5G人工智能背景下物联网应用技术专业人才培养与创新

王 冲，王 舸，焦晓龙，武安达

(天津渤海职业技术学院，天津 300300；北京大友可为信息技术集团有限公司，北京 100048)

引言

人工智能技术(Artificial Intelligence，简称AI)和第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication Technology，简称5G)的应用促使物联网技术走向更加智能、更加快速的发展方向。从智能音箱到机器人，人工智能技术加速了智慧生活的到来，技术给人们的生活生产带来了巨大变革。同时随着移动通信技术的进步，第五代移动通信技术的应用也加速了“万物智联”时代的到来。5G将带来通信和数据交换层面的巨大变革。5G+AI将带来万物互联且深度交融的技术场域，高带宽可激活VR/AR、高清视频等资源，低延迟可实现远程实时操控与交互，泛连接可激活物联网，实现万物互联，5G+AI+物联网技术的应用可实现虚实融合、远程交互、智能分析，全面感知的技术特点。三项技术的融合促进教学资源由静态到动态，由二维到三维，增强了交互和感知，带来了教学资源的创新。

5G万物互联带来的是人与人、人与物、物与物的广泛连接。万物互联后得到大量的数据。人工智能技术可以从物联网获得的大量数据中进行分析和处理，得到有价值的数据和知识，同时也可利用人工智能技术进行深度学习。5G万物互联与人工智能融合会带来更加快速、便捷、智能的学习、生活和生产。5G、物联网、人工智能三者是相互促进，彼此依赖的关系。三者的关系如图1所示。

图1 5G、物联网和人工智能关系

一、面向新技术创新人才培养方法

因为物联网应用技术专业涉及知识的广泛性和多学科的交叉融合性,所以物联网专业培养目标呈现出多样性。按照国家政策要求和企业对相关人才的用工要求，需建立专业融合的面向新技术的人才培养方法。

按照高职院校培养目标的要求及物联网行业就业岗位的能力要求，高职院校物联网应用技术专业的课程类型可分为专业基础课如C语言、计算机网络、物联网技术导论等，专业课如传感网应用开发、RFID技术与应用、单片机开发等及综合实训课如物联网工程实训、岗位能力训练等。在对应课程中加入人工智能和5G通信等相关知识，进一步提高学生对人工智能和5G通信领域技术的认知与掌握，为后续专业融合综合实践打好基础。如物联网应用技术专业没有开设人工智能算法等课程，但是语音控制等人工智能技术已经广泛应用在了智能音箱、智慧家居等方面，所以有必要开设人工智能算法等专业基础课。在物联网通信技术中，常用到5G技术中的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，简称NB-IoT)，NB-IoT技术已广泛地应用在了智能水表、智能电表、智能燃气表、共享单车中，所以有必要在物联网应用技术专业开设5G移动通信的相关专业课程。

最后通过融合的综合实训进行智能物联网项目的学习和训练。项目以需求为导向，培养学生的多元化能力如国际视野、持续学习和协同合作能力，通过产教融合、多学科融合、提高师资力量等方式不断创新培养体系，培养出面向就业的复合型物联网技术人才。面向新技术创新人才培养体系如图2所示，是针对新技术创新型人才的培养体系。需求导向、IoT+、能力多元化、创新培养体系，四个方面的人才培养互相促进、互相依赖，形成一个良好的循环。根据物联网行业人才需求和学生的职业规划，学生具备物联网+的技能，如物联网+人工智能，物联网+通信，物联网+开发等，通过智能家居、智慧农业、智能交通等物联网十大应用领域的具体的创新实例又进一步培养了学生的多元化能力和素质，如具备国际视野、具备计算和思维能力，持续学习的能力和协作合作的素质，通过多元化能力的培养进一步优化了创新培养体系，优化了培养方案，提升了师资的多学科融合能力和产教融合能力。

