邊緣計算不再“邊緣”
——記香港理工大學(xué)計算機(jī)系教授郭嵩

吳 彪

2021年6月，加拿大工程院公布了本年度新增的院士名單，其中香港理工大學(xué)計算機(jī)系教授郭嵩與其他51位杰出學(xué)者成功當(dāng)選。郭嵩是云計算、邊緣人工智能、大數(shù)據(jù)和分布式系統(tǒng)領(lǐng)域的國際知名研究員、教育家和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。目前，他已經(jīng)帶領(lǐng)實驗室開發(fā)出眾多邊緣人工智能技術(shù)且成功商業(yè)化，并廣泛實現(xiàn)民用，讓普通人也能享受到AI技術(shù)帶來的便利與實惠是他一直努力在做的事。

“云計算、邊緣計算、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)，這些領(lǐng)域可以濃縮成人、機(jī)、物的融合泛在計算?！闭劦阶约核龅难芯抗ぷ?，郭嵩解釋道。這就好比是將以人為本的理念貫徹于計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)一體化的信息服務(wù)處理過程中，在任何時間、任何地點、以任何方式，都可以通過一個泛在平臺對信息進(jìn)行處理和獲取。

近年來，云計算方興未艾，“邊緣計算”這一新興概念又進(jìn)入人們的視線。隨著5G網(wǎng)絡(luò)、邊緣計算的規(guī)模建設(shè)，如雨后春筍般出現(xiàn)的新興應(yīng)用將加速驅(qū)動數(shù)據(jù)處理由云端向邊側(cè)、端側(cè)的擴(kuò)散。泛在計算的出現(xiàn)，恰好為云計算、邊緣計算的發(fā)展指出了一個新的方向。

在郭嵩看來，邊緣計算的來襲可以算是對云計算的補(bǔ)充?！叭绻麑⒃朴嬎阒行谋扔鳛榇竽X，那么邊緣計算更像是遍布全身的神經(jīng)系統(tǒng)，聯(lián)結(jié)到各個智能終端。我們實驗室的名字就叫邊緣智能?！倍嗄陙?，郭嵩帶領(lǐng)實驗室團(tuán)隊一直為云計算與邊緣計算的融合盡心盡力，在他看來，邊緣計算和云計算相輔相成，缺一不可，對未來科技和技術(shù)發(fā)展的影響也將不可估量。

“電信是最有生機(jī)的行業(yè)”

隨著5G時代的來臨，如今無論是在家、在路上，還是在工作中，大量的場景下都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)量也將毫無疑問變得更加巨大、復(fù)雜，對計算會提出更高的要求，同時也為發(fā)展人工智能、邊緣計算帶來了新機(jī)遇。如果說3G、4G是云計算的時代，那么5G就可以算得上是邊緣計算時代，因為5G通信網(wǎng)絡(luò)更加去中心化，需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署小規(guī)?；蛘弑銛y式數(shù)據(jù)中心，以滿足超高可靠、超低時延通信的需求。

作為5G衍生概念，邊緣計算究竟有何魔力？

伴隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，如今邊緣計算已經(jīng)成為科技界、學(xué)術(shù)界、商界競相追捧的熱門領(lǐng)域。特別是隨著智能駕駛、智能安防、智慧商業(yè)等行業(yè)對終端AI技術(shù)能力的要求越來越高，邊緣計算的魔力變得更大，也就更需要背后的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在算法層面、應(yīng)用層面不斷創(chuàng)新。

邊緣計算的加入，可以讓龐大的數(shù)據(jù)量有條不紊地被處理，也能使數(shù)據(jù)在進(jìn)入云計算中心前就被妥善“解決”，且有著巨大的應(yīng)用潛力。郭嵩介紹，在智慧城市的建設(shè)中，如果增加大量邊緣設(shè)備，就可以輕而易舉觀測到城市車輛、人流和發(fā)展?fàn)顩r；在公共安全領(lǐng)域，視頻監(jiān)控中加入邊緣計算模型，能夠提高其高清視頻數(shù)據(jù)的處理速度，快速鎖定想要尋找的人或物；再者，尋找失蹤人口時，只需要將失蹤者的照片或視頻送給目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的所有邊緣視頻終端，就會搜索相關(guān)區(qū)域內(nèi)的視頻，同時將照片上傳到云端，自動幫助尋找……

