邊緣智能:關(guān)鍵技術(shù)與落地實(shí)踐
定 價(jià):99 元
- 作者:高志強(qiáng),魯曉陽,張榮榮 著
- 出版時(shí)間:2021/5/1
- ISBN:9787113275624
- 出 版 社:中國鐵道出版社
- 中圖法分類:TP18
- 頁碼:256
- 紙張:膠版紙
- 版次:1
- 開本:20開
基于邊緣計(jì)算這一新型的計(jì)算模式,邊緣智能在更加靠近用戶和數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)訓(xùn)練和部署深度學(xué)習(xí)模型,從而改善應(yīng)用的性能、成本和隱私性。本書以深入淺出的方式,講解邊緣智能體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù),從時(shí)代宏觀背景引領(lǐng)到關(guān)鍵支撐技術(shù)細(xì)節(jié)剖析,再到落地實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用,理論與實(shí)踐并重,循序漸進(jìn),博采而精取,分別向讀者清晰地展現(xiàn)了邊緣智能的“云-邊-端”體系架構(gòu)、數(shù)據(jù)與信任、模型與安全、資源與優(yōu)化的技術(shù)脈絡(luò)與方法原理。同時(shí),結(jié)合開源平臺(tái)資源,按照智能安防、智慧電梯、智慧社區(qū)、智慧醫(yī)療、智慧交通等具體應(yīng)用場景,給出所講述理論的落地應(yīng)用案例和編程開發(fā)指導(dǎo),旨在平衡知識的深度與廣度,明確入門與進(jìn)階路徑,使讀者更加深入全面地理解邊緣智能理論及實(shí)踐方法。
(1)秉承“云-邊-端”多領(lǐng)域技術(shù)綜合集成框架;
(2)通過源自落地應(yīng)用的場景賦予理論更多溫度;
(3)真正形成感性認(rèn)識-理性認(rèn)識-實(shí)踐認(rèn)識的閉合學(xué)習(xí)回路。
隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展,邊緣智能已成為“智能+”的新風(fēng)口。對于這個(gè)新概念,你可能既熟悉又陌生,會(huì)冒出一系列的問題:何為邊緣智能,它與邊緣計(jì)算什么關(guān)系,又與5G通信什么關(guān)系,云計(jì)算時(shí)代過去了嗎,人工智能是如何演進(jìn)為邊緣智能的?通過本書的講解,可以尋找到這些問題的答案。
本書的基本定位為“前瞻引領(lǐng)、體系創(chuàng)新”,重點(diǎn)在于梳理邊緣智能的發(fā)展脈絡(luò),深入淺出地講解何為邊緣智能,在厘清概念范疇基礎(chǔ)上探討其關(guān)鍵技術(shù)和研究進(jìn)展,并分享落地實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
特色與亮點(diǎn)
(1)廣度與深度的平衡
邊緣智能是大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、智能芯片、邊緣計(jì)算、聯(lián)邦學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈、5G通信等新一代信息技術(shù)大融合、大發(fā)展的產(chǎn)物,是面向“云-邊-端”多領(lǐng)域技術(shù)綜合集成的體系框架。因此,本書在理論的廣度上,講解了邊緣智能的體系架構(gòu)、數(shù)據(jù)、模型、資源;在實(shí)踐的廣度上,分析了智能安防、智慧電梯、智慧社區(qū)、智慧醫(yī)療、智慧交通等領(lǐng)域的應(yīng)用及設(shè)計(jì)構(gòu)想。同時(shí),本書在理論的深度上,以開源平臺(tái)資源為支撐,以“云-邊-端”為框架,講解了邊緣智能中協(xié)同、信任、安全、優(yōu)化等重要問題及解決方法;在實(shí)踐的深度上,以危險(xiǎn)物品檢測、智能語音識別、垃圾圖像分類、醫(yī)療數(shù)據(jù)管理、智慧交通應(yīng)用系統(tǒng)等實(shí)踐案例為核心支撐,進(jìn)而避免了“程序簡單初級、內(nèi)容枯燥陳舊”的低級套路。
