機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用

1、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)中的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)ZhaoLianZhengShandong University of Science and TechnologyInformation and SciencesQingdao, China185948214Abstract This paper introduces the concepts and characteristics of embedded systems, review the application of machine learning technology-related technology in embedded systems. T

2、o understand the status of the application of machine learning technology in embedded systems based on the proposed development trend of embedded systems based on machine learning techniques.Keywords-embedded; machine learning; techniquesI. 引言以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)(EmbeddedSystem)是繼IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一個(gè)新的技術(shù)發(fā)展方向， 它

3、以其強(qiáng)大而靈活的可應(yīng)用性得到了計(jì)算機(jī)、通信和信息 等產(chǎn)業(yè)的廣泛認(rèn)可，已被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、交通管理、 信息家電、家庭智能管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)、環(huán)境監(jiān) 測(cè)和機(jī)器人控制等領(lǐng)域1 O嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展將真正 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的“無(wú)處不在”機(jī)器學(xué)習(xí)(Machine Learning)是研究計(jì)算機(jī)怎樣 模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，以獲取新的知識(shí)或技能，重 新組織已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)使之不斷改善自身的性能。它是人 工智能的核心，是使計(jì)算機(jī)具有智能的根本途徑，其應(yīng)用 遍及人工智能的各個(gè)領(lǐng)域，它主要使用歸納、綜合而不是 演繹2。II.嵌入式系統(tǒng)A. 嵌入式系統(tǒng)的定義及其特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)(Embedded syste

4、m)，是一種 完全嵌入受 控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”，根據(jù)英國(guó)電器工程師協(xié)會(huì)(U.K. Institution of Electrical Engineer)的定義，嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、 機(jī)器或用于工廠運(yùn)作的設(shè)備。與個(gè)人計(jì)算機(jī)這樣的通用計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求的 預(yù)先定義的任務(wù)。由于嵌入式系統(tǒng)只針對(duì)一項(xiàng)特殊的任務(wù)， 設(shè)計(jì)人員能夠?qū)λM(jìn)行優(yōu)化，減小尺寸降低成本。嵌入式 系統(tǒng)通常進(jìn)行大量生產(chǎn)，所以單個(gè)的成本節(jié)約，能夠隨著 產(chǎn)量進(jìn)行成百上千的放大3 O嵌入式系統(tǒng)的核心是由一個(gè) 或幾個(gè)預(yù)先編程好以用來(lái)執(zhí)行少數(shù)幾項(xiàng)任務(wù)的微處理器或 者單片機(jī)組

5、成。與通用計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)行用戶選擇的軟件不 同，嵌入式系統(tǒng)上的軟件通常是暫時(shí)不變的；所以經(jīng)常稱 為固件”4。國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心， 以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功 能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)5 O嵌入式系統(tǒng)從應(yīng)用角度出發(fā)，它是20世紀(jì)70年代以后計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)分支，以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù) 為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠 性、成本、體積、功耗等方面有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)是嵌入到目標(biāo)體系中的專用計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)%嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式軟件操作系統(tǒng)以

6、及用戶的應(yīng)用程序4部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他外部設(shè)備控制以及網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換等功能7 o針對(duì)于某種特定的應(yīng)用需求，嵌入式系統(tǒng)嵌入到對(duì)象軟硬 件體系中，從而實(shí)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)的功能8。嵌入式系統(tǒng)與普通的 PC系統(tǒng)相比主要具有以下特點(diǎn)：(1) 嵌入式系統(tǒng)功耗低，體積小，專用性強(qiáng)。嵌入式CPU工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，能夠把 PC中許 多板卡完成的任務(wù)集成到芯片內(nèi)部，有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè) 計(jì)的小型化9。(2) 嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般固化在存儲(chǔ)芯片或單片 機(jī)本身中，以提高實(shí)行速度與系統(tǒng)可靠性。硬軟件都必須 高效設(shè)計(jì)，系統(tǒng)要精簡(jiǎn)，對(duì)軟件代碼質(zhì)量要求很高。操作 系統(tǒng)一般和軟件集成在一起。(3) 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要