而在郭嵩心中，未來邊緣計算的魔力絕不僅限于此。他表示，隨著日后互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)會越來越往云端、數(shù)據(jù)中心遷移，計算也會慢慢轉(zhuǎn)移到云端；與此同時，從移動互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)，計算則出現(xiàn)另外一個趨勢，即從中央向邊緣遷移?！斑吘売嬎阋呀?jīng)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，不再處于邊緣化，目前中國移動、電信、聯(lián)通三大運營商已經(jīng)開始逐步推動各自邊緣計算的發(fā)展；‘工業(yè)4.0’與‘中國制造2025’概念的提出，也同樣都是致力于實現(xiàn)信息技術(shù)與先進(jìn)制造業(yè)結(jié)合，強(qiáng)調(diào)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與實體物理系統(tǒng)的融合。未來邊緣計算將會輻射到越來越多的領(lǐng)域?！惫詫吘売嬎愕陌l(fā)展很有信心。

其實，這份信心很早就在郭嵩內(nèi)心生長了。小時候，父親在部隊里從事無線通信工作，耳濡目染中，郭嵩內(nèi)心已經(jīng)將電信視為一種“高大上”的科技。在父親的影響下，郭嵩本科在華中科技大學(xué)主修計算機(jī)，輔修了無線電專業(yè)，并夢想著朝電信道路一直走下去。“在那個年代，電信就是最有生機(jī)的一個行業(yè)?！惫运f的正是電信行業(yè)茁壯起飛的20世紀(jì)90年代，那時各大運營商和設(shè)備商相繼崛起，國家已經(jīng)制定了跨世紀(jì)的電信發(fā)展目標(biāo)，電信也成為政府優(yōu)先發(fā)展的部門，整個行業(yè)活力滿滿。

完成本科學(xué)業(yè)后，被電信行業(yè)的活力所感染的郭嵩，來到了北京郵電大學(xué)攻讀研究生，從事智能網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的研究。繼續(xù)沿著計算機(jī)與電信研究道路前進(jìn)，使郭嵩在研究生期間對網(wǎng)絡(luò)世界充滿了好奇?！澳菚r只能用PC端上網(wǎng)，就算整個北郵校園也找不到幾個會上網(wǎng)的人，更別說用手機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)了?！被貞浧甬?dāng)時的場景，郭嵩仍歷歷在目。

盡管行業(yè)活力四射，但技術(shù)手段跟不上，發(fā)展速度必然會放緩。郭嵩一心想要深入研究計算機(jī)，找到計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的突破口，在導(dǎo)師的指導(dǎo)和推薦下，碩士畢業(yè)后，郭嵩遠(yuǎn)赴加拿大渥太華大學(xué)進(jìn)行計算機(jī)科學(xué)的博士生學(xué)習(xí)。一到加拿大，郭嵩立刻就感受到了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的另類風(fēng)采?！凹幽么螽?dāng)時的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，并開始朝著泛在計算方向發(fā)展，這就意味著不僅僅是要將網(wǎng)絡(luò)連起來，還要把虛擬網(wǎng)絡(luò)和實體物也連起來?！笔聦嵶C明，郭嵩感知的確實沒錯，此后不到十年時間，加拿大就成功引進(jìn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)，也就是今天的物聯(lián)網(wǎng)，這就相當(dāng)于人類可以通過傳感器感知世界，同時也可將自身的行為反饋給網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)行信息交換和通信。

讀博期間，郭嵩主要針對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了深入研究，積累了豐富的理論基礎(chǔ)與經(jīng)驗。“我最深的體會就是先要把科研工作做得扎實，才能有資本進(jìn)一步去談創(chuàng)新?！痹诠詢?nèi)心，打好科研基礎(chǔ)，積累學(xué)科經(jīng)驗就是為下一步的創(chuàng)新做準(zhǔn)備，這樣的學(xué)習(xí)與工作態(tài)度一直貫穿于郭嵩此后多年的科研生涯中?；叵肫鹉嵌萎悋髮W(xué)歲月，郭嵩也是感慨頗深。加拿大地處高緯度地區(qū)，一年中有近一半的時間都處于寒冷的冬季，一旦下起雪能積起一兩米的厚度，而對于郭嵩來說，每天工作到凌晨兩三點又是常態(tài)。無論多晚，無論多冷，5年間，郭嵩都是這樣一步步往返于宿舍與實驗室，也正是在這一步一個腳印中，郭嵩接受著新事物，熟悉著新事物，也在應(yīng)用新事物中，一點點感受計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)帶來的便利，為后來在云計算與大數(shù)據(jù)、分布式系統(tǒng)、無線通信及移動計算的科研與教學(xué)工作獲取了扎實的專業(yè)知識與豐富的實踐經(jīng)驗。

