基于人工智能的氣象教育云平臺(tái)建設(shè)探究

鄒立堯　荊國(guó)棟　王晴旭　趙永明

【摘要】伴隨著教育信息化和氣象信息化的飛速發(fā)展，信息技術(shù)已全面滲透并正在深刻影響著氣象教育培訓(xùn)事業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，要適應(yīng)新時(shí)代特征，就需要從實(shí)際出發(fā)，提升技術(shù)創(chuàng)新能力，在氣象教育云平臺(tái)建設(shè)基礎(chǔ)上，不斷研發(fā)先進(jìn)、智能、實(shí)用的、具有關(guān)鍵核心技術(shù)的培訓(xùn)系統(tǒng)。文章結(jié)合中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“干部學(xué)院”）在遠(yuǎn)程教育培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)方面的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)如何提升氣象教育云平臺(tái)的智能培訓(xùn)能力進(jìn)行了初步探究，以期利用人工智能技術(shù)，更好的發(fā)揮氣象教育云平臺(tái)建設(shè)效益。

【關(guān)鍵詞】氣象教育云平臺(tái)? 人工智能? 個(gè)性化學(xué)習(xí)? 場(chǎng)景識(shí)別? 人機(jī)交互

【中圖分類號(hào)】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2020）05-0247-02

1.背景和意義

以信息化、集約化、標(biāo)準(zhǔn)化的理念和方式推進(jìn)氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化是現(xiàn)階段的重要任務(wù)，但是，氣象信息化不僅僅是氣象業(yè)務(wù)信息化，而是在理念上，在服務(wù)、業(yè)務(wù)、管理、培訓(xùn)等方面都要全面推進(jìn)氣象信息化。近20年來，伴隨著教育信息化和氣象信息化的飛速發(fā)展，干部學(xué)院正致力于建立健全氣象遠(yuǎn)程教育培訓(xùn)體系，豐富遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)資源，統(tǒng)籌建設(shè)氣象教育云平臺(tái)，氣象遠(yuǎn)程教育越來越成為一件觸手可及的事。

近年來，大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能突飛猛進(jìn)，新技術(shù)的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域遍地開花，人工智能更是兩度進(jìn)入政府工作報(bào)告，成為國(guó)家頂層設(shè)計(jì)的重要組成部分。2017年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中提到“利用智能技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革，構(gòu)建包含智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)的新型教育體系?！蹦壳叭斯ぶ悄茉诂F(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用方向主要有“智能教學(xué)平臺(tái)”、“教學(xué)資源智能檢索”、“智能語音識(shí)別輔助教學(xué)及測(cè)評(píng)”、“虛擬現(xiàn)實(shí)、智能仿真”、“教育機(jī)器人”等方面。本文擬從氣象教育云平臺(tái)建設(shè)入手，結(jié)合技術(shù)最新進(jìn)展，對(duì)如何研發(fā)先進(jìn)、智能、實(shí)用的、具有關(guān)鍵核心技術(shù)的培訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行了初步探究，以期利用人工智能技術(shù)，更好的發(fā)揮氣象教育云平臺(tái)建設(shè)效益。

2.氣象教育云平臺(tái)建設(shè)現(xiàn)狀

早在2001年，學(xué)院常務(wù)副院長(zhǎng)高學(xué)浩就率先提出并開展了分布式服務(wù)器建設(shè)，很早就將云平臺(tái)理念運(yùn)用到了氣象遠(yuǎn)程教育工作中。2012年，氣象遠(yuǎn)程教育培訓(xùn)及資源共享平臺(tái)建成運(yùn)行以來，在氣象行業(yè)培訓(xùn)中發(fā)揮了較大的作用，取得了階段性的進(jìn)展。2016年在現(xiàn)有平臺(tái)升級(jí)改造的基礎(chǔ)上，緊密依托氣象專有云的建設(shè)，重新部署和搭建起具有“全覆蓋、多元化、開放式”特色的氣象教育云平臺(tái)。

