用自己的双手让卫星变“聪明” 这些年轻人的代码上天了

来源:中国青年报 作者:记者 张渺 2022-11-21 字号: T T

距离地表数百至上千公里的低轨卫星轨道上,许多年轻人的梦想,即将和数颗卫星一起在太空中翱翔。

由华中科技大学教授刘方明指导的博士研究生陈姝彤和OpenEdgeNeXt团队的小伙伴们,就是其中一群年轻人。今年6月,中国青年报社、北京邮电大学、华为云联合发起了“代码上太空”征集活动。包括陈姝彤在内的广大青年学生受邀前来,开发适用于卫星的创新应用。她们的优胜作品将有机会通过全球首个云原生卫星计算平台,部署到“天算星座”计划的多颗卫星中,让卫星变得“更聪明”。

“天算星座”计划由北京邮电大学深圳研究院与天仪研究院共同发起,首颗先导星已于2021年12月成功发射,预计2023年完成一期组网建设,建成后将成为我国科研卫星领域的生力军,也将是全球卫星网络科技创新基地之一。华为云作为“天算星座”首批共建单位,首次将云原生、边云协同等理念引入空间计算领域,实现了卫星计算平台的智能化,让卫星具备了“思考”能力。

2022年11月9日,征集活动结果公布。来自全国各地的11支参赛队伍斩获奖项,其中,华中科技大学OpenEdgeNeXt团队凭借“CoStar:基于神经网络模型动态切分的星地协同遥感图像分析系统”获得冠军;来自华中科技大学、武汉大学、北京邮电大学、中国电信研究院等科研院所和北京边界空间科技有限公司的5支队伍获得优胜奖。

“太空和卫星离自己似乎不再遥远,我们的代码要上天了!”这些年轻的队伍朝气蓬勃,对未来充满期待。

写出来的代码不再“躺”在实验室里

作为冠军团队OpenEdgeNeXt的指导老师,华中科技大学教授、博士生导师刘方明最为感慨的是,通过这次比赛,他和学生们有了一个极佳的实践机会,所写的代码不再仅仅停留在实验室里,而是跟真实的大场景、真实的数据紧密结合起来,面向应用中的实际问题,“更好地落地”。

他告诉中青报·中青网记者,“这次能够跟大赛结合,以赛促学,以赛促研,为成果转化提供了更好的条件。”

刘方明长期从事分布式系统与网络、云计算与边缘计算等领域的研究,获批多项国内外专利,曾获国家自然科学二等奖、教育部自然科学一等奖等奖项。用他的话说,企业提供了基础平台,发布“有价值的场景”,还拿出了切切实实困扰业界的难题。而高校师生则在关键技术上有着足够的积累,作为开发者前来,揭榜应战。

这种“新模式”,让高校师生与产业平台“走到一起”,共同解决云计算、星地协同、人工智能这些交叉结合实际的问题,产教融合,是个“共赢的过程”。

“以前我们做了关键技术、原型系统,要想做成果转化确实是很难的,但这次不用担心这个问题了。华为提供了开源的云原生边缘计算平台KubeEdge、边云协同AI框架Sedna,还有弹性云服务器、云原生服务等,以及昇思MindSpore,给了参赛团队强有力的支撑,我们不必从零开始搭建系统,部署和运维的效率大大提升。”刘方明说。

OpenEdgeNeXt团队成员包括华中科技大学4位在读博士生和1位在读硕士生。队长陈姝彤和技术员裴强宇、武静、胡嘉海,有的发表过顶级学术论文,有的获得过国家发明专利,还有刚入学不久的胡海川,曾带队获得过世界大学生超算竞赛ASC二等奖。

在参加比赛之前,陈姝彤一直觉得太空和卫星离自己很遥远。直到这次给卫星写代码,她才发现,原来卫星上用的技术,和她研究的方向竟然息息相关。

她忍不住感慨,团队的科研积累,也可以在太空上施展拳脚。

“这让我们觉得,太空和我们的距离一下子拉近了很多,这也是我们参加比赛的收获,我们的视野打开了,未来的方向也更加广阔,更加顶天立地。”陈姝彤从小就对计算机感兴趣,在进行科研的过程中,她能够感受到乐趣。

OpenEdgeNeXt团队创新式地提出了一种星地协同遥感分析框架,起名叫CoStar。这个新方案能够将遥感图像模型一分为二,星载设备和地面站数据中心分别执行这个模型在云和边的两部分,实现细粒度、自适应、多样化的星地协同,可服务于灾害监测、资源探测等事关国计民生的多种应用服务。

这种全新的神经网络模型动态切分机制,如果安装在卫星上,比传统方案效率提高2.97倍。此外,CoStar既满足了推理的精度,还减少了资源消耗,平均带宽需求率大幅降低。

“该方案在推理效率提升及能耗节省上有巨大技术优势,商业转换后,预计每年可以节省超过1亿元成本。”刘方明展望。

年轻人也能和卫星火箭这些“高大上”产生联系

在比赛过程中,前来揭榜的团队各显神通。他们基于云原生、边缘计算、AI、大数据等技术,结合云原生卫星计算平台,创制一个又一个作品,展露出欲上九天的气势。

这些“想上天”的代码,围绕着卫星的相关应用,能够加速卫星计算智能化进程,帮助卫星更好地服务于应急通信、生态监测、防灾减灾、城市建设等社会领域。

来自武汉大学遥感学院的“教学实验大楼队”,构建了一个“云-管-边-端”协同的星地一体化增量学习火灾探测系统,帮助全球野火监测预警,能够有力支撑全球突发性、大规模野火的应急响应,及时守护公众生命财产安全和国家生态安全。

