工業(yè)AI項(xiàng)目試錯(cuò)成本高、數(shù)據(jù)質(zhì)量低？五大趨勢(shì)推進(jìn)AI驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

AI不僅推動(dòng)了智能助手、機(jī)器翻譯和自動(dòng)駕駛等應(yīng)用的發(fā)展，還為工程師和科學(xué)家提供了一套處理通用任務(wù)的新技術(shù)。不過(guò)，雖然許多企業(yè)都認(rèn)識(shí)到了AI的價(jià)值和潛力，但落地依然很難。

許多企業(yè)一度被實(shí)施AI的難度嚇倒——他們認(rèn)為要做AI就必須成為數(shù)據(jù)科學(xué)專(zhuān)家；顧慮開(kāi)發(fā)AI系統(tǒng)既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢(qián)；缺乏高質(zhì)量的標(biāo)記數(shù)據(jù)；將AI集成入現(xiàn)有算法和系統(tǒng)中成本高而且很復(fù)雜……

這些挑戰(zhàn)正在從多個(gè)維度被逐步攻克。MathWorks首席戰(zhàn)略師Jim Tung在接受《電子發(fā)燒友》采訪時(shí)預(yù)測(cè)，隨著人工智能在多種工業(yè)應(yīng)用中的快速發(fā)展，2020年將成為“AI驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”年。其中，“系統(tǒng)”是關(guān)鍵詞，有五大應(yīng)用趨勢(shì)將促成這一預(yù)測(cè)的實(shí)現(xiàn)。

五大趨勢(shì)促使2020年成為“AI驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”年

趨勢(shì)一：現(xiàn)有勞動(dòng)力技能、數(shù)據(jù)范圍和質(zhì)量之間的壁壘，開(kāi)始消弭

Gartner在2019年的一項(xiàng)調(diào)研中，詢(xún)問(wèn)了多家工業(yè)企業(yè)如下問(wèn)題：“目前正在進(jìn)行的AI項(xiàng)目有多少？在未來(lái)一年、兩年和三年中預(yù)期將進(jìn)行多少項(xiàng)目？”調(diào)研結(jié)果顯示，未來(lái)3年中，企業(yè)開(kāi)展的AI項(xiàng)目數(shù)量將增長(zhǎng)10倍，并將其作為優(yōu)先任務(wù)。

針對(duì)同一批調(diào)查對(duì)象，Gartner就這些企業(yè)在應(yīng)用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)首要的兩個(gè)壁壘是：團(tuán)隊(duì)技能，以及數(shù)據(jù)的可用性（主要指合適范圍和質(zhì)量的數(shù)據(jù)）。這兩大壁壘對(duì)于AI技術(shù)的成功應(yīng)用十分重要，亟待解決。

那么，現(xiàn)有勞動(dòng)力技能、數(shù)據(jù)范圍和質(zhì)量的壁壘可以得到解決的依據(jù)是什么？Jim Tung認(rèn)為，非常重要的一點(diǎn)是，越來(lái)越多的工程師和科學(xué)家正在參與到AI項(xiàng)目中，而不僅限于數(shù)學(xué)科學(xué)家，他們將帶來(lái)AI項(xiàng)目成功所必需的領(lǐng)域技能和知識(shí)。這些科學(xué)家能夠很好地獲取現(xiàn)有深度學(xué)習(xí)的預(yù)訓(xùn)練模型，包括AI社區(qū)已經(jīng)公開(kāi)的研究成果。利用傳感器數(shù)據(jù)將更有利于這些AI模型的應(yīng)用，不僅限于深度學(xué)習(xí)常用的圖像數(shù)據(jù)，還包括時(shí)間序列、文本以及雷達(dá)信號(hào)等各方面數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)和模型的可用性，將支持AI在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

工程師和科學(xué)家能夠充分利用自己對(duì)數(shù)據(jù)的了解，這將對(duì)AI項(xiàng)目的成功帶來(lái)很大影響。例如數(shù)據(jù)自動(dòng)標(biāo)注的工具，可以幫助他們加快這種高質(zhì)量大型數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)備工作。高質(zhì)量數(shù)據(jù)越多，AI模型準(zhǔn)確度提高的可能性也越大，從而整個(gè)項(xiàng)目的成功概率也越高。

