5G人工智能背景下物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)與創(chuàng)新

王 沖，王 舸，焦曉龍，武安達

(天津渤海職業(yè)技術(shù)學院，天津 300300；北京大友可為信息技術(shù)集團有限公司，北京 100048)

引言

人工智能技術(shù)(Artificial Intelligence，簡稱AI)和第五代移動通信技術(shù)(5th Generation Mobile Communication Technology，簡稱5G)的應(yīng)用促使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)走向更加智能、更加快速的發(fā)展方向。從智能音箱到機器人，人工智能技術(shù)加速了智慧生活的到來，技術(shù)給人們的生活生產(chǎn)帶來了巨大變革。同時隨著移動通信技術(shù)的進步，第五代移動通信技術(shù)的應(yīng)用也加速了“萬物智聯(lián)”時代的到來。5G將帶來通信和數(shù)據(jù)交換層面的巨大變革。5G+AI將帶來萬物互聯(lián)且深度交融的技術(shù)場域，高帶寬可激活VR/AR、高清視頻等資源，低延遲可實現(xiàn)遠程實時操控與交互，泛連接可激活物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)萬物互聯(lián)，5G+AI+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可實現(xiàn)虛實融合、遠程交互、智能分析，全面感知的技術(shù)特點。三項技術(shù)的融合促進教學資源由靜態(tài)到動態(tài)，由二維到三維，增強了交互和感知，帶來了教學資源的創(chuàng)新。

5G萬物互聯(lián)帶來的是人與人、人與物、物與物的廣泛連接。萬物互聯(lián)后得到大量的數(shù)據(jù)。人工智能技術(shù)可以從物聯(lián)網(wǎng)獲得的大量數(shù)據(jù)中進行分析和處理，得到有價值的數(shù)據(jù)和知識，同時也可利用人工智能技術(shù)進行深度學習。5G萬物互聯(lián)與人工智能融合會帶來更加快速、便捷、智能的學習、生活和生產(chǎn)。5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能三者是相互促進，彼此依賴的關(guān)系。三者的關(guān)系如圖1所示。

圖1 5G、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能關(guān)系

一、面向新技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)方法

因為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)涉及知識的廣泛性和多學科的交叉融合性,所以物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)培養(yǎng)目標呈現(xiàn)出多樣性。按照國家政策要求和企業(yè)對相關(guān)人才的用工要求，需建立專業(yè)融合的面向新技術(shù)的人才培養(yǎng)方法。

按照高職院校培養(yǎng)目標的要求及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)就業(yè)崗位的能力要求，高職院校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的課程類型可分為專業(yè)基礎(chǔ)課如C語言、計算機網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導論等，專業(yè)課如傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)、RFID技術(shù)與應(yīng)用、單片機開發(fā)等及綜合實訓課如物聯(lián)網(wǎng)工程實訓、崗位能力訓練等。在對應(yīng)課程中加入人工智能和5G通信等相關(guān)知識，進一步提高學生對人工智能和5G通信領(lǐng)域技術(shù)的認知與掌握，為后續(xù)專業(yè)融合綜合實踐打好基礎(chǔ)。如物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)沒有開設(shè)人工智能算法等課程，但是語音控制等人工智能技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了智能音箱、智慧家居等方面，所以有必要開設(shè)人工智能算法等專業(yè)基礎(chǔ)課。在物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)中，常用到5G技術(shù)中的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things，簡稱NB-IoT)，NB-IoT技術(shù)已廣泛地應(yīng)用在了智能水表、智能電表、智能燃氣表、共享單車中，所以有必要在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)開設(shè)5G移動通信的相關(guān)專業(yè)課程。

