用自己的雙手讓衛(wèi)星變“聰明” 這些年輕人的代碼上天了

距離地表數(shù)百至上千公里的低軌衛(wèi)星軌道上，許多年輕人的夢想，即將和數(shù)顆衛(wèi)星一起在太空中翱翔。

 

由華中科技大學(xué)教授劉方明指導(dǎo)的博士研究生陳姝彤和OpenEdgeNeXt團(tuán)隊(duì)的小伙伴們，就是其中一群年輕人。今年6月，中國青年報(bào)社、北京郵電大學(xué)、華為云聯(lián)合發(fā)起了“代碼上太空”征集活動(dòng)。包括陳姝彤在內(nèi)的廣大青年學(xué)生受邀前來，開發(fā)適用于衛(wèi)星的創(chuàng)新應(yīng)用。她們的優(yōu)勝作品將有機(jī)會(huì)通過全球首個(gè)云原生衛(wèi)星計(jì)算平臺(tái)，部署到“天算星座”計(jì)劃的多顆衛(wèi)星中，讓衛(wèi)星變得“更聰明”。

 

“天算星座”計(jì)劃由北京郵電大學(xué)深圳研究院與天儀研究院共同發(fā)起，首顆先導(dǎo)星已于2021年12月成功發(fā)射，預(yù)計(jì)2023年完成一期組網(wǎng)建設(shè)，建成后將成為中國科研衛(wèi)星領(lǐng)域的生力軍，也將是全球衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)科技創(chuàng)新基地之一。華為云作為“天算星座”首批共建單位，首次將云原生、邊云協(xié)同等理念引入空間計(jì)算領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星計(jì)算平臺(tái)的智能化，讓衛(wèi)星具備了“思考”能力。

 

2022年11月9日，征集活動(dòng)結(jié)果公布。來自全國各地的11支參賽隊(duì)伍斬獲獎(jiǎng)項(xiàng)，其中，華中科技大學(xué)OpenEdgeNeXt團(tuán)隊(duì)?wèi){借“CoStar：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型動(dòng)態(tài)切分的星地協(xié)同遙感圖像分析系統(tǒng)”獲得冠軍；來自華中科技大學(xué)、武漢大學(xué)、北京郵電大學(xué)、中國電信研究院等科研院所和北京邊界空間科技有限公司的5支隊(duì)伍獲得優(yōu)勝獎(jiǎng)。

 

“太空和衛(wèi)星離自己似乎不再遙遠(yuǎn)，我們的代碼要上天了！”這些年輕的隊(duì)伍朝氣蓬勃，對(duì)未來充滿期待。

 

寫出來的代碼不再“躺”在實(shí)驗(yàn)室里

 

作為冠軍團(tuán)隊(duì)OpenEdgeNeXt的指導(dǎo)老師，華中科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師劉方明最為感慨的是，通過這次比賽，他和學(xué)生們有了一個(gè)極佳的實(shí)踐機(jī)會(huì)，所寫的代碼不再僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室里，而是跟真實(shí)的大場景、真實(shí)的數(shù)據(jù)緊密結(jié)合起來，面向應(yīng)用中的實(shí)際問題，“更好地落地”。

 

他告訴中青報(bào)·中青網(wǎng)記者，“這次能夠跟大賽結(jié)合，以賽促學(xué)，以賽促研，為成果轉(zhuǎn)化提供了更好的條件。”

 

劉方明長期從事分布式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算與邊緣計(jì)算等領(lǐng)域的研究，獲批多項(xiàng)國內(nèi)外專利，曾獲國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。用他的話說，企業(yè)提供了基礎(chǔ)平臺(tái)，發(fā)布“有價(jià)值的場景”，還拿出了切切實(shí)實(shí)困擾業(yè)界的難題。而高校師生則在關(guān)鍵技術(shù)上有著足夠的積累，作為開發(fā)者前來，揭榜應(yīng)戰(zhàn)。

 

這種“新模式”，讓高校師生與產(chǎn)業(yè)平臺(tái)“走到一起”，共同解決云計(jì)算、星地協(xié)同、人工智能這些交叉結(jié)合實(shí)際的問題，產(chǎn)教融合，是個(gè)“共贏的過程”。

