Modeling human behaviors and frailty for a personalized ambient assisted living framework

par Joaquim Bellmunt Montoya

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Mounir Mokhtari.

Soutenue le 21-11-2017

à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Laboratoire d'Informatique de Robotique et de Microélectronique de Montpellier / LIRMM (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Fraisse.

Le jury était composé de Mounir Mokhtari, Philippe Fraisse, Norbert Noury, Abdelsalam Helal, Daby Sow.

Les rapporteurs étaient Norbert Noury, Abdelsalam Helal.

  • Titre traduit

    Modélisation des comportements humains et de la fragilité pour la conception d'une plateforme d'assistance d'intelligence ambiante


  • Résumé

    Les technologies d’assistance à la vie autonome est aujourd'hui nécessaire pour soutenir les personnes ayant des besoins spécifiques dans leurs activités de la vie quotidienne, mais leurs développements demeure limités malgré les enjeux liés à l’accompagnement des personnes âgées et dépendantes. Par ailleurs, l'élaboration de plateformes technologiques durant la dernière décennie s'est principalement concentrée sur la dimension technologique, en négligeant l'impact des facteurs humains et des besoins sociaux. Les nouvelles technologies, telles que le cloud et l’Internet des objets (IoT) pourraient apporter de nouvelles capacités dans ce domaine de recherche permettant aux systèmes de traiter les activités humaines selon des modèles orientés vers l'usage (ie. la fragilité) dans une approche non invasive.Cette thèse se propose d'envisager un nouveau paradigme dans les technologies d'assistance pour le vieillissement et le bien-être en introduisant (i) des métriques de la fragilité humaine et (ii) une dimension urbaine dans un cadre d'assistance ambiant (extension de l'espace de vie de l'intérieur vers l'extérieur). Elle propose une plateforme basée sur l’Informatique dans le cloud (cloud computing) pour une communication transparente avec les objets connectés, permettant au système intégré de calculer et de modéliser différents niveaux de fragilité humaine. Cette thèse propose d'utiliser des données hétérogènes en temps réel fournies par différents types de sources (capteurs intérieurs et extérieurs), ainsi que des données de référence, collectées sur un serveur de cloud de raisonnement central. La plateforme stocke les données brutes et les traite à travers un moteur de raisonnement hybride combinant à la fois l'approche basée sur les données (apprentissage automatique), et l'approche basée sur la connaissance (raisonnement sémantique) pour (i) déduire les activités de la vie quotidienne, (ii) détecter le changement du comportement humain, et enfin (iii) calibrer les valeurs de fragilité humaine. Les valeurs de fragilité peuvent permettre au système de détecter automatiquement tout changement de comportement, ou toute situation anormale, qui pourrait entraîner un risque à la maison ou à l'extérieur. L'ambition à long terme est de détecter et d'intervenir pour éviter un risque avant même qu'un médecin ne le détecte lors d'une consultation. L'objectif ultime est de promouvoir le paradigme de la prévention pour la santé et du bien-être.Cette thèse vise à concevoir et développer une plateforme intégrée, personnalisée, basée sur le cloud, capable de communiquer avec des capteurs intérieurs non invasifs (par ex. mouvement, contact, fibre optique) et à l'extérieur (par ex. BLE Beacons, smartphone, bracelet..). La plateforme développée comprend également un classificateur de mobilité du comportement humain qui utilise les capteurs internes du Smart Phone pour calibrer le type de mouvement effectué par l'individu (p. ex. marche, vélo, tram, bus, et voiture). Les données recueillies dans ce contexte servent à construire un modèle multidimensionnel de fragilité basé sur plusieurs éléments standardisés de fragilité, à partir d'une littérature abondante et d'un examen approfondi d’autres plateformes. La plateforme et les modèles associés ont été évalués dans des conditions réelles de vie impliquant les utilisateurs et les aidants par le biais de différents sites pilotes à Singapour et en France. Les données obtenues ont été analysées et publiées dans de nombreuses conférences et revues internationales.La plateforme développée est actuellement déployée en situation écologique dans 24 habitats individuels. Cela comprend cinq chambres en EHPAD, et neuf maisons sont situées en France, en collaboration avec une maison de retraite (Argentan-Normandie) et à Montpellier en collaboration avec Montpellier Métropole. Entre autre dix appartements privés sont situés à Singapour en collaboration avec un Senior Activity Center.


  • Résumé

    Ambient Assisted Living is nowadays necessary to support people with special needs in performing their activities of daily living, but it remains unaltered in front of the necessity to accompany aging and dependent people in their outdoors activities. Moreover, the development of multiple frameworks during the last decade has mainly focused on the engineering dimension neglecting impact of human factors and social needs in the design process. New technologies, such as cloud computing and Internet of Things (IoT) could bring new capabilities to this field of research allowing systems to process human condition following usage oriented models (e.g. frailty) in a non-invasive approach. This thesis proposes to consider a new paradigm in assistive technologies for aging and wellbeing by introducing (i) human frailty metrics, and (ii) urban dimension in an ambient assistive framework (extending the living space from indoors to outdoors). It proposes a cloud-based framework for seamless communication with connected objects, allowing the integrated system to compute and to model different levels of human frailty based on several frailty standardized items, and leveraged from an extensive literature and frameworks reviews.This thesis aims at designing and developing an integrated cloud-based framework, which would be able to communicate with heterogeneous real-time non-invasive indoor sensors (e.g. motion, contact, fiber optic) and outdoors (e.g. BLE Beacons, smartphone). The framework stores the raw data and processes it through a designed hybrid reasoning engine combining both approaches, data driven (machine learning), and knowledge driven (semantic reasoning) algorithms, to (i) infer the activities of the daily living (ADL), (ii) detect changes of human behavior, and ultimately (iii) calibrate human frailty values. It also includes a human behavior mobility classifier that uses the inner smartphone sensors to classify the type of movement performed by the individual (e.g. Walk, Cycling, MRT, Bus, Car). The frailty values might allow the system to automatically detect any change of behaviors, or abnormal situations, which might lead to a risk at home or outside.The proposed models and framework have been developed in close collaboration with IPAL and LIRMM research teams. They also have been assessed in real conditions involving end-users and caregivers through different pilots sites in Singapore and in France. Nowadays, the proposed framework, is currently deployed in a real world deployment in 24 individual homes. 14 spaces are located in France (5 privates rooms in nursing home and 9 private houses) in collaboration with a nursing home (Argentan-Normandie and Montpellier). 10 individual homes are located in Singapore in collaboration with a Senior Activity Center (non-profit organization).The long-term ambition is to detect and intervene to avoid a risk even before a medical doctor detects it during a consultation. The ultimate goal is to promote prevention paradigm for health and wellbeing. The obtained data has been analyzed and published in multiple international conferences and journals.


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