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AI Mass人工智能大模型即服务时代:大模型如何改变物联网

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作者:禅与计算机程序设计艺术

1.背景介绍

什么是人工智能大模型?构建这种模型有何必要?人工智能大模型如何实现与物联网的整合?本文将系统地探讨人工智能大模型的概念及其在物联网应用中的重要性。

大数据时代

尽管"大数据"这一概念直至20年前才被提出,但在过去几年却逐渐成为行业内的通用术语。

人工智能与实体经济

在经历了与机器学习及大数据等前沿技术深度结合后,在数字经济时代背景下实体经济发展已逐步形成了完整的产业链生态体系。通过运用先进的人工智能技术和方法论来优化其商业模式运作模式,在数字经济时代背景下实体经济发展已逐步形成了完整的产业链生态体系。

2017年3月,在双十一购物狂欢节期间亚马逊采用了独特的促销策略并实现了显著的销售增长

随后像苹果 微软以及谷歌等科技巨头也纷纷跨界参与其中 并通过引入先进的人工智能技术和方法来增强自身的竞争力

人工智能产业链

目前,人工智能领域由三个主要产业链组成:

  • 数据中心(Data Center):这是人工智能的起源地。数据中心通过收集、整理海量数据来创造价值,并为用户提供搜索、推荐、图像识别等服务功能;例如亚马逊云科技公司就是基于大数据技术搭建的数据中心。
  • 智能终端(Smart Terminals):人工智能终端主要包含机械硬件和智能硬件两大类设备;其中机械硬件侧重于传统信号处理和网络通信等功能;而智能硬件则能够执行复杂计算并处理各类数据信息。
  • 嵌入式人工智能(Embedded Intelligence):此类产品主要用于边缘设备、工控系统等领域;其运行效率要求较高,并通过模仿的方法实现自动控制和决策功能;例如三星SmartThings是一款集成智能照明、安防监控等功能的产品;可安装于工厂或智能家居中实现远程监控与管理。

中国智能制造革命

中国智能制造革命主要由人工智能技术推动,并已取得诸多成果。整个产业链涵盖产品研发到服务再到普惠共享等多个环节,在各环节均处于蓬勃发展的状态。智能化的应用显著提升了生产效率,并且如今消费者对这一变革充满期待。为此,中国政府在智能制造领域采取多项措施支持行业发展,并具体包括但不限于微芯片研发、人工智能创新基金以及计划生育相关补贴等政策。

新冠疫情

新冠疫情 background下, 各行业纷纷积极响应并建立了各类人工智能应用平台, 通过这一措施有效满足了市场需求. 各类企业纷纷开发相应的APP, 运用先进的AI技术手段, 优化用户体验体验, 并且成功地降低了运营成本.

清洁能源领域

农业工业领域的智能化进程正受到人工智能技术的深刻影响,在清洁能源领域中逐步实现了与其他技术的融合。目前智能电能汇聚等关键技术已在清洁能源领域占据重要地位,并与互联网技术、大数据以及物联网深度融合。实时预测系统以及风险评估模型的应用已逐步实现,在战略规划层面已经确定了集团公司的自主开发方向。例如,在新能源汽车充电设施市场中出现了滴滴集团的电动车充电桩以及千里马电池公司的相关项目。

保险领域

保险业已将人工智能作为重要工具,并广泛应用于多个领域。涵盖信用评分卡、精准定损等技术应用,在保险服务中发挥重要作用。其中,信用评分卡基于分析客户的各项数据特征(如交易记录和行为习惯),为客户提供个性化的信用评级服务;而精准定损则利用技术手段分析客户消费历史数据(如消费金额和时间),从而提供针对性的风险评估建议以优化业务决策

医疗领域

医疗领域也正经历着人工智能带来的浪潮。近年来,在医学图像识别、生理特征分析以及影像理解基础上发展起来的大数据等人工智能技术的应用已经越来越广泛了。例如在上海世博会期间出现的基于生理特征检测的口罩检测仪以及脑死亡诊断系统的相关设备得到了广泛应用和认可。

自动驾驶领域

该领域的发展势头强劲。无论是在道路环境自动适应、突发事件救援、精准交通事故警示等多个方面,在交通标志检测、后视摄像头实时监控等应用场景中,在汽车制造商、车联网公司以及飞机制造企业等众多行业均积极涉足于这一技术领域。展望未来,这类车辆将展现出卓越的操控性能、高度的安全保障以及舒适的乘坐体验。

2.核心概念与联系

大模型

大规模深度学习模型是指基于规模庞大的训练数据集以及架构复杂的神经网络构建而成的参数规模极大的机器学习系统。该系统通常涵盖多种复杂的非线性结构,并且能够实现强大的信息处理与推理功能的同时具有良好的适应能力

