基于AIGC机理的智能家居类生物化模型设计研究.pdf

772023中国家电科技年会论文集0 引言2023年7月，商务部、国家发展改革委、工业和信息化部等多部委联合下发 关于促进家居消费的若干措施，明确提出支持企业运用物联网、云计算、人工智能等技术，加快智能家电、智能安防、智能照明、智能睡眠、智能康养、智能影音娱乐等家居产品研发。促进智能家居设备互联互通，建立健全标准体系，推动单品智能向全屋智能发展1。在此之前，国务院、科技部、工业和信息化部、住建部等部委也多次发文，从政策端大力支持智能家居的发展。从技术方面，第三代人工智能技术赋能智能家居行业完成智能单品、智慧场景、智慧家庭的进阶，智能家居行业的智能化产品日渐丰富，越来越多的智能产品走入百姓家庭，智能扫地机器人、智能门锁等现象级产品收获了用户的喜爱，人民对未来美好的智慧生活充满期待。从市场端看，智能家居两位数的增长吸引着从业者的纷纷入局。但是通过分析发现，消费者还多数集中在创新者、早期采用者的周期前半程（图1）；“跨越鸿沟”，得到早期大众用户的认可，促作者简介：焦利敏（1972），男，毕业于郑州工学院机械设计与制造专业，高级工程师。研究方向：主要从事智能家居技术、标准、检测、认证、检测设备等方面的工作。E-mail：。基于AIGC机理的智能家居类生物化模型设计研究焦利敏1,3,4 曲宗峰1,2 李红伟1,3,4 胡亚欣1,3,4 刘泽超1,3,4 顾子谦1,3,41.中国家用电器研究院 北京 100176；2.天津大学 天津 300072；3.中家院（北京）检测认证有限公司 北京 100176；4.国家智能家居质量检测检验中心 北京 100176摘 要：智能家居热度高居不下，销量不尽人意。生成式人工智能技术（AIGC），赋能家居从智能化，转型智能体化、类生物化，更加符合人民对智能美好生活的需求。以基于AIGC机理的智能家居类生物化为研究对象，从智能家居类生物化可行性、类生物化系统的构建、AIGC对智能家居类生物化的技术支撑、智能家居的多模感知等方面展开论述，为家电行业转型提供一种基于AIGC机理的智能家居类生物化模型。关键词：智能家居；AIGC；模型Research on the biology-like model design of intelligent home appliance based on AIGC mechanismJIAO Limin1,3,4 QU Zongfeng1,2 LI Hongwei1,3,4 HU Yaxin1,3,4 LIU Zechao1,3,4 GU Ziqian1,3,41.China Household Electric Appliance Research Institute Beijing 100176；2.Tianjin University Tianjin 300072;3.CHEARI(Beijing)Certification&Testing Co.,Ltd.Beijing 100176；4.National Smart Home Quality Supervision&Inspection Center Beijing 100176Abstract:The popularity of smart homes remains high,but sales are not satisfactory.Artificial Intelligence Generated Content(AIGC)empowers home furnishing to transform from intelligence to intelligent agents and biomimetics,more in line with the peoples needs for intelligent and beautiful lives.Focuses on the biotransformation of smart home based on AIGC mechanism.It discusses the feasibility of smart home biotransformation,the construction of