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人工智能（AI）是一項極具普適性的技術(shù)，同時也是一項能夠成功實現(xiàn)自動化工作流程的技術(shù)。它能夠突破迄今為止基于傳統(tǒng)算法所能實現(xiàn)的自動化極限。然而，AI 在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢，唯有在無需深厚的 AI 專業(yè)知識便能輕松駕馭之時，方能得以充分展現(xiàn)與確立。這正是倍福開發(fā) TwinCAT Machine Learning Creator 軟件的初衷。

基于算法的傳統(tǒng)自動化體系依賴于一種相當僵化的結(jié)構(gòu)，其運作方式近乎于遵循一套既定的規(guī)則集合。當情況 A 發(fā)生時，則會通過 B 進行回應(yīng)，以獲得所期望的結(jié)果 C。簡而言之，從特定情境到預(yù)期結(jié)果的路徑是預(yù)先設(shè)想好的，然后精準實施。而基于 AI 的方法則巧妙地運用實例數(shù)據(jù)，自動完成從特定情景到預(yù)期結(jié)果的學習路徑，因此無需人類明確構(gòu)思并轉(zhuǎn)化為算法。

AI 技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域有眾多潛在應(yīng)用，其中最前沿的莫過于 AI 機器視覺檢測。具體應(yīng)用包括成品生產(chǎn)線末端檢測、依據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量或其它屬性精準分揀產(chǎn)品（通常是天然產(chǎn)品），以及光學過程監(jiān)測和分類。這一廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的具體實例包括但不限于：

·   對金屬體的形狀和/或表面質(zhì)量進行最終檢驗

·   按照不同的質(zhì)量等級分揀水果、木質(zhì)表面和羊毛等天然產(chǎn)品

·   垃圾分類回收

·   監(jiān)控加工區(qū)域，例如激光焊接過程監(jiān)控

·   處理視覺定位任務(wù)，比如特定物體定位和抓取任務(wù)

基于 AI 的方法在處理這些任務(wù)時的顯著優(yōu)勢在于，一旦經(jīng)過適當?shù)挠柧?，通過學習得出的算法便能展現(xiàn)出出色的適應(yīng)性，輕松應(yīng)對輸入數(shù)據(jù)的變化。這意味著，即使在其有限的能力范圍內(nèi)，經(jīng)過充分訓練的 AI 模型也能有效有效應(yīng)對并妥善解決這些陌生情境的挑戰(zhàn)。

鑒于 AI 技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域所展現(xiàn)出的巨大潛力，工業(yè)企業(yè)目前所面臨的核心難題在于缺乏一批能夠高效、批量地創(chuàng)建 AI 模型的專業(yè)技術(shù)人才。在當前競爭激烈的就業(yè)市場中，對 AI 專家的需求遠遠超出了實際的人才供給。更為關(guān)鍵的是，AI 專家只有與自動化或過程控制專家合作，才能成功解決自動化難題。這正是倍福的用武之地：TwinCAT Machine Learning Creator 能夠自動執(zhí)行復(fù)雜的 AI 訓練流程，使得自動化與過程控制專家能夠自主創(chuàng)建 AI 模型。這極大地拓寬了這項技術(shù)的潛力，使其能夠惠及每一個人。

上傳圖像分類數(shù)據(jù)集，將雞蛋分為“合格”、“臟污”、和“破損”三個等級

1  倍福 AI 生態(tài)系統(tǒng)

