32 | AI与物联网架构：从智能引擎到物联网平台

Feb 5, 2020

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32 | AI与物联网架构：从智能引擎到物联网平台

2020-02-05 李智慧来自北京

《后端技术面试 38 讲》

课程介绍

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讲述：李智慧

时长10:47大小8.65M

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当我们在说大数据技术的时候，说的可能是几种差别很大的技术。
一种是大数据底层技术，指的就是各种大数据计算框架、存储系统、SQL 引擎等等，这些技术比较通用，经过十几年的优胜劣汰，主流的技术产品相对比较集中，主要就是我上篇专栏讨论的 MapReduce、Spark、Hive、Flink 等技术产品。
一种是大数据平台技术，Spark、Hive 这些大数据底层技术产品不像我们前面讨论过的分布式缓存、分布式消息队列，在处理用户请求的应用中，使用这些技术产品的 API 接口就可以了。大数据计算的数据通常不是用户请求的数据，计算时间也往往超过了一次用户请求响应能够接受的时间。但是大数据的计算结果又常常需要在用户交互过程中直接呈现，比如电商常用的智能推荐，用户购买一个商品，系统会推荐可能感兴趣的商品，这些推荐的商品就是大数据计算的结果。所以在互联网系统架构中，需要把处理用户请求的在线业务系统和大数据计算系统打通。这就需要一个大数据平台来完成。
此外还有一种技术是数据分析与机器学习算法，上面提到的商品智能推荐就是这样一种算法，通过算法向用户呈现他感兴趣的商品，使互联网应用看起来好像有某种智能一样。
大数据平台架构我们先看下大数据平台架构。上面说过，大数据平台主要就是跨越需要长时间处理的大数据计算和需要实时响应的互联网应用之间的鸿沟，使系统成为一个完整的整体。
一个典型的大数据平台架构如下：
整个大数据平台可以分为三个部分：数据采集、数据处理和数据输出。
首先要有数据，数据主要有两个来源，一方面是应用服务器以及前端 App 实时产生的数据、日志以及埋点采集的数据，另一方面是外部爬虫和第三方数据。
通过大数据平台的数据同步系统，这些数据导入到 HDFS 中。由于不同数据源格式不同，数据源存储系统不同，因此需要针对不同的数据源，开发不同的同步系统。同时，为了能够更好地对写入到 HDFS 的数据进行分析和挖掘，还需要对这些数据进行清洗、转换，因此数据同步系统实际上承担的是传统数据仓库 ETL 的职责，即数据的抽取（Extract）、转换（Transform）、载入（Load）。
写入到 HDFS 的数据会被 MapReduce、Spark、Hive 等大数据计算框架执行。数据分析师、算法工程师提交 SQL 以及 MapReduce 或者 Spark 机器学习程序到大数据平台。大数据平台的计算资源通常总是不足的，因此这些程序需要在任务调度管理系统的调度下排队执行。
SQL 或者机器学习程序的计算结果写回到 HDFS，然后再通过数据同步系统导出到数据库，应用服务器就可以直接访问这些数据，在用户请求的时候为用户提供服务了，比如店铺访问统计数据，或者智能推荐数据等。
所以有了大数据平台，用户产生的数据就会被大数据系统进行各种关联分析与计算，然后又应用于用户请求处理。只不过这个数据可能是历史数据，比如淘宝卖家只能查看 24 小时前的店铺访问统计。
大数据计算也许需要几个小时甚至几天，但是用户有时候可能需要实时得到数据。比如想要看当前的访问统计，那么就需要用到大数据流计算了。来自数据源的数据实时进入大数据流计算引擎 Spark Streaming 等，实时处理后写入数据库。这样卖家既可以看到历史统计数据，又可以看到当前的统计数据。
智能推荐算法大数据平台只是提供了数据获取、存储、计算、应用的技术方案，真正挖掘出这些数据之间的关系，让数据发挥价值的是各种机器学习算法。这些各种算法中，最常见的大概就是智能推荐算法了。
我们在淘宝购物，在头条阅读新闻，在抖音刷短视频，背后其实都有智能推荐算法。这些算法不断分析、计算我们的购物偏好、浏览习惯，然后为我们推荐可能喜欢的商品、文章、视频。事实上，这些产品的推荐算法是如此智能、高效，以至于我们常常一打开淘宝，就买个不停；一打开抖音，就停不下来。
我们看几种简单的推荐算法，了解一下推荐算法背后的原理。
基于人口统计的推荐是相对比较简单的一种推荐算法。根据用户的基本信息进行分类，然后将商品推荐给同类用户。
用户 A 和用户 C 的年龄相近，性别相同，那么可以将用户 A 和用户 C 划分为同类。用户 A 喜欢商品 D，那么推测用户 C 可能也喜欢这个商品，系统就可以将这个商品推荐给用户 C。
图中示例比较简单，在实践中，还应该根据用户收入、居住地区、学历、职业等各种因素进行用户分类，以使推荐的商品更加准确。
基于商品属性的推荐和基于人口统计的推荐相似，只是根据商品的属性进行分类，然后根据商品分类进行推荐。
电影 A 和电影 D 都是科幻、战争类型的电影，如果用户 A 喜欢看电影 A，那么很有可能他也会喜欢电影 D，就可以给用户 A 推荐电影 D。
这和我们的生活常识也是相符合的，如果一个人连续看了几篇关于篮球的新闻，那么很大可能再给他推荐一篇篮球的新闻，他还是会有兴趣看。
基于用户的协同过滤推荐，根据用户的喜好进行用户分类，然后根据用户分类进行推荐。
这个例子里，用户 A 和用户 C 都喜欢商品 A 和商品 B，根据他们的喜好可以分为同类。然后用户 A 还喜欢商品 D，那么将商品 D 推荐给用户 C，他可能也会喜欢。
现实中，跟我们有相似喜好品味的人，也常常被我们当做同类，他们喜欢的其他东西，我们也愿意去尝试。
基于商品的协同过滤推荐，则是根据用户的喜好对商品进行分类，然后根据商品分类进行推荐。
这个例子中，喜欢商品 B 的用户 A 和 B 都喜欢商品 D，那么商品 B 和商品 D 就可以分为同类。那么对于同样喜欢商品 B 的用户 C，很有可能也喜欢商品 D，就可以将商品 D 推荐给用户 C。
这里描述的推荐算法比较简单，事实上，要想做好推荐其实是非常难的。用户不要你觉得他喜欢，而要他觉得喜欢，有很多智能推荐的效果不好，被用户吐槽“人工智障”。推荐算法的不断优化需要不断收集用户反馈，不断迭代算法和升级数据。
物联网大数据架构物联网的目标是万物互联，将我们生产生活有关的一切事物都通过物联网连接起来。家里的冰箱、洗衣机、扫地机器人、空调都通过智能音响连接起来。汽车、停车场、交通信号灯都通过交通指挥中心连接起来。这些被连接的设备数据再经过分析计算反馈给工厂、电厂、市政规划等生产管理部门，控制生产投放。
物联网架构的关键是终端设备数据的采集、处理与设备的智能控制，背后依然是大数据与 AI 算法。
终端设备负责采集现场数据，这些数据被汇总到智能网关，智能网关经过初步的转换、计算后将数据发送给物联网大数据平台，大数据平台通过消息队列接收发送上来的各种数据。
由于物联网终端设备在现场实时运行，需要实时控制，因此大数据平台也需要实时处理这些数据。大数据流计算引擎会从消息队列中获取数据进行实时处理。
对于一些简单的数据处理来说，流式计算利用配置好的规则进行计算就可以了，而复杂的处理还需要利用机器学习模型。机器学习模型是通过大数据平台离线计算得到的，而离线计算使用的数据则是流计算从消息队列中获取的。
流式计算的结果通常是终端设备的控制信息，这些信息通过设备管理组件被发送给智能网关，智能网关通过边缘计算，产生最终的设备控制信号，控制终端智能设备的动作。而物联网管理人员也可以通过应用程序直接远程控制设备。
随着 5G 时代的到来，终端通信速度的提升和费用的下降，物联网也许会迎来更加快速的发展。
小结很多学习大数据技术的人是在学习大数据的应用。通常情况下，作为大数据技术的使用者，我们不需要开发 Hadoop、Spark 这类大数据低层技术产品，只需要使用、优化它们就可以了。
在大数据应用中，我们需要开发的是大数据平台。大数据平台的各种子系统，比如数据同步、调度管理这些，虽然都有开源的技术可以选择，但是每家公司的大数据平台都是独一无二的，因此还是要进行各种二次开发，最终平台的整合和完成都需要我们来开发。
而真正使数据发挥价值，使大数据平台产生效果的，其实是算法，是算法发现了数据的关联关系，挖掘出了数据的价值。因此我们应用大数据也要关注大数据算法。
思考题最后给你留一道思考题吧。大数据与 AI 算法在计算机系统中扮演着越来越重要的角色，在你的工作中，哪些地方可以使用大数据与 AI 算法提高效率，优化体验？
欢迎你在评论区写下你的思考，我会和你一起交流，也欢迎把这篇文章分享给你的朋友或者同事，一起交流一下。