7、專門的開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境10III.機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)A.機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)簡(jiǎn)介及特點(diǎn)機(jī)器學(xué)習(xí)是一門研究機(jī)器獲取新知識(shí)和新技能，并識(shí)別現(xiàn)有知識(shí)的學(xué)問。機(jī)器學(xué)習(xí)是計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能中非 常重要的一個(gè)研究領(lǐng)域，機(jī)器學(xué)習(xí)不但在計(jì)算機(jī)科學(xué)的眾 多領(lǐng)域中大顯身手，而且成為一些交叉學(xué)科的重要支撐技 術(shù)11。機(jī)器學(xué)習(xí)在人工智能的研究中具有十分重要的地位。 一個(gè)不具有學(xué)習(xí)能力的智能系統(tǒng)難以稱得上是一個(gè)真正的 智能系統(tǒng)12。計(jì)算機(jī)是是如何進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)的呢？通俗來(lái) 說(shuō)，計(jì)算機(jī)程序是隨著經(jīng)驗(yàn)積累自動(dòng)提高性能13,更深層來(lái)說(shuō)就是計(jì)算機(jī)是如何通過修改代碼來(lái)發(fā)展出自己新的功 能，從而變得獨(dú)立而強(qiáng)大。在機(jī)器學(xué)習(xí)在過去十年實(shí)際應(yīng) 用的

8、急劇增長(zhǎng)一直伴隨著相關(guān)的算法和技術(shù)的許多重要發(fā) 展14。正是在這種情形下，機(jī)器學(xué)習(xí)逐漸成為人工智能研 究的核心之一。它的應(yīng)用已遍及人工智能的各個(gè)分支，如 專家系統(tǒng)、自動(dòng)推理、自然語(yǔ)言理解、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī) 視覺、智能機(jī)器人等領(lǐng)域15。機(jī)器能否象人類一樣能具有學(xué)習(xí)能力呢？1959年美國(guó)的塞繆爾(Samuel)設(shè)計(jì)了一個(gè)下棋程序， 這個(gè)程序具有 學(xué)習(xí)能力，它可以在不斷的對(duì)奕中改善自己的棋藝4年后，這個(gè)程序戰(zhàn)勝了設(shè)計(jì)者本人。又過了3年，這個(gè)程序戰(zhàn)勝了美國(guó)一個(gè)保持 8年之久的常勝不敗的冠軍。這個(gè)程序向 人們展示了機(jī)器學(xué)習(xí)的能力，提出了許多令人深思的社會(huì) 問題與哲學(xué)問題。機(jī)器的能力是否能超過人的，很多持

9、否定意見的人的一個(gè)主要論據(jù)是：機(jī)器是人造的，其性能和動(dòng)作完全是 由設(shè)計(jì)者規(guī)定的，因此無(wú)論如何其能力也不會(huì)超過設(shè)計(jì)者 本人。這種意見對(duì)不具備學(xué)習(xí)能力的機(jī)器來(lái)說(shuō)的確是對(duì)的， 可是對(duì)具備學(xué)習(xí)能力的機(jī)器就值得考慮了，因?yàn)檫@種機(jī)器 的能力在應(yīng)用中不斷地提高，過一段時(shí)間之后，設(shè)計(jì)者本 人也不知它的能力到了何種水平。什么叫做機(jī)器學(xué)習(xí)(machine learning) ?至今，還沒有 統(tǒng)一的機(jī)器學(xué)習(xí)”定義，而且也很難給出一個(gè)公認(rèn)的和準(zhǔn) 確的定義。為了便于進(jìn)行討論和估計(jì)學(xué)科的進(jìn)展，有必要 對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)給出定義，即使這種定義是不完全的和不充分 的。顧名思義，機(jī)器學(xué)習(xí) 是研究如何使用機(jī)器來(lái)模擬人類學(xué)習(xí)活動(dòng)的一門學(xué)科