趨勢(shì)二：AI驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)復(fù)雜度

工程師們并不滿(mǎn)足于在IT系統(tǒng)中的應(yīng)用，正在將AI推廣到各種系統(tǒng)中，包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)、飛機(jī)引擎，以及工業(yè)廠房和風(fēng)力發(fā)電機(jī)等等。AI模型的行為在一個(gè)多域的復(fù)雜系統(tǒng)中，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的行為產(chǎn)生很大的影響。因此工程師們確實(shí)需要理解AI模型和系統(tǒng)的其他部分是如何配合工作的。他們期望使用基于模型設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)仿真、AI模型的集成以及持續(xù)測(cè)試?yán)斫馊绾蝿?chuàng)建穩(wěn)健的AI驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

AI模型的用途也越來(lái)越廣泛，并不局限于汽車(chē)和工業(yè)設(shè)備等一些常見(jiàn)的工業(yè)領(lǐng)域，還包括其他所有涉及嵌入式系統(tǒng)、邊緣計(jì)算，以及企業(yè)系統(tǒng)的領(lǐng)域。

當(dāng)設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，AI模型應(yīng)用越來(lái)越廣泛時(shí)，又該如何進(jìn)行AI驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)？Jim Tung表示，重要的一點(diǎn)是要將AI模型放在系統(tǒng)級(jí)的語(yǔ)境中，在移植入硬件之前先對(duì)AI算法的行為進(jìn)行仿真，判斷是否符合預(yù)期，并驗(yàn)證基于AI設(shè)計(jì)的有效性。

一個(gè)示例是Voyage，他們將自動(dòng)駕駛算法嵌入車(chē)輛中，為老人護(hù)理機(jī)構(gòu)提供服務(wù)，僅僅在3個(gè)月內(nèi)，就實(shí)現(xiàn)了Level3級(jí)別的無(wú)人駕駛汽車(chē)開(kāi)發(fā)。正是因?yàn)榛谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)集成了AI功能和汽車(chē)的其他子系統(tǒng)，從而能夠快速地理解系統(tǒng)行為。

趨勢(shì)三：在低功耗、低成本嵌入式設(shè)備中部署AI愈加容易

AI系統(tǒng)在低功耗、低成本的嵌入式設(shè)備中更容易部署，這有利于AI模型在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。以往AI算法需要具備32位浮點(diǎn)運(yùn)算能力的高性能計(jì)算系統(tǒng)，GPU、集群以及數(shù)據(jù)中心支持?，F(xiàn)在，隨著軟件工具的發(fā)展，可以設(shè)計(jì)基于不同級(jí)別定點(diǎn)運(yùn)算的AI推斷模型，并將其部署到不同的低成本、低功耗的嵌入式設(shè)備中，這使得工程師能夠在應(yīng)用AI技術(shù)時(shí)有更多選擇，例如車(chē)輛的ECU電子控制單元以及更多的嵌入式工業(yè)設(shè)備等。

將AI算法應(yīng)用在不同的嵌入式處理器中，以往的工作模式通常是算法或模型開(kāi)發(fā)者和程序員合作。如今通過(guò)使用軟件工具，特別是自動(dòng)代碼生成功能，可以在開(kāi)發(fā)一次模型后，使用代碼生成功能將其部署到各種不同的平臺(tái)上，例如生成C++代碼，或生成CUDA代碼應(yīng)用于GPU，以及HDL代碼，應(yīng)用在FPGA上，一個(gè)來(lái)源、多個(gè)目標(biāo)，全部自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

不過(guò)，將浮點(diǎn)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)運(yùn)算，并不能一蹴而就，這要求對(duì)代碼有很好的理解，以保證結(jié)果可預(yù)測(cè)并可靠。


趨勢(shì)四：強(qiáng)化學(xué)習(xí)從游戲轉(zhuǎn)移到工業(yè)場(chǎng)景中

強(qiáng)化學(xué)習(xí)因?yàn)樵谟螒蝾I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用而聞名，現(xiàn)在它已快速轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)世界的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中。原因在于強(qiáng)化學(xué)習(xí)能夠快速地幫助工程師解決復(fù)雜問(wèn)題，例如在自動(dòng)駕駛、自主系統(tǒng)，以及控制設(shè)計(jì)、機(jī)器人等領(lǐng)域。