a biotransformation system,the technical support of AIGC for smart home biotransformation,and the multimodal perception of smart home.It provides the biology-like model of intelligent home appliance based on the AIGC mechanism for the home appliance industry transformation.Keywords:Intelligent home appliance;Artificial Intelligence Generated Content;Model中图分类号：TM925 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.01978 2023中国家电科技年会论文集使智能家居市场从“热度”到“繁华”转变。2022年11月，美国OpenAI发布ChatGPT，随后百度发布文心一言、科大讯飞发布星火大模型，这类大模型具备强泛化能力、生成式AI、多轮对话、多模态和跨模态迁移增强知识获取、类似于人的推理方式的思维能力，机器初步有了意识，那么智能家电是否可以类生物化呢？本文以基于AIGC机理的智能家居类生物化为研究对象，从智能家居类生物化可行性、类生物化系统的构建、AIGC对智能家居类生物化的技术支撑、智能家居的多模感知等方面展开论述，为家电行业转型提供一种基于AIGC机理的智能家居类生物化设计模型。1 智能家居发展现状1.1 智能家居进化在人工智能技术的赋能下，以海尔、美的、海信等为代表的家电企业，以华为、小米、百度等为代表互联网企业，纷纷布局智能家居行业，并进行研发、市场的持续投入，智能单品、智慧场景、智慧家庭等不同层次的产品供给日渐丰富。随着智能家居产业的发展，用户在使用智能家居的过程中，对智能家居的认知逐渐清晰，用户不再满足于简单的家居智能控制，期望享受智慧美好生活（图2）。智慧生活绝不是需要一堆被动的、冷冰冰的机器的简单集成，应该是具有一定自组织、自适应、自协调等类生物功能，具有信息共享、各自分工、并行决策、自动协调等特点。图2 智能家居进化1.2 人工智能技术技术是推动社会进步的重要力量。以机械化为代表的第一次技术革命，解决了 人类体力不足的问题；以电气和自动化为代表的第二次技术革命，提高了社会效率；以信息化为代表的第三次技术革命，增强了社会的感知能力；以智能化为代表的第四次工业革命，通过机器学习、语音交互、图像识别等技术，正在提升社会的智力和脑力水平。近两年以知识、算力、算法、算料为特征的第三代人工智能技术，给予了智能家居的类生物化提供了强有力的技术支撑。特别是以ChatGPT（Chat Generative Pre-trained Transformer）为代表的大语言模型，给以生成式人工智能AIGC（Artificial Intelligence Generated Content）为技术路线的人工智能发展注入了强心剂。GPT（Generative Pre-trained Transformer）大模型技术的突破，人工智能完成从计算智能、感知智能再到认知智能的进阶成为可能。因此，行业普遍认为，AIGC已经为人类社会打开了认知智能的大门。AIGC在大语言模型的知识涌现，机器自身产生了语言、知识，虽然大模型还存在不可解释、胡说八道等问题，但客观上为智能家居的类生物化提供了技术支撑。百度的文心一言、科大讯飞的星火等国内知名企业纷纷加大了AIGC大模型的研发力度，智能家居行业有了类生物化技术发展的基础。1.3 标准方面2023年7月，世界人工智能大会上，国家人工智能标准化总体组正式宣布成立大模型专题组，上海人工智能实验室（上海AI实验室）当选为组长，百度、华为、阿里云、科大讯飞、三六零和中国移动六家企业当选为联合组长，大模型国家标准工作正式启动。2023年7月，中国信息通信研究院、工业和信息化部电子第五研究所、华为等单位联合成立“大模型产业工作组”，共同推进中国大模型应用落地及产业孵化。