而来自“中国电信研究院”的参赛团队则完成了一个云原生的星地协同船舶检测方案,应用于卫星+智慧海防领域,能够助力现代化海港建设与海上交通管理,实现船舶偏航、碰撞等危险实时评估功能,快速地规划出安全的救援路线,提升海上应急处置救援能力。

除了高校、研究所这些科研单位,本次“代码上太空”大赛也获得了企业的广泛关注。由北京边界空间科技有限公司的5名实习生组成的“天码行空”团队,在本次大赛中获得优胜奖。

团队队长朱祚原本也觉得,卫星对大伙儿来说,是非常遥远的一件事,接触的门槛也很高。但是近两年,他发现,越来越多的从业者,都在积极投入卫星应用这件事情当中。

他对中青报·中青网记者说,“可能再过几年,就会发现,有更多基于卫星的应用出现。今年发布的一些新手机,就有基于北斗卫星的短报文功能。未来,人们将利用到卫星的更多能力。卫星可以给大家的生活提供更多帮助。”

近地轨道的卫星与地面之间,并不使用常规网络协议IP。而且传统使用星地协议设计的初衷是为了传输遥测遥控信号,并不适合现在大量的计算需求,这成为星地互联的痛点所在。

针对这一问题,这些天马行空的年轻人组成了一支“天码行空”团队,开发了一款名为“屏蓬”的星地畅联代理程序。他们“打通了从卫星到地面之间普适性的链路”,可以将星网与地面网无感化连通,使得卫星与服务器直接交互。

用团队成员司家宁的话说,“屏蓬”就像一个海淘的转运公司,帮助信息在地面和卫星之间转运,简化了流程,降低了门槛。

“屏蓬”解决了星地互联问题,也为开发者提供了极大便利,无须感知卫星这一特定场景,任何使用IP协议的应用,都可以无感化地部署于卫星之上,“万码互联”,甚至“人人代码上太空”。

“我们希望卫星这件事,不单单是国家在做,而是有越来越多的开发者,都能低成本地用上这些东西。”司家宁感慨道,年轻开发者也能和太空、火箭、卫星这些高大上的词产生联系。

用自己的双手让卫星变“聪明”

司家宁开始对卫星感兴趣的契机,是2021年7月河南郑州的那场特大暴雨。

当时他就在郑州,目睹了这场灾难。让他印象特别深、对他打击特别大的一件事,是当洪水淹过通信基站,手机信号和地铁站里的电力都受到一定影响,很多信息无法及时传达到位。

“我们其实有途径解决这件事情,尽管地面的网络不是时时刻刻都能用,但卫星可以为我们打开通往生命的另一条路。”他说。

司家宁忍不住设想,如果在紧急时刻,手机信号可以通过卫星回到地面上,就不至于在基站不可用的时候,“太多的人都闭塞在信息孤岛里”。他感慨道,哪怕能多一秒的链路可用,没准,一条消息及时发出去,就能救一车的人。

起初,司家宁的研究方向是5G核心网领域,从那之后,便开始接触卫星领域。这个年轻人希望,未来如果再遇到火灾、大风这种突发自然灾害,可以通过自己研发的技术,让救援早一分钟到达,让决策信息早一秒下达,能多救回一条生命。

刘方明也告诉记者,OpenEdgeNeXt设计的遥感技术,其中一种应用是抢险救灾,关系到国计民生和人民生命财产健康。

他提到,近几年各地发生山火的新闻十分牵动人心。而通过卫星,遥感图像经过AI推理,结合历史的经验,能够及时发觉某个地方已经发生山火了,甚至是“冒烟了”,快要发生山火了,政府也就能及时组织抢险救灾。

“大量地面上的技术有机会用在卫星上的特殊环境里,以前都是不敢想的事情。开辟太空云计算之后,我们做地面计算机技术的人,可以有机会把技术贡献出来。国外有相关计划,我们肯定不能落后,从跟跑,到并跑,到领跑。”他对记者说,

刘方明最早接触到这次比赛的信息并敏锐结合自身的研究积累,立刻指导自己的学生们组建团队。他起初发现这些年轻人心里头都在打鼓,没什么信心,于是鼓励大家“这样将理论与实际结合的机会难能可贵”。而且比赛结束后,很多研究过程中突破的瓶颈、实现的创新,都可以发表新的高水平论文。

他指导的另一支优胜奖队伍OpenCloudNeXt,研究的是星地协同调度的问题,即多颗卫星之间计算的调度和应用的部署,同样收获良多。

“将来还可以跟别人说,我的代码上天了。”刘方明相信这些年轻人的潜力,也相信他们无穷的精力。他认为,这些都是年轻人最大的优势,只要给予指导,给予资源,让他们放手放胆去做就行。

“计算机是工科,是以解决问题为结果导向的。如果将人类知识面比作一个球面的话,我希望自己能够在这个球面上顶一个属于自己的小鼓包,对于计算机领域做一个知识的小延伸,并且能够做出有用的系统。”团队的“新手小白”胡海川说。

每一个送代码上天的年轻人,目标都是星辰大海。