4種經(jīng)過(guò)實(shí)證的AI算法應(yīng)用

AI模型在各項(xiàng)應(yīng)用扮演的角色愈來(lái)愈重要，為了開(kāi)發(fā)以AI驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品，工程師需要將AI整合至整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作流程。不論是哪一種應(yīng)用，大部分的工程項(xiàng)目均是以類(lèi)似的工作流程進(jìn)行，最后則產(chǎn)生不同的結(jié)果。

當(dāng)各種數(shù)據(jù)可取用性提高、能夠支持從數(shù)據(jù)處理到部署的完整工作流程工具的誕生，意味著除了機(jī)器人和自動(dòng)駕駛等最廣為人知的應(yīng)用之外，AI模型在其他應(yīng)用扮演的角色也愈來(lái)愈重要。

為了開(kāi)發(fā)以AI驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品，工程師需要將AI整合至整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作流程。該工作流程包括四個(gè)重要的階段：

AI模型在各項(xiàng)應(yīng)用扮演的角色愈來(lái)愈重要，為了開(kāi)發(fā)以AI驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品，工程師需要將AI整合至整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作流程。不論是哪一種應(yīng)用，大部分的工程項(xiàng)目均是以類(lèi)似的工作流程進(jìn)行，最后則產(chǎn)生不同的結(jié)果。

* 資料的準(zhǔn)備（data preparation）

* 建立AI模型（AI modeling）

* 模擬與測(cè)試（simulation and test）

* 部署實(shí)現(xiàn)（deployment）



 
圖1 : AI工作流程的重要階段。每一個(gè)階段建構(gòu)在前一個(gè)階段所完成的基礎(chǔ)，并且關(guān)聯(lián)到未來(lái)會(huì)被整合至完整AI系統(tǒng)的AI模型建立過(guò)程。

不論是哪一種應(yīng)用，大部分的工程項(xiàng)目均是以類(lèi)似的工作流程進(jìn)行；然而，產(chǎn)生的最終結(jié)果卻大不相同，接下來(lái)舉例說(shuō)明。

自動(dòng)瑕疵偵測(cè)
自動(dòng)檢驗(yàn)與瑕疵偵測(cè)對(duì)于高吞吐量生產(chǎn)系統(tǒng)的質(zhì)量控制相當(dāng)關(guān)鍵，許多產(chǎn)業(yè)采用檢驗(yàn)與瑕疵偵測(cè)系統(tǒng)來(lái)找出產(chǎn)品表面的缺陷或裂痕，部署AI瑕疵偵測(cè)算法，可以比傳統(tǒng)的圖像處理等方法來(lái)得更快、更健全。



 
圖2 : 一個(gè)簡(jiǎn)單的CNN架構(gòu)。自動(dòng)地從影像學(xué)習(xí)特征，以用來(lái)辨識(shí)不同等級(jí)的對(duì)象，在這個(gè)案例是正常和不良的零件。

Airbus建立一個(gè)AI模型來(lái)自動(dòng)辨識(shí)飛機(jī)內(nèi)輸送管線的瑕疵，他們將飛機(jī)內(nèi)的輸送管線，以不同的照明條件、角度、位置錄制成影片。在進(jìn)行影片數(shù)據(jù)的標(biāo)記（labeling）之后，他們?cè)O(shè)計(jì)并訓(xùn)練一個(gè)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，其中使用如語(yǔ)義分割（semantic segmentation）等技術(shù)，找出輸送管在線的通風(fēng)口與線路位置，并且有一用戶接口來(lái)實(shí)時(shí)地呈現(xiàn)瑕疵偵測(cè)結(jié)果。

MEG訊號(hào)譯碼
訊號(hào)數(shù)據(jù)使用在AI系統(tǒng)工作流程時(shí)，本身便存在一定的挑戰(zhàn)。原始的訊號(hào)數(shù)據(jù)很少被直接加入到AI模型中，原因是訊號(hào)數(shù)據(jù)通常帶有噪聲且具有記憶密集（memory-intensive）特性。

因此，經(jīng)常會(huì)再加上時(shí)間-頻率技巧來(lái)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，收集模型學(xué)習(xí)所需的最重要特征。工程師可透過(guò)多種方式轉(zhuǎn)換他們的數(shù)據(jù)，并且使用在AI模型–舉例來(lái)說(shuō)，他們可以透過(guò)小波散射（wavelet scattering）的方法將原始訊號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為「圖片」。


 
圖3 : 訊號(hào)數(shù)據(jù)可以使用多種方法來(lái)轉(zhuǎn)換。這些圖片可再被使用在CNN架構(gòu)，以深度學(xué)習(xí)方法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分類(lèi)。

