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說現(xiàn)在最熱門的前沿技術(shù)，那非人工智能（AI）莫屬。而人工智能的核心卻是機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）�？梢哉f，掌握了機(jī)器學(xué)習(xí)，也就掌握了人工智能技術(shù)。
那么，對(duì)于工業(yè)用戶來說，如何將機(jī)器學(xué)習(xí)引入到自動(dòng)化領(lǐng)域，突破傳統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的天花板呢？面對(duì)人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)……這些深?yuàn)W的概念，如何快速了解和掌握呢？
這篇只需 5 分鐘就能閱讀完畢的文章，讓您輕松掌握機(jī)器學(xué)習(xí)的概念、關(guān)鍵技術(shù)、如何應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化之中等內(nèi)容！
首 先
我們來看一個(gè)，用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行優(yōu)化的一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制案例，以便你對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)。
這是兩個(gè)相同的直線加圓弧的傳輸軌道，但我們可以看到，左邊軌道上的工件輸送十分平緩，而右邊軌道上的工件傳輸很不平穩(wěn)，加速很急，產(chǎn)品都快要被甩出去了。這不僅對(duì)軌道上的工件影響很大，而且軌道自身的磨損也很嚴(yán)重，右邊軌道上工件運(yùn)動(dòng)曲線的設(shè)計(jì)顯然不如左邊的傳輸軌道。
那如何才能設(shè)計(jì)出左邊這樣的運(yùn)動(dòng)曲線呢？這里就需要用到機(jī)器學(xué)習(xí)，通過對(duì)工件多次的速度、加速度、位置等信息的記錄，再經(jīng)過建立數(shù)據(jù)模型，不斷優(yōu)化（訓(xùn)練）模型，最后得出一個(gè)最佳的運(yùn)動(dòng)曲線。為何要用機(jī)器學(xué)習(xí)來設(shè)計(jì)呢，這是因?yàn)檫@樣的運(yùn)動(dòng)曲線設(shè)計(jì)并沒有現(xiàn)存的曲線（如正圓、橢圓、漸開線等），也不能通過數(shù)學(xué)方程計(jì)算出來，所以只有借助機(jī)器學(xué)習(xí)的“算法模型加訓(xùn)練”來求解出來。
看完這個(gè)例子，您對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的作用應(yīng)該有了一個(gè)初步認(rèn)識(shí)。下面我們?cè)賮砝斫鈳讉�(gè)常見概念。
人工智能(AI)
能夠模仿人智力的智能，分為弱 AI 和強(qiáng) AI，目前AI處于弱AI階段。
機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)
達(dá)到弱 AI 的水平，基于可以通過“訓(xùn)練數(shù)據(jù)”學(xué)習(xí)特定任務(wù)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化。
深度學(xué)習(xí)(DL)
專注于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）作為模型，需要大量數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練的復(fù)雜模型，目前主要用于強(qiáng)大的視覺應(yīng)用。
三者的關(guān)系是從屬關(guān)系，如下圖所示：
簡(jiǎn)單理解，機(jī)器學(xué)習(xí)就是通過根據(jù)各類算法建立數(shù)學(xué)模型，然后通過數(shù)據(jù)不斷訓(xùn)練模型，提高模型準(zhǔn)確性，最后將訓(xùn)練好的模型放到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中運(yùn)行做推理計(jì)算，解決用普通數(shù)學(xué)方法難以解決的實(shí)際問題。
所以我們可以總結(jié)一下，將機(jī)器學(xué)習(xí)引入到工業(yè)自動(dòng)化中，需要三步：收集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、建立模型并訓(xùn)練模型、下載到實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)行，如下圖所示：
看上去是不是過程很簡(jiǎn)單？
當(dāng)然了，實(shí)際使用過程并非如此簡(jiǎn)單，每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)涉及到專業(yè)知識(shí)和工具，下面我們就來一一展開介紹一下，讓你不僅入門，而且成為“專家”！
第 /一/ 步
收集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)