2023年8月，国家智能家居质量检验检测中心联合海尔、美的、海信、科大讯飞等企业，成立智慧家庭大模型专委会，调动智能家居行业的力量，共同研究智慧家庭大模型的基础和关键技术，制修订智慧家庭大模型标准、评测方法等，降低家电行业大模型应用门槛，助力家电行业高质量发展，满足人民对智慧生活的需要。2 基于AIGC机理的智能家居类生物化技术研究2.1 智能家居类生物化可行性从现状看，无论智能单品的远程控制、智慧场景和智慧家庭的器具联动，虽然通过感知、决策、执行、学习实现了一定程度的主动服务，但从本质上看，仍然是通过给传统家居赋能智能技术，提升传统家居功能进化，比如从静态的节能到动态节能；从遥控器、按键交互到语音、图像、手机App等多种交互，改善和提高传统家图1 智能家居用户画像 792023中国家电科技年会论文集居的易用、安全、可靠、舒适、节能、低碳、健康等效用（图3效用部分）。效用的技术路线，并没有改变现有的“人找机器”的传统人机关系；在主动服务环节，用户也只是一个触发智能家电工作的感知点。因此，效用技术路线的家居智能化，并没有从极致体验上打动用户，激发用户的购买欲望。当然，效用技术路线在当前的技术条件下，是一种重要的选择。智能家居的另外一种特性技术路线，从自学习、自适应、自协调、自诊断、自推理、自组织、自校正等方面对智能家居进行研究、设计（图3特性部分），充分考虑了人类是真实、会思考、有感觉、不断拥抱变化的现实因素。现实生活中，人的行为存在不可预测、随环境不断变化等不确定性，有高度的自适应和自学习等能力，自适应、自组织是人类和其他生物的基本特性。智能家居的拟人化、类生物化正在得到行业的重视。图3 智能家居功能、效用、特性模型拟人化的代表理论是图灵测试测试者与被测试者（一个人和一台机器）隔开的情况下，通过一些装置（如键盘）向被测试者随意提问。进行多次测试后，如果机器让平均每个参与者做出超过30%的误判，那么这台机器就通过了测试，并被认为具有人类智能2。由于脑科学研究还没有重大突破，目前拟人化技术路线还处于探索阶段，并且受制于成本问题，实现家庭普及还存在一定的问题。类生物化的代表理论是另外一个人工智能定义：研究人工智能、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。其实，从自然进化看，自然进化并没有过分关照人类，鱼鹰如何捕鱼的？蜜蜂如何筑巢的？蚁群如何挖穴的？蜘蛛如何织网的？老虎如何运动和捕猎的？黑猩猩如何创造和使用工具的？其自身具备的智能都让人类叹为观止。和其他生物智能相比，人眼只能看到可见光，人耳听不到超声波，宠物识别主人的能力亦或超过主人识别宠物，自然进化的本质是物种的多样性3。自然界的生物多样性也说明了这一点，并不是每个生物都拥有人类一样的智力。虽然人类的大脑中有超过860亿个神经元，蜜蜂只有100万个，但蜜蜂拥有复杂的认知能力，可以学习如何匹配符号和数字。我们认为，智能家居应该像自然界生物多样性一样，按照生态系统需要，划分生物类群层次结构和功能，构建智能家居类生物化系统。在智能家居类生物化系统中，人机就是“共生关系”：用户通过智能家居享受主动服务；智能家居是人的智能的延伸和扩展，通过不断学习，提高感知、认知水平，与用户趋于共生。2.2 智能家居类生物化系统的构建对比自然界生物生态系统，每个个体虽然在智力、体力上有差别，但每个生物对环境等周围信息的感知，均能自主采取正确的策略和行动方式，自然进化。智能家居类生物化系统应该参照生物系统，打破由一堆被动的、冷冰冰的机器简单集成的传统智能家居系统的现状，改变智能家居设备被动地被操作、被调度的现状，使其具有一定自组织、自适应、自协调等类生物功能。智能家居类生物化系统（类生物体）结构模型见图4。图4 智能家居类生物化系统结构模型图5 智慧家庭的结构模型从生物结构的角度构建智能家居类生物化系统（类生物体），相对于按照物理和空间结构设计的冷冰冰的智慧家庭系统（图5），更加人性化，更加接近于人类的认知，用户与智能家居的相处更加自然。用户与智能家居之间不再是单独的控制关系，类生物化智能家居可以直达用户的需求。比如海尔、美的等头部企业纷纷从单纯80 2023中国家电科技年会论文集的空调产品，转型全屋空气系统。