住环境”。智能家居有很多分支，但是我们可以说其主干内容是:自动化，能源控制和节约，信息，通信，安保和娱乐;智能家居概念同时也关注如何将其主干内容应用到一个单一的网络总线上并且在他们之间共享数据。
　　很多智能家居模型已经被提出，被HIC，AI和网络设计的研究者做了一些修改后更多的功能已经被应用。但是，挑战仍然存在，智能家居概念也需要更多的发展，新的创意和模型需要有新的功能或者改进已有的功能，所以智能家居领域仍然是一片肥沃的土地需要更多的播种而收获更多的功能，主要结构的构建需要硬件与软件并行发展，前进的进程需要更多的功能性和更少的缺陷。
　　目前有一个智能家居模型的问题出现并且成为对开发者的新挑战，这个问题是:如何针对老年人和有特殊需要的人群开发一种特殊的智能家居模型？这个巨大挑战的出现是因为有不断增加的特殊选择和功能被需要，同时也有更多的交互和智能模型被需要而达成一个主要的目标，给这些人提供独立的生活。给老年人提供的智能家居模型需要专业的建筑，电气和电子工程是显而易见的，并且更多的与健康相关的应用需要社会科学和医学的专业人员参与。
　　有两个主要的途径为老年人和残疾人提供智能家居:
　　1)特殊的建筑解决方案:比如特殊建造的村落组织或社区来适应身体受限或者特殊需求的人群。
　　2)独特的科技创新:这意味着应用新的一整套科技给使用者提供独立的生活。我们的研究同时也关注应用这些特殊科技的途径。
　　尽管一般对智能家居和智慧家居概念的使用已经一致，但是在其中仍然有一些区别应该被关注，任何自动化科技应用在家居中都可能是智能家居，但是不意味他是智慧家居，因为交互智能在家居中的应用比仅仅使用自动化设备更加复杂，但是我们这里可能提到的智慧家居的最简单直接的定义是:应用传感器在网络中连接主要系统，并且用可以运行收取的信号和数据的软件控制而产生智能的功能。
　　对于普通用户的智能家居模型趋向于使家庭应用自动化作为第一要务，同时趋向于为用户提供娱乐和幸福感。但是针对老年用户开发的智能家居模型有特殊的要求，其主要和优先的次序也不同，我们不得不更加关注健康护理和用户安全，并且提供良好的在家和外部急救机构之间的对外传输功能，以防备用户面对的任何问题。
　　普通用户和老年用户之间的另一个不同是他们使用现代科技的能力，我们猜测普通用户在我们提供指导后可以使用复杂的应用与模型系统交流，但是对于老年人则不这么简单，因此我们不得不为老年人简化现有的模型，使其更容易的与用户交流。家居模型应该是可扩展而适应任何类型的家居和任何数量的应用或者额外功能，并且应该尽可能可靠，避免长时间缓冲与错误。
　　因此，我可以将上述进行总结，并且将需要解答的问题定义为:
　　什么是为老年人设计的智能家居的优先次序和功能？
　　如何制定可以达到上述优先次序和功能的方法模型？
　　什么是可以应用到这些问题上的适宜电脑技术？
　　已有的相关工作如何解决这些问题并且什么是新的挑战？
　　我们的方法如何解决这些问题并且如何评估他面对的挑战。
　　这个研究的主要动机是:
　　1-未来电脑科技和硬件设备广阔的发展领域。
　　2-未来快速增长的人口老龄化问题需要智能家居的解决方案。
　　对于发展领域，我们注意到针对老年人的智能家居涉及很多领域，虽然这个概念与医学工程，健康护理和社会科学相关，但是计算机科技仍然是最主要的角色，尤其是最近10年与软件和硬件相关的所有领域显著的快速发展，现在大多数的计算机科技普遍基于协同工作而不是过去的单独工作，无线传感器网络，人机交互，人工智能相互连接而为共同的目标服务。在我们的研究中，我们选择多智能体系统，一个被认为不仅为智能家居服务的通用平台，他在被称为“应用计算机在任何地方”的一个巨大的课题中应用，例如周边智能，物联网和普适计算，从而通向一个新的针对老年人的新的智能家居模型。
　　针对人口老龄化:在我们做了对于未来老龄率的研究后，我们发现增长速度比从前更快，并且还在持续增加[3]，所以现在和未来比从前更加需要智能家居和新的科技解决方法。在相关的调查和问卷中，我们发现大多老年人更喜欢独自居住，而不是住在健康护理中心或者和亲戚居住，并且他们很欢迎使用新科技作为智能家居的想法，我们可以说在老年人和科技间的信任比从前更强了，他们愿意学习如何使用科技而帮助他们独自生活。
　　在这个研究中，我们提出了一个关于智能家居的研究，作为对电气用具，应用程序，功能，科技和相关方法的审视，我们研究从前和近期智能家居的架构以跟上这个概念的发展，并且我们关注针对老年人的特殊智能家居而表述出在这种家居中的功能和需求。
　　我们选择多智能体系统作为针对老年人的智能家居的技术，我们审视了给予主体的程序和先前智能主体方法模型的优势及缺点和连接主体的通信类型，我们表述了建造我们提议的模型所面临的挑战，评估了这些挑战，并且吸取了其他方法特征的优势。
　　我们表述了问题并且定义了老年人的需求而通过提出的模型予以解决。我们选择基于主体的技术而提出一个针对老年人智能家居的多智能主体模型，我们的模型作为有特殊功能和动作的多主体层次提出，他的结构基于位置，意味着每个房间具有独自的主体，所有主体的通信被建议为公共/分散主题，我们考虑各主体间信息的总体运行以达到总的性能。并且模型中的中央主体不是完全集中的，他只是监视各位置的总体通信并且只在给予用户发生安全和安保相关的优先问题上反应，中央主体同时与用户主体交流而允许用户与系统进行交互而帮助主体决定什么需要动作，这个模型通过居所外的外部主体警报给予用户的安全和安保问题优先权，我们提出的模型满足我们对于老年用户的要求并且避免了在中央系统产生高压和干扰的问题。
　　我们选择了在大多数早先模型中出现的挑战:可扩展性和可靠性，我们将这两个挑战应用于我们的模型以制定解决方案并且评估模型。对于可扩展性我们讨论:定位主体，排序主体和组件分配，从而审视我们的模型如何在这些因素上予以改进，改进针对于模型中主体数量可扩展性能，我们通过在同一可扩展环境中测试可扩展主体数量（100-5000主体）时间和记忆消耗评估模型的可扩展性能，我们的结果证明模型的可扩展性能良好。
　　在可靠性挑战中我们讨论:拒绝请求，检查失败的主体和复制主体，我们的模型改进了这些问题并且增加了可靠性，我们尝试假定了一个高数量主体的情景，并且过载信息传输从而评估系统在高压环境下的可靠性，我们同事测试了复制主体的可靠性，作为一个能解决主体停止响应问题的重要因素，我们将我们的最终结果和其他相关工作比较并且总结出我们所提出模型的最终结果和性能在可扩展性和可靠性上给出了清楚的结果。