為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化學(xué)習(xí)，需要進(jìn)行大量的模擬。仿真的重要性在于，每一次模型仿真的結(jié)果都用于學(xué)習(xí)，可以執(zhí)行多次仿真，也可以在云端和集群中進(jìn)行并行計(jì)算，來(lái)提高學(xué)習(xí)速度。

為迎合這一趨勢(shì)，MathWorks開(kāi)發(fā)了強(qiáng)化學(xué)習(xí)工具箱，支持內(nèi)置和自定義的強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能體的應(yīng)用。在MATLAB和Simulink中，用戶(hù)可以對(duì)環(huán)境進(jìn)行建模，這是強(qiáng)化學(xué)習(xí)工作流的重要部分。同樣深度學(xué)習(xí)工具箱也支持強(qiáng)化學(xué)習(xí)策略的設(shè)計(jì)，GPU、云端訓(xùn)練加速功能、嵌入式系統(tǒng)的代碼生成，以及供用戶(hù)快速進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的參考示例。


趨勢(shì)五：仿真可以降低數(shù)據(jù)質(zhì)量欠佳壁壘

數(shù)據(jù)質(zhì)量是AI成功實(shí)施的主要壁壘，通過(guò)仿真可以有效解決這一難題。為什么？Jim Tung分析，AI本可以在檢測(cè)故障、異常和失效情況的場(chǎng)景中十分有用，但問(wèn)題在于，對(duì)故障狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，可能有很高的風(fēng)險(xiǎn)且難以預(yù)測(cè)。一方面因?yàn)楣收习l(fā)生概率不高，另一方面收集數(shù)據(jù)的代價(jià)十分高昂，因?yàn)樾枰屧O(shè)備運(yùn)行到出現(xiàn)故障，這樣難以收集到大量有效數(shù)據(jù)。

但是，如果通過(guò)仿真來(lái)呈現(xiàn)系統(tǒng)的故障行為，從而生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)，再結(jié)合實(shí)際的傳感器數(shù)據(jù)，可以對(duì)AI模型進(jìn)行訓(xùn)練來(lái)提高準(zhǔn)確度。通過(guò)采用基于模型設(shè)計(jì)流程中開(kāi)發(fā)的模型，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，來(lái)模仿故障模式。這些故障模式的模型可以仿真生成大量數(shù)據(jù)來(lái)描述故障狀態(tài)，用于訓(xùn)練AI模型以及故障檢測(cè)。

非AI領(lǐng)域?qū)＜沂茿I項(xiàng)目成功的關(guān)鍵，他們需要哪些工程支持？

Jim Tung認(rèn)為，基于這五大趨勢(shì)，2020年將是十分重要的一年?！癆I驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”將是一個(gè)非常重要的方向，尤其在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。通過(guò)跨科學(xué)與工程和數(shù)據(jù)科學(xué)的工具，使用跨越整個(gè)設(shè)計(jì)流程的工具鏈，將AI模型與科學(xué)和工程的洞見(jiàn)相結(jié)合，都在降低AI的實(shí)施難度。

正如他在采訪中所強(qiáng)調(diào)的工程師和領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)于AI項(xiàng)目至關(guān)重要，相關(guān)工具順應(yīng)趨勢(shì)發(fā)生變化。如今，用于構(gòu)建基于AI的解決方案的工具正在從針對(duì)數(shù)據(jù)科學(xué)家的工具擴(kuò)展到針對(duì)專(zhuān)業(yè)工程人員的工具。借助這些工具，工程師可以將AI驅(qū)動(dòng)的功能和模型注入應(yīng)用程序，而無(wú)需專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)科學(xué)家的參與。

