Technisch unterstützte Pflege von morgen: Innovative Aktivitätserkennung und Verhaltensermittlung durch ambiente Sensorik

318 Pages·2015·6.49 MB·German

by  Marco Munstermann (auth.)

Technisch unterstützte Pfl ege
von morgen
Marco Munstermann
Technisch unterstützte
Pfl ege von morgen
Innovative Aktivitätserkennung
und Verhaltensermittlung durch
ambiente Sensorik
Mit einem Geleitwort von Dr. rer. nat. Wolfram Luther
Marco Munstermann
Duisburg, Deutschland
Dissertation Universität Duisburg-Essen, 2014
ISBN 978-3-658-09796-7 ISBN 978-3-658-09797-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-09797-4
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MeinenEltern,
meinemBruderund
meinemMentor.
Geleitwort
In diesem Buch legt der Autor die Ergebnisse aus seiner Arbeit am Duisburger Fraunhofer-
Institut (IMS) und Fraunhofer-inHaus-Zentrum aus den Jahren 2009 bis 2014 vor, die er in
einemvomBundesministeriumfürBildungundForschung(BMBF)gefördertenProjektSen-
sorbasiertesadaptivesMonitoringsystemfürdieVerhaltensanalysevonSenioren(SAMDY)er-
zieltundalsDissertationsschriftinderFakultätfürIngenieurwissenschaftenanderUniversität
Duisburg-Essenvorgelegthat.
DabeigehtesumdenEntwurfundeineprototypischeUmsetzungeinerhybridenPlattform
zur Kontextgenerierung und Verhaltensermittlung von Personen in ihrem häuslichen Umfeld
unterVorgabenzurPerson,demWohnumfeldunddentageszeitlichenAktivitäten.Eshandelt
sichmehrheitlichumältereMenschen,beidenenmittelsgeeigneterSensorenimWohnbereich
AbweichungenindenAktivitätenvonübereinenlängerenZeitraumbeobachtetenTagesabläu-
fenmithoherSicherheitfestgestelltundinverwertbareAussagenfürdenPflegedienstumge-
setztwerden.DieMotivationzudieserArbeitleitetsichausdenBedürfnisseneineralternden
Gesellschaftab,inderdieMenschenmöglichstlangeeigenverantwortlichinihremgewohnten
Umfeld verbleiben wollen, und unterstreicht die Wichtigkeit der aktuellen Forschungsbemü-
hungenzumAmbientAssistedLiving.AufderanderenSeitesteigendieAufwendungenfür
qualifiziertePflegeJahrfürJahr,wobeidievorgestelltenSystemenatürlichnurinergänzender
Funktioneingesetztwerden.InsbesonderedieAuswahl,PlatzierungundKombinationvonnicht
invasivenSensorenundderUmgangmitdenvonihnengeliefertenDatenstellthoheAnforde-
rungenandenSchutzderPrivatsphäre,dieUnversehrtheitderPersonundeinekorrekteDeutung
derÄnderungenindenTagesabläufenundihrerSignifikanzfürvermuteteAbweichungenvon
gewohntenVerhaltensformen.
DieArbeittriffteinesehrsorgfältigeAuswahlauseinfachenSensoren,wobeizwischenEr-
kennungsgenauigkeitundAkzeptanzbeimPatientenabgewogenwird.SieliefertformaleAn-
sätzezurAktivitätserkennung,BeschreibungenvonalltäglichemVerhaltenundMaßefürVer-
haltensabweichungenbasierendaufAufgabenmodellbeschreibungenfürallerelevantenAkti-
vitäten.DabeikommenleistungsfähigeErkennungsalgorithmenmitautomatischerAnpassung
derParameter,einedetailliertesimulativeValidierungmitechtenDatenanhandvonfünfPerso-
nenprofilenineinermitambienterSensorikzurAktivitätserkennungausgestattetenWohnum-
gebungzumEinsatz.
ZurformalenBeschreibungvonAufgabenundTätigkeitenexistierenverschiedeneModel-
lierungsansätze,wiezumBeispieldasBusinessProcessModeling,Petrinetzeinverschiedenen
Verallgemeinerungen oder die Concur Task Tree Notation. Andererseits sind aber auch sto-
chastischeModellewieMarkow-KetteninverschiedenenAusprägungeninBetrachtzuziehen.
AlseinenwesentlichenBeitragstelltdieArbeitdahereinneuesumstochastischeKomponen-
tenerweitertesundvalidiertesTransitionSystemMining-VerfahrenzurVerhaltensermittlung
bereit.
DervorliegendeTextbehandeltineinembreitenwissenschaftlichenAnsatzausführlichden
gesamtenWorkflowmitseinenvielfachenVerästelungen,zeichnetsichdurcheinenverständli-
chenDiskursaufhohemNiveauaus,dernichtnurdiegetroffenenDesignentscheidungensorg-
fältigdarstelltundbelegt,sondernauchAlternativenbeschreibtundbewertet.
DasBuchistsehrsorgfältiggeschrieben,mitsehrillustrativenGrafikenausgestattetundent-
hält auch die vollständigen Modelle in der Concur Task Tree Notation. Das Skript zur Ver-
VIII
haltensermittlungsowiedievollständigenEvaluationsergebnissesindausführlichdokumentiert
undbegleitetvoneinemaktuellenLiteraturverzeichnis.
DerAutorbehandelteinemoderne,relevante,sehrkomplexeinterdisziplinäreThematikund
stelltseinewissenschaftlichenErgebnisseverständlichundnachvollziehbarfüreinebreiteLe-
serschaftauswissenschaftlichTätigen,StudierendenundBeschäftigteninderIndustrieundim
Dienstleistungssektordar.SowünscheichdemBucheinguteAufnahmeundweiteVerbreitung
inderFachwelt.
Dr.rer.nat.WolframLuther
FakultätfürIngenieurwissenschaftenderUniversitätDuisburg-Essen
AbteilungInformatikundAngewandteKognitionswissenschaft
SeniorprofessurComputergraphik,BildverarbeitungundWissenschaftlichesRechnen
Danksagung
Prof.Dr.rer.nat.WolframLutherfürseineunermüdlicheundvertrauensvolleBetreuung,Prof.
Dr.-Ing.JürgenZieglerdafür,dasseralsZweitgutachterzurVerfügungstand,Kollegenvom
FraunhoferIMSundspezielljenenausderAbteilungTSAdafür,dasssiemichauchinstres-
sigenZeitenertragenhaben,FrauDog˘angünfürdieendlosenDiskussionenüberdasFürund
Wider von AAL-Themen, Herrn Kitanovski für die kreativen Gespräche im Rahmen seiner
Bachelorarbeit,FrauPerszewski,FrauHuffzigerundFrauWybranietzfürdiepartnerschaftli-