 

“以前我們做了關(guān)鍵技術(shù)、原型系統(tǒng)，要想做成果轉(zhuǎn)化確實(shí)是很難的，但這次不用擔(dān)心這個(gè)問題了。華為提供了開源的云原生邊緣計(jì)算平臺(tái)KubeEdge、邊云協(xié)同AI框架Sedna，還有彈性云服務(wù)器、云原生服務(wù)等，以及昇思MindSpore，給了參賽團(tuán)隊(duì)強(qiáng)有力的支撐，我們不必從零開始搭建系統(tǒng)，部署和運(yùn)維的效率大大提升。”劉方明說。

 

OpenEdgeNeXt團(tuán)隊(duì)成員包括華中科技大學(xué)4位在讀博士生和1位在讀碩士生。隊(duì)長陳姝彤和技術(shù)員裴強(qiáng)宇、武靜、胡嘉海，有的發(fā)表過頂級(jí)學(xué)術(shù)論文，有的獲得過國家發(fā)明專利，還有剛?cè)雽W(xué)不久的胡海川，曾帶隊(duì)獲得過世界大學(xué)生超算競賽ASC二等獎(jiǎng)。

 

在參加比賽之前，陳姝彤一直覺得太空和衛(wèi)星離自己很遙遠(yuǎn)。直到這次給衛(wèi)星寫代碼，她才發(fā)現(xiàn)，原來衛(wèi)星上用的技術(shù)，和她研究的方向竟然息息相關(guān)。

 

她忍不住感慨，團(tuán)隊(duì)的科研積累，也可以在太空上施展拳腳。

 

“這讓我們覺得，太空和我們的距離一下子拉近了很多，這也是我們參加比賽的收獲，我們的視野打開了，未來的方向也更加廣闊，更加頂天立地。”陳姝彤從小就對(duì)計(jì)算機(jī)感興趣，在進(jìn)行科研的過程中，她能夠感受到樂趣。

 

OpenEdgeNeXt團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新式地提出了一種星地協(xié)同遙感分析框架，起名叫CoStar。這個(gè)新方案能夠?qū)⑦b感圖像模型一分為二，星載設(shè)備和地面站數(shù)據(jù)中心分別執(zhí)行這個(gè)模型在云和邊的兩部分，實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度、自適應(yīng)、多樣化的星地協(xié)同，可服務(wù)于災(zāi)害監(jiān)測、資源探測等事關(guān)國計(jì)民生的多種應(yīng)用服務(wù)。

 

這種全新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型動(dòng)態(tài)切分機(jī)制，如果安裝在衛(wèi)星上，比傳統(tǒng)方案效率提高2.97倍。此外，CoStar既滿足了推理的精度，還減少了資源消耗，平均帶寬需求率大幅降低。

 

“該方案在推理效率提升及能耗節(jié)省上有巨大技術(shù)優(yōu)勢，商業(yè)轉(zhuǎn)換后，預(yù)計(jì)每年可以節(jié)省超過1億元成本。”劉方明展望。

 

年輕人也能和衛(wèi)星火箭這些“高大上”產(chǎn)生聯(lián)系

 

在比賽過程中，前來揭榜的團(tuán)隊(duì)各顯神通。他們基于云原生、邊緣計(jì)算、AI、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，結(jié)合云原生衛(wèi)星計(jì)算平臺(tái)，創(chuàng)制一個(gè)又一個(gè)作品，展露出欲上九天的氣勢。

 

這些“想上天”的代碼，圍繞著衛(wèi)星的相關(guān)應(yīng)用，能夠加速衛(wèi)星計(jì)算智能化進(jìn)程，幫助衛(wèi)星更好地服務(wù)于應(yīng)急通信、生態(tài)監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、城市建設(shè)等社會(huì)領(lǐng)域。

 