所謂氣象教育云，是指云計(jì)算在氣象教育培訓(xùn)領(lǐng)域的深入應(yīng)用，通過提供按需定制、動(dòng)態(tài)調(diào)配、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、共建共享的服務(wù)模式，為培訓(xùn)機(jī)構(gòu)、專家教師和學(xué)員提供所需的信息化教學(xué)、管理等應(yīng)用服務(wù)。教育云的影響不僅體現(xiàn)在為傳統(tǒng)面授培訓(xùn)和教育培訓(xùn)管理提供便利，更在于創(chuàng)新傳統(tǒng)的教學(xué)和管理模式。經(jīng)過近20年的努力和實(shí)踐，干部學(xué)院已經(jīng)建成了集教學(xué)資源管理、在線學(xué)習(xí)、培訓(xùn)組織管理、直播及互動(dòng)教學(xué)課堂、在線考試、移動(dòng)學(xué)習(xí)、培訓(xùn)檔案、行業(yè)慕課等系統(tǒng)功能為一體的國(guó)際先進(jìn)、國(guó)內(nèi)一流的綜合性氣象遠(yuǎn)程教育培訓(xùn)云平臺(tái)。

3.依托人工智能技術(shù)，打造智能培訓(xùn)系統(tǒng)

人工智能（簡(jiǎn)稱AI）是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。在氣象教育云平中擴(kuò)展打造智能培訓(xùn)系統(tǒng)，就是要向?qū)W習(xí)者智能推送課程資源，使學(xué)習(xí)者能夠了解自身學(xué)習(xí)狀態(tài)，及時(shí)查漏補(bǔ)缺，選擇個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑;就是要運(yùn)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景中氣象儀器裝備的識(shí)別，為學(xué)習(xí)者提供相關(guān)知識(shí)和技能的培訓(xùn);就是要引入虛擬人手語播報(bào)技術(shù)，為學(xué)習(xí)者和社會(huì)公眾提供一種信息表達(dá)明確的人機(jī)交互系統(tǒng)……從而最大限度的提高培訓(xùn)質(zhì)量和效益。

3.1個(gè)性化學(xué)習(xí)智能推薦系統(tǒng)建設(shè)

通過對(duì)氣象行業(yè)用戶的學(xué)力水平、年齡、性別、職業(yè)崗位特點(diǎn)、專業(yè)技能水平、興趣愛好等特征數(shù)據(jù)的收集、匯總、歸納與分析，系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘、自然語言處理、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，對(duì)學(xué)習(xí)者行為建模，構(gòu)建用戶學(xué)習(xí)行為模型，為學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化資源推薦、個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑推薦、遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)行為智能預(yù)警與督促等個(gè)性化學(xué)習(xí)服務(wù)，并針對(duì)氣象業(yè)務(wù)不同領(lǐng)域的應(yīng)用培訓(xùn)，提供不同形式的個(gè)性化培訓(xùn)學(xué)習(xí)服務(wù)主要含有如下的功能。

基于業(yè)務(wù)知識(shí)模型的個(gè)性化學(xué)習(xí)資源推薦：系統(tǒng)根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)崗位信息和自主報(bào)名的課程，定位用戶當(dāng)前的學(xué)習(xí)內(nèi)容，拆分其中的業(yè)務(wù)知識(shí)點(diǎn)，并運(yùn)用語義本體技術(shù)構(gòu)建課程知識(shí)分類體系和知識(shí)本體庫，通過本體庫定位當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)、子知識(shí)點(diǎn)和后續(xù)知識(shí)點(diǎn)，從而將相應(yīng)的課程資源推送給學(xué)習(xí)者。

基于用戶興趣模型的個(gè)性化學(xué)習(xí)資源推薦：系統(tǒng)采集氣象遠(yuǎn)程平臺(tái)上用戶的基本信息和學(xué)習(xí)行為等數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)整理分析后，篩選影響學(xué)習(xí)者行為的特征，通過學(xué)習(xí)行為分析構(gòu)建用戶的學(xué)習(xí)行為模型和學(xué)習(xí)興趣模型，通過模型訓(xùn)練智能預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)者興趣與需求，向用戶智能推送用戶感興趣的課程。

個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑推薦：系統(tǒng)充分考慮到氣象業(yè)務(wù)的專業(yè)性和特殊性，在獲取用戶的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶的興趣模型、業(yè)務(wù)知識(shí)模型，進(jìn)一步分析用戶的學(xué)習(xí)心理傾向和情感偏好，從集體學(xué)習(xí)、案例學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)等多種學(xué)習(xí)路徑中選擇最優(yōu)學(xué)習(xí)路徑推薦給用戶。

遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)行為智能預(yù)警與督促：學(xué)習(xí)者在遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)中缺乏監(jiān)督，容易存在消極學(xué)習(xí)的行為。系統(tǒng)通過定位記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為，并對(duì)學(xué)習(xí)行為的特點(diǎn)進(jìn)行建模分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)者在遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)時(shí)存在的問題，根據(jù)不同程度的學(xué)習(xí)問題給出提示、預(yù)警等個(gè)性化干預(yù)，從而預(yù)防用戶學(xué)習(xí)中斷、掛機(jī)等行為的發(fā)生，提升遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量。

3.2氣象場(chǎng)景識(shí)別培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)

以氣象觀測(cè)設(shè)備作為數(shù)據(jù)支持，以三維立體可視化技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為輔助，通過研發(fā)氣象場(chǎng)景識(shí)別培訓(xùn)系統(tǒng)，能夠?yàn)闃I(yè)務(wù)一線技術(shù)人員提供觀測(cè)設(shè)備精準(zhǔn)識(shí)別、實(shí)時(shí)技能培訓(xùn)和現(xiàn)場(chǎng)故障診斷等提供有效途徑。既保證了教學(xué)的直觀性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，又不乏設(shè)備數(shù)據(jù)集自動(dòng)填充和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)彈幕等功能的實(shí)用性和趣味性，可以有效促進(jìn)培訓(xùn)效益的大幅提升。

3.2.1深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景識(shí)別技術(shù)應(yīng)用

深度學(xué)習(xí)技術(shù)最火爆的應(yīng)用是在大規(guī)模圖像識(shí)別任務(wù)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)的是模型中的參數(shù)通過從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)獲得。

a）深度學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)模型。對(duì)用于識(shí)別的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說，網(wǎng)絡(luò)層的構(gòu)建是能否提高圖片識(shí)別率的關(guān)鍵。系統(tǒng)通過學(xué)習(xí)過程計(jì)算最高期望分?jǐn)?shù)，學(xué)習(xí)過程就是調(diào)整這些方式的權(quán)重，從而使得通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣例獲得好的反饋。

b）深度學(xué)習(xí)模型學(xué)習(xí)結(jié)果。在深度學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)模型上，系統(tǒng)加入了大量含有標(biāo)簽的圖像訓(xùn)練數(shù)據(jù)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)輸入圖像的每個(gè)像素做卷積處理，學(xué)習(xí)內(nèi)部聯(lián)系，調(diào)整模型內(nèi)部參數(shù)，通過長(zhǎng)時(shí)間學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的準(zhǔn)備預(yù)測(cè)。

3.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作為一個(gè)高交互性的培訓(xùn)系統(tǒng)，其主要目的是對(duì)氣象觀測(cè)設(shè)備的可視化展示和人機(jī)交互查詢、分析，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和用戶數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，建立基于深度學(xué)習(xí)場(chǎng)景識(shí)別技術(shù)的氣象觀測(cè)設(shè)備培訓(xùn)系統(tǒng)主要含有如下功能。

深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練：系統(tǒng)對(duì)于氣象觀測(cè)設(shè)備識(shí)別的核心構(gòu)架是基于事先采集的設(shè)備數(shù)據(jù)集，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)開展訓(xùn)練，對(duì)完成訓(xùn)練的模型進(jìn)行數(shù)據(jù)固化和保存。

金字塔池化：支持手機(jī)攝像頭、電腦攝像頭、雙目攝像采集設(shè)備的圖片自動(dòng)輸入，支持所有格式、所有像素大小的圖片作為深度學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)的輸入。

深度學(xué)習(xí)模型優(yōu)化：模型優(yōu)化對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)都是非常重要的，在訓(xùn)練過中需要解決一系列困難的挑戰(zhàn)，可以運(yùn)用優(yōu)化算法隨機(jī)梯度下降，力求得到更加準(zhǔn)確的識(shí)別率。

精準(zhǔn)設(shè)備識(shí)別：基于深度學(xué)習(xí)的場(chǎng)景識(shí)別，在擁有“萬”級(jí)數(shù)據(jù)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)后，其準(zhǔn)確率可達(dá)到95%以上且識(shí)別效率較高，通過識(shí)別階段的模型訓(xùn)練，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶對(duì)觀測(cè)設(shè)備的快速精準(zhǔn)識(shí)別。