10、。稍為嚴(yán)格的提法是：機(jī)器學(xué)習(xí)是 一門研究機(jī)器獲取新知識(shí)和新技能，并識(shí)別現(xiàn)有知識(shí)的學(xué) 問。這里所說(shuō)的機(jī)器”，指的就是計(jì)算機(jī)；現(xiàn)在是電子計(jì)算機(jī)，以后還可能是中子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)或神經(jīng)計(jì)算 機(jī)等等。IV.嵌入式系統(tǒng)與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)關(guān)系及應(yīng)用A. 嵌入式與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)關(guān)系與發(fā)展眾所周知，機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的一個(gè)非常重要的部 分，在當(dāng)今計(jì)算機(jī)及其相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)，人工智能被受到廣泛 的重視，它已經(jīng)被人們應(yīng)用到幾乎任何的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，當(dāng) 然這也包括當(dāng)今熱門的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。同樣，機(jī)器學(xué)習(xí) 技術(shù)也被人工智能這股風(fēng)暴帶進(jìn)了嵌入式領(lǐng)域，被當(dāng)作一 種新興的思想，一種新的技術(shù)，被整合到嵌入式系統(tǒng)內(nèi)。曾經(jīng)有人盲目的認(rèn)為，人工

11、智能只是一個(gè)飄渺的概念， 或許它已經(jīng)慢慢深入到我們的生活中，但那只是最”微不足道”的人工智能。認(rèn)為人工智能只有超級(jí)計(jì)算機(jī)這種有著頂 尖配置，超強(qiáng)運(yùn)算能力的機(jī)器才能實(shí)現(xiàn)。那么我認(rèn)為他對(duì) 人工智能的認(rèn)識(shí)只是淺顯的，因?yàn)楝F(xiàn)在的科學(xué)證明了，人 工智能已經(jīng)被廣泛的應(yīng)于在當(dāng)今社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，即使是 嵌入式系統(tǒng)，這種通常被我們認(rèn)作是低配置，低消耗，系 統(tǒng)精簡(jiǎn)，作用單一，也在慢慢接受人工智能，與機(jī)器學(xué)習(xí) 技術(shù)在整合。機(jī)器學(xué)習(xí)現(xiàn)在似乎已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)新階段，機(jī)器學(xué)習(xí)起源于人工智能對(duì)人類學(xué)習(xí)能力的追求，上一階段的研究幾 乎完全局限在人工智能這一領(lǐng)域中，而現(xiàn)在，機(jī)器學(xué)習(xí)已 經(jīng)開始進(jìn)入了計(jì)算機(jī)科學(xué)的不同領(lǐng)域，甚至其他學(xué)

12、科，成 為一種支持技術(shù)、服務(wù)技術(shù)?，F(xiàn)階段對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的研究可 能不應(yīng)再過多地強(qiáng)調(diào)模擬人的學(xué)習(xí)能力可能應(yīng)該把機(jī)器學(xué) 習(xí)真正當(dāng)成一種支持技術(shù)(手段而非目的)，考慮不同領(lǐng)域甚至不同學(xué)科對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的需求，找出其中具有共性的、 必須解決的問題，并進(jìn)而著手研究16。B. 機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例一作為處在當(dāng)今全球消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新金字塔最 頂尖的“IC芯片”設(shè)計(jì)研發(fā)，一直以來(lái)，創(chuàng)新難度在業(yè)界一 直被定義為超級(jí)艱難”。長(zhǎng)虹這款智能語(yǔ)音芯片，被認(rèn)為是長(zhǎng)虹IC事業(yè)部從 有到精”的創(chuàng)新性提升。當(dāng)前市場(chǎng)上的語(yǔ)音芯片多為被動(dòng)接 受語(yǔ)音指令，存在誤別率低，應(yīng)用到智能產(chǎn)品上之后存在 著人機(jī)交互體驗(yàn)不好等問題。