Jim Tung告訴《電子發(fā)燒友》，一個(gè)最新的用戶(hù)案例是復(fù)旦大學(xué)利用MATLAB開(kāi)發(fā)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)新冠肺炎的傳染趨勢(shì)，并為官方提供了相應(yīng)的公共措施方面的指導(dǎo)。MATLAB在該項(xiàng)目中的主要應(yīng)用有：數(shù)據(jù)的可視化、預(yù)處理，模型的擬合、開(kāi)發(fā)，參數(shù)的調(diào)優(yōu)，數(shù)值仿真和測(cè)試，應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，最終以Web應(yīng)用的形式部署。

相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家對(duì)AI項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。他們能夠利用自己的專(zhuān)長(zhǎng)選擇合適的數(shù)據(jù)，決定如何為AI建模準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，選擇針對(duì)應(yīng)用簡(jiǎn)化且有效的模型。并且，他們還能夠通過(guò)評(píng)估結(jié)果判斷模型是否合適，以及理解系統(tǒng)并識(shí)別在系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的故障模式。

他們需要哪些工程支持？首先，使用應(yīng)用程序和自動(dòng)化工具準(zhǔn)備標(biāo)注完善的數(shù)據(jù)集；其次，完備的算法和內(nèi)置預(yù)訓(xùn)練模型，便于快速訪問(wèn)；第三，針對(duì)一些特定的垂直應(yīng)用領(lǐng)域，例如預(yù)測(cè)性維護(hù)等，提供內(nèi)置的算法，可以幫助他們快速開(kāi)發(fā)；第四，通過(guò)參考示例了解AI在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，可以根據(jù)這些參考示例，結(jié)合各自需求進(jìn)行修改。

為了幫助非AI領(lǐng)域?qū)＜矣行褂孟嚓P(guān)技術(shù)，MathWorks提供了一系列應(yīng)用程序，例如在深度學(xué)習(xí)工作流中的應(yīng)用Deep Network Designer，支持用戶(hù)直接獲取預(yù)訓(xùn)練模型、導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)、訓(xùn)練圖像分類(lèi)網(wǎng)絡(luò)、并生成MATLAB代碼用于后續(xù)的自動(dòng)訓(xùn)練，都是以按鍵點(diǎn)擊的方式來(lái)執(zhí)行，在應(yīng)用程序引導(dǎo)下，他們可以完成工作流中的設(shè)計(jì)和分析等各個(gè)步驟。

同時(shí)，MATLAB提供了完整的軟件功能，包括當(dāng)前的領(lǐng)先技術(shù)。例如AutoML，可以通過(guò)自動(dòng)化的方式實(shí)現(xiàn)在機(jī)器學(xué)習(xí)中的各個(gè)步驟，包括特征生成、特征選擇以及模型選擇等，同時(shí)也可以將AI與其他技術(shù)結(jié)合，包括信號(hào)處理、圖像處理以及優(yōu)化，用戶(hù)還能夠創(chuàng)建自定義的方法，并且結(jié)合使用其他語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的方法，進(jìn)行集成。

找到工業(yè)企業(yè)對(duì)AI的痛點(diǎn)需求

既然今年有望成為工業(yè)應(yīng)用的“AI驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”年，那么，找到工業(yè)企業(yè)對(duì)于AI的痛點(diǎn)需求顯然至關(guān)重要。由于傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)在AI的實(shí)施中普遍偏保守，他們對(duì)于新技術(shù)的選擇往往非常謹(jǐn)慎，需要確定生產(chǎn)系統(tǒng)是穩(wěn)健的，需要足夠的經(jīng)驗(yàn)積累。這些都造成了AI在工業(yè)領(lǐng)域難以快速落地的局面。

Jim Tung結(jié)合他的觀察談到，在數(shù)字化浪潮中，傳統(tǒng)企業(yè)并未抗拒變革，一些企業(yè)在幾年前就開(kāi)始了數(shù)字化轉(zhuǎn)型，但是大多數(shù)以失敗或進(jìn)展遲滯告終。常見(jiàn)的失敗模式有兩種：一是花了太多時(shí)間為所需數(shù)據(jù)構(gòu)建IT基礎(chǔ)設(shè)施，但最后發(fā)現(xiàn)方向是錯(cuò)誤的，以至于耗費(fèi)了過(guò)高的時(shí)間、人力和費(fèi)用成本。二是一些企業(yè)嘗試躍進(jìn)式的轉(zhuǎn)變，試圖從傳統(tǒng)的商業(yè)模式直接切換到全新的商業(yè)模式，招了大量新人、收集新想法，但是反而在某些情況下流失了現(xiàn)有人才。

