题名智慧健康养老平台构建关键技术研究与应用
作者陈光
答辩日期2020-08-03
授予单位中国科学院大学
授予地点中国科学院新疆理化技术研究所
导师蒋同海
关键词智慧养老 架构 建模 模型检测 知识图谱 应用研究
学位名称博士
学位专业计算机技术
英文摘要

随着我国经济社会的不断发展,人口老龄化问题日趋严重,养老服务需求不断增长,养老服务供给与实际养老需求之间的矛盾日渐突出。基于信息化、物联网、大数据等技术的“智慧健康养老”为解决我国的养老问题带来希望。实现智慧健康养老的主要依托是构建一套服务于老人、政府和为老服务机构的智慧健康养老系统平台。智慧健康养老系统平台(以下简称康养系统平台),无论从设计上还是建设实施上都面临着非常大的挑战和问题,包括时间约束性与状态敏感性建设需求、数据不一致性问题和利用不充分性问题等。因此必须在康养系统平台建设的初期进行多角度多层次的构建架构建模,并对所建立的模型进行严格数学基础上的形式化验证和模型检测,以确保所设计的康养系统满足预期的设计需求和期望的系统性质;在康养系统平台建设和运营的过程当中,也需要依赖相应维度的模型完成养老大数据的知识融合和人工智能分析应用。因此依据康养系统平台的实际应用建设需求,从不同的视角和维度开展构建架构建模是设计与实施康养系统平台的基础。本文对康养系统平台架构建模的关键技术进行了研究,突破了仅从功能与组件构成进行系统架构建模的思维模式,从康养系统平台的实际建设需求出发,以时间与状态维度、知识与本体维度、规则与推理维度为切入点,对康养系统平台进行了多维度的架构建模和模型应用关键技术研究。本文的具体研究工作主要涉及以下几个层面:(1)针对康养系统平台硬件接入需要在有效时间范围内完成接入硬件工作状态感知和服务异常报警推送的特殊建设需求,本文对时间自动机建模理论和建模方法进行了详细的研究。完善了时间自动机死锁、状态与格局变换等形式化理论,提出了包含紧迫与原子状态的七元组时间自动机形式化定义,使得康养系统能够建模瞬时的系统变换状态。在理论研究的基础上,本文梳理并提出了包含系统传输延时建模在内的,相对完善的康养系统时间与状态维度架构的建模方法和过程。本文接着针对康养系统中具有典型时间约束特性的老人跌倒报警系统建立了时间自动机模型,通过模型仿真和模型检测的方法发现和改进系统设计中的不足。应用时间自动机模型指导包含跌倒报警子系统在内的康养系统平台服务的编码实施,保康养系统平台满足预期的时间约束性和状态敏感性建设需求。(2)针对康养系统平台业务系统独立运行,业务数据不能有效融合,存在较大冗余和数据不一致的情况,本文从知识与本体的维度入手进行了建模关键技术的研究。详细的研究和梳理了知识本体建模理论,给出了康养系统知识本体、概念、公理和事实的精确形式化集合定义。依据康养系统知识形式化集合,提出了进行康养系统知识建模的相对完善的建模过程,给出了依据知识本体模型进行康养系统知识映射融合形成知识图谱的方法。在建模方法论研究的基础上,建模了康养系统典型的护理评估业务知识本体架构模型。通过知识融合平台以康养知识本体模型为核心完成了不同养老业务数据的知识融合,包括老人基础信息库、老人评估信息和机构护理数据等。构建了统一的智慧健康养老大数据知识图谱,为相关业务系统提供较为完整和无歧义的结构化数据查询服务访问支撑,从而较好地解决了康养系统平台的业务数据不一致问题。(3)针对康养系统平台中数据价值普遍偏低,数据分析挖掘与智能应用匮乏的现状,本文对知识推理规则建模关键技术和建模理论进行了研究,给出了康养系统推理规则和推理原子表达式的精确形式化定义。依据完整的康养系统知识推理形式化理论集合,提出了一套相对完善的康养系统平台规则与推理维度架构建模的方法和过程。在康养系统推理规则建模中,为了突破SWRL核心插件原子表达式的局限性,给出了在知识推理机中注入自定义推理原语实现代码的方法。接着通过对康养系统评估护理的典型推理应用场景进行规则建模和推理实践,完成了通过老人基础数据进行老人智能评估与推荐护理项目自动生成的知识推理。以规则推理模型为核心实现的康养分析预测平台,完成了康养大数据知识图谱的知识推理补全,并支撑了康养平台相关业务系统的智能应用,从一定程度上解决了康养系统的数据利用不充分的问题。本文最后从康养老人异常预警系统、大数据融合平台以及康养分析预测平台的实际应用层面,探究了康养构建架构模型在康养系统建设和实施过程中所发挥的作用与实际的应用效果。通过时间自动机建模关键技术研究和建模应用实践,发现和修正异常预警系统时间约束层面的设计缺陷并进行修正,保障了康养系统平台满足预期的时间约束性和状态敏感性建设需求。通过知识本体建模和规则推理建模关键技术研究与建模应用实践,保障了康养业务数据有效融合并推理形成更高层次的养老护理知识,应用于康养系统平台的知识分析预测,促进了康养系统平台的养护服务能效提升。

内容类型学位论文
源URL[http://ir.xjipc.cas.cn/handle/365002/7656]  
专题新疆理化技术研究所_多语种信息技术研究室
推荐引用方式
GB/T 7714
陈光. 智慧健康养老平台构建关键技术研究与应用[D]. 中国科学院新疆理化技术研究所. 中国科学院大学. 2020.
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