模型压缩

在当前研究中所指的‘模型压缩技术’通常涉及对现有深度学习模型进行一系列优化操作以实现目标效果的同时降低资源消耗。具体而言,在实际应用中我们常通过剪枝、量化以及激活函数裁剪等方式来达到这一目的并且这种方法不仅可以有效减少计算复杂度还能显著降低内存占用空间从而提升整体系统的运行效率。从技术实现的角度来看这类算法的设计往往需要综合考虑多方面的因素包括计算效率资源利用率以及最终的实际应用效果等多维度指标才能达到最优平衡状态

深度学习

深度学习(Deep Learning)是一种让计算机能够从海量数据中自主提取知识和技术的技术。它主要依赖于大数据量的运用以及分布式计算和超参数优化等技术手段。该方法主要针对复杂的模型架构、变量间非线性关联以及非凸优化问题,并通过特殊的处理方法避免了传统正则化手段的限制。从而实现对数据的高精度预测。

物联网

物联网(IoT)是一种集成多种设备以实现物与物之间高效通信的技术。该技术由四个核心要素构成:感知器(即物体)、末端设备、通信网络和应用平台。该技术依赖人工智能来收集、解析和归纳海量物理数据,并将其应用于实际生活场景中。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解

语音识别

语音识别(Speech Recognition)是一种基于人声的文本转换流程,在信号处理领域具有重要意义。语音识别系统通过实时捕获和解析声音信号,并将其转化为可读的文字内容。语音识别系统一般包含以下几个功能模块:特征提取模块、声学模型模块、语言模型模块以及解码算法模块。

  1. 特征识别 作为信息处理的重要环节,在语音处理中采用多种信号处理手段来提取关键音频特征。
  2. 声学系统 通过分析语音信号的频谱特性来推导出声学系统的参数。
  3. 统计语言模型 统计语言模型主要用于评估给定文本序列的概率。
  4. 最优路径搜索算法 在实际应用中通过综合分析声学、语料库和上下文信息来确定最可能的文字。

其中,声学模型、语言模型、解码算法是语音识别的核心算法。

图像识别

图像是 Image Recognition 技术的基础研究领域之一,在现代科技发展中发挥着重要作用。该技术主要包括图像分类与目标定位两大核心任务。

  1. 分类过程旨在识别图片中的物体类别,并判断图片中是否包含特定对象;或者用于识别图像所呈现的具体内容。
  2. 定位技术通过技术手段精确识别并标记出图像中的具体位置。

在图像识别任务中占据核心地位的是对图像特征的提取与构建。经过对这些图像特征的学习与优化后,在此基础上建立判别模型以实现目标识别功能。其中用于分类的任务主要依赖于不同的分类算法(如线性SVM、KNN等),这些算法能够根据特定的标准将预处理后的特征划分为不同的类别从而实现精确识别的目的。而对于目标定位问题则主要采用密集卷积神经网络这一技术手段其工作原理在于通过学习图象中的局部细节特性最终借助回归分析方法确定出目标物体的具体位置坐标

个性化推荐

个人化的推荐系统(Personalized Recommendation),是以用户的个人信息为基础,在线为用户提供根据其兴趣和行为模式自定义的物品列表。该类算法主要包括协同过滤(Collaborative Filtering)、内容过滤(Content-Based Filtering)以及社会网络分析(Social Network Analysis)等。

  1. 协同过滤 协同过滤即通过分析用户的使用记录与行为模式来推断其兴趣偏好,并运用算法模型对潜在感兴趣的内容进行排序与推荐。
  2. 内容过滤 内容过滤基于用户的喜好倾向、浏览历史与购买记录等多维度数据信息,在此基础上筛选出与已购或已读项目具有相似特性的产品或服务进行展示。
  3. 社会网络分析 社会网络分析则是构建为社交关系图谱的复杂数据结构,并通过图计算方法识别出各用户间的关联程度与互动频率特征。

个性化推荐的核心在于构建用户画像,并将其转化为向量表示。采用线性回归和逻辑回归等方法来建立基于兴趣的模型。协同过滤法主要依据用户提供评分数据以及点击行为来评估用户的兴趣程度。内容过滤技术则是基于用户的兴趣偏好、浏览历史以及消费习惯等因素来筛选相关内容。社会网络分析则侧重于识别用户间的关系深度,并在此基础上筛选合适的商品或信息进行推荐

神经网络

一种模仿人类大脑信息处理机制的人工智能系统

  1. 前馈型人工神经网络是一种仅包含单向连接而不含反馈连接的结构模型。该结构由输入层、隐藏层和输出层组成,在各个层次之间只存在单向信号传递路径。

  2. 循环型人工神经网络通过建立各层之间的循环连接来增强其处理能力。这种架构的核心在于利用循环连接实现信息在不同层级间的动态流动与更新。

  3. 递归型人工 Neural 网络通过将上一层输出作为当前层级输入以实现反馈式的递归计算机制。这种架构特别适用于处理序列数据的应用场景包括文本生成等复杂任务。

强化学习

强化学习(Reinforcement Learning),是一种机器学习技术。该技术通过训练过程使智能体根据环境反馈做出合适的行为选择,并以最大化累积奖励作为目标优化自身的策略设置。其包含奖赏机制、动作执行模块以及状态感知组件三个关键组成部分。

