在第 1 部分中，我們通過BuildingIQ智能氣候控制系統(tǒng)和Scania緊急卡車制動系統(tǒng)等示例，推動了在嵌入式系統(tǒng)中使用分析。我們涵蓋了數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)預(yù)處理和最具預(yù)測性特征的識別?，F(xiàn)在讓我們轉(zhuǎn)向開發(fā)預(yù)測分析算法本身。

開發(fā)分析算法

重要的是要考慮分析算法是否是您的最佳方法。在系統(tǒng)行為可以通過已知的科學(xué)方程很好地表征的情況下，經(jīng)過驗證的數(shù)學(xué)建模可以是一種簡單而有效的方式來滿足設(shè)計目標(biāo)。這種方法使用數(shù)據(jù)擬合、統(tǒng)計建模、ode 和 pde 求解以及參數(shù)估計等技術(shù)。以這種方式構(gòu)建的模型具有通過歷史數(shù)據(jù)或基于第一原理預(yù)先確定的優(yōu)勢，可以在嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)內(nèi)存和計算效率，并且可以更簡單地開發(fā)和維護。因此，在考慮以數(shù)據(jù)為中心的機器學(xué)習(xí)技術(shù)之前，首先要謹(jǐn)慎考慮“主力”建模方法是否可以滿足您的設(shè)計目標(biāo)。然而，對于越來越多的設(shè)計挑戰(zhàn)，例如在 BuildingIQ 示例中動態(tài)設(shè)置氣候控制點或在斯堪尼亞制動應(yīng)用中進行對象識別，機器學(xué)習(xí)是最好的方法。

機器學(xué)習(xí)

機器學(xué)習(xí)算法使用計算方法直接從數(shù)據(jù)中“學(xué)習(xí)”信息，而不依賴于預(yù)定方程作為模型。事實證明，這種使用數(shù)據(jù)本身訓(xùn)練模型的能力為預(yù)測建模開辟了廣泛的用例——例如金融信用評分和電影、歌曲和零售購買的在線推薦。在嵌入式系統(tǒng)中，機器學(xué)習(xí)用于快速增長的應(yīng)用范圍，包括人臉識別、腫瘤檢測、電力負(fù)荷預(yù)測以及前面提到的 BuildingIQ 和 Scania 應(yīng)用?！按髷?shù)據(jù)”、計算能力和軟件工具的可用性提高，使得在工程應(yīng)用程序中使用機器學(xué)習(xí)比以往任何時候都更容易。

機器學(xué)習(xí)大致分為兩種類型的學(xué)習(xí)方法，監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)，每一種都包含針對不同問題量身定制的幾種算法。

監(jiān)督學(xué)習(xí)是一種使用已知數(shù)據(jù)集（稱為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集）進行預(yù)測的 機器學(xué)習(xí)。 訓(xùn)練數(shù)據(jù)集包括輸入數(shù)據(jù)和標(biāo)記的響應(yīng)值。監(jiān)督學(xué)習(xí)算法從中尋求建立一個模型，該模型可以預(yù)測新數(shù)據(jù)集的響應(yīng)值。測試數(shù)據(jù)集通常用于驗證模型。使用更大的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集通常會產(chǎn)生具有更高預(yù)測能力的模型，可以很好地泛化新數(shù)據(jù)集。

監(jiān)督學(xué)習(xí)包括兩類算法：

分類：用于分類響應(yīng)值，其中數(shù)據(jù)可以分為特定的“類別”。常見的分類算法包括支持向量機 （SVM）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、樸素貝葉斯分類器、決策樹、判別分析和最近鄰 （ k NN）。

回歸：用于預(yù)測何時需要連續(xù)響應(yīng)值。常見的回歸算法包括線性回歸、非線性回歸、廣義線性模型、決策樹和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

選擇算法取決于許多設(shè)計因素，例如內(nèi)存使用情況、預(yù)測速度和模型的可解釋性。其他考慮因素包括是否需要單類或多類響應(yīng)，以及預(yù)測變量是連續(xù)的還是分類的。由于模型僅與使用的標(biāo)記訓(xùn)練數(shù)據(jù)一樣好，因此在使用具有代表性的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集時要小心。機器學(xué)習(xí)工作流程從選擇特征開始，然后指定訓(xùn)練和驗證集，使用多種算法進行訓(xùn)練，最后評估結(jié)果。圖 2 所示的交互式應(yīng)用程序使機器學(xué)習(xí)工作流程易于學(xué)習(xí)和使用。

無監(jiān)督學(xué)習(xí)是一種機器學(xué)習(xí)，用于從由沒有標(biāo)記響應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)集中進行推斷。

聚類分析是最常見的無監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，用于探索性數(shù)據(jù)分析，以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的隱藏模式或分組。k-means 是一種流行的集群建模算法，它根據(jù)到集群質(zhì)心的測量距離將數(shù)據(jù)劃分為 k 個不同的集群。

層次聚類使用了一種不同的方法來構(gòu)建多層次的層次聚類樹，它提供了視覺解釋，但計算要求更高，因此不太適合大量數(shù)據(jù)。

其他算法包括高斯混合模型、隱馬爾可夫模型和自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖。

BuildingIQ 團隊使用聚類分析作為其模型創(chuàng)建過程的一部分。他們使用 k-means 聚類和高斯混合模型來分割數(shù)據(jù)，并確定燃氣、電力、蒸汽和太陽能對加熱和冷卻過程的相對貢獻。

深度學(xué)習(xí)

對于涉及圖像、文本和信號的分類問題，深度學(xué)習(xí)已成為一種新的高級分析類別。當(dāng)在大型標(biāo)記訓(xùn)練數(shù)據(jù)集上進行訓(xùn)練時（通常需要使用圖形處理單元 （GPU） 進行硬件加速以及強化訓(xùn)練和評估），深度學(xué)習(xí)模型可以達到最先進的精度，有時在對象分類方面的表現(xiàn)甚至超過人類水平。對于圖像分類，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （CNN） 變得流行，因為它們通過直接從原始圖像中提取特征來消除手動特征提取的需要。這種自動特征提取使 CNN 模型對于諸如對象分類等計算機視覺任務(wù)具有高度的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)工程師可以更容易地使用上面列出的方法和算法，以便在他們的嵌入式系統(tǒng)中結(jié)合有效的分析。在這個由三部分組成的系列的最后一篇文章中，我們將介紹實時執(zhí)行分析和預(yù)測控制并將它們集成到一個整體解決方案中，包括傳感器和嵌入式系統(tǒng)以及企業(yè) IT 系統(tǒng)和云基礎(chǔ)設(shè)施。

審核編輯：郭婷