Original Title: An Intelligent Edge Computing-based Scalable Architecture for Large-scale Smart Farm System
Source: doi.org/10.33168/JSMS.2021.0307
Disclaimer: Summary generated by AI based on the provided document. Please refer to the original paper for full scientific accuracy.

ស្ថាបត្យកម្មដែលអាចពង្រីកបានផ្អែកលើបច្ចេកវិទ្យា Edge Computing ដ៏ឆ្លាតវៃសម្រាប់ប្រព័ន្ធកសិដ្ឋានឆ្លាតវៃទ្រង់ទ្រាយធំ

ចំណងជើងដើម៖ An Intelligent Edge Computing-based Scalable Architecture for Large-scale Smart Farm System

អ្នកនិពន្ធ៖ Hee-Dong Park (Department of Smart IT, Joongbu University)

ឆ្នាំបោះពុម្ព៖ 2021 Journal of System and Management Sciences

វិស័យសិក្សា៖ Information Technology

១. សេចក្តីសង្ខេបប្រតិបត្តិ (Executive Summary)

បញ្ហា (The Problem)៖ ប្រព័ន្ធកសិដ្ឋានឆ្លាតវៃនាពេលបច្ចុប្បន្នដែលពឹងផ្អែកលើកុំព្យូទ័រម៉ាស៊ីនមេក្លោដ (Cloud Server) កំពុងជួបប្រទះនឹងបញ្ហាកកស្ទះទិន្នន័យបណ្តាញ និងការពន្យារពេល ក្នុងការប្រមូលនិងដំណើរការទិន្នន័យសម្រាប់កសិដ្ឋានទ្រង់ទ្រាយធំ។

វិធីសាស្ត្រ (The Methodology)៖ ការសិក្សានេះស្នើឡើងនូវស្ថាបត្យកម្មគ្រប់គ្រងជាពីរដំណាក់កាល (Two-stage control architecture) ដោយប្រើប្រាស់បច្ចេកវិទ្យា Edge Computing ដើម្បីធ្វើការវិភាគនិងគ្រប់គ្រងទិន្នន័យនៅកម្រិតមូលដ្ឋានផ្ទាល់។

លទ្ធផលសំខាន់ៗ (The Verdict)៖

២. ការវិភាគលើប្រសិទ្ធភាព និងដែនកំណត់ (Performance & Constraints)

វិធីសាស្ត្រ (Method) គុណសម្បត្តិ (Pros) គុណវិបត្តិ (Cons) លទ្ធផលគន្លឹះ (Key Result)
Traditional Cloud-centric Smart Farm System
ប្រព័ន្ធកសិដ្ឋានឆ្លាតវៃផ្អែកលើម៉ាស៊ីនមេក្លោដជាចម្បង
មានសមត្ថភាពផ្ទុកទិន្នន័យបានច្រើនសន្ធឹកសន្ធាប់ និងមានថាមពលកុំព្យូទ័រខ្ពស់សម្រាប់ដំណើរការក្បួនដោះស្រាយ (Algorithms) ស្មុគស្មាញ និងការបង្ហាត់ម៉ូដែល AI ធំៗ។ ការកើនឡើងទិន្នន័យយ៉ាងគំហុកបណ្តាលឱ្យមានការកកស្ទះបណ្តាញ (Network congestion) និងការពន្យារពេល។ ប្រព័ន្ធនឹងគាំង ឬផ្អាកដំណើរការទាំងស្រុងនៅពេលដាច់អ៊ីនធឺណិត។ បង្កើតបន្ទុកធ្ងន់ដល់ម៉ាស៊ីនមេក្លោដ និងប្រឈមនឹងបញ្ហាសុវត្ថិភាពទិន្នន័យពេលបញ្ជូនឆ្លងកាត់បណ្តាញ។
Two-stage Edge Computing Architecture
ស្ថាបត្យកម្មកុំព្យូទ័រ Edge ជាពីរដំណាក់កាល (ស្នើឡើង)
កាត់បន្ថយទំហំទិន្នន័យបញ្ជូនទៅក្លោដតាមរយៈការច្រោះទិន្នន័យនៅមូលដ្ឋាន។ អាចដំណើរការបញ្ជាដោយស្វ័យប្រវត្តិឯករាជ្យ (Standalone) ទោះគ្មានអ៊ីនធឺណិត និងមានល្បឿនឆ្លើយតបលឿន។ ឧបករណ៍ Edge មានកម្រិតថាមពលដំណើរការ និងទំហំផ្ទុកទិន្នន័យ ទាមទារឱ្យមានការបង្រួមម៉ូដែល AI (Model compression) ឱ្យស្រាលមុននឹងដាក់ឱ្យដំណើរការ។ សម្រាលបន្ទុកបណ្តាញ និងម៉ាស៊ីនមេក្លោដ ព្រមទាំងបង្កើនប្រសិទ្ធភាពក្នុងការគ្រប់គ្រងកសិដ្ឋានឆ្លាតវៃទ្រង់ទ្រាយធំប្រកបដោយភាពឆ្លាតវៃ។

