人工智能

人工智能概述

工程师在 AI 领域取得成功的必备知识

人工智能 (AI) 是模拟人类智能行为的技术。它用于创建计算机或系统中的软件,旨在感知环境、作出决策并采取动作。构建成功的 AI 系统时,需要了解整个工作流,而不仅仅是训练 AI 模型。

AI 的工作原理

说到人工智能,这一术语的涵义十分广泛。随着越来越多的工程师将 AI 融入各种应用中,其相关性也在不断增加。例如,自动驾驶汽车、机器人和自然语言处理就是最新的一些应用。这些应用实现人工智能的方式将有所不同,但采用的底层技术毫无二致,即用于创建可以作出决策的系统的深度学习或机器学习模型。

图中显示人工智能、机器学习和深度学习这三者的定义。

针对您的人工智能应用选择深度学习算法还是机器学习算法,取决于您的系统的目标和要求。

机器学习与深度学习

您可以根据具体应用、所处理的数据大小以及要解决的问题类型来选择各种方法和模型。机器学习和深度学习都有各自独特的优势:

传统的机器学习方法支持训练各种分类器,例如支持向量机 (SVM) 和决策树。机器学习方法还可用于优化特征提取。您可以通过组合不同方法来确定数据的最佳排列方式。

深度学习是机器学习的一种特殊形式,用于自动从数据中提取相关特征。相比经典机器学习模型,深度学习网络通常具有更强的预测能力,并且随着训练数据规模的增大,其准确度也会提高。

MATLAB 中的分类 App 可加速选择机器学习算法的过程。

不妨尝试各种机器学习算法,以找到最适合您的模型的算法。

无论您选择的是机器学习还是深度学习,您都需要能够尝试各种算法,然后决定哪种算法最适合您的应用和需求。

AI 的基本概念

稳健可靠的人工智能工作流包含了解您的数据、创建模型,以及设计和测试要运行模型的最终系统。以下各节介绍了将人工智能融入工作时需要考虑的 AI 重要概念。

数据驱动的 AI

数据是大多数人工智能应用的核心。在开展 AI 相关的工作时,您很可能需要花费大量时间来获取原始数据,并利用其构建准确而有意义的模型。数据准备需要领域专业知识来了解数据的关键特征,哪些特征不重要,以及要考虑哪些罕见事件。

数据准备和获取标注数据通常既繁琐又耗时。该过程可能包括用合成数据和更多样本来增强数据集,但工程师应考虑通过自动执行标注来更快地获取干净的标注数据。

AI 建模

成功构建 AI 模型的两个关键因素如下:

  • 选择一组算法:您关注的是机器学习还是深度学习?如果您能从一整套算法和预置模型入手,则意味着您已经先人一步,因为您充分利用了人工智能界丰硕的工作成果,而不用从零开始。
  • 对模型进行迭代:在这个阶段,您需要确定最佳参数集,以获得最稳健、最准确的模型。创建准确的模型需要花费一定时间。幸运的是,增加更多硬件(例如在一个或多个 GPU 上运行)可以显著缩短使用参数、输入数据和层的各种组合来训练模型的时间。

AI 设计中的仿真

AI 模型通常存在于大型复杂系统中。例如,在自动驾驶系统中,用于感知的人工智能必须与定位和路径规划的算法以及制动、加速和其他组件的控制相集成。这些部分共同构成了一个完整的系统。诸如此类的复杂 AI 驱动型系统需要集成和仿真。

结合实例了解 AI:利用机器学习检测宝马汽车的过度转向

机器人系统的三个不同组件,其上方是用于控制每个组件的 Simulink 模块图。

人工智能用于复杂的机器人系统的不同组件。

仿真就是将所有这些部分结合起来的方法。它可以用于验证各部分是否正确地协同工作。通过仿真,您不仅可确保在任何情况下结果和反应都符合您的预期,而且还可以在将模型部署到硬件之前验证模型能否正常工作。

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人工智能的实际应用

由于许多应用都使用人工智能,因此存在各种部署需求,例如车辆中的 ECU、化工厂中的边缘系统,以及从多个位置接收数据的基于云的流系统。人工智能可以应用于这些系统的任何部分,因此,您的模型需要能够在任何可能的平台上部署和工作。

使用 MATLAB 开发企业 AI 系统

将人工智能融入系统时,需要考虑很多因素。作为工程师,工作重点不仅是构建模型,还要关注整个 AI 工作流。

  • 采集数据:快速对接不同数据采集硬件,组织大量数据,或在可用的训练数据有限时生成合成数据。
  • 预处理和标注数据:通过预处理和标注 App,更快地构建更好的数据集。使用 MATLAB® 中的低代码 App 和内置函数来提高数据质量并自动标注真值。
  • 构建 AI 模型:尝试各种模型,并比较机器学习和深度学习算法,以找到适合您的应用的解决方案。访问数百个预训练模型,包括来自 TensorFlow™ 和 PyTorch® 的模型,并执行迁移学习以节省时间和资源。
  • 可视化决策:使用可解释性方法并验证 AI 模型的稳健性,以获得对 AI 决策的信任。LIME、Shapley 和 Grad-CAM 等方法可以在 MATLAB 中直接使用,因此您不必手动编写函数。
  • 仿真:将 AI 模型集成到 Simulink 中,以将人工智能功能直接纳入复杂系统中。通过这种集成,工程师能够在整个系统中对人工智能进行仿真,然后将模型部署到生产环境中。
  • 部署到边缘设备:自动生成代码并部署到您的设备,以识别和消除编码错误。MATLAB 可自动为您的特定目标硬件生成代码,以便您可以将模型集成到企业系统、集群和云或嵌入式硬件中。

工程师和科学家是领域专家,他们的专业知识和见解对 AI 项目的成功至关重要。MATLAB 使工程师和科学家能够在其专业领域中使用人工智能,并实现不同行业的团队和组织之间的协作。

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