首先，在數(shù)據(jù)收集階段，就是要通過各類傳感器和測(cè)試測(cè)量工具來采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，這個(gè)環(huán)節(jié)就會(huì)用到我們自動(dòng)化控制中的很多產(chǎn)品，比如像倍福的 TwinCAT3 Scope、TwinCAT3 Database Server、TwinCAT3 Data Agent 和 TwinCAT3 Analytics Logger 等工具，可以利用這些工具將數(shù)據(jù)采集到本地?cái)?shù)據(jù)庫或者云端存儲(chǔ)、呈現(xiàn)，以便下一步來建模和訓(xùn)練。
第 /二/ 步
模型的搭建和訓(xùn)練
這一步是至關(guān)重要的一步，也是目前機(jī)器學(xué)習(xí)中最難、研究最多的一步。這一步里首先需要對(duì)上一步采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，數(shù)據(jù)清洗除去異常值，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化或者數(shù)據(jù)集成等。然后，選擇特征數(shù)據(jù)確定數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行學(xué)習(xí)微調(diào)，并進(jìn)行未知數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)模型驗(yàn)證。模型訓(xùn)練后，生成導(dǎo)出一個(gè)可供 TwinCAT3 等模型運(yùn)行環(huán)境的描述文件：XML 文件或者 ONNX 文件。這一步中特征數(shù)據(jù)的挖掘，也就是提取哪些數(shù)據(jù)來建模是整個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)能否成功的關(guān)鍵，往往需要精通行業(yè)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的人才能做到。
在這一步中，搭建模型時(shí)往往需要用到第三方框架（平臺(tái)工具），比如：Python SciKit、MATLAB Machine Learning Toolbox，以及深度學(xué)習(xí)框架TensorFlow (谷歌)、Keras (frontend for TensorFlow, CNTK, …)、PyTorch (臉書)、MxNet (亞馬遜)、CNTK (微軟)、MATLAB Deep Learning Toolbox (MathWorks) 等，其中大多數(shù)是開源的和基于 Python 的。
當(dāng)然，除了這些框架外，還有一個(gè)重要的事，數(shù)學(xué)模型的選擇和建立。在數(shù)學(xué)上，可以把萬事萬物所有問題分為兩大問題：回歸問題和分類問題。回歸問題通常是用來預(yù)測(cè)一個(gè)值，如預(yù)測(cè)房?jī)r(jià)、未來的天氣情況等。分類問題是用于將事物打上一個(gè)標(biāo)簽，通常結(jié)果為離散值，如判斷一幅圖片上的動(dòng)物是一只貓還是一只狗。解決這兩類問題需要用到不同的數(shù)學(xué)模型，比如常見的有支持向量機(jī)（SVM）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹和隨機(jī)森林、線性回歸、貝葉斯線性回歸等，這些模型在框架中是現(xiàn)存的，可以直接使用。
在這里，還需要提到一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，那就是 ONNX 開放神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換文件，這是一種針對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)所設(shè)計(jì)的開放式文件格式，用于存儲(chǔ)訓(xùn)練好的模型。它使得不同的人工智能框架（如Pytorch，MXNet）可以采用相同格式存儲(chǔ)模型數(shù)據(jù)并交互。主要由微軟，亞馬遜 ，F(xiàn)acebook 和 IBM 等公司共同開發(fā)。
第 /三/ 步
加載模型到控制器里運(yùn)行
說完了模型搭建和模型訓(xùn)練后，最后一步就是將模型加載到工業(yè)電腦或者控制器中運(yùn)行計(jì)算。由于模型描述文件并不能被工業(yè)控制器所識(shí)別，所以就需要用到像倍福 TwinCAT 3 這樣的自動(dòng)化控制軟件平臺(tái)作為引擎，將訓(xùn)練好的模型文件加載到控制器，才能在自動(dòng)化中應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)。
目前、TwinCAT 3 已經(jīng)無縫集成了機(jī)器學(xué)習(xí)引擎接口。可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)文件轉(zhuǎn)換器（ML Converter）把訓(xùn)練生成的模型文件 XML 或者 ONNX 轉(zhuǎn)化成 BML （倍福的機(jī)器學(xué)習(xí)文件）進(jìn)行加密保護(hù)，經(jīng)過 TwinCAT 3 的 ML Runtime 進(jìn)行加載，這樣已訓(xùn)練好的模型就可以被 TwinCAT TcCOM 對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)用執(zhí)行，同時(shí)可以被 PLC、C/C++ 封裝的 TcCOM 的接口進(jìn)行調(diào)用！如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較小，如權(quán)值大小為 10K 的多層感知器（MLP）可以在一個(gè)亞毫秒的任務(wù)周期中多次調(diào)用，以確保實(shí)時(shí)性！