對(duì)于患有晚期肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（amyotrophic lateral sclerosis；ALS）的病人，溝通會(huì)隨著疾病的演變而變得更加困難。德州大學(xué)奧斯汀分校（University of Texas at Austin）研究人員開(kāi)發(fā)了一種非侵入性的科技，使用小波和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)譯碼腦磁波儀（magnetoencephalography；MEG）的訊號(hào)，并且在病患想象述說(shuō)完整語(yǔ)句時(shí)，將這些語(yǔ)句偵測(cè)出來(lái)。

這些研究人員使用小波多重分辨率分析來(lái)進(jìn)行診斷，并將MEG訊號(hào)分解到特定的神經(jīng)震蕩（neural oscillation）頻段。他們從經(jīng)過(guò)降噪和分解的訊號(hào)中擷取特征，再使用這些特征來(lái)訓(xùn)練一個(gè)支持向量機(jī)（support vector machine；SVM）和一個(gè)淺層的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network；ANN）。這個(gè)團(tuán)隊(duì)還接著客制了AlexNet、ResNet、以及Inception-ResNet等三個(gè)預(yù)訓(xùn)練的深層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，譯碼MEG訊號(hào)，讓分類(lèi)的準(zhǔn)確度從80%提高到96%以上。

以雷達(dá)為基礎(chǔ)的對(duì)象偵測(cè)
對(duì)于自主車(chē)輛來(lái)說(shuō)，若要在夜晚、惡劣的天氣、較遠(yuǎn)的距離等情況下偵測(cè)行人與其他的對(duì)象，以雷達(dá)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)的表現(xiàn)會(huì)比攝影機(jī)來(lái)得更佳。AI分類(lèi)算法可以被使用在雷達(dá)訊號(hào)來(lái)依照對(duì)象的特征來(lái)區(qū)分出具鑒別性的群組。


 
圖4 : 以光譜圖（spectrograms）表示的雷達(dá)訊號(hào)，用來(lái)以具鑒別性的特征進(jìn)行三個(gè)對(duì)象的分類(lèi)。

為了達(dá)到這項(xiàng)能力，PathPartner的雷達(dá)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)以雷達(dá)點(diǎn)云偵測(cè)（radar point cloud detection）為基礎(chǔ)的分類(lèi)器。他們?cè)谇度胧狡脚_(tái)上實(shí)現(xiàn)了這個(gè)分類(lèi)器，并且真正地在測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證。

在進(jìn)行早期測(cè)試時(shí)，這個(gè)分類(lèi)器偵測(cè)到一個(gè)人需要花上5-8秒，生效時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。團(tuán)隊(duì)將訊框時(shí)間（frame time）由每秒3幀增加為5幀，并且建立一組以前一組特征的移動(dòng)平均值計(jì)算出的新特征，來(lái)解決這個(gè)延遲。經(jīng)過(guò)測(cè)試與快速設(shè)計(jì)迭代，他們的對(duì)象辨識(shí)準(zhǔn)確率可達(dá)到99%。

預(yù)測(cè)性維護(hù)

 
圖5 : 使用Classification Learner app進(jìn)行故障診斷，其中比較了各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，在部署實(shí)現(xiàn)之前找出最準(zhǔn)確的模型。

因?yàn)闄C(jī)器故障而導(dǎo)致的停機(jī)，可能為仰賴制造和生產(chǎn)的公司帶來(lái)相當(dāng)昂貴的成本，而部署健康監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)可以將這些成本最小化，并且讓效率最大化。預(yù)測(cè)性維護(hù)應(yīng)用使用先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，在機(jī)器真正發(fā)生問(wèn)題之前，先辨識(shí)出機(jī)器的潛在問(wèn)題。

Mondi Gronau的塑料生產(chǎn)工廠一年的塑料與薄膜產(chǎn)品出貨量大約有1800萬(wàn)噸，工廠內(nèi)900名工人一天24小時(shí)、一年365天地操作了大約60臺(tái)塑料射出、印刷、上膠、與繞線機(jī)。Mondi開(kāi)發(fā)了一個(gè)健康監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)性維護(hù)的應(yīng)用，其中納入了以機(jī)器學(xué)習(xí)模型產(chǎn)生的預(yù)測(cè)，這項(xiàng)應(yīng)用讓設(shè)備操作人員可以在故障發(fā)生之前，就先接收到關(guān)于設(shè)備潛在故障問(wèn)題的示警，Mondi也將該應(yīng)用做成一個(gè)獨(dú)立的可執(zhí)行版本，現(xiàn)在已經(jīng)在工廠生產(chǎn)在線使用中。

（本文由鈦思科技提供；作者Johanna Pingel任職于MathWorks公司）