最后通過融合的綜合實訓進行智能物聯(lián)網(wǎng)項目的學習和訓練。項目以需求為導向，培養(yǎng)學生的多元化能力如國際視野、持續(xù)學習和協(xié)同合作能力，通過產(chǎn)教融合、多學科融合、提高師資力量等方式不斷創(chuàng)新培養(yǎng)體系，培養(yǎng)出面向就業(yè)的復合型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才。面向新技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系如圖2所示，是針對新技術(shù)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)體系。需求導向、IoT+、能力多元化、創(chuàng)新培養(yǎng)體系，四個方面的人才培養(yǎng)互相促進、互相依賴，形成一個良好的循環(huán)。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)人才需求和學生的職業(yè)規(guī)劃，學生具備物聯(lián)網(wǎng)+的技能，如物聯(lián)網(wǎng)+人工智能，物聯(lián)網(wǎng)+通信，物聯(lián)網(wǎng)+開發(fā)等，通過智能家居、智慧農(nóng)業(yè)、智能交通等物聯(lián)網(wǎng)十大應(yīng)用領(lǐng)域的具體的創(chuàng)新實例又進一步培養(yǎng)了學生的多元化能力和素質(zhì)，如具備國際視野、具備計算和思維能力，持續(xù)學習的能力和協(xié)作合作的素質(zhì)，通過多元化能力的培養(yǎng)進一步優(yōu)化了創(chuàng)新培養(yǎng)體系，優(yōu)化了培養(yǎng)方案，提升了師資的多學科融合能力和產(chǎn)教融合能力。

圖2 面向新技術(shù)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系

面向新技術(shù)的創(chuàng)新專業(yè)人才培養(yǎng)分為兩個階段。第一階段進行專業(yè)學習。首先抽取相關(guān)技能的知識點進行專業(yè)基礎(chǔ)學習，包括：AI算法入門、概論學習、基礎(chǔ)算法、深度學習、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機、語音識別、圖像識別等人工智能基礎(chǔ)算法的學習與訓練；物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安裝調(diào)試及應(yīng)用開發(fā)學習與訓練，如模擬量傳感器中的溫濕度傳感器、數(shù)字量傳感器中的光照度傳感器、開關(guān)量傳感器中的人體紅外傳感器、Zigbee開發(fā)板、四通道采集器、攝像機、巡更卡、RFID設(shè)備等物聯(lián)網(wǎng)感知層中的各種傳感器設(shè)備的安裝調(diào)試；IoT傳輸層所使用的多種通信技術(shù)，通常可分為有線通信和無線通信兩種，包括網(wǎng)線、雙絞線、同軸電纜、RS485總線、RS323總線、CAN總線、藍牙、WIFI、NB-IOT、LORA等。通常物聯(lián)網(wǎng)項目會根據(jù)具體場景的要求來確定通信方式，如像智慧農(nóng)業(yè)大棚等不便于進行有線通信布線的地區(qū)會進行無線通信的布置；在汽車領(lǐng)域?qū)π畔⒁鬁蚀_性和延遲性要求高的領(lǐng)域會要求5G基本組網(wǎng)等學習和訓練，再完成課程綜合實訓任務(wù)和專業(yè)綜合實訓任務(wù)。第二階段進行專業(yè)融合學習和訓練，通過校內(nèi)仿真實訓和真實環(huán)境搭建訓練后進行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐環(huán)境訓練，專業(yè)人才培養(yǎng)流程如圖3所示。

圖3 專業(yè)人才培養(yǎng)流程圖

專業(yè)人才培養(yǎng)是逐層加深和逐層遞進的，只有充分掌握基礎(chǔ)技能知識點，完成專業(yè)基礎(chǔ)任務(wù)的學習，才能進行專業(yè)融合知識的學習和訓練，進而完成創(chuàng)新性項目的學習和訓練，這符合認知規(guī)律，在校內(nèi)實踐中師生反饋良好。天津渤海職業(yè)技術(shù)學院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)依據(jù)現(xiàn)有的資源，建立了物聯(lián)網(wǎng)展示實訓室、物聯(lián)網(wǎng)工程實訓室、物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實訓室等，可以通過沙盤直觀地展示智能家居、智能商超和智慧農(nóng)業(yè)，學生可以通過現(xiàn)場體驗和操作，更直觀地理解智能家居、智慧農(nóng)業(yè)、智能商超都有哪些具體形象的應(yīng)用場景。如智慧家居中有大門門禁，通過二維碼掃描可打開門禁，家居安防中門窗安裝有震動傳感器，如果有小偷行竊，會自動觸發(fā)報警裝置；在室內(nèi)客廳環(huán)境監(jiān)測中可設(shè)置溫度和濕度，當高于設(shè)定的溫度時可自動打開空調(diào)降溫，低于設(shè)定的溫度時可自動打開加熱裝置升溫；在廚房中也裝有氣體傳感器，可探出有無有毒有害氣體泄漏，如果有泄漏可自動報警同時打開排風裝置；還有自動窗簾，通過光照度傳感器獲得光照度強度數(shù)值，光照度數(shù)值高于設(shè)定的值后自動關(guān)閉窗簾，低于設(shè)定值后自動打開窗簾。在物聯(lián)網(wǎng)實訓室可完成智慧城市、智慧工廠的實訓。物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實訓室通過多模塊開發(fā)、多領(lǐng)域結(jié)合等方式提供學生動手實踐創(chuàng)新的平臺。通過物聯(lián)網(wǎng)展示實訓室，培養(yǎng)學生學習物聯(lián)網(wǎng)的興趣；通過物聯(lián)網(wǎng)工程實訓室，培養(yǎng)學生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安裝與調(diào)試、物聯(lián)網(wǎng)工程項目實施與管理的能力；通過物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實訓室，培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力。