來自武漢大學(xué)遙感學(xué)院的“教學(xué)實(shí)驗(yàn)大樓隊(duì)”，構(gòu)建了一個(gè)“云-管-邊-端”協(xié)同的星地一體化增量學(xué)習(xí)火災(zāi)探測系統(tǒng)，幫助全球野火監(jiān)測預(yù)警，能夠有力支撐全球突發(fā)性、大規(guī)模野火的應(yīng)急響應(yīng)，及時(shí)守護(hù)公眾生命財(cái)產(chǎn)安全和國家生態(tài)安全。

 

而來自“中國電信研究院”的參賽團(tuán)隊(duì)則完成了一個(gè)云原生的星地協(xié)同船舶檢測方案，應(yīng)用于衛(wèi)星+智慧海防領(lǐng)域，能夠助力現(xiàn)代化海港建設(shè)與海上交通管理，實(shí)現(xiàn)船舶偏航、碰撞等危險(xiǎn)實(shí)時(shí)評(píng)估功能，快速地規(guī)劃出安全的救援路線，提升海上應(yīng)急處置救援能力。

 

除了高校、研究所這些科研單位，本次“代碼上太空”大賽也獲得了企業(yè)的廣泛關(guān)注。由北京邊界空間科技有限公司的5名實(shí)習(xí)生組成的“天碼行空”團(tuán)隊(duì)，在本次大賽中獲得優(yōu)勝獎(jiǎng)。

 

團(tuán)隊(duì)隊(duì)長朱祚原本也覺得，衛(wèi)星對(duì)大伙兒來說，是非常遙遠(yuǎn)的一件事，接觸的門檻也很高。但是近兩年，他發(fā)現(xiàn)，越來越多的從業(yè)者，都在積極投入衛(wèi)星應(yīng)用這件事情當(dāng)中。

 

他對(duì)中青報(bào)·中青網(wǎng)記者說，“可能再過幾年，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，有更多基于衛(wèi)星的應(yīng)用出現(xiàn)。今年發(fā)布的一些新手機(jī)，就有基于北斗衛(wèi)星的短報(bào)文功能。未來，人們將利用到衛(wèi)星的更多能力。衛(wèi)星可以給大家的生活提供更多幫助。”

 

近地軌道的衛(wèi)星與地面之間，并不使用常規(guī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IP。而且傳統(tǒng)使用星地協(xié)議設(shè)計(jì)的初衷是為了傳輸遙測遙控信號(hào)，并不適合現(xiàn)在大量的計(jì)算需求，這成為星地互聯(lián)的痛點(diǎn)所在。

 

針對(duì)這一問題，這些天馬行空的年輕人組成了一支“天碼行空”團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一款名為“屏蓬”的星地暢聯(lián)代理程序。他們“打通了從衛(wèi)星到地面之間普適性的鏈路”，可以將星網(wǎng)與地面網(wǎng)無感化連通，使得衛(wèi)星與服務(wù)器直接交互。

 

用團(tuán)隊(duì)成員司家寧的話說，“屏蓬”就像一個(gè)海淘的轉(zhuǎn)運(yùn)公司，幫助信息在地面和衛(wèi)星之間轉(zhuǎn)運(yùn)，簡化了流程，降低了門檻。

 

“屏蓬”解決了星地互聯(lián)問題，也為開發(fā)者提供了極大便利，無須感知衛(wèi)星這一特定場景，任何使用IP協(xié)議的應(yīng)用，都可以無感化地部署于衛(wèi)星之上，“萬碼互聯(lián)”，甚至“人人代碼上太空”。

 

“我們希望衛(wèi)星這件事，不單單是國家在做，而是有越來越多的開發(fā)者，都能低成本地用上這些東西。”司家寧感慨道，年輕開發(fā)者也能和太空、火箭、衛(wèi)星這些高大上的詞產(chǎn)生聯(lián)系。

 

用自己的雙手讓衛(wèi)星變“聰明”

 

司家寧開始對(duì)衛(wèi)星感興趣的契機(jī)，是2021年7月河南鄭州的那場特大暴雨。

 

當(dāng)時(shí)他就在鄭州，目睹了這場災(zāi)難。讓他印象特別深、對(duì)他打擊特別大的一件事，是當(dāng)洪水淹過通信基站，手機(jī)信號(hào)和地鐵站里的電力都受到一定影響，很多信息無法及時(shí)傳達(dá)到位。