ការចំណាយលើធនធាន (Resource Cost)៖ ដើម្បីអនុវត្តស្ថាបត្យកម្មនេះ ប្រព័ន្ធទាមទារឱ្យមានការវិនិយោគលើឧបករណ៍ផ្នែករឹងនៅមូលដ្ឋានដែលមានសមត្ថភាពដំណើរការ AI ព្រមទាំងហេដ្ឋារចនាសម្ព័ន្ធបណ្តាញរួមបញ្ចូលគ្នា។

៣. ការពិនិត្យសម្រាប់បរិបទកម្ពុជា/អាស៊ីអាគ្នេយ៍

ភាពលំអៀងនៃទិន្នន័យ (Data Bias)៖

ឯកសារនេះគឺជាការស្នើឡើងនូវស្ថាបត្យកម្មគំរូ (Conceptual Architecture) ដោយមិនមានការបញ្ជាក់ពីការសាកល្បងលើសំណុំទិន្នន័យនៃតំបន់ភូមិសាស្ត្រជាក់លាក់ណាមួយឡើយ។ សម្រាប់ប្រទេសកម្ពុជា ការអនុវត្តប្រព័ន្ធនេះទាមទារការប្រមូលទិន្នន័យអាកាសធាតុ គុណភាពដី និងប្រភេទដំណាំក្នុងស្រុកពិតប្រាកដ ដើម្បីបង្ហាត់ម៉ូដែល AI ឱ្យបានសុក្រឹត ជៀសវាងការទាញសេចក្តីសន្និដ្ឋានខុសពីបរិបទជាក់ស្តែង។

លទ្ធភាពនៃការអនុវត្ត (Applicability)៖

ស្ថាបត្យកម្ម Edge Computing នេះមានសក្តានុពលខ្ពស់ និងស័ក្តិសមបំផុតសម្រាប់ជំរុញវិស័យកសិកម្មនៅកម្ពុជា ពិសេសក្នុងការដោះស្រាយបញ្ហាប្រព័ន្ធអ៊ីនធឺណិតមិនសូវមានស្ថិរភាព។

ការរួមបញ្ចូលគ្នារវាងឧបករណ៍ Edge សម្រាប់ប្រតិបត្តិការផ្ទាល់ និង Cloud សម្រាប់ការវិភាគស៊ីជម្រៅ នឹងជួយប្រែក្លាយកសិកម្មកម្ពុជាទៅជាកសិកម្មឆ្លាតវៃប្រកបដោយនិរន្តរភាព និងធន់នឹងការប្រែប្រួលអាកាសធាតុ។

៤. ផែនការសកម្មភាពសម្រាប់និស្សិត (Actionable Roadmap)

ដើម្បីអនុវត្តតាមការសិក្សានេះ និស្សិតគួរអនុវត្តតាមជំហានខាងក្រោម៖

  1. សិក្សាមូលដ្ឋានគ្រឹះស្ថាបត្យកម្ម IoT និង Edge Computing: ចាប់ផ្តើមដោយការស្វែងយល់ពីរបៀបដំណើរការរបស់ឧបករណ៍ IoT Gateways ដោយសាកល្បងប្រើប្រាស់ Raspberry PiArduino ភ្ជាប់ជាមួយសេនស័រវាស់សីតុណ្ហភាព និងសំណើម បូករួមនឹងការបញ្ជូនទិន្នន័យតាមរយៈ MQTT Protocol
  2. រៀនសរសេរកូដសម្រាប់ម៉ូដែលបញ្ញាសិប្បនិម្មិត (Time-Series AI Models): អនុវត្តការសរសេរកូដបង្កើតម៉ូដែល RNN និង LSTM ដោយប្រើប្រាស់ TensorFlowPyTorch ដើម្បីធ្វើការព្យាករណ៍ទិន្នន័យកសិកម្ម (ឧទាហរណ៍៖ ការទស្សន៍ទាយសំណើមដីនៅថ្ងៃស្អែក ដោយផ្អែកលើទិន្នន័យថ្ងៃនេះ)។
  3. អភិវឌ្ឍប្រព័ន្ធគំរូជាពីរដំណាក់កាល (Two-stage Prototype): រៀបចំប្រព័ន្ធសាកល្បងខ្នាតតូច ដោយកំណត់ឧបករណ៍មួយ (Microcontroller) សម្រាប់ត្រួតពិនិត្យលក្ខខណ្ឌធម្មតា (Conditional control) និងកុំព្យូទ័រមួយទៀត (Edge Node) សម្រាប់ដំណើរការម៉ូដែល AI ច្រោះទិន្នន័យមុនបញ្ជូនទៅកាន់ Cloud
  4. អនុវត្តបច្ចេកទេសបង្រួមម៉ូដែល (Model Compression): សិក្សាពីរបៀបធ្វើឱ្យម៉ូដែល AI ដំណើរការបានលឿនលើឧបករណ៍ Edge ដែលមានថាមពលខ្សោយ ដោយប្រើប្រាស់បច្ចេកទេសដូចជា Quantization ឬប្រើ TensorFlow Lite និង TensorRT
  5. ដាក់ឱ្យដំណើរការសាកល្បង និងតភ្ជាប់ជាមួយហេដ្ឋារចនាសម្ព័ន្ធ Cloud: យកប្រព័ន្ធគំរូទៅសាកល្បងផ្ទាល់ក្នុងផ្ទះកញ្ចក់ខ្នាតតូច រួចធ្វើការតភ្ជាប់វាទៅកាន់សេវាកម្មក្លោដដូចជា AWS IoTGoogle Cloud IoT ដើម្បីសាកល្បងការធ្វើបច្ចុប្បន្នភាពម៉ូដែលតពីចម្ងាយ (Federated Learning concepts)។