(2)理論與實(shí)踐的結(jié)合
邊緣智能是理論與實(shí)踐深度結(jié)合的產(chǎn)物。沒有新一代信息技術(shù)的發(fā)展,邊緣智能體系就是“無源之水,無本之木”。因此,本書按照邊緣智能的“云-邊-端”框架,將邊緣智能的理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用結(jié)合,并賦予相應(yīng)的應(yīng)用場景,尤其,將輕量級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與危險(xiǎn)物品檢測結(jié)合、智能硬件模塊與語音識別結(jié)合、基于聯(lián)邦學(xué)
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ii 邊緣智能:關(guān)鍵技術(shù)與落地實(shí)踐
習(xí)的計(jì)算機(jī)視覺與垃圾圖像分類結(jié)合、聯(lián)盟區(qū)塊鏈與醫(yī)療數(shù)據(jù)管理結(jié)合、邊緣智能
與智慧交通應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)合,進(jìn)而讓理論指導(dǎo)實(shí)踐,并讓實(shí)踐賦予理論更多的溫度。
(3)開源與創(chuàng)新的支撐
開放的開源技術(shù)讓普適價(jià)值回歸到每一個(gè)人身邊,是推動(dòng)科技和產(chǎn)業(yè)革命的不
竭動(dòng)力,更是邊緣智能技術(shù)體系“百花齊放”的真實(shí)寫照。因此,本書所涉及程序
均已在Github 上開源,以期為人工智能技術(shù)的開源與知識共享傳播貢獻(xiàn)一份力量。
此外,創(chuàng)新是科技進(jìn)步的源泉,也是技術(shù)發(fā)展的不竭動(dòng)力。本書的部分理論思考及
實(shí)踐案例是團(tuán)隊(duì)多年參加競賽、學(xué)術(shù)交流、發(fā)明專利等創(chuàng)新成果的積累,也是本書
在內(nèi)涵上的重要特色。
學(xué)習(xí)建議與本書知識框架
希望通過本書的學(xué)習(xí),讀者可以從系統(tǒng)工程的角度對邊緣智能體系進(jìn)行思考,
尤其重點(diǎn)理解如下觀點(diǎn):
邊緣智能的關(guān)鍵是協(xié)同,重點(diǎn)是聯(lián)合,具體為:架構(gòu)的協(xié)同、數(shù)據(jù)的聯(lián)合、模
型的聯(lián)合與資源的聯(lián)合。
關(guān)于這句話的理解,可以將這一觀點(diǎn)放在新一代信息技術(shù)發(fā)展的大背景下,從
算法、算力、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、安全等角度對邊緣智能發(fā)展的推動(dòng)作用去思考,即可獲
得其中“真意”。
具體講,架構(gòu)的協(xié)同是基于“ 云- 邊- 端” 進(jìn)行統(tǒng)一的架構(gòu)設(shè)計(jì),即將云端
服務(wù)、邊端資源、終端能力進(jìn)行通盤考慮,進(jìn)而為邊緣智能的發(fā)展提供架構(gòu)供體
系支撐;數(shù)據(jù)的聯(lián)合是對多源跨域異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度安全可信的融合,進(jìn)而打破各
類約束條件下的“ 數(shù)據(jù)孤島”,為邊緣智能發(fā)展提供充足的數(shù)據(jù)支撐;模型的聯(lián)合
是面向“ 云- 邊- 端” 一體化架構(gòu)在分布式、集中式、混合式部署模式下的具體化呈
現(xiàn),是實(shí)現(xiàn)高性能人工智能推理、訓(xùn)練的重要方式;資源的聯(lián)合是整合“ 云- 邊- 端”
所涉及網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算、存儲(chǔ)等資源的重要途經(jīng),是促進(jìn)邊緣智能高效落地應(yīng)用的
重要保障。
此外,本書各章節(jié)從知識前沿、領(lǐng)域關(guān)注、理論深度、具體案例等角度分別設(shè)
