向深度学习工作流程的迈进

深度学习算法最近越来越流行， 可能是因为它们不再需要特征工程步骤。从传感器获得的数据（原始测量）可以直接输入 DL 算法， 如图4所示。

图4 深度学习的工作流程

深度学习算法是基于人工神经网络的。人工神经网络算法受到了生物神经网络结构和功能方面的启发。这些算法的结构形式是由一组相互连接的计算节点（人工神经元）组成的层次结构。 第一层被称为输入层， 它是输入信号或数据的接口。最后一层是输出层， 这一层中神经元输出最终的预测或结果。

在输入和输出层之间， 有一个或多个隐藏层（图5）。 一层的输出通过加权后连接到下一层的节点。网络通过修改这些权重来学习输入和输出之间的映射。通过使用多个隐藏层， 深度学习算法从输入数据中提取特征， 而不需要明确地将特征输入到算法中。 这被称为"特征学习"。

图5 前馈人工神经网络

面向深度学习的系统设计

深度学习最近在软件应用领域取得了成功， 主要是因为技术部件的成熟， 比如硬件中的计算能力增强， 大量的训练数据被标记， 学习算法和网络初始化方面的突破， 以及开放源码软件框架的可用性。

下面是用深度学习系统的主要考虑因素。

拓扑

深度学习是一个不断发展的领域， 目前正在使用许多网络拓扑[1]。其中一些网络显示了对控制和监控物联网应用的承诺：

深层神经网络（Deep Neural Network， DNN）是一种完全连接的人工神经网络， 具有许多隐藏层（因此深层）。 这些网络是极好的函数逼近器， 例如， 可用于电力行业中电子控制的应用。控制系统的仿真模型可用于使用深度网络构建控制器， 并生成训练数据。通过这种方法， 可以探索通常难以使用传统方法控制的状态（边界/交叉条件）

卷积神经网络（Convolutional Neural Network， 简称 CNN）是利用输入信号的二维结构， 如输入图像或语音信号。一个卷积网络由一个或多个卷积层（过滤层）组成， 然后是一个完全连接的多层神经网络。 这些网络在成像和目标识别中的缺陷检测等问题上取得了成功。它们也被用于驾驶员援助系统（ADAS）中的场景。

循环神经网络（Recurrent Neural Network， RNN）是基于利用顺序（或历史）信息进行预测的算法。这些网络有利于时间序列分析。传统的神经网络假设所有的输入（和输出）在时间或到达的顺序上相互独立。记录状态信息， 存储过去的信息， 并使用迄今为止计算出来的信息进行下一个预测。 在物联网应用中， RNN有利于学习历史行为， 并用于预测未来的事件， 例如资产的剩余使用寿命。 长短期记忆（LSTM）网络也适用于这类应用[2]。

深度强化学习（DRL）对于在复杂动态环境中运行的自适应控制系统是有好处的。 考虑控制在仓库操作中部署的机器人， 这些机器人必须动态地适应新的任务。 以强化学习为基础的控制者学习一项任务时， 它们通过执行一个动作， 使他们更接近目标而获得的奖励。例如， 控制器接收来自摄像机的图像， 该照片显示了机器人手臂的当前位置， 并利用图像中的信息来学习如何将手臂移近目标（图6）[3]。 基于DLC的控制器可以通过机器人模拟器或者通过观察实际的机器人来训练。

图6 机器人控制应用的深度强化学习

训练

DNN需要大量的训练数据， 这些数据最好包括来自学习所需要的所有不同状态或条件的数据。对于大多数应用而言， 现有数据主要来自系统的正常工作状态， 其中包括从其他状态获取的少量数据。

数据增强/泛化是一种用来改善数据不平衡的技术， 可以从现有的小样本集开始， 通过数据转换创建额外的合成版本，还可以使用该系统的模拟模型来创建训练数据。

另一个挑战是难以收集训练这些网络所需的大量数据。转移学习是可以用来缓解这个问题的方法之一。 使用转移学习， 可以从预训练的神经网络开始(大多数深度学习框架提供了可以下载的经过完全训练的模型) ， 并用应用中的数据对其进行微调。

硬件

训练深度网络有着巨大的处理要求。GPU已经成为训练深度网络的主要选择。由于计算性能高， 内存大， 以及编程工具的选择， GPU很有吸引力， 几乎成为训练的必要条件。

此外， FPGA是部署训练网络的良好目标。FPGA提供了更低的延迟， 更好的功率效率，特别是在嵌入式设备上部署这些网络， 用于与I/O紧密操作的控制系统。

软件

快速采用和成功的一个原因是成熟软件框架的可用性。 一些常见的框架有 TensorFlow， Caffe， Keras 和 Computational Network Toolkit (CNTK)[4，5，6，7]。 这些框架支持不同的操作系统， 如 Windows 和 Linux， 以及 Python 和 C语言。 大多数这些框架都有支持或实例来实施最新的深度网络，也支持GPU的使用。

深度学习： IoT 控制设计的新方向

深度学习是人工智能领域中一个令人兴奋的新方向， 也是解决工业控制设计应用中一个有前途的技术。

快速开始掌握深度学习的方法是下载前面提到的开源框架， 并且用教程示例进行实验。 从一个类似于应用程序的示例开始， 然后使用转移学习来快速操作。

References：

Veen， Fjodor Van. “The Neural Network Zoo.” The Asimov Institute. October 28， 2016. Accessed September 20， 2017.

“Long short-term memory.” Wikipedia. August 27， 2017. Accessed September 20， 2017.

Zhang， Fangyi， Jürgen Leitner， Michael Milford， Ben Upcroft， and Peter Corke. “Towards Vision-Based Deep Reinforcement Learning for Robotic Motion Control.” [1511.03791] Towards Vision-Based Deep Reinforcement Learning for Robotic Motion Control. November 13， 2015. Accessed September 20， 2017.

“TensorFlow.” TensorFlow. Accessed September 20， 2017.

“Caffe.” Caffe | Deep Learning Framework. Accessed September 20， 2017.

“Keras： The Python Deep Learning library.” Keras Documentation. Accessed September 20， 2017.

“Video： Unlock deeper learning with the new Microsoft Cognitive Toolkit.” Microsoft Cognitive Toolkit. Accessed September 20， 2017.