利用嵌入式AI，將大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄軘?shù)據(jù)

工業(yè) 4.0 應(yīng)用產(chǎn)生大量的復(fù)雜數(shù)據(jù)——大數(shù)據(jù)。傳感器和可用數(shù)據(jù)源越來越多，通常要求機器、系統(tǒng)和流程的虛擬視圖更詳細(xì)。這自然會增加在整個價值鏈上產(chǎn)生附加值的潛力。但與此同時，有關(guān)如何挖掘這種價值的問題不斷出現(xiàn)。畢竟，用于數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)和架構(gòu)變得越來越復(fù)雜。只有使用相關(guān)、優(yōu)質(zhì)且有用的數(shù)據(jù)，也就是智能數(shù)據(jù)，才能挖掘出相關(guān)的經(jīng)濟潛力。

挑戰(zhàn)

收集所有可能的數(shù)據(jù)并將其存儲在云中，希望以后對其進行評估、分析和構(gòu)建使用，這仍然是一種廣泛采用的挖掘數(shù)據(jù)價值方法，但不是特別有效。從數(shù)據(jù)中挖掘附加值的潛力仍未得到充分利用，并且以后再尋找解決方案會變得更加復(fù)雜。更好的替代方法是盡早考慮確定哪些信息與應(yīng)用相關(guān)，以及可以在數(shù)據(jù)流的哪個位置提取信息?？梢杂眉?xì)化數(shù)據(jù)來打比方，即從整個處理鏈的大數(shù)據(jù)中提取出智能數(shù)據(jù)。可在應(yīng)用層決定哪些 AI 算法對于單個處理步驟的成功概率較高。這個決定取決于邊界條件，如可用數(shù)據(jù)、應(yīng)用類型、可用傳感器模式和有關(guān)較低級別物理進程的背景信息。

（圖片來源：ADI 公司）

對于單個處理步驟，正確處理和解讀數(shù)據(jù)對于從傳感器信號生成真正的附加值非常重要。根據(jù)應(yīng)用的不同，正確解讀分立傳感器數(shù)據(jù)并提取所需的信息可能很困難。時間行為通常會發(fā)揮作用，并直接影響所需的信息。此外，還必須經(jīng)?？紤]多個傳感器之間的依賴關(guān)系。對于復(fù)雜的任務(wù)，簡單的閾值和手動確定的邏輯已不足以應(yīng)對。

AI 算法

相比之下，通過 AI 算法進行數(shù)據(jù)處理可以自動分析復(fù)雜的傳感器數(shù)據(jù)。通過這種分析，可從數(shù)據(jù)處理鏈中的數(shù)據(jù)自動獲得所需的信息，從而獲得附加值。

對于始終屬于 AI 算法一部分的模型構(gòu)建，基本上有兩種不同的方法。

一種方法是通過公式、傳感器數(shù)據(jù)與所需信息之間的顯式關(guān)系進行建模。這些方法需要以數(shù)學(xué)描述的形式提供物理背景信息。這些所謂基于模型的方法將傳感器數(shù)據(jù)與此背景信息相結(jié)合，針對所需信息產(chǎn)生更精確的結(jié)果。這里最廣為人知的示例是卡爾曼濾波器。

如果有數(shù)據(jù)，而沒有可使用數(shù)學(xué)方程形式描述的背景信息，那么必須選擇所謂的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法。這些算法直接從該數(shù)據(jù)中提取所需的信息。它們包含所有的機器學(xué)習(xí)方法，包括線性回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機森林和隱馬爾可夫模型。

選擇哪種 AI 算法通常取決于有關(guān)應(yīng)用的現(xiàn)有知識。如果有廣泛的專業(yè)知識，AI 將發(fā)揮更大的支持作用，所使用的算法也很初級。如果沒有專業(yè)知識，所使用的 AI 算法可能要復(fù)雜得多。在很多情況下，由應(yīng)用定義硬件，從而限制 AI 算法。

嵌入式、邊緣或云實現(xiàn)