图2 面向新技术的创新人才培养体系

面向新技术的创新专业人才培养分为两个阶段。第一阶段进行专业学习。首先抽取相关技能的知识点进行专业基础学习，包括：AI算法入门、概论学习、基础算法、深度学习、神经网络、支持向量机、语音识别、图像识别等人工智能基础算法的学习与训练；物联网设备安装调试及应用开发学习与训练，如模拟量传感器中的温湿度传感器、数字量传感器中的光照度传感器、开关量传感器中的人体红外传感器、Zigbee开发板、四通道采集器、摄像机、巡更卡、RFID设备等物联网感知层中的各种传感器设备的安装调试；IoT传输层所使用的多种通信技术，通常可分为有线通信和无线通信两种，包括网线、双绞线、同轴电缆、RS485总线、RS323总线、CAN总线、蓝牙、WIFI、NB-IOT、LORA等。通常物联网项目会根据具体场景的要求来确定通信方式，如像智慧农业大棚等不便于进行有线通信布线的地区会进行无线通信的布置；在汽车领域对信息要求准确性和延迟性要求高的领域会要求5G基本组网等学习和训练，再完成课程综合实训任务和专业综合实训任务。第二阶段进行专业融合学习和训练，通过校内仿真实训和真实环境搭建训练后进行创新创业实践环境训练，专业人才培养流程如图3所示。

图3 专业人才培养流程图

专业人才培养是逐层加深和逐层递进的，只有充分掌握基础技能知识点，完成专业基础任务的学习，才能进行专业融合知识的学习和训练，进而完成创新性项目的学习和训练，这符合认知规律，在校内实践中师生反馈良好。天津渤海职业技术学院物联网应用技术专业依据现有的资源，建立了物联网展示实训室、物联网工程实训室、物联网创新实训室等，可以通过沙盘直观地展示智能家居、智能商超和智慧农业，学生可以通过现场体验和操作，更直观地理解智能家居、智慧农业、智能商超都有哪些具体形象的应用场景。如智慧家居中有大门门禁，通过二维码扫描可打开门禁，家居安防中门窗安装有震动传感器，如果有小偷行窃，会自动触发报警装置；在室内客厅环境监测中可设置温度和湿度，当高于设定的温度时可自动打开空调降温，低于设定的温度时可自动打开加热装置升温；在厨房中也装有气体传感器，可探出有无有毒有害气体泄漏，如果有泄漏可自动报警同时打开排风装置；还有自动窗帘，通过光照度传感器获得光照度强度数值，光照度数值高于设定的值后自动关闭窗帘，低于设定值后自动打开窗帘。在物联网实训室可完成智慧城市、智慧工厂的实训。物联网创新实训室通过多模块开发、多领域结合等方式提供学生动手实践创新的平台。通过物联网展示实训室，培养学生学习物联网的兴趣；通过物联网工程实训室，培养学生物联网设备安装与调试、物联网工程项目实施与管理的能力；通过物联网创新实训室，培养学生创新创业的能力。

物联网专业学生在“互联网+全国大学生创新创业能力大赛”中获国家级铜奖一次、天津市金奖两次，“挑战杯”获天津市铜奖，“中银杯”获天津市银奖等13个奖项；物联网专业学生还在“首届世界职业院校技能大赛”获金奖，“全国职业院校技能大赛三等奖”“天津市职业技能大赛一等奖”。成绩的取得也说明了面向新技术的人才培养方法的正确性和有效性。通过在天津渤海职业技术学院信息工程学院物联网应用技术专业实施面向新技术的人才培养方案，根据相关任课教师和学生的反馈不断完善培养体系，不断改进，同时与企业工程师进行沟通，将企业先进的案例不断吸收进来。

二、分层融合的创新项目实践

由于物联网和人工智能知识点和技能点较多也较难理解，学生需要有良好的基础和丰富的知识积累，所以为了更好地理解和掌握复杂的知识点，有必要将项目进行分层处理，然后再进行知识点融合，最后再突出项目的亮点，以此方式进行模块化的创新项目学习和训练。进行分层融合的项目构建符合认知规律，由易及难，由浅到深，只有充分掌握基础知识和技能并融会贯通才能够学通学透相关技术，并在此基础上进行创新。

构建“分层+融合+亮点”的模块化创新项目，在专业实训过程中采用“分层+融合+亮点”的架构模式将实训内容进行颗粒化，从而搭建专业实训内容层次化、知识技能点多样化的以创新实践能力养成为重心的“双高”院校物联网应用技术专业实训任务架构。