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精选留言(4)

Citizen Z
2020-02-08
利用 AI 进行系统性能调优应该有想象空间，可以试想业务系统可以根据历史性能日志来找出业务特征与系统容量之间的关系，形成一种优化模型。业务特征如用户访问时段、系统类型、业务类别、PV、地点。。。系统容量如 JVM 参数、连接池参数、集群规模。。。如果能分析到这两者之间的规律，就可以达到根据业务的情况来智能优化 IT 资产的目的，系统能够提出建议，做这个工作的人就可以解放出来把精力用来优化这个工具。手动调优的工作之于架构师如同手工发布工作之于运维工程师，运维工程师的理想是运维自动化，架构师的理想可否是架构智能化？
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共 1 条评论
13
不记年
2020-02-24
关于思考题我首先想到的是 idea的一个代码提示的插件，通过统计分析来预测代码。
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许凯
2020-02-26
想请问下老师，控制命令如何流转到与终端tcp相连的服务器上，并从服务器发送给对应的终端呢？
作者回复: 边缘服务器到终端的通信技术就是目前5G的典型应用场景。
共 2 条评论
3
escray
2020-10-15
典型大数据平台架构的那张图确实能够一图顶千言，另外，大部分的系统应该都可以被分为数据采集、数据处理和数据输出三个部分，还记得大明湖畔的冯诺依曼么？感觉大数据平台的数据同步系统，也就是 ETL，可能需要大量的程序员，不知道什么时候这部分工作也会被机器拿过去做。除了智能推荐，以前似乎总是在说辅助决策，但是似乎决策比推荐要复杂多了。对于 5G 不怎么感冒，感觉现在 4G 的速度蛮快的（如果运营商不耍流氓的话），费用也还可以接受（5G 应该会更贵吧），似乎没有特别的应用场景，真的需要每一个电子设备都联网在线么？留言里面说到智能运维，但是估计还是需要人工干预吧，确实普通运维工程师的职位在减少；什么时候会有智能编码呢？机器学习新闻写作似乎已经实现了，有点好奇新闻的素材从哪里来，除了天气预报、赛事比分和股指期货，总得有人提供第一手的素材吧，而且大家想看的不光是数字。
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