同時(shí)，TwinCAT 3 本身所提供的支持多核技術(shù)也同樣適用于機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用，不同的任務(wù)程序可以訪問同一個(gè)特定的 TwinCAT 3 推理引擎而不會(huì)相互限制。機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用完全可以訪問 TwinCAT 中所有可用的現(xiàn)場(chǎng)總線接口和數(shù)據(jù)，這將使其能夠使用到大量數(shù)據(jù)。
TwinCAT 3 現(xiàn)在有兩個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)推理引擎，TF380x TC3 和 TF381x TC3，前者是經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)模型的推理引擎，包括支持向量機(jī)(SVM), 主成分分析(PCA), k 均值(k-means)等，后者是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）推理引擎，包括多層感知器（MPL）,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）,長(zhǎng)短期記憶模型（LSTM）等。
第一步
就是要采集數(shù)據(jù)，包括工件的位置、速度、加速度、時(shí)間等，把這些數(shù)據(jù)收集存儲(chǔ)起來，以便下一步優(yōu)化。
第二步
提取步驟一里面的特征數(shù)據(jù)建立模型，用 𝑝(𝑡) 來作為優(yōu)化準(zhǔn)則，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來循環(huán)迭代，監(jiān)督學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型。
第三步
將訓(xùn)練好的模型通過 ONNX 文件部署到 TwinCAT 3 里，從而通過控制器實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)曲線。
 
首先，通過 TwinCAT 3 Scope 來采集大量風(fēng)扇正常情況下的壓力、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等數(shù)據(jù)，然后用 MATLAB 來讀取這些數(shù)據(jù)，使用 one-class SVM（一類支持向量機(jī)）模型來訓(xùn)練，等模型學(xué)習(xí)了大量正常數(shù)據(jù)后，就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)正常數(shù)據(jù)的邊界。最后將模型從 MATLAB 導(dǎo)出為一個(gè) ONNX 文件，轉(zhuǎn)換后加載到控制器的TwinCAT 3 中。這樣，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超出邊界時(shí)，控制器就會(huì)檢測(cè)到風(fēng)扇發(fā)生了異常狀況。
這個(gè)應(yīng)用看上去是十分簡(jiǎn)單的，但是這其中最難的一部分是特征數(shù)據(jù)的挖掘和提取，也就是常說的特征工程。至于數(shù)據(jù)的采集、模型的創(chuàng)建、訓(xùn)練，以及最后的控制器上的運(yùn)行，已經(jīng)有很多現(xiàn)存的工具和平臺(tái)，比如 MATLAB 和倍福的 TwinCAT 3。站在這些“巨人”的肩膀上，你只要專注用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，就可以輕松將機(jī)器學(xué)習(xí)這一“高大上”的新技術(shù)引入到工業(yè)自動(dòng)化之中。
關(guān)于德國倍福
倍福（Beckhoff）公司總部位于德國威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多國際標(biāo)準(zhǔn)。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和TwinCAT自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。倍福于1997年進(jìn)入中國市場(chǎng)，致力于幫助制造企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，加速轉(zhuǎn)型升級(jí)。倍福在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)，公司所倡導(dǎo)的PC控制技術(shù)具有良好的開放性，將IT技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合，助力實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造。憑借領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和豐富的行業(yè)知識(shí)，倍福的創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、物流輸送以及樓宇自控等眾多領(lǐng)域。
更多信息，請(qǐng)登錄 Beckhoff 中文官方網(wǎng)站：www.beckhoff.com.cn
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