倍福為工業(yè) AI 應(yīng)用精心構(gòu)建了一個全面的生態(tài)系統(tǒng)，其核心優(yōu)勢在于能夠直接在工業(yè)控制器（PLC）上高效執(zhí)行 AI 模型。各種傳感器都可通過 EtherCAT 現(xiàn)場總線以及配套的 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接至控制系統(tǒng)。此外，倍福還能提供各種系統(tǒng)集成式機器視覺硬件，包括堅固耐用的工業(yè)相機、高性能的工業(yè)級鏡頭以及光源。傳感器信息被即時傳輸至基于 PC 的控制器，在那里可以直接處理這些信息，包括運用 AI 技術(shù)進行深度分析。TwinCAT Machine Learning Server、TwinCAT Vision Neural Networks 和 TwinCAT Neural Network Inference Engine 等集成了 PLC 的執(zhí)行模塊可用于訓練好的 AI 模型。它們既能夠充分利用 CPU 的計算資源，也能夠靈活運用 NVIDIA GPU 的算力。AI 執(zhí)行模塊可以加載存儲在開放標準“ONNX”中的訓練好的 AI 模型。這樣，用戶便可以自由地在任何適合的訓練環(huán)境中靈活訓練 AI 模型，然后在 TwinCAT 控制器中輕松執(zhí)行這些模型。倍福通過其 C6043 超緊湊型工業(yè) PC，為用戶提供了集成 NVIDIA 嵌入式 GPU 并符合行業(yè)標準的可擴展硬件解決方案，從而使得整個倍福生態(tài)系統(tǒng)能夠以優(yōu)化的方式將 AI 模型無縫集成到設(shè)備的控制層中。

2    自動創(chuàng)建 AI 模型

倍福秉承開放式控制技術(shù)理念，設(shè)計了現(xiàn)有的 PLC 集成式執(zhí)行模塊，以支持 ONNX 標準，從而實現(xiàn)了 AI 模型與 AI 訓練環(huán)境的無縫對接，無論用戶使用的是何種訓練環(huán)境。ONNX 文件將一個訓練好的 AI 模型描述為帶相關(guān)參數(shù)的算子序列。這些描述文件能夠輕松加載到 TwinCAT Machine Learning Server 等 TwinCAT 3 功能組件中，然后由 PLC 執(zhí)行；但是，諸如 PyTorch 或 Scikit-learn 等通常用于訓練 AI 模型的機器學習框架主要面向 AI 專家，他們通常會在 Python 編程環(huán)境中精心準備訓練數(shù)據(jù)，創(chuàng)建 AI 模型架構(gòu)，并深入進行模型訓練。

訓練 AI 模型

倍?，F(xiàn)在通過 TwinCAT Machine Learning Creator，提供了一種更為簡單的方法，即借助基于 Web 的界面引導用戶輕松完成數(shù)據(jù)上傳、模型訓練、模型分析和模型下載等全流程。我們的目標群體主要包括自動化和過程控制專家，即使他們不具備數(shù)據(jù)科學背景，也能通過我們的平臺實現(xiàn) AI 模型訓練過程的標準化。

3    數(shù)據(jù)上傳

機器學習的整個概念都圍繞著通過實例數(shù)據(jù)來學習?？紤]到這一點，擁有一個干凈且具有代表性的數(shù)據(jù)集對于學習任務(wù)來說至關(guān)重要。這通常需要一個已標注的數(shù)據(jù)集：以圖像分類領(lǐng)域為例，這意味著一定數(shù)量的樣本圖像已經(jīng)過人工分類處理。因此，每張圖像都被打上了標簽，代表所期望的結(jié)果。圖像和標簽之間的關(guān)系通過標簽文件建立，在最簡單的情況下，標簽文件是一個包含文件名和相應(yīng)標簽的表格。

數(shù)據(jù)上傳方式是開放的，支持多種圖像數(shù)據(jù)格式和標簽文件格式。這意味著用戶可以自由選擇標簽工具（如果需要的話）。我們目前正在將 TwinCAT Analytics Data Scout 用作標簽工具，以實現(xiàn)從 TwinCAT 控制器到 TwinCAT Machine Learning Creator 的高效數(shù)據(jù)集成。

4    AI 模型訓練

AI 訓練流程的配置保持精簡，其核心步驟包括創(chuàng)建一個模型名稱，并將數(shù)據(jù)集（或多個數(shù)據(jù)集）添加到訓練過程中。除了核心配置之外，所有其它配置均為可選配置，用戶可根據(jù)實際應(yīng)用需求靈活調(diào)整，以精確控制 AI 模型在 TwinCAT 控制器上的運行行為。如果明確了采用倍福的 TwinCAT 硬件平臺和 TwinCAT 軟件創(chuàng)建 AI 模型，用戶就可以設(shè)定 AI 模型最大可接受的執(zhí)行時間閾值。我們在創(chuàng)建 AI 模型的過程中會考慮到這些關(guān)鍵信息。如果未明確設(shè)定最大執(zhí)行時間，系統(tǒng)則會完全專注于優(yōu)化 AI 模型的性能（泛化能力）。