cheZusammenarbeitzwischenAnwendernundEntwicklernspeziellbeiderDurchführungder
FeldtestsundlastbutnotleastmeinenElternundmeinemBrudermöchteichdanken.
Inhaltsverzeichnis
Tabellenverzeichnis XIII
Abbildungsverzeichnis XV
Abkürzungsverzeichnis XIX
1 Einleitung 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Zielgruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 ProblemstellungundLösungsweg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 AuswertungvonExpertenwissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 ErzeugungvonAktivitätsmodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6 Generierenvon„Normalverhalten“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.7 MessenvonVerhaltensabweichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.8 WissenschaftlicherBeitragimUmfeldverwandterArbeiten . . . . . . . . . . . 31
1.9 AufbauderArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2 AmbienteAssistenzfunktionen 41
2.1 DemografischerWandel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2 ChancendurchAmbientAssistedLiving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3 Context-AwarenessinPervasiveSystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.1 TemporaleEinordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.2 Identifizierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3.3 Lokalisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.4 Aktivitätserkennung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.5 ActivitiesofDailyLiving. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4 FormalisierungvonAssistenzfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.5 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.5.1 DomänenwissenausdemBereichderPflege . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.5.2 Task-Modelling-VerfahrenzurKontextgenerierung . . . . . . . . . . . 63
2.5.3 Process-Mining-VerfahrenzurVerhaltensermittlung . . . . . . . . . . . 72
3 Anforderungsanalyse 103
3.1 Voraussetzungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2 Expertenwissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.3 AmbienteSensorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.4 SchutzderPrivatsphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.5 SystematischeAnalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.5.1 EinsatzbereitschaftundkurzeInteraktionszeit . . . . . . . . . . . . . . 113
3.5.2 KognitiveAufgabenanalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.5.3 AnforderungenanMensch-Computer-Systeme . . . . . . . . . . . . . 123
XII Inhaltsverzeichnis
4 EntwurfdesGesamtsystems 127
4.1 AnsätzezurSystemevaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.2 GrundlagendesGesamtkonzepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.2.1 AuswahlvongeeignetenSensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.2.2 AuswahlvongeeignetenMethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.2.3 KonzeptderGesamtplattform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.3 QuantifizierungvonVerhaltensänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.3.1 BisherigeMaßstäbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.3.2 EigenerAnsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.3.3 BeispielderAnwendungdeseigenenAnsatzes . . . . . . . . . . . . . 167
5 RealisierungdesGesamtsystems 173
5.1 EingesetzteambienteSensorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.2 UmsetzungdesGesamtsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.2.1 Editor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
5.2.2 Middleware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.2.3 ModulderKontextgenerierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
5.2.4 TransformationeinesCTT-ModellsineinPN . . . . . . . . . . . . . . 211
5.2.5 ModulderVerhaltensermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6 Evaluation 229
6.1 FunktionstestdesGesamtsystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.2 FunktionstestderKontextgenerierunganeinemBeispiel . . . . . . . . . . . . 230
6.3 RealistischesimulativeEvaluationderVerhaltensermittlung. . . . . . . . . . . 236
6.3.1 VerfahrendersimulativenEvaluation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
6.3.2 FehlerklassendersimulativenEvaluation . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.3.3 ErgebnissederrealistischensimulativenEvaluation . . . . . . . . . . . 251
7 Fazit 261
7.1 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
7.2 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
7.3 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Literatur 267
A Mindmaps 281
A.1 IndikatorenfürbestimmteADL(priorisiert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
A.2 KognitiveAufgabenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
B CTT-Modelle 285
B.1 VollständigeCTT-ModellederADL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
C Quellcode 290
C.1 SkriptzurRealisierungderVerhaltensermittlung. . . . . . . . . . . . . . . . . 290
D Evaluation 294
D.1 TagesstrukturenundNormalverhaltenderEvaluationsteilnehmer . . . . . . . . 294