5G人工智能背景下物聯網應用技術專業人才培養與創新

王 沖，王 舸，焦曉龍，武安達

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

引言

人工智能技術(Artificial Intelligence，簡稱AI)和第五代移動通信技術(5th Generation Mobile Communication Technology，簡稱5G)的應用促使物聯網技術走向更加智能、更加快速的發展方向。從智能音箱到機器人，人工智能技術加速了智慧生活的到來，技術給人們的生活生產帶來了巨大變革。同時隨著移動通信技術的進步，第五代移動通信技術的應用也加速了“萬物智聯”時代的到來。5G將帶來通信和數據交換層面的巨大變革。5G+AI將帶來萬物互聯且深度交融的技術場域，高帶寬可激活VR/AR、高清視頻等資源，低延遲可實現遠程實時操控與交互，泛連接可激活物聯網，實現萬物互聯，5G+AI+物聯網技術的應用可實現虛實融合、遠程交互、智能分析，全面感知的技術特點。三項技術的融合促進教學資源由靜態到動態，由二維到三維，增強了交互和感知，帶來了教學資源的創新。

5G萬物互聯帶來的是人與人、人與物、物與物的廣泛連接。萬物互聯后得到大量的數據。人工智能技術可以從物聯網獲得的大量數據中進行分析和處理，得到有價值的數據和知識，同時也可利用人工智能技術進行深度學習。5G萬物互聯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。5G、物聯網、人工智能三者是相互促進，彼此依賴的關系。三者的關系如圖1所示。

圖1 5G、物聯網和人工智能關系

一、面向新技術創新人才培養方法

因為物聯網應用技術專業涉及知識的廣泛性和多學科的交叉融合性,所以物聯網專業培養目標呈現出多樣性。按照國家政策要求和企業對相關人才的用工要求，需建立專業融合的面向新技術的人才培養方法。

按照高職院校培養目標的要求及物聯網行業就業崗位的能力要求，高職院校物聯網應用技術專業的課程類型可分為專業基礎課如C語言、計算機網絡、物聯網技術導論等，專業課如傳感網應用開發、RFID技術與應用、單片機開發等及綜合實訓課如物聯網工程實訓、崗位能力訓練等。在對應課程中加入人工智能和5G通信等相關知識，進一步提高學生對人工智能和5G通信領域技術的認知與掌握，為后續專業融合綜合實踐打好基礎。如物聯網應用技術專業沒有開設人工智能算法等課程，但是語音控制等人工智能技術已經廣泛應用在了智能音箱、智慧家居等方面，所以有必要開設人工智能算法等專業基礎課。在物聯網通信技術中，常用到5G技術中的窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things，簡稱NB-IoT)，NB-IoT技術已廣泛地應用在了智能水表、智能電表、智能燃氣表、共享單車中，所以有必要在物聯網應用技術專業開設5G移動通信的相關專業課程。

最后通過融合的綜合實訓進行智能物聯網項目的學習和訓練。項目以需求為導向，培養學生的多元化能力如國際視野、持續學習和協同合作能力，通過產教融合、多學科融合、提高師資力量等方式不斷創新培養體系，培養出面向就業的復合型物聯網技術人才。面向新技術創新人才培養體系如圖2所示，是針對新技術創新型人才的培養體系。需求導向、IoT+、能力多元化、創新培養體系，四個方面的人才培養互相促進、互相依賴，形成一個良好的循環。根據物聯網行業人才需求和學生的職業規劃，學生具備物聯網+的技能，如物聯網+人工智能，物聯網+通信，物聯網+開發等，通過智能家居、智慧農業、智能交通等物聯網十大應用領域的具體的創新實例又進一步培養了學生的多元化能力和素質，如具備國際視野、具備計算和思維能力，持續學習的能力和協作合作的素質，通過多元化能力的培養進一步優化了創新培養體系，優化了培養方案，提升了師資的多學科融合能力和產教融合能力。

圖2 面向新技術的創新人才培養體系

面向新技術的創新專業人才培養分為兩個階段。第一階段進行專業學習。首先抽取相關技能的知識點進行專業基礎學習，包括：AI算法入門、概論學習、基礎算法、深度學習、神經網絡、支持向量機、語音識別、圖像識別等人工智能基礎算法的學習與訓練；物聯網設備安裝調試及應用開發學習與訓練，如模擬量傳感器中的溫濕度傳感器、數字量傳感器中的光照度傳感器、開關量傳感器中的人體紅外傳感器、Zigbee開發板、四通道采集器、攝像機、巡更卡、RFID設備等物聯網感知層中的各種傳感器設備的安裝調試；IoT傳輸層所使用的多種通信技術，通?？煞譃橛芯€通信和無線通信兩種，包括網線、雙絞線、同軸電纜、RS485總線、RS323總線、CAN總線、藍牙、WIFI、NB-IOT、LORA等。通常物聯網項目會根據具體場景的要求來確定通信方式，如像智慧農業大棚等不便于進行有線通信布線的地區會進行無線通信的布置；在汽車領域對信息要求準確性和延遲性要求高的領域會要求5G基本組網等學習和訓練，再完成課程綜合實訓任務和專業綜合實訓任務。第二階段進行專業融合學習和訓練，通過校內仿真實訓和真實環境搭建訓練后進行創新創業實踐環境訓練，專業人才培養流程如圖3所示。