៥. វាក្យសព្ទបច្ចេកទេស (Technical Glossary)

ពាក្យបច្ចេកទេស ការពន្យល់ជាខេមរភាសា (Khmer Explanation) និយមន័យសាមញ្ញ (Simple Definition)
Edge Computing ការវិភាគ និងដំណើរការទិន្នន័យដោយឧបករណ៍ដែលនៅក្បែរប្រភពទិន្នន័យផ្ទាល់ (ដូចជាឧបករណ៍បញ្ជានៅក្នុងកសិដ្ឋាន) ជាជាងការបញ្ជូនទិន្នន័យទាំងអស់ទៅកាន់ម៉ាស៊ីនមេក្លោដនៅឆ្ងាយ ដែលជួយកាត់បន្ថយការពន្យារពេល និងការកកស្ទះអ៊ីនធឺណិត។ ដូចជាការមានចុងភៅប្រចាំការនៅតាមតុញ៉ាំអាហារផ្ទាល់ ដើម្បីចម្អិនភ្លាមៗ ជាជាងត្រូវរត់ទៅកុម្ម៉ង់នៅផ្ទះបាយធំកណ្តាលដែលនៅឆ្ងាយ។
Recurrent Neural Network (RNN) ប្រភេទនៃបណ្តាញសរសៃប្រសាទសិប្បនិម្មិត (AI) ដែលមានសមត្ថភាពចងចាំទិន្នន័យចាស់ៗតាមលំដាប់លំដោយពេលវេលា ដើម្បីយកមកវិភាគ និងទស្សន៍ទាយលទ្ធផលនាពេលអនាគត (ឧទាហរណ៍៖ ការព្យាករណ៍សីតុណ្ហភាពដោយផ្អែកលើទិន្នន័យពីម្សិលមិញ)។ ដូចជាមនុស្សម្នាក់ដែលទាយអាកាសធាតុថ្ងៃនេះ ដោយពឹងផ្អែកលើការចងចាំពីសភាពពពកកាលពីម្សិលមិញនិងថ្ងៃមុនៗ។
Federated learning បច្ចេកទេសបង្រៀនម៉ូដែល AI ដោយឱ្យឧបករណ៍នៅតាមមូលដ្ឋាននីមួយៗរៀនពីទិន្នន័យរៀងៗខ្លួន រួចបញ្ជូនតែ "ចំណេះដឹងដែលបានរៀនចេះថ្មីៗ" ទៅកាន់ម៉ាស៊ីនមេកណ្តាលដើម្បីផ្តុំបញ្ចូលគ្នា ដោយមិនបាច់បញ្ជូនទិន្នន័យឆៅឡើយ ដែលជួយការពារឯកជនភាព និងសន្សំសំចៃទំហំបណ្តាញ។ ដូចជាសិស្សរៀនមេរៀននៅផ្ទះរៀងៗខ្លួន រួចយកតែចំណុចសំខាន់ដែលខ្លួនរៀនចេះមកប្រាប់គ្រូ ដើម្បីឱ្យគ្រូចងក្រងជាសៀវភៅរួមមួយ ដោយមិនចាំបាច់យកសៀវភៅសរសេរដៃរបស់សិស្សម្នាក់ៗមកអានទាំងអស់នោះទេ។
Knowledge distillation ដំណើរការបង្រួមទំហំម៉ូដែល AI ខ្នាតធំ (Teacher model) ឱ្យទៅជាម៉ូដែលខ្នាតតូច (Student model) ដើម្បីឱ្យវាអាចដំណើរការបានលឿននៅលើឧបករណ៍បញ្ជាតាមមូលដ្ឋាន (Edge node) ដែលមានទំហំផ្ទុកនិងថាមពលកុំព្យូទ័រខ្សោយ ដោយនៅតែរក្សាភាពសុក្រឹតបានល្អ។ ដូចជាសាស្ត្រាចារ្យម្នាក់ដែលមានចំណេះដឹងក្រាស់ឃ្មឹក សរសេរសៀវភៅសង្ខេបខ្លីមួយក្បាល ដើម្បីឱ្យកូនសិស្សងាយអាន និងឆាប់យកទៅអនុវត្តបាន។