計(jì)了相應(yīng)的思維拓展模塊題,可以啟發(fā)讀者研究思路。在參考資源部分,整理了大
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前言iii
量開源代碼資料,以期幫助讀者提高動(dòng)手實(shí)踐能力。在參考文獻(xiàn)部分,梳理了大量
權(quán)威中文期刊、研究報(bào)告的公開資源,以期輔助相關(guān)研究的深入展開。
最后,紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行,想要深入理解邊緣智能,還需讀者
自己動(dòng)手去進(jìn)行理論推導(dǎo)、編程實(shí)踐和實(shí)際應(yīng)用,方可真正形成基于感性認(rèn)識→理
性認(rèn)識→實(shí)踐認(rèn)識的閉合學(xué)習(xí)回路。
預(yù)期讀者
(1)新一代信息技術(shù)初學(xué)者
邊緣智能所涉及技術(shù)體系龐大,知識點(diǎn)繁多;同時(shí),可選用資源又過度豐富,
初學(xué)者容易無從下手。希望通過本書學(xué)習(xí),初學(xué)者可以厘清知識脈絡(luò),找到適合自
己的技術(shù)學(xué)習(xí)和發(fā)展路線。
(2)程序開發(fā)者
技術(shù)的生命在于應(yīng)用轉(zhuǎn)化,尤其在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域,沒有落地應(yīng)用,技術(shù)很難
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iv 邊緣智能:關(guān)鍵技術(shù)與落地實(shí)踐
有長遠(yuǎn)持續(xù)的發(fā)展。因此,希望本書中的實(shí)戰(zhàn)案例講解,對于具有一定開發(fā)基礎(chǔ)的
程序員、工程師,可以輔助其獲得思路上的啟發(fā)和實(shí)際應(yīng)用場景的共鳴,為其所寫
代碼賦予“ 有場景” 的生命力,促進(jìn)其對實(shí)際問題場景創(chuàng)造性地程序化描述,進(jìn)而
推動(dòng)新一代信息技術(shù)的發(fā)展。
(3)前沿科技愛好者
開源是人工智能發(fā)展的必經(jīng)之路,希望本書可為前沿科技愛好者提供共享技術(shù)、
共享理念的交流平臺(tái),對開源社區(qū)建設(shè)、邊緣智能知識的普及起到一定推動(dòng)作用。
勘誤與交流
由于作者水平有限,編著時(shí)間倉促,書中紕漏在所難免,懇請讀者多提寶貴意
見,批評指正,以促提高。
相關(guān)問題可以發(fā)團(tuán)隊(duì)郵箱:15891741749@139.com,本書源代碼可以通過封底
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高志強(qiáng),軍隊(duì)指揮學(xué)武警信息化研究方向博士,畢業(yè)于中國人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué),武警部隊(duì)首屆軍事大數(shù)據(jù)工程專業(yè)籌備組成員。作為骨干成員參與研制多項(xiàng)武警部隊(duì)信息化裝備及平臺(tái)系統(tǒng),參與國家自然科學(xué)基金2項(xiàng)、陜西省自然科學(xué)基金1項(xiàng)。主要研究方向:深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)與智能計(jì)算、面向大數(shù)據(jù)開放與治理的差分隱私保護(hù)數(shù)據(jù)發(fā)布關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用、粒子群優(yōu)化算法等。魯曉陽,軍事學(xué)學(xué)士,主要研究領(lǐng)域?yàn)樾畔踩械男畔㈦[藏技術(shù),參與多項(xiàng)國家和軍隊(duì)級科研項(xiàng)目,出版人工智能領(lǐng)域?qū)V?部,發(fā)表學(xué)術(shù)論文十余篇。張榮榮,陜西師范大學(xué)軟件工程學(xué)士,西南大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)碩士,研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芘c模式識別,發(fā)表學(xué)術(shù)論文十余篇,獲得軟件著作權(quán)5項(xiàng),國家發(fā)明專利2項(xiàng)。