包含每單個步驟所需的所有算法的整體數(shù)據(jù)處理鏈必須以能夠盡可能生成附加值的方式實現(xiàn)。通常在總體層級實現(xiàn)——從具有有限計算資源的小型傳感器，到網(wǎng)關(guān)和邊緣計算機，再到大型云計算機。很明顯，這些算法不應(yīng)只在一個層級上實現(xiàn)。而盡可能接近傳感器實現(xiàn)算法通常會更有利。通過這種方式，可以在早期階段對數(shù)據(jù)進行壓縮和細(xì)化，并降低通信和存儲成本。此外，通過早期從數(shù)據(jù)中提取基本信息，在更高層級開發(fā)全局算法就沒那么復(fù)雜。在大多數(shù)情況下，流分析區(qū)域中的算法也有助于避免不必要的數(shù)據(jù)存儲，由此降低數(shù)據(jù)傳輸和存儲成本。這些算法只使用每個數(shù)據(jù)點一次；也就是說，直接提取完整信息，且無需存儲數(shù)據(jù)。

在終端（例如，嵌入式AI）上處理 AI 算法需要采用集成式微控制器，以及模擬和數(shù)字外設(shè)，用于數(shù)據(jù)采集、處理、控制和連接。處理器還需要能夠?qū)崟r捕獲和處理本地數(shù)據(jù)，以及擁有執(zhí)行先進的智能 AI 算法的計算資源。例如，ADI 的 ADuCM4050 基于 ARM Cortex-M4F 架構(gòu)，提供集成且節(jié)能的方法來嵌入 AI。

實施嵌入式AI遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止是單純采用微控制器。為了加快設(shè)計，許多硅芯片制造商都構(gòu)建了開發(fā)和評估平臺，例如 EV-COG-AD4050LZ。這些平臺將微控制器與傳感器和 HF 收發(fā)器等組件結(jié)合在一起，使工程師無需深度掌握多種技術(shù)，就能探索嵌入式 AI。這些平臺可擴展，使得開發(fā)人員能夠使用不同的傳感器和其他組件。例如，通過使用 EV-GEAR-MEMS1Z 擴展板，工程師能夠快速評估不同的 MEMS 技術(shù)，例如，該擴展板中使用的 ADXL35x 系列（包括 ADXL355）提供出色的振動校正、長期可重復(fù)性和低噪聲性能，并且尺寸很小。

平臺和擴展板（例如 EV-COG-AD4050LZ 和 EV-GEAR-MEMS1Z）的組合讓工程師能夠基于振動、噪聲和溫度分析來了解結(jié)構(gòu)健康狀況，以及實施機器狀態(tài)監(jiān)控。其他傳感器也可根據(jù)需要連接到平臺，以便所使用的 AI 方法可以通過所謂的多傳感器數(shù)據(jù)融合來更好地估計當(dāng)前的情況。這樣，即可使用更好的粒度和更高的概率，對各種運行狀態(tài)和故障情況進行分類。通過平臺上的智能信號處理，大數(shù)據(jù)在本地成為智能數(shù)據(jù)，使得只有與應(yīng)用案例相關(guān)的數(shù)據(jù)才會發(fā)送至邊緣或云端。

平臺方法還可以簡化通信，因為擴展板可用于實施不同的無線通信。例如，EV-COG-SMARTMESH1Z 具有高可靠性、魯棒性和極低功耗特性，支持適合大量工業(yè)應(yīng)用的 6LoWPAN 和 802.15.4e 通信協(xié)議。SmartMesh IP 網(wǎng)絡(luò)由收集和中繼數(shù)據(jù)的無線節(jié)點的高度可擴展、自成型多跳 Mesh 網(wǎng)絡(luò)組成。網(wǎng)絡(luò)管理器監(jiān)視和管理網(wǎng)絡(luò)性能及安全性，并與主機應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)。

特別是對于電池供電的無線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，嵌入式 AI 可實現(xiàn)完整附加值。通過 ADuCM4050 中嵌入的 AI 算法將傳感器數(shù)據(jù)在本地轉(zhuǎn)換為智能數(shù)據(jù)，與直接將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭吘壔蛟贫讼啾?，?shù)據(jù)流更低，因此功耗也更低。