3.3 氣象人工智能無障礙培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)

氣象人工智能無障礙培訓(xùn)系統(tǒng)作為一個(gè)智能的人機(jī)交互系統(tǒng)，主要是通過虛擬人的手勢(shì)動(dòng)作、表情等配合傳統(tǒng)媒體手段，實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別、自然語言處理、智能答復(fù)、手語表達(dá)和綜合可視化功能，以達(dá)到人與智能系統(tǒng)無障礙溝通的目的，主要含有如下的功能。

手語識(shí)別：用戶不僅可以語音向系統(tǒng)輸入問題，同樣可以通過手語進(jìn)行輸入，系統(tǒng)通過對(duì)用戶手語視頻的讀取處理進(jìn)行手語識(shí)別。

語音識(shí)別：將用戶向系統(tǒng)輸入的語音進(jìn)行識(shí)別。用戶通過語音向系統(tǒng)輸入想要了解的問題，而系統(tǒng)則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)語音的處理和識(shí)別。

智能答復(fù)：系統(tǒng)將手語序列轉(zhuǎn)化為正常語言序列之后，系統(tǒng)能夠針對(duì)用戶詢問的問題進(jìn)行搜索并給出答案。同時(shí)。也可以通過自然語言處理模塊轉(zhuǎn)換為手語序列，真正達(dá)到無障礙的人機(jī)交互。

手語表達(dá)：系統(tǒng)支持將普通形式的語言以手語的形式表現(xiàn)出來，并通過虛擬人將系統(tǒng)理解的手語序列直觀的展示給用戶。

4.虛擬照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，智能成就夢(mèng)想

創(chuàng)新是事業(yè)發(fā)展的不竭動(dòng)力，氣象教育培訓(xùn)事業(yè)必須在實(shí)踐中創(chuàng)新，在創(chuàng)新中發(fā)展。本文在總結(jié)干部學(xué)院近20年來在遠(yuǎn)程教育培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)方面的實(shí)踐與探索，提出依托人工智能技術(shù)，在氣象教育云平臺(tái)上集成研發(fā)個(gè)性化學(xué)習(xí)智能推薦、氣象場(chǎng)景識(shí)別、氣象人工智能無障礙等人機(jī)交互智能培訓(xùn)系統(tǒng)，以期充分發(fā)揮氣象教育云平臺(tái)建設(shè)效益。伴隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、微服務(wù)等技術(shù)的融合發(fā)展，干部學(xué)院正著力在“人工智能+教育培訓(xùn)”領(lǐng)域里實(shí)現(xiàn)新的突破，那么切實(shí)滿足廣大氣象干部職工日益增長(zhǎng)的個(gè)性化培訓(xùn)需求就不再是夢(mèng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部.教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）[Z].2012.

[2]中國(guó)氣象局.氣象干部培訓(xùn)學(xué)院發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）[Z].2011.

[3]中國(guó)氣象局.氣象干部培訓(xùn)學(xué)院現(xiàn)代化實(shí)施方案（2014-2020年）[Z].2014.

[4]中國(guó)氣象局.氣象信息化總體方案（2015—2020年）[Z].2015.

[5]中國(guó)氣象局.“氣象雷達(dá)虛擬仿真學(xué)習(xí)及課件資源共享系統(tǒng)（一期）”可行性研究報(bào)告[Z].2017.

[6]中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院.氣象雷達(dá)虛擬仿真學(xué)習(xí)及課件資源共享系統(tǒng)（一期）實(shí)施方案[Z].2018.

[7]吳曉如，王政.人工智能教育應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)與實(shí)踐案例[J].現(xiàn)代教育技術(shù).2018（2）.

[8]王亞飛，劉邦奇.智能教育應(yīng)用研究概述[J].現(xiàn)代教育技術(shù).2018（1）.

[9]楊現(xiàn)民，張昊，郭利明，林秀清，李新.教育人工智能的發(fā)展難題與突破路徑[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究.2018（3）.

作者簡(jiǎn)介：

鄒立堯，理學(xué)博士，正研級(jí)高工。

荊國(guó)棟，工學(xué)博士，高級(jí)工程師。

王晴旭，工學(xué)碩士，助理工程師。

趙永明，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師。