生物个体维持正常生存、提升自身自组织能力、适应环境的变化等，需要不断与外界进行物质、能量和信息的交换。李德毅院士认为，机器认知的四要素：物质、能量、结构和时间3。智能家居类生物化系统也一样，通过与外界不断的物质、能量和信息的交换，提升对环境的感知、学习和适应能力，提高适应动态环境的适应能力和处理不确定性事件的响应能力。智能家居类生物化系统在以下方面表现出其具有的类生物化特性。（1）自治性：各个子系统相互独立，具有自治性。比如全屋空气系统，可以根据用户需要，独自运行。（2）自适应性：各个子系统可以随着用户的空间、时间、情绪、习惯等内部信息，以及气候、季节等外部信息，该子系统自动适配资源，也可以各个子系统间自动切换、联动，满足用户需求。（3）智能运维：在 T/CAS 6072022 多联式空调（热泵）机组智能运维与健康管理技术规范 中，智能运维定义：在故障检测和故障诊断基础上，产生的一种新维修和管理模式，包含完善的自检和自诊断能力、对多联机进行实时监测和故障报警，实施远程故障集中报警和维护信息的综合管理分析，减少对人员因素的依赖，逐步实现多联机的自判、自断和健康状态的自我管理4。（4）自学习性：在AIGC技术的赋能下，机器的自学习能力得到大大提升。当然，现在的AIGC技术还是单个大模型技术，即语音、图像、视屏等各自为政，当多模态的大模型成熟后，智能家居类生物化系统的自学习能力有可能趋近于人类。（5）自组织、自重构：就像生物系统一样，智能家居系统在满足用户的微场景、场景等需求时，需要各个系统的有机协同，当该需求任务完成时，又回到各个子系统工作。比如洗浴场景，需要呼吸系统（排风扇）、感知系统（热水器）的配合，也需要营养系统（浴后喝茶、零食等）的协同。当洗浴场景结束后，各自回归各个子系统调配。（6）递归机构：智能家居大脑的智慧下，多层次的递归结构，不同问题在不同的层次解决。比如人类的肌肉反应。因此，智能家居按照用户需求的不同，用最简洁、最简单的对应层次解决，比如简单的制冷，空调即可解决；房间空气质量由空调、新风机、除湿机、空气净化器等联动解决；用户就餐由空气系统、营养系统等多系统合作。2.3 AIGC 对智能家居类生物化的技术支撑科学家克莱因说：“5万年前发生的大事件就是人类运转系统在某个点的突变（奇点），人类产生了我们今天所理解的语言。”人类使用语言进行沟通和协调，促进了学习和创造，人类完成了从个体智慧向群体智慧的转变，并实现了知识的积累和传承。在凯文凯利所著的 科技想要什么 中讲到，语言最主要的优势并不是沟通，而是自动生成。语言可以让思维自我质疑，向大脑揭示你在想什么，并能将想法转化为工具。语言能够掌握不稳定、无目的的自我意识和自我参考，驾驭思维，使其成为新想法的源泉5。公开资料显示，人类与狒狒拥有神经元的数量均为860亿、基因重合度为98.4%。但是当人类掌握了语言使用能力以后，人与人之间的交互涌现了连续对话、对方意图判断、上下文理解、引导式、生成式等方式，实现知识共享、传承、进化，人类无论数量和在自然界的地位都进入了快速发展轨道。如果将类生物化智能家居当作是模拟、延伸和扩展人的智能伙伴的话，令其掌握语言技能是首当其冲的。2022年11月，美国OpenAI发布了一款聊天机器人程序ChatGPT。以ChatGPT为代表的GPT大模型，用人工智能技术驱动自然语言处理，它能够基于在预训练阶段所见的模式和统计规律，来生成回答，还能根据聊天的上下文进行互动，真正像人类一样来聊天交流，甚至能完成撰写邮件、视频脚本、文案、翻译、代码，写论文等任务，具备了与人类在强泛化能力、生成式、多轮对话、多模态和跨模态迁移增强知识获取、类似于人的推理方式的思维能力、强化学习的等方面逐渐看齐的能力。人与人之间正常交流的三要素：自然语言交互、共同的话题、共同的认知。用GPT大模型赋能的智能家居，初步具备的一定的自然交互能力、可以自生成话题、有了自己的意识和认知，为智能家居的类生物化提供了技术支撑。GPT大模型只是AIGC在语言、文本等生成的一个分支，已经给智能家居的类生物化带来的较大的想象空间。我们相信，随着以单个模型可以同时理解语言、图像、视频、音频等的AIGC大模型日渐成熟，知识涌现赋能智能家居具有了一定的认知，虽然与人类有差距，但是就像我们日常养狗、养猫等宠物一样，人与智能家居之间可以简单的沟通、情感交流。