 

“我們其實(shí)有途徑解決這件事情，盡管地面的網(wǎng)絡(luò)不是時(shí)時(shí)刻刻都能用，但衛(wèi)星可以為我們打開通往生命的另一條路。”他說。

 

司家寧忍不住設(shè)想，如果在緊急時(shí)刻，手機(jī)信號(hào)可以通過衛(wèi)星回到地面上，就不至于在基站不可用的時(shí)候，“太多的人都閉塞在信息孤島里”。他感慨道，哪怕能多一秒的鏈路可用，沒準(zhǔn)，一條消息及時(shí)發(fā)出去，就能救一車的人。

 

起初，司家寧的研究方向是5G核心網(wǎng)領(lǐng)域，從那之后，便開始接觸衛(wèi)星領(lǐng)域。這個(gè)年輕人希望，未來如果再遇到火災(zāi)、大風(fēng)這種突發(fā)自然災(zāi)害，可以通過自己研發(fā)的技術(shù)，讓救援早一分鐘到達(dá)，讓決策信息早一秒下達(dá)，能多救回一條生命。

 

劉方明也告訴記者，OpenEdgeNeXt設(shè)計(jì)的遙感技術(shù)，其中一種應(yīng)用是搶險(xiǎn)救災(zāi)，關(guān)系到國計(jì)民生和人民生命財(cái)產(chǎn)健康。

 

他提到，近幾年各地發(fā)生山火的新聞十分牽動(dòng)人心。而通過衛(wèi)星，遙感圖像經(jīng)過AI推理，結(jié)合歷史的經(jīng)驗(yàn)，能夠及時(shí)發(fā)覺某個(gè)地方已經(jīng)發(fā)生山火了，甚至是“冒煙了”，快要發(fā)生山火了，政府也就能及時(shí)組織搶險(xiǎn)救災(zāi)。

 

“大量地面上的技術(shù)有機(jī)會(huì)用在衛(wèi)星上的特殊環(huán)境里，以前都是不敢想的事情。開辟太空云計(jì)算之后，我們做地面計(jì)算機(jī)技術(shù)的人，可以有機(jī)會(huì)把技術(shù)貢獻(xiàn)出來。國外有相關(guān)計(jì)劃，我們肯定不能落后，從跟跑，到并跑，到領(lǐng)跑。”他對(duì)記者說，

 

劉方明最早接觸到這次比賽的信息并敏銳結(jié)合自身的研究積累，立刻指導(dǎo)自己的學(xué)生們組建團(tuán)隊(duì)。他起初發(fā)現(xiàn)這些年輕人心里頭都在打鼓，沒什么信心，于是鼓勵(lì)大家“這樣將理論與實(shí)際結(jié)合的機(jī)會(huì)難能可貴”。而且比賽結(jié)束后，很多研究過程中突破的瓶頸、實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新，都可以發(fā)表新的高水平論文。

 

他指導(dǎo)的另一支優(yōu)勝獎(jiǎng)隊(duì)伍OpenCloudNeXt，研究的是星地協(xié)同調(diào)度的問題，即多顆衛(wèi)星之間計(jì)算的調(diào)度和應(yīng)用的部署，同樣收獲良多。

 

“將來還可以跟別人說，我的代碼上天了。”劉方明相信這些年輕人的潛力，也相信他們無窮的精力。他認(rèn)為，這些都是年輕人最大的優(yōu)勢，只要給予指導(dǎo)，給予資源，讓他們放手放膽去做就行。

 

“計(jì)算機(jī)是工科，是以解決問題為結(jié)果導(dǎo)向的。如果將人類知識(shí)面比作一個(gè)球面的話，我希望自己能夠在這個(gè)球面上頂一個(gè)屬于自己的小鼓包，對(duì)于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域做一個(gè)知識(shí)的小延伸，并且能夠做出有用的系統(tǒng)。”團(tuán)隊(duì)的“新手小白”胡海川說。

 

每一個(gè)送代碼上天的年輕人，目標(biāo)都是星辰大海。（記者 張渺）