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生在“互聯(lián)網(wǎng)+全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力大賽”中獲國家級銅獎一次、天津市金獎兩次，“挑戰(zhàn)杯”獲天津市銅獎，“中銀杯”獲天津市銀獎等13個獎項；物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生還在“首屆世界職業(yè)院校技能大賽”獲金獎，“全國職業(yè)院校技能大賽三等獎”“天津市職業(yè)技能大賽一等獎”。成績的取得也說明了面向新技術(shù)的人才培養(yǎng)方法的正確性和有效性。通過在天津渤海職業(yè)技術(shù)學院信息工程學院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)實施面向新技術(shù)的人才培養(yǎng)方案，根據(jù)相關(guān)任課教師和學生的反饋不斷完善培養(yǎng)體系，不斷改進，同時與企業(yè)工程師進行溝通，將企業(yè)先進的案例不斷吸收進來。

二、分層融合的創(chuàng)新項目實踐

由于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能知識點和技能點較多也較難理解，學生需要有良好的基礎(chǔ)和豐富的知識積累，所以為了更好地理解和掌握復雜的知識點，有必要將項目進行分層處理，然后再進行知識點融合，最后再突出項目的亮點，以此方式進行模塊化的創(chuàng)新項目學習和訓練。進行分層融合的項目構(gòu)建符合認知規(guī)律，由易及難，由淺到深，只有充分掌握基礎(chǔ)知識和技能并融會貫通才能夠?qū)W通學透相關(guān)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新。

構(gòu)建“分層+融合+亮點”的模塊化創(chuàng)新項目，在專業(yè)實訓過程中采用“分層+融合+亮點”的架構(gòu)模式將實訓內(nèi)容進行顆?；?，從而搭建專業(yè)實訓內(nèi)容層次化、知識技能點多樣化的以創(chuàng)新實踐能力養(yǎng)成為重心的“雙高”院校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)實訓任務(wù)架構(gòu)。

分層融合的創(chuàng)新項目實踐教學應(yīng)重點關(guān)注每個專業(yè)知識技能的特點及具體的崗位職能需求，經(jīng)過訓練后應(yīng)能夠有效地解決學生對理論知識掌握不足的問題；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)融合性實訓任務(wù)應(yīng)重點關(guān)注學生對相關(guān)專業(yè)知識技能的理解和綜合運用，培養(yǎng)學生的學科交叉領(lǐng)悟能力，對應(yīng)崗位職能的綜合應(yīng)用能力；亮點設(shè)置是基于每門實訓課程個性化設(shè)置實訓任務(wù)，更加關(guān)注該課程的核心技能點，能夠有效幫助學生加深對重點知識的理解和應(yīng)用。分層融合創(chuàng)新項目架構(gòu)如圖4所示。通過物聯(lián)網(wǎng)IoT云平臺，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、5G等技術(shù)，在特定的應(yīng)用場景如智能家居、語言AI機器人等的環(huán)境下，創(chuàng)新企業(yè)與學校的合作方式，得到企業(yè)和學校的雙重認證，考取相關(guān)的1+X證書。