分层融合的创新项目实践教学应重点关注每个专业知识技能的特点及具体的岗位职能需求，经过训练后应能够有效地解决学生对理论知识掌握不足的问题；物联网应用技术专业融合性实训任务应重点关注学生对相关专业知识技能的理解和综合运用，培养学生的学科交叉领悟能力，对应岗位职能的综合应用能力；亮点设置是基于每门实训课程个性化设置实训任务，更加关注该课程的核心技能点，能够有效帮助学生加深对重点知识的理解和应用。分层融合创新项目架构如图4所示。通过物联网IoT云平台，结合物联网、人工智能、大数据、5G等技术，在特定的应用场景如智能家居、语言AI机器人等的环境下，创新企业与学校的合作方式，得到企业和学校的双重认证，考取相关的1+X证书。

图4 分层融合创新项目架构图

人工智能的常见应用场景包括：一是无人驾驶汽车，无人驾驶汽车对识别的准确性和低时延的要求非常高，否则会带来严重的安全隐患；二是智能语音机器人，包括各种语音交互的音箱，比如百度公司的小度，小米公司的小爱和银行的语音客服等都可以实现语音控制与语音交互。三是图形图像识别，包括人脸识别、图像识别等，可以通过图形图像识别快速准确地获取图形图像信息，如可应用在工业器件的检查与检测中，识别生产出的产品是否合格。

5G通常包含以下三大应用场景：一是大规模物联网(Massive IoT/MTC/M2M):包括海量连接设备，比如远程抄表和物流跟踪管理等应用。二是任务关键控制(MCC)：任务关键控制物联网主要应用在智能电网、智能工厂、无人驾驶等，要求超高安全性、超低时延与超高可靠性。机器对时延比人类更敏感，对时延要求更高，尤其是在5G车联网、自动工厂和远程机器人医疗手术等应用场景。三是增强的移动宽带(eMBB):超高传输速率(>10Gbps),5G时代将面向4k/8K超高清视频、全息技术、增强现实/虚拟现实等应用，移动宽带的主要需求是更高的数据传输速率。

物联网的应用场景可将人工智能和5G的应用场景融合，如5G物联网技术应用在农业。为农业装上智慧大脑，可以自动化实时监控土壤的温湿度和化肥的含量，做到精准浇水施肥；另外智能摄像头的应用也可以准确识别出农作物的生长状态和进行产量预测。在智能工厂流水线上，摄像头对生产出的元器件进行实时监测，利用数字孪生技术可以在监控室就看到整个流水线的运行状态，物联网中的射频识别技术可以对生产出的元器件进行实时数量监控，准确记录出库和入库信息。在无人驾驶中也广泛应用到了边缘计算、物联网、5G通信和人工智能技术。无人驾驶汽车要通过摄像头和雷达准确识别周围的环境，有没有障碍物和行人等，得到的数据信息要快速准确低延迟地进行边缘计算，并及时对汽车做出指令，如识别到行人或者障碍物，要及时进行避让，如果出现了错误识别或者是较大的数据传输延迟或者计算错误，带来的后果是非常严重的，所以准确性和低延迟性都是不可或缺的。同样地，在智慧医疗领域，得益于5G网络的高速度和低延迟，使得通过网络可以实现异地病人手术会诊和治疗，画面可以同步清晰地传送给异地会诊的医生，如果出现画面延迟或者是信号不稳定，同样也会带来严重的后果。物联网技术、5G通信技术和人工智能技术的结合已经广泛地应用在了智能家居、智慧医疗、智能交通、智慧教育、数字化工厂等方面。

结语

随着科技的不断进步，人工智能和5G技术与物联网技术的融合发展，企业对复合型人才需求的激增，有必要创新物联网专业人才培养方法。本文提出了面向新技术的创新人才培养体系和专业人才培养流程，构建了“分层+融合+亮点”的模块化创新项目，解决了学生对专业知识掌握不深，理解不足的问题，有效地帮助学生加深了对重点知识的理解和应用。未来还需要进一步丰富和细化创新项目，使项目更具前沿性，更多样、更全面、更贴近真实生产生活。