第1章 邊緣智能:“智能+”的新風(fēng)口
1.1 邊緣智能產(chǎn)生的“大背景” .1
1.1.1 新一代信息技術(shù)的推動(dòng)發(fā)展 .1
1.1.2 國家政策的支持和引導(dǎo) 6
1.1.3 資本與業(yè)務(wù)需求的推動(dòng) 7
1.2 身邊的邊緣智能“小案例” .8
1.2.1 京東快遞與菜鳥驛站 8
1.2.2 智能快遞柜收費(fèi)“風(fēng)波” .10
1.3 邊緣智能發(fā)展的三大階段 .12
1.3.1 第一階段:邊緣智能探索 .12
1.3.2 第二階段:“智能+”邊緣 .12
1.3.3 第三階段:邊緣智能體系 .13
1.4 站在“智能+”的新風(fēng)口 14
1.4.1 “智能+”技術(shù)的新融合 .14
1.4.2 應(yīng)用行業(yè)的多維度 15
1.4.3 新興市場的大繁榮 16
1.5 本章小結(jié) .17
第2章 何為邊緣智能
2.1 邊緣智能的定義 18
2.2 邊緣智能的前世今生 19
2.2.1 網(wǎng)絡(luò)通信角度的演進(jìn) 20
2.2.2 計(jì)算服務(wù)角度的演進(jìn) 23
2.2.3 “智能+”角度的演進(jìn) .27
2.3 邊緣智能面臨的挑戰(zhàn)及研究方向 30
2.3.1 面臨的挑戰(zhàn):安全、智能應(yīng)用和優(yōu)化 30
2.3.2.研究方向:安全、智能、協(xié)同、優(yōu)化 32
2.4 邊緣智能的重要應(yīng)用場景 .35
2.4.1 無人駕駛 .35
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ii 邊緣智能:關(guān)鍵技術(shù)與落地實(shí)踐
2.4.2 智能安防 . 36
2.4.3 智能家居 . 37
2.4.4 工業(yè)機(jī)器人 . 38
2.5 本章小結(jié) . 40
第3 章 “云- 邊- 端”體系架構(gòu)
3.1 系統(tǒng)工程方法論 41
3.1.1 系統(tǒng)工程概述 . 41
3.1.2 基本方法 . 42
3.2 體系架構(gòu)模型 44
3.2.1 概念框架 . 44
3.2.2 層次結(jié)構(gòu) . 46
3.3 協(xié)同模式 . 47
3.3.1 “云- 邊”協(xié)同 48
3.3.2 “邊- 邊”協(xié)同 49
3.3.3 “邊- 端”協(xié)同 50
3.3.4 “云- 邊- 端”協(xié)同 50
3.4 度量指標(biāo) . 51
3.5 前沿方向 . 54
3.5.1 “云- 邊- 端”區(qū)塊鏈 54
3.5.2 邊緣云原生容器服務(wù) 56
3.5.3 “云- 邊- 端”一體化機(jī)器人系統(tǒng) . 57
3.6 本章小結(jié) . 59
第4 章 邊緣智能中的數(shù)據(jù)與信任
4.1 區(qū)塊鏈技術(shù)概述 61
4.1.1 基礎(chǔ)架構(gòu) . 61
4.1.2 重要組件 . 64
4.1.3 主流開源技術(shù) . 68
4.2 數(shù)據(jù)管理與隱私保護(hù) 70
4.2.1 數(shù)據(jù)管理架構(gòu) . 70
4.2.2 隱私保護(hù) . 72
4.3 邊緣智能中的信任 74
4.3.1 信任的基本概念 74
4.3.2 信任管理 . 76
4.4 解決方案 . 78
4.4.1 服務(wù)模式層面的解決方案 . 78
4.4.2 部署方式層面的解決方案 . 79
4.5 前沿方向 . 80
4.5.1 面向資源受限環(huán)境的性能擴(kuò)展 . 80
4.5.2 跨域的分布式信任 80
4.5.3 智能應(yīng)用與隱私保護(hù)的平衡 . 81
4.6 本章小結(jié) . 81
第5 章 邊緣智能中的模型與安全
5.1 模型壓縮 . 83
5.1.1 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) 83