5     模型分析

AI 模型，尤其是使用 TwinCAT Machine Learning Creator 創(chuàng)建的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（深度學習模型），具有良好的泛化特性。這表示模型的預(yù)期性能也非常出色；然而，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一個“黑盒子”，其功能性只能通過專門的分析技術(shù)，而非簡單直接的方法來破解。這些方法也被稱為“可解釋性 AI”。

訓練好的 AI 模型的分析方法呈現(xiàn)出多元化的特點。軟件會自動將上傳的數(shù)據(jù)集進行智能劃分，一部分被指定為訓練數(shù)據(jù)，用于訓練模型；另一部分則作為測試數(shù)據(jù)，用于模型分析。測試數(shù)據(jù)集包含了 AI 模型未曾見過的實例數(shù)據(jù)，即未知實例，但這些實例已經(jīng)被打標。這樣就可以精確地計算出統(tǒng)計值，直觀地顯示模型的正確率和錯誤率。在模型的每一次執(zhí)行期間，系統(tǒng)還會計算出相應(yīng)的置信度值，并以統(tǒng)計數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)。在模型每次執(zhí)行過程中，系統(tǒng)甚至還可以智能地生成一個顯著圖，該圖疊加在原始輸入圖像上，用以指示在進行圖像分類時需要重點關(guān)注哪些圖像區(qū)域。

分析 AI 模型

6    模型下載

一旦 AI 模型經(jīng)過訓練并達到集成至設(shè)備控制系統(tǒng)的標準，即可作為 ONNX 文件從平臺下載。這意味著 AI 模型并不局限于在 TwinCAT 環(huán)境，而是能夠根據(jù)需要在任何平臺上頻繁部署。此外，完整的 TwinCAT PLC 代碼也可以以 PLCopen XML 格式從平臺下載，包括圖像獲取、圖像預(yù)處理以及 AI 模型執(zhí)行和后處理的完整流程。訓練工具相應(yīng)地無縫過渡到 TwinCAT PLC。

從訓練平臺導出 ONNX 文件的另一大優(yōu)勢在于，它極大地促進了 AI 專家的參與。這些專家能夠借助 TwinCAT Machine Learning Creator 快速且標準化地構(gòu)建出高質(zhì)量的初始 AI 模型。然后，用戶可以將 ONNX 格式的結(jié)果導入到各個專業(yè)工具中繼續(xù)處理，例如對模型進行額外的分析或精細化調(diào)整。

下載訓練好的 AI 模型 

7    功能特點和優(yōu)勢

TwinCAT Machine Learning Creator 具備以下特性：

·    通過 TwinCAT 中的無代碼平臺輕松創(chuàng)建 AI 模型

·    AI 模型已經(jīng)針對實時應(yīng)用進行了延遲調(diào)優(yōu)

·    充分利用了開放的標準、接口以及 AI 的最佳實踐

·    提供訓練好的 ONNX 格式的最終模型

·    在整個 AI 模型的開發(fā)、測試和驗證過程中提供高透明度

·    支持企業(yè)內(nèi)部的 AI 模型標準化工作，推動模型的進一步開發(fā)

·    特別適合用于基于圖像處理的質(zhì)檢領(lǐng)域

自動化的 AI 模型創(chuàng)建將帶來以下應(yīng)用優(yōu)勢：

·    幫助所有企業(yè)釋放 AI 潛力

·    包括小微企業(yè)在內(nèi)的所有企業(yè)都可以利用 AI 技術(shù)提高競爭優(yōu)勢

·    解決高技能人才日益短缺的難題

·    極大地簡化 AI 專家的工作，最大限度地減少出錯可能性

·    所需的專用程序數(shù)據(jù)可以得到妥善保護，所有數(shù)據(jù)都會保留在企業(yè)內(nèi)

·    加快項目開發(fā)進程，幫助企業(yè)更快地實現(xiàn)投資回報