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。

 

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

 

“天算星座”計劃由北京郵電大學深圳研究院與天儀研究院共同發(fā)起，首顆先導星已于2021年12月成功發(fā)射，預計2023年完成一期組網(wǎng)建設，建成后將成為中國科研衛(wèi)星領域的生力軍，也將是全球衛(wèi)星網(wǎng)絡科技創(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算領域，實現(xiàn)了衛(wèi)星計算平臺的智能化，讓衛(wèi)星具備了“思考”能力。

 

2022年11月9日，征集活動結果公布。來自全國各地的11支參賽隊伍斬獲獎項，其中，華中科技大學OpenEdgeNeXt團隊憑借“CoStar：基于神經(jīng)網(wǎng)絡模型動態(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、武漢大學、北京郵電大學、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支隊伍獲得優(yōu)勝獎。

 

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

 

寫出來的代碼不再“躺”在實驗室里

 

作為冠軍團隊OpenEdgeNeXt的指導老師，華中科技大學教授、博士生導師劉方明最為感慨的是，通過這次比賽，他和學生們有了一個極佳的實踐機會，所寫的代碼不再僅僅停留在實驗室里，而是跟真實的大場景、真實的數(shù)據(jù)緊密結合起來，面向應用中的實際問題，“更好地落地”。

 

他告訴中青報·中青網(wǎng)記者，“這次能夠跟大賽結合，以賽促學，以賽促研，為成果轉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、云計算與邊緣計算等領域的研究，獲批多項國內(nèi)外專利，曾獲國家自然科學二等獎、教育部自然科學一等獎等獎項。用他的話說，企業(yè)提供了基礎平臺，發(fā)布“有價值的場景”，還拿出了切切實實困擾業(yè)界的難題。而高校師生則在關鍵技術上有著足夠的積累，作為開發(fā)者前來，揭榜應戰(zhàn)。

 

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

 

“以前我們做了關鍵技術、原型系統(tǒng)，要想做成果轉化確實是很難的，但這次不用擔心這個問題了。華為提供了開源的云原生邊緣計算平臺KubeEdge、邊云協(xié)同AI框架Sedna，還有彈性云服務器、云原生服務等，以及昇思MindSpore，給了參賽團隊強有力的支撐，我們不必從零開始搭建系統(tǒng)，部署和運維的效率大大提升。”劉方明說。

 

OpenEdgeNeXt團隊成員包括華中科技大學4位在讀博士生和1位在讀碩士生。隊長陳姝彤和技術員裴強宇、武靜、胡嘉海，有的發(fā)表過頂級學術論文，有的獲得過國家發(fā)明專利，還有剛入學不久的胡海川，曾帶隊獲得過世界大學生超算競賽ASC二等獎。

 

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。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，和她研究的方向竟然息息相關。

 

她忍不住感慨，團隊的科研積累，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。”陳姝彤從小就對計算機感興趣，在進行科研的過程中，她能夠感受到樂趣。

 

OpenEdgeNeXt團隊創(chuàng)新式地提出了一種星地協(xié)同遙感分析框架，起名叫CoStar。這個新方案能夠將遙感圖像模型一分為二，星載設備和地面站數(shù)據(jù)中心分別執(zhí)行這個模型在云和邊的兩部分，實現(xiàn)細粒度、自適應、多樣化的星地協(xié)同，可服務于災害監(jiān)測、資源探測等事關國計民生的多種應用服務。

 

這種全新的神經(jīng)網(wǎng)絡模型動態(tài)切分機制，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)省上有巨大技術優(yōu)勢，商業(yè)轉換后，預計每年可以節(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，前來揭榜的團隊各顯神通。他們基于云原生、邊緣計算、AI、大數(shù)據(jù)等技術，結合云原生衛(wèi)星計算平臺，創(chuàng)制一個又一個作品，展露出欲上九天的氣勢。

 

這些“想上天”的代碼，圍繞著衛(wèi)星的相關應用，能夠加速衛(wèi)星計算智能化進程，幫助衛(wèi)星更好地服務于應急通信、生態(tài)監(jiān)測、防災減災、城市建設等社會領域。