5.1.2 模型壓縮方法 . 86
5.1.3 模型壓縮工具框架 90
5.2 聯(lián)邦學(xué)習(xí) . 93
5.2.1 基本概念 . 93
5.2.2 安全性分析 . 97
5.3 解決方案 . 100
5.3.1 百度聯(lián)邦學(xué)習(xí)框架PaddleFL 100
5.3.2 微眾銀行聯(lián)邦學(xué)習(xí)框架FATE . 100
5.3.3 騰訊聯(lián)邦學(xué)習(xí)框架AngelFL . 101
5.3.4 平安科技聯(lián)邦學(xué)習(xí)平臺(tái)“蜂巢” . 101
5.4 前沿方向 . 102
5.4.1 面向“云- 邊- 端”應(yīng)用的模型壓縮 102
5.4.2 面向邊緣智能的聯(lián)邦學(xué)習(xí) . 103
5.5 本章小結(jié) . 104
第6 章 邊緣智能中的資源與優(yōu)化
6.1 計(jì)算卸載 . 106
6.1.1 基本流程 . 106
6.1.2 運(yùn)行機(jī)制 . 108
6.1.3 策略分類 . 109
6.2 資源分配優(yōu)化 111
6.2.1 最優(yōu)化理論基礎(chǔ) 112
6.2.2 馬爾可夫決策過程 112
6.2.3 深度強(qiáng)化學(xué)習(xí) . 113
6.2.4 資源分配優(yōu)化問題建模 115
6.3 解決方案 . 118
6.3.1 面向不可分割任務(wù)的計(jì)算卸載方案 . 118
6.3.2 面向可分割任務(wù)的協(xié)同計(jì)算卸載方案 118
6.3.3 多節(jié)點(diǎn)資源分配方案 120
6.4 前沿方向 . 122
6.4.1 新型計(jì)算卸載策略 122
6.4.2 “云- 邊- 端”高效的資源分配優(yōu)化模型 123
6.4.3 數(shù)據(jù)安全協(xié)同模式解決安全性問題 . 123
6.5 本章小結(jié) . 124
第7 章 智能安防場景下的邊緣智能實(shí)踐
7.1 實(shí)踐背景 . 125
7.1.1 智能安防的發(fā)展、挑戰(zhàn)和新要求 . 125
7.1.2 危險(xiǎn)物品檢測 . 129
7.2 技術(shù)梳理 . 130
7.2.1 視覺目標(biāo)檢測 . 130
7.2.2 輕量級卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 132
7.3 實(shí)踐案例:基于Jetson Nano 的槍支檢測 134
7.3.1 基礎(chǔ)環(huán)境準(zhǔn)備 . 134
7.3.2 數(shù)據(jù)集準(zhǔn)備 . 136
7.3.3 模型訓(xùn)練 . 138
7.3.4 測試部署 . 139
7.4 本章小結(jié) . 140
參考資源 141
第8 章 智慧電梯場景下的邊緣智能實(shí)踐
8.1 實(shí)踐背景 . 142
8.1.1 智慧電梯:無接觸式交互的“垂直出行” 142
8.1.2 智能語音:人機(jī)交互的“私人助手” 144
8.2 技術(shù)梳理 . 146
8.2.1 語音識別:人工智能關(guān)鍵步驟 . 146
8.2.2 智慧電梯語音指令識別流程 . 152
8.3 實(shí)踐案例:基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通用電梯語言指令識別 . 153
8.3.1 基礎(chǔ)環(huán)境與數(shù)據(jù)集構(gòu)建 153
8.3.2 模型設(shè)計(jì)與訓(xùn)練 154
8.3.3 性能測試 . 156
8.4 實(shí)踐案例:基于樹莓派的可編程電梯語音識別 . 157
8.4.1 基礎(chǔ)環(huán)境 . 157
8.4.2 GPIO 編程 . 157
8.4.3 部署測試 . 160
8.5 本章小結(jié) . 161
參考資源 161
第9 章 智慧社區(qū)場景下的邊緣智能實(shí)踐
9.1 實(shí)戰(zhàn)背景 . 163
9.1.1 智慧社區(qū):民生的智慧“生活圈” . 163
9.1.2 社區(qū)中生活垃圾分類 166
9.2 技術(shù)梳理 . 168