圖4 分層融合創(chuàng)新項目架構(gòu)圖

人工智能的常見應(yīng)用場景包括：一是無人駕駛汽車，無人駕駛汽車對識別的準確性和低時延的要求非常高，否則會帶來嚴重的安全隱患；二是智能語音機器人，包括各種語音交互的音箱，比如百度公司的小度，小米公司的小愛和銀行的語音客服等都可以實現(xiàn)語音控制與語音交互。三是圖形圖像識別，包括人臉識別、圖像識別等，可以通過圖形圖像識別快速準確地獲取圖形圖像信息，如可應(yīng)用在工業(yè)器件的檢查與檢測中，識別生產(chǎn)出的產(chǎn)品是否合格。

5G通常包含以下三大應(yīng)用場景：一是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)(Massive IoT/MTC/M2M):包括海量連接設(shè)備，比如遠程抄表和物流跟蹤管理等應(yīng)用。二是任務(wù)關(guān)鍵控制(MCC)：任務(wù)關(guān)鍵控制物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用在智能電網(wǎng)、智能工廠、無人駕駛等，要求超高安全性、超低時延與超高可靠性。機器對時延比人類更敏感，對時延要求更高，尤其是在5G車聯(lián)網(wǎng)、自動工廠和遠程機器人醫(yī)療手術(shù)等應(yīng)用場景。三是增強的移動寬帶(eMBB):超高傳輸速率(>10Gbps),5G時代將面向4k/8K超高清視頻、全息技術(shù)、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實等應(yīng)用，移動寬帶的主要需求是更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景可將人工智能和5G的應(yīng)用場景融合，如5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)。為農(nóng)業(yè)裝上智慧大腦，可以自動化實時監(jiān)控土壤的溫濕度和化肥的含量，做到精準澆水施肥；另外智能攝像頭的應(yīng)用也可以準確識別出農(nóng)作物的生長狀態(tài)和進行產(chǎn)量預(yù)測。在智能工廠流水線上，攝像頭對生產(chǎn)出的元器件進行實時監(jiān)測，利用數(shù)字孿生技術(shù)可以在監(jiān)控室就看到整個流水線的運行狀態(tài)，物聯(lián)網(wǎng)中的射頻識別技術(shù)可以對生產(chǎn)出的元器件進行實時數(shù)量監(jiān)控，準確記錄出庫和入庫信息。在無人駕駛中也廣泛應(yīng)用到了邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信和人工智能技術(shù)。無人駕駛汽車要通過攝像頭和雷達準確識別周圍的環(huán)境，有沒有障礙物和行人等，得到的數(shù)據(jù)信息要快速準確低延遲地進行邊緣計算，并及時對汽車做出指令，如識別到行人或者障礙物，要及時進行避讓，如果出現(xiàn)了錯誤識別或者是較大的數(shù)據(jù)傳輸延遲或者計算錯誤，帶來的后果是非常嚴重的，所以準確性和低延遲性都是不可或缺的。同樣地，在智慧醫(yī)療領(lǐng)域，得益于5G網(wǎng)絡(luò)的高速度和低延遲，使得通過網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)異地病人手術(shù)會診和治療，畫面可以同步清晰地傳送給異地會診的醫(yī)生，如果出現(xiàn)畫面延遲或者是信號不穩(wěn)定，同樣也會帶來嚴重的后果。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G通信技術(shù)和人工智能技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在了智能家居、智慧醫(yī)療、智能交通、智慧教育、數(shù)字化工廠等方面。

結(jié)語

隨著科技的不斷進步，人工智能和5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合發(fā)展，企業(yè)對復合型人才需求的激增，有必要創(chuàng)新物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)方法。本文提出了面向新技術(shù)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系和專業(yè)人才培養(yǎng)流程，構(gòu)建了“分層+融合+亮點”的模塊化創(chuàng)新項目，解決了學生對專業(yè)知識掌握不深，理解不足的問題，有效地幫助學生加深了對重點知識的理解和應(yīng)用。未來還需要進一步豐富和細化創(chuàng)新項目，使項目更具前沿性，更多樣、更全面、更貼近真實生產(chǎn)生活。