 

來自武漢大學遙感學院的“教學實驗大樓隊”，構建了一個“云-管-邊-端”協(xié)同的星地一體化增量學習火災探測系統(tǒng)，幫助全球野火監(jiān)測預警，能夠有力支撐全球突發(fā)性、大規(guī)模野火的應急響應，及時守護公眾生命財產(chǎn)安全和國家生態(tài)安全。

 

而來自“中國電信研究院”的參賽團隊則完成了一個云原生的星地協(xié)同船舶檢測方案，應用于衛(wèi)星+智慧海防領域，能夠助力現(xiàn)代化海港建設與海上交通管理，實現(xiàn)船舶偏航、碰撞等危險實時評估功能，快速地規(guī)劃出安全的救援路線，提升海上應急處置救援能力。

 

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)的廣泛關注。由北京邊界空間科技有限公司的5名實習生組成的“天碼行空”團隊，在本次大賽中獲得優(yōu)勝獎。

 

團隊隊長朱祚原本也覺得，衛(wèi)星對大伙兒來說，是非常遙遠的一件事，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)星應用這件事情當中。

 

他對中青報·中青網(wǎng)記者說，“可能再過幾年，就會發(fā)現(xiàn)，有更多基于衛(wèi)星的應用出現(xiàn)。今年發(fā)布的一些新手機，就有基于北斗衛(wèi)星的短報文功能。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)絡協(xié)議IP。而且傳統(tǒng)使用星地協(xié)議設計的初衷是為了傳輸遙測遙控信號，并不適合現(xiàn)在大量的計算需求，這成為星地互聯(lián)的痛點所在。

 

針對這一問題，這些天馬行空的年輕人組成了一支“天碼行空”團隊，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)星與服務器直接交互。

 

用團隊成員司家寧的話說，“屏蓬”就像一個海淘的轉運公司，幫助信息在地面和衛(wèi)星之間轉運，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”

 

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

 

當時他就在鄭州，目睹了這場災難。讓他印象特別深、對他打擊特別大的一件事，是當洪水淹過通信基站，手機信號和地鐵站里的電力都受到一定影響，很多信息無法及時傳達到位。

 

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

 

司家寧忍不住設想，如果在緊急時刻，手機信號可以通過衛(wèi)星回到地面上，就不至于在基站不可用的時候，“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，一條消息及時發(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)領域，從那之后，便開始接觸衛(wèi)星領域。這個年輕人希望，未來如果再遇到火災、大風這種突發(fā)自然災害，可以通過自己研發(fā)的技術，讓救援早一分鐘到達，讓決策信息早一秒下達，能多救回一條生命。

 

劉方明也告訴記者，OpenEdgeNeXt設計的遙感技術，其中一種應用是搶險救災，關系到國計民生和人民生命財產(chǎn)健康。

 

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

 

“大量地面上的技術有機會用在衛(wèi)星上的特殊環(huán)境里，以前都是不敢想的事情。開辟太空云計算之后，我們做地面計算機技術的人，可以有機會把技術貢獻出來。國外有相關計劃，我們肯定不能落后，從跟跑，到并跑，到領跑。”他對記者說，

 

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

 

他指導的另一支優(yōu)勝獎隊伍OpenCloudNeXt，研究的是星地協(xié)同調(diào)度的問題，即多顆衛(wèi)星之間計算的調(diào)度和應用的部署，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。他認為，這些都是年輕人最大的優(yōu)勢，只要給予指導，給予資源，讓他們放手放膽去做就行。

 

“計算機是工科，是以解決問題為結果導向的。如果將人類知識面比作一個球面的話，我希望自己能夠在這個球面上頂一個屬于自己的小鼓包，對于計算機領域做一個知識的小延伸，并且能夠做出有用的系統(tǒng)。”團隊的“新手小白”胡海川說。

 

每一個送代碼上天的年輕人，目標都是星辰大海。（記者 張渺）