13、長(zhǎng)虹IC事業(yè)部通過與中科院聲學(xué)所的戰(zhàn)略合作，一舉推出了 長(zhǎng)達(dá)6米超遠(yuǎn)距離內(nèi)識(shí)別、 語(yǔ)音識(shí)別率高達(dá) 90%以上，且能聽懂四川話等方言”等多種 顯著優(yōu)勢(shì)的智能語(yǔ)音芯片17。為了更好地借助智能時(shí)代的云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等服務(wù)優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)虹在這款語(yǔ)音芯片設(shè)計(jì)研發(fā)中，還特別增加了主動(dòng)學(xué)習(xí)能力”，借助云服務(wù)平臺(tái)對(duì)消費(fèi)者的語(yǔ)音按照不同性 別、年齡進(jìn)行記憶，并具備了自動(dòng)適應(yīng)不同語(yǔ)音的辨別能 力。型化、智能化，嵌入式將朝著高智能化、高集成度、小型圖1設(shè)備學(xué)習(xí)模型圖設(shè)備交互化方向發(fā)展20;(2) 提供方便、快捷的人機(jī)界面。嵌入式系統(tǒng)被廣泛使 用，主要原因是它的多媒體人機(jī)界面的方便、快捷，這將使嵌入式設(shè)備的操作更加方便快捷、

14、人性化；(3) 嵌入式搭載云端服務(wù)器的 AI必成為趨勢(shì)21。VI.總結(jié)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中起到了極為重要的作 用，特別是在人機(jī)交互，系統(tǒng)自我完善，自我學(xué)習(xí)等方面 起到了很重要的作用，是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的有效性、正確 性得到保證的關(guān)鍵。在機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的支持以及云計(jì)算的 支持下，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的自我完善，及時(shí)反饋，學(xué)習(xí)執(zhí)行 功能將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，并且隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和云計(jì)算的進(jìn) 一步發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)將會(huì)有著更廣闊的發(fā)展空間。致謝感謝老師第一學(xué)期帶領(lǐng)學(xué)習(xí)人工智能這門重要的課 程，在這一學(xué)期的學(xué)習(xí)中是使初步了解了人工智能，并在 老師的指導(dǎo)以及查閱了大量的資料和書籍的情況下完成了 這篇論文。圖2設(shè)備交互圖

15、C. 機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例二一臺(tái)洗衣機(jī)在春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)外界環(huán)境是不 一樣的，由于水溫及環(huán)境溫度不同，洗滌時(shí)的程序也有區(qū) 別，洗衣機(jī)應(yīng)能自動(dòng)學(xué)習(xí)不同環(huán)境中的洗滌程序；另外， 在洗衣機(jī)早期應(yīng)用中，洗衣機(jī)的零件處于緊耦合狀態(tài)，過 了磨合期，洗衣機(jī)的零件處于順耦合狀態(tài)，長(zhǎng)期應(yīng)用之后， 洗衣機(jī)的零件處于松耦合狀態(tài)18 O對(duì)于不同時(shí)期，洗衣機(jī)應(yīng)該對(duì)自身狀態(tài)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼{(diào) 整，同時(shí)還應(yīng)產(chǎn)生與之相應(yīng)的優(yōu)化控制過程；此外，洗衣 機(jī)在很多次數(shù)的洗滌中，應(yīng)自動(dòng)學(xué)習(xí)特定衣質(zhì)、衣量條件 下的最優(yōu)洗滌程序，當(dāng)用戶放入不同量、不同質(zhì)的衣服時(shí)， 洗衣機(jī)應(yīng)自動(dòng)進(jìn)入學(xué)習(xí)后的最優(yōu)洗滌程序這就需要-種新的智能技

16、術(shù)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制19。V.機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的發(fā)展趨勢(shì)隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的日益成熟，支持機(jī)器學(xué)習(xí)功能的 嵌入式產(chǎn)品將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，這不僅將成為嵌入 式系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，也基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的嵌入式系 統(tǒng)的未來(lái)的研究有以下幾點(diǎn)趨勢(shì)：(1)高集成度、低功耗、小型化。隨著嵌入式系統(tǒng)的微References1 Yu Zhong, Lin Min, Shenhua. Embedded systemsbased tutorial M. Beijing:NationalDefence Industry Press, 2009(In Chinese).2 Johannes Furnkranz T

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