圖3 專業人才培養流程圖

專業人才培養是逐層加深和逐層遞進的，只有充分掌握基礎技能知識點，完成專業基礎任務的學習，才能進行專業融合知識的學習和訓練，進而完成創新性項目的學習和訓練，這符合認知規律，在校內實踐中師生反饋良好。天津渤海職業技術學院物聯網應用技術專業依據現有的資源，建立了物聯網展示實訓室、物聯網工程實訓室、物聯網創新實訓室等，可以通過沙盤直觀地展示智能家居、智能商超和智慧農業，學生可以通過現場體驗和操作，更直觀地理解智能家居、智慧農業、智能商超都有哪些具體形象的應用場景。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，會自動觸發報警裝置；在室內客廳環境監測中可設置溫度和濕度，當高于設定的溫度時可自動打開空調降溫，低于設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值，光照度數值高于設定的值后自動關閉窗簾，低于設定值后自動打開窗簾。在物聯網實訓室可完成智慧城市、智慧工廠的實訓。物聯網創新實訓室通過多模塊開發、多領域結合等方式提供學生動手實踐創新的平臺。通過物聯網展示實訓室，培養學生學習物聯網的興趣；通過物聯網工程實訓室，培養學生物聯網設備安裝與調試、物聯網工程項目實施與管理的能力；通過物聯網創新實訓室，培養學生創新創業的能力。

物聯網專業學生在“互聯網+全國大學生創新創業能力大賽”中獲國家級銅獎一次、天津市金獎兩次，“挑戰杯”獲天津市銅獎，“中銀杯”獲天津市銀獎等13個獎項；物聯網專業學生還在“首屆世界職業院校技能大賽”獲金獎，“全國職業院校技能大賽三等獎”“天津市職業技能大賽一等獎”。成績的取得也說明了面向新技術的人才培養方法的正確性和有效性。通過在天津渤海職業技術學院信息工程學院物聯網應用技術專業實施面向新技術的人才培養方案，根據相關任課教師和學生的反饋不斷完善培養體系，不斷改進，同時與企業工程師進行溝通，將企業先進的案例不斷吸收進來。

二、分層融合的創新項目實踐

由于物聯網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新項目學習和訓練。進行分層融合的項目構建符合認知規律，由易及難，由淺到深，只有充分掌握基礎知識和技能并融會貫通才能夠學通學透相關技術，并在此基礎上進行創新。

構建“分層+融合+亮點”的模塊化創新項目，在專業實訓過程中采用“分層+融合+亮點”的架構模式將實訓內容進行顆?；瑥亩罱▽I實訓內容層次化、知識技能點多樣化的以創新實踐能力養成為重心的“雙高”院校物聯網應用技術專業實訓任務架構。

分層融合的創新項目實踐教學應重點關注每個專業知識技能的特點及具體的崗位職能需求，經過訓練后應能夠有效地解決學生對理論知識掌握不足的問題；物聯網應用技術專業融合性實訓任務應重點關注學生對相關專業知識技能的理解和綜合運用，培養學生的學科交叉領悟能力，對應崗位職能的綜合應用能力；亮點設置是基于每門實訓課程個性化設置實訓任務，更加關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用。分層融合創新項目架構如圖4所示。通過物聯網IoT云平臺，結合物聯網、人工智能、大數據、5G等技術，在特定的應用場景如智能家居、語言AI機器人等的環境下，創新企業與學校的合作方式，得到企業和學校的雙重認證，考取相關的1+X證書。

圖4 分層融合創新項目架構圖

人工智能的常見應用場景包括：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，如可應用在工業器件的檢查與檢測中，識別生產出的產品是否合格。

5G通常包含以下三大應用場景：一是大規模物聯網(Massive IoT/MTC/M2M):包括海量連接設備，比如遠程抄表和物流跟蹤管理等應用。二是任務關鍵控制(MCC)：任務關鍵控制物聯網主要應用在智能電網、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車聯網、自動工廠和遠程機器人醫療手術等應用場景。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、增強現實/虛擬現實等應用，移動寬帶的主要需求是更高的數據傳輸速率。

物聯網的應用場景可將人工智能和5G的應用場景融合，如5G物聯網技術應用在農業。為農業裝上智慧大腦，可以自動化實時監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用也可以準確識別出農作物的生長狀態和進行產量預測。在智能工廠流水線上，攝像頭對生產出的元器件進行實時監測，利用數字孿生技術可以在監控室就看到整個流水線的運行狀態，物聯網中的射頻識別技術可以對生產出的元器件進行實時數量監控，準確記錄出庫和入庫信息。在無人駕駛中也廣泛應用到了邊緣計算、物聯網、5G通信和人工智能技術。無人駕駛汽車要通過攝像頭和雷達準確識別周圍的環境，有沒有障礙物和行人等，得到的數據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，如果出現了錯誤識別或者是較大的數據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，在智慧醫療領域，得益于5G網絡的高速度和低延遲，使得通過網絡可以實現異地病人手術會診和治療，畫面可以同步清晰地傳送給異地會診的醫生，如果出現畫面延遲或者是信號不穩定，同樣也會帶來嚴重的后果。物聯網技術、5G通信技術和人工智能技術的結合已經廣泛地應用在了智能家居、智慧醫療、智能交通、智慧教育、數字化工廠等方面。

結語

隨著科技的不斷進步，人工智能和5G技術與物聯網技術的融合發展，企業對復合型人才需求的激增，有必要創新物聯網專業人才培養方法。本文提出了面向新技術的創新人才培養體系和專業人才培養流程，構建了“分層+融合+亮點”的模塊化創新項目，解決了學生對專業知識掌握不深，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用。未來還需要進一步豐富和細化創新項目，使項目更具前沿性，更多樣、更全面、更貼近真實生產生活。