目录

声明

ABSTRACT

摘要

TABLE OF CONTENTS

LIST OF FIGURES

LIST OF TABLES

CHAPTER 1 INTRODUCTON

1．1 Background

1．2 Problem definition

1．3 State of art

1．4 Motivation

1．5 Research content

1．6 Thesis structure

CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW OF RELATED WORKS

2．1 Introduction

2．2 Netherlands project of smart home for elderly

2．2．1 Results of this model

2．3 Approaches models for elders

2．4 Ambient Intelligence in smart home

2．4．1 Middleware approaches for Ambient Intelligence European IST FP6 Amigo project

2．5 Summary

CHAPTER 3 BASIS OF SMART HOME

3．1．1 Introduction

3．1．2 Definition

3．1．3 Components

3．2 Sensors in smart home

3．2．1 Wearable sensors

3．3 Main functions and services of smart home

3．4 Challenges

3．5 Summary

Chapter 4 MULTI-AGENT SYSTEMS

4．1 Introduction

4．2 Agents

4．2．1 Functions of agent

4．3 Intelligent agents

4．3．1 Attitudes and behaviors

4．3．2 Communication

4．4 Multi-agent system’s structure

4．4．1 Classification of the structure

4．5 Multi-agent system in smart home

4．6 Peer-to-Peer multi-agent

4．7 Approaches of multi-agent systems

4．8 Challenges

4．9 Summary

CHAPTER 5 SUGGESTED MODEL DESCRIPTION FOR ELDERLY

5．1 Introduction

5．2 Structure of the model

5．3 Agents description

5．4 Communication structure

5．5 Sensors mapping over the home

5．6 System design

5．7 Summary

CHAPTER 6 EXPERIMENTS AND RESULTS

6．1 Introduction

6．2 Model simulation

6．2．1 Environment

6．2．2 Implementation

6．3 Evaluation

6．3．1 Scalability

6．3．2 Reliability

6．4 Results

6．4．1 Scalability results 1

6．4．2 Scalability results 2

6．4．3 Reliability results 1

6．4．4 Reliability results 2

6．5 Comparison and discussion

6．5．1 Related work

6．5．2 Summary

CONCLUSION AND FUTURE WORK

ACKNOWLEDGEMENT

REFERENCES