  1. 智能体系统即为模型-代理架构。其本质是具备构建环境模型的能力,并且能够在获得状态信息后根据此做出相应的决策。
  2. reward-action-observation 三要素则体现了通过反馈机制优化行为模式的核心理念。

强化学习算法有Q-learning、Sarsa、Actor-Critic等。

4.具体代码实例和详细解释说明

TensorFlow实现Seq2seq模型

复制代码
    import tensorflow as tf
    
    # hyperparameters
    hidden_size = 256
    num_layers = 3
    embedding_dim = 128
    max_sequence_length = 10
    vocab_size = 10000
    
    class Seq2seqModel(tf.keras.Model):
    def __init__(self):
        super().__init__()
    
        # encoder
        self.encoder_embedding = tf.keras.layers.Embedding(input_dim=vocab_size+1, output_dim=embedding_dim)
        self.encoder_lstm = tf.keras.layers.LSTM(units=hidden_size, return_state=True, return_sequences=False, dropout=0.5)
    
        # decoder
        self.decoder_embedding = tf.keras.layers.Embedding(input_dim=vocab_size+1, output_dim=embedding_dim)
        self.decoder_lstm = tf.keras.layers.LSTM(units=hidden_size, return_state=True, return_sequences=True, dropout=0.5)
        self.output_dense = tf.keras.layers.Dense(units=vocab_size+1)
    
    def call(self, input_data, target_data):
        """Forward pass"""
    
        batch_size = tf.shape(input_data)[0]
    
        # encode the input data using LSTM layers
        encoder_inputs = self.encoder_embedding(input_data)    # (batch_size, max_sequence_length, embedding_dim)
        _, state_h, state_c = self.encoder_lstm(encoder_inputs)   # both state vectors have shape (batch_size, hidden_size)
    
        # initialize the decoder with zeros and set the initial states to that of the encoder
        decoder_inputs = tf.expand_dims([vocab_size]*batch_size, 1)     # start tokens for each sample in batch
        decoder_states = [state_h, state_c]                              # first input is the previous state from the encoder
    
        # decode the encoded data using LSTM layers
        for t in range(max_sequence_length):
            decoder_outputs, state_h, state_c = self.decoder_lstm(
                inputs=tf.expand_dims(decoder_inputs[:,t], axis=-1), 
                initial_state=[state_h, state_c])
    
            outputs = self.output_dense(decoder_outputs)
            predicted_id = tf.argmax(outputs, axis=1)
            decoder_inputs = tf.concat([decoder_inputs, 
                                        tf.one_hot(predicted_id, depth=vocab_size+1)],
                                        axis=-1)
    
        # loss function
        masks = tf.math.logical_not(tf.equal(target_data, vocab_size))    # mask out padding values
        predictions_padded = tf.boolean_mask(decoder_inputs, masks)        # remove padding and create tensors for computing accuracy and perplexity
        targets_padded = tf.boolean_mask(target_data, masks)              # remove padding 
        crossentropy = tf.keras.losses.sparse_categorical_crossentropy(y_true=targets_padded, y_pred=predictions_padded, from_logits=True)
        loss = tf.reduce_mean(crossentropy)
    
        return {"loss": loss}
    
    model = Seq2seqModel()
    optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(lr=1e-3)
    checkpoint_dir = './training_checkpoints'
    ckpt = tf.train.Checkpoint(step=tf.Variable(1), optimizer=optimizer, net=model)
    manager = tf.train.CheckpointManager(ckpt, checkpoint_dir, max_to_keep=3)
    ckpt.restore(manager.latest_checkpoint).expect_partial()
    if manager.latest_checkpoint:
      print("Restored from {}".format(manager.latest_checkpoint))
    else:
      print("Initializing from scratch.")
    
    
    @tf.function
    def train_step(input_data, target_data):
    with tf.GradientTape() as tape:
        results = model(input_data, target_data)
        loss = results["loss"]
    
    variables = model.trainable_variables
    gradients = tape.gradient(loss, variables)
    optimizer.apply_gradients(zip(gradients, variables))
    
    return loss
    
    for epoch in range(EPOCHS):
    total_loss = 0
    for input_batch, target_batch in dataset:
        loss = train_step(input_batch, target_batch)
        total_loss += loss
    
    avg_loss = total_loss / len(dataset)
    template = 'Epoch {} Loss {:.4f}'
    print(template.format(epoch+1, avg_loss))
    save_path = ckpt.save(file_prefix=checkpoint_dir+'/ckpt')
    print('Saved checkpoint for step {}: {}'.format(int(ckpt.step), save_path))
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

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