我们研究了基于AIGC机理智能家居类生物化系统（类生物图6 基于AIGC机理智能家居类生物化系统（类生物体）的运行原理 812023中国家电科技年会论文集体）的运行原理（图6），在AIGC的强泛化能力、生成式AI、多轮对话、多模态和跨模态迁移增强知识获取、类似于人的推理方式的思维能力、RLHF（Reinforcement Learning from Human Feedback）强化学习的方法等技术支撑下，智能家居具备了连续对话、对方意图判断、上下文理解、引导式交互、生成式等类生物功能，为智能家居行业的发展提供新的发展路径。2.4 智能家居的多模态感知趋于生物AIGC是基于在预训练阶段所见的模式和统计规律，以及实时的感知进行工作的。智能感知的数据类型、数据量、数据准确性等对智能家居类生物化水平影响很大。人类可以根据季节、天气、地区等因素，动态判定温度、湿度等信息，决定自己的穿搭，一年四季并不是一成不变的。比如传统空调，只有温度等少数的传感器，而类生物智能空调，已经具备了环境、器具、用户、空间、时间、气候等多模态感知数据（表1）。感知数据的种类、项目越多，AIGC的生成内容越精准。我们可以运用通用AIGC大模型，结合智能家居专业的数据（表2）6，训练智能家居专业AIGC模型，提高响应速度和准确性。3 结论本文在智能家居类生物化系统结构模型、基于AIGC机理智能家居类生物化系统（类生物体）的运行原理等方面展开论述，为家电行业转型提供一种基于AIGC机理的智能家居类生物化设计模型，得出的结论如下：（1）基于AIGC机理的智能家居类生物化技术路线，更加贴近人与人、人与动物等自然相处方式，更加接近人类的生活方式，是可行的技术路线；（2）虽然AIGC大模型技术还处于发展时期，但是智能家居行业已经联手构建智能家居专业大模型，共同研究智慧家庭大模型的基础和关键技术，制修订智慧家庭大模型标准、评测方法等，降低家电行业大模型应用门槛，我们相信智能家居类生物化技术路线会得到行业认可和普及；（3）生成式人工智能AIGC带来的安全问题，本文未涉及，后续会重点研究。生成式人工智能AIGC，通过大规模数据的学习训练，令AI具备了多个不同领域的知识，产生的知识涌现，产生了意识，将赋能智能家居实现从计算智能、感知智能再到认知智能的进阶。人机协同完成真实场景任务，人机共生更加趋于自然，对于智能家居行业实现从“热度”到“繁华”的鸿沟跨越产生较大的影响，助力人民快速实现智能美好生活愿望。参考文献1 商务部等13部门关于促进家居消费若干措施的通知EB/OL.https:/ 安德鲁霍齐斯.艾伦图灵传M.长沙:湖南科学技术出版社,2017.3 李德毅.人工智能看哲学J.科学与社会,2023,13(02):123-135.4 T/CAS 6072022多联式空调（热泵）机组智能运维与健康管理技术规范S.5 凯文凯利.科技想要什么M.北京:电子工业出版社,2016.6 焦利敏,石文鹏,李红伟,等.智慧家庭健康管理方法学和理论框架研究J.家电科技,2023(02):56-60.表2 智能家居产品数据种类序号种类作用1智能电冰箱管理食材的保质期、储藏温度等，记录家庭食材的类别和数量，食材的来源2智能手环记录心率、血氧、运动监测 3智能体脂称记录体重、心率、心脏指数、BMI、体脂率、心脏脂肪等级、肌肉量、脂肪量、基础代谢率、体水分、体年龄、去脂体重、骨骼肌率、蛋白质、骨量等；4智能空调温度、湿度、洁净度、新风、风感等；5智能马桶尿液指标（蛋白质、潜血、微量白蛋白、酸碱度、尿比重、肌酐等）和体脂数据（肌肉水平、基础代谢量、体脂肪率、骨量水平、BMI、内脏脂肪等级等）6智能水杯供水温的调节、饮水量的管理，比如管理成年人一般日饮水15001700 mL7智能床垫睡眠数据8智能电视机健康医疗表1 智能空调智能感知数据序号种类项目技术1环境室内、外环境温、湿、声音分贝、氧含量、味道、洁净度、二氧化碳含量、PM2.5等图像识别、声源定位、声纹识别、温湿度感应、3D 雷达等。2器具电压、电流、压缩机频率、运行时间、管路、温度等3用户有无、形状，状态、位置、大小，数量、皮肤表面温度、性别、年龄范围、身高、表情、声纹等4空间位置信息、建筑空间内大小和形状等5其他时间、气候、味觉等