應(yīng)用

AI 算法開發(fā)平臺（包括為其開發(fā)的 AI 算法）廣泛應(yīng)用于機器、系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)和過程監(jiān)控領(lǐng)域，從簡單的異常檢測擴展到復(fù)雜的故障診斷。通過集成的加速度計、麥克風(fēng)和溫度傳感器，可以實現(xiàn)多種功能，例如監(jiān)測來自各種工業(yè)機器和系統(tǒng)的振動和噪音。嵌入式 AI 可用于檢測過程狀態(tài)、軸承或定子的損壞、控制電子設(shè)備的故障，甚至是因電子設(shè)備損壞而導(dǎo)致的未知系統(tǒng)行為變化。如果預(yù)測模型適用于特定的損壞，甚至可以在本地預(yù)測這些損壞。通過這種方法，可以在早期階段采取維護措施，從而避免不必要的基于損壞的故障。如果不存在預(yù)測模型，平臺還可以幫助學(xué)科問題專家不斷了解機器的行為，并隨著時間的推移，得出一個全面的機器模型用于預(yù)測維護。

理想情況下，通過相應(yīng)的本地數(shù)據(jù)分析，嵌入式 AI 算法應(yīng)該能夠確定哪些傳感器與各自的應(yīng)用相關(guān)，以及哪種算法最適合它。這意味著平臺具有智能可擴展性。目前，學(xué)科問題專家仍然必須為各自的應(yīng)用找到理想算法，盡管只需對各種機器狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用進行很少的實施工作，即可擴展 AI 算法。

嵌入式 AI 還應(yīng)對數(shù)據(jù)的質(zhì)量作出決定，如果數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳，就為傳感器和整個信號處理找到并進行相應(yīng)設(shè)置。如果采用多種不同的傳感器模式進行融合，則使用 AI 算法可彌補某些傳感器和方法的不足。通過這種方式，可提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性。如果傳感器被 AI 算法劃分為與應(yīng)用不太相關(guān)，將相應(yīng)地控制其數(shù)據(jù)流。

ADI 的開放式 COG 平臺包含可免費使用的軟件開發(fā)套件以及許多硬件和軟件示例項目，用于加速原型創(chuàng)建、促進開發(fā)并實現(xiàn)最初的想法。通過多傳感器數(shù)據(jù)融合(EV-GEAR-MEMS1Z)和嵌入式 AI (EV-COG-AD4050LZ)，可創(chuàng)建穩(wěn)健可靠的無線智能傳感器 Mesh 網(wǎng)絡(luò)(SMARTMESH1Z)。

Dzianis Lukashevich 是 ADI 公司的平臺和解決方案總監(jiān)。他主要關(guān)注大趨勢、新興技術(shù)、完整解決方案，以及塑造行業(yè)未來，并在廣闊的市場中變革 ADI 業(yè)務(wù)的新商業(yè)模式。Dzianis Lukashevich 于 2012 年加入德國慕尼黑的 ADI 銷售與營銷部。他在 2005 年獲得慕尼黑工業(yè)大學(xué)電氣工程博士學(xué)位，2016 年獲得華威商學(xué)院工商管理碩士學(xué)位。

Felix Sawo 于 2005 年獲得德國伊梅諾科技大學(xué)機械電子理學(xué)碩士學(xué)位，2009 年獲得卡爾斯魯厄理工學(xué)院計算機科學(xué)博士學(xué)位。畢業(yè)之后，他在弗勞恩霍夫協(xié)會光電、系統(tǒng)技術(shù)和圖像處理研究所(IOSB)擔(dān)任科學(xué)家，開發(fā)機器診斷算法和系統(tǒng)。自 2011 年起，他一直擔(dān)任 Knowtion 的首席執(zhí)行官，專注于傳感器融合和自動數(shù)據(jù)分析的算法開發(fā)。