Jim Tung認(rèn)為，那些能夠成功進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型的企業(yè)，往往非常務(wù)實(shí)。首先他們能找出一些特定項(xiàng)目，以此為起點(diǎn)進(jìn)行管理，逐步遞增。項(xiàng)目體量適當(dāng)，既具有足夠的挑戰(zhàn)性，能產(chǎn)生投資回報(bào)，又不會(huì)風(fēng)險(xiǎn)過(guò)高。他們通過(guò)已經(jīng)積累的經(jīng)驗(yàn)和資源，系統(tǒng)地使用工具、工作流和模型，是一種更系統(tǒng)且成功概率更高的方式，更有助于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型。

他強(qiáng)調(diào)，AI在工業(yè)應(yīng)用中成功的最重要的因素，在于充分地利用領(lǐng)域?qū)＜覀兊慕?jīng)驗(yàn)積累。他們能利用在創(chuàng)建、維護(hù)系統(tǒng)時(shí)所積累的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)科學(xué)和AI知識(shí)。企業(yè)可以雇傭具有這方面專(zhuān)業(yè)技能的新人或者幫助領(lǐng)域?qū)＜姨岣咚麄冊(cè)跀?shù)據(jù)科學(xué)方面的技能。如果把這兩個(gè)群體分開(kāi)，嘗試各自去解決問(wèn)題，往往難以成功。

幫助用戶(hù)管理和優(yōu)化資產(chǎn)是當(dāng)前AI工業(yè)應(yīng)用的重點(diǎn)

眼下，人工智能的主要問(wèn)題仍是如何在實(shí)際應(yīng)用中投入生產(chǎn)。作為軟件工具提供商，MathWorks主要從以下四方面應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)：一是當(dāng)負(fù)責(zé)生產(chǎn)的團(tuán)隊(duì)對(duì)AI開(kāi)發(fā)的細(xì)節(jié)不太精通時(shí)，例如選擇模型類(lèi)型、調(diào)整超參數(shù)、評(píng)估性能等有困難，可以使用AutoML方法將這些步驟自動(dòng)化，這是關(guān)鍵的實(shí)現(xiàn)方法；二是缺乏生產(chǎn)系統(tǒng)需要運(yùn)行的一系列場(chǎng)景的綜合數(shù)據(jù)集，將AI開(kāi)發(fā)工具與系統(tǒng)仿真工具相結(jié)合，能夠合成數(shù)據(jù)，并通過(guò)并行運(yùn)行仿真加速，有助于克服這一挑戰(zhàn)；三是AI組件通常需要在功耗和計(jì)算受限的系統(tǒng)中運(yùn)行，因此提供功能強(qiáng)大、易于使用的工具來(lái)量化在此類(lèi)系統(tǒng)中運(yùn)行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要；最后，識(shí)別一個(gè)有效的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)需要大量的實(shí)驗(yàn)，包括訓(xùn)練、調(diào)整超參數(shù)、比較結(jié)果和管理不同的數(shù)據(jù)集，系統(tǒng)地做到這一點(diǎn)并跟蹤每件事可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，為此MathWorks引入了Experiment Manager（實(shí)驗(yàn)管理器），幫助用戶(hù)運(yùn)行和組織他們的深度學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)。

在Gartner剛公布的《2020年數(shù)據(jù)科學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)魔力象限》中，MathWorks被評(píng)為領(lǐng)導(dǎo)者。Jim Tung表示，未來(lái)，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)將來(lái)自于機(jī)器和硬件資產(chǎn)，AI的應(yīng)用前景不僅體現(xiàn)在商業(yè)數(shù)據(jù)挖掘上，更重要的是怎樣管理和優(yōu)化資產(chǎn)。MathWorks主要關(guān)注工業(yè)用戶(hù)，即那些建造并提供實(shí)際的物理設(shè)備、機(jī)器、汽車(chē)的企業(yè)等，幫助他們以更簡(jiǎn)單、有效的方式實(shí)現(xiàn)AI應(yīng)用。