9.2.1 垃圾圖像分類 . 168
9.2.2 聯(lián)邦學(xué)習(xí) . 171
9.3 實(shí)踐案例:基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)的垃圾圖像分類 174
9.3.1 基礎(chǔ)環(huán)境:FATE 174
9.3.2 數(shù)據(jù)集構(gòu)建 . 176
9.3.3 模型構(gòu)建 . 177
9.3.4 訓(xùn)練與測試結(jié)果 179
9.4 本章小結(jié) . 180
參考資源 181
第10 章 智慧醫(yī)療場景下的邊緣智能實(shí)踐
10.1 實(shí)踐背景 . 182
10.1.1 智慧醫(yī)療:患者數(shù)據(jù)獲取、知識發(fā)現(xiàn)和遠(yuǎn)程服務(wù)模式 . 182
10.1.2 醫(yī)療數(shù)據(jù)隱私保護(hù) 184
10.2 技術(shù)梳理 . 186
10.2.1 聯(lián)盟區(qū)塊鏈醫(yī)療數(shù)據(jù)管理 . 186
10.2.2 云原生軟件開發(fā) 190
10.3 實(shí)踐案例:基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的醫(yī)療數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方案 193
10.3.1 總體框架設(shè)計(jì) 193
10.3.2 基礎(chǔ)環(huán)境部署 193
10.3.3 功能實(shí)現(xiàn) . 196
10.4 本章小結(jié) . 199
參考資源 200
第11 章 智慧交通場景下的邊緣智能實(shí)踐
11.1 實(shí)踐背景 201
11.1.1 智慧交通:“云- 邊- 端”架構(gòu)下“人- 車- 路”協(xié)同 201
11.1.2 計(jì)算機(jī)視覺 . 205
11.2 技術(shù)梳理 207
11.2.1 車牌識別 . 207
11.2.2 智慧交通應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 209
11.3 實(shí)踐案例:基于計(jì)算機(jī)視覺的智慧交通應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 212
11.3.1 基礎(chǔ)環(huán)境搭建 212
11.3.2 功能實(shí)現(xiàn) . 214
11.4 本章小結(jié) 219
參考資源 219
第12 章 開源平臺(tái)
12.1 面向終端的邊緣智能開源平臺(tái) . 220
12.1.1 EdgeX Foundry:工業(yè)場景標(biāo)準(zhǔn)化智能框架 220
12.1.2 Fledge:獨(dú)立開放互操作智能框架 221
12.1.3 ioFog:Eclipse 開發(fā)的邊緣智能平臺(tái) . 223
12.1.4 Edgent:Apache 開源的邊緣智能模型 . 224
12.2 面向邊端的邊緣智能開源平臺(tái) . 225
12.2.1 Akraino Edge Stack:高性能邊端服務(wù)框架 . 225
12.2.2 CORD:靈活重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)邊緣基礎(chǔ)設(shè)施 . 226
12.2.3 StarlingX:面向邊緣智能的OpenStack 集成平臺(tái) . 227
12.3 面向“云- 邊- 端”協(xié)同的邊緣智能開源平臺(tái) . 229
12.3.1 OpenEdge:百度云計(jì)算能力的智能拓展 . 229
12.3.2 Azure IoT Edge:微軟云邊混合智能框架 230
12.3.3 KubeEdge:CNCF 云原生服務(wù)的邊緣智能基礎(chǔ)設(shè)施 231
12.3.4 Link Edge:阿里云一體化協(xié)同計(jì)算體系 . 231
12.3.5 IEF:華為云企業(yè)級邊緣智能服務(wù) . 232
12.4 本章小結(jié) . 234
參考資源 234
參考文獻(xiàn)