Long Term Short Memory (LSTM) ប្រភេទកម្រិតខ្ពស់នៃ RNN ដែលត្រូវបានរចនាឡើងដើម្បីដោះស្រាយបញ្ហាភ្លេចទិន្នន័យចាស់ៗ ដោយវាមានសមត្ថភាពពិសេសក្នុងការ "ចងចាំ" ទិន្នន័យសំខាន់ៗសម្រាប់រយៈពេលយូរ និង "លុបចោល" ទិន្នន័យមិនចាំបាច់ក្នុងការវិភាគ។ ដូចជាមនុស្សឆ្លាតម្នាក់ដែលចេះកត់ចំណាំទុកតែរឿងសំខាន់ៗក្នុងខួរក្បាលបានយូរឆ្នាំ និងចេះបំភ្លេចរឿងរ៉ាវដែលមិនមានប្រយោជន៍ចោលដោយស្វ័យប្រវត្តិ។
Correlation analysis វិធីសាស្ត្រក្នុងផ្នែកស្ថិតិនិង AI ដែលប្រើសម្រាប់វិភាគរកទំនាក់ទំនង និងឥទ្ធិពលទៅវិញទៅមករវាងកត្តាពីរ ឬច្រើន (ឧទាហរណ៍៖ ក្នុងកសិដ្ឋាន គេវិភាគមើលថាតើកម្រិតពន្លឺព្រះអាទិត្យ កម្រិតជី និងសំណើមដី មានទំនាក់ទំនងគ្នាយ៉ាងណាខ្លះក្នុងការជួយឱ្យដំណាំលូតលាស់)។ ដូចជាការតាមដានប្រៀបធៀបមើលថាតើការញ៉ាំអាហារច្រើនប៉ុណ្ណា ទើបធ្វើឱ្យទម្ងន់កើនឡើងប៉ុណ្ណា។
Internet of Things (IoT) បណ្តាញនៃឧបករណ៍រូបវន្តនានា (ដូចជាសេនស័រវាស់សំណើមដី ម៉ាស៊ីនបូមទឹក) ដែលមានបំពាក់បន្ទះឈីបនិងប្រព័ន្ធអ៊ីនធឺណិត អាចទាក់ទង ផ្លាស់ប្តូរទិន្នន័យគ្នា និងធ្វើការសម្រេចចិត្តបញ្ជាដោយស្វ័យប្រវត្តិ។ ដូចជាការបង្រៀនរបស់របរប្រើប្រាស់ឱ្យចេះ "និយាយ" ទាក់ទងគ្នា និងចេះធ្វើការរួមគ្នាដោយស្វ័យប្រវត្តិតាមរយៈអ៊ីនធឺណិត។
Conditional Control កម្រិតនៃការគ្រប់គ្រងឧបករណ៍ដែលផ្អែកលើលក្ខខណ្ឌសាមញ្ញ ឬច្បាប់ដែលបានកំណត់ទុកជាមុន (If-Then rules) ឧទាហរណ៍៖ ប្រសិនបើសីតុណ្ហភាពឡើងលើស ៣៥អង្សា នោះម៉ាស៊ីនត្រជាក់ឬកង្ហារនឹងបើកដោយស្វ័យប្រវត្តិ។ ដូចជាការកាច់ម៉ោងរោទ៍ ប្រសិនបើម៉ោង ៦ព្រឹក នោះសំឡេងរោទ៍នឹងបន្លឺឡើង។

៦. ប្រធានបទពាក់ព័ន្ធ (Further Reading)

អត្ថបទដែលបានបោះពុម្ពនៅលើ KhmerResearch ដែលទាក់ទងនឹងប្រធានបទនេះ៖

ប្រធានបទ និងសំណួរស្រាវជ្រាវដែលទាក់ទងនឹងឯកសារនេះ ដែលអ្នកអាចស្វែងរកបន្ថែម៖