“霧”里堅守

郭嵩的學(xué)習(xí)能力從小就很強(qiáng)，遇到難題時，他總會主動去思考、去實踐，想辦法找到解決方法，從事科研工作以后亦是如此。2016年，在國外多年的郭嵩回國來到香港理工大學(xué)計算機(jī)系從事大數(shù)據(jù)、邊緣計算、聯(lián)邦學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈等不同方向的研究。而就在2015年，郭嵩已經(jīng)逐漸開始針對泛在計算展開探索，這恰好為他接下來的研究打好了基礎(chǔ)。

來到香港理工大學(xué)工作的這幾年中，郭嵩增長了學(xué)識，也積累了經(jīng)驗。手握越多的科研“法寶”，他就越發(fā)能感受到云計算與邊緣計算的重要性。在此期間，他不斷加強(qiáng)與其他高校在邊緣計算等方面的交流與學(xué)習(xí)，相繼主持參與了多項國家級科研項目，并從一個人的“光桿司令”帶出了如今一支近30人的優(yōu)秀團(tuán)隊。“來到香港理工大學(xué)，我們主要處理人工智能、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論問題，以及為進(jìn)一步找到解決問題的關(guān)鍵技術(shù)做準(zhǔn)備?！惫哉劦馈?/p>

有想法是一瞬間的事情，但要落到實處，卻是漫長而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)工作過程。經(jīng)過幾年積累，郭嵩心里漸漸有了底氣，2019年，他成功申請了國家自然科學(xué)基金項目“面向邊緣智能的資源配置與部署優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究”。據(jù)郭嵩介紹，為了能實時獲取邊緣智能，越來越多的應(yīng)用都需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理，但是用傳統(tǒng)的云平臺既不能實現(xiàn)實時處理數(shù)據(jù)，也不能保護(hù)客戶數(shù)據(jù)的隱私。在這種情況下，隨著云計算概念的延伸，出現(xiàn)了一種新的面向物聯(lián)網(wǎng)的分布式計算基礎(chǔ)設(shè)施，也就是霧計算，它能將計算能力和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用都擴(kuò)展至網(wǎng)絡(luò)的“邊緣”，使客戶能夠在本地分析和管理數(shù)據(jù)，從而通過聯(lián)結(jié)獲得即時的見解。

但這種數(shù)據(jù)的“實時處理”也有“失手”的時候，一旦缺乏足夠的資源支撐和合理的部署策略時，霧計算架構(gòu)就失去了“活力”，不再能夠?qū)崟r獲取邊緣智能信息。

有挑戰(zhàn)才有施展空間，開發(fā)新技術(shù)、破解“卡脖子”問題，沒有基礎(chǔ)研究的積累，拍腦袋是做不出來的。郭嵩團(tuán)隊有著多年人工智能、大數(shù)據(jù)、邊緣計算的研究積累和國際交流經(jīng)驗，這也許是他們驚險過關(guān)的制勝法寶。

有了法寶，郭嵩找到了自己施展拳腳的舞臺，為了找到霧計算架構(gòu)的“活力”，他在項目研究過程中，以高效邊緣智能信息獲取的新視角出發(fā)，對霧計算中的資源配置和部署優(yōu)化展開一系列研究。首先要解決的是找到能更高效且靈活地獲取邊緣智能的方法，為此郭嵩從傳統(tǒng)的分布式深度學(xué)習(xí)算法中獲得靈感，將訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到多樣化的終端設(shè)備或霧節(jié)點，再根據(jù)客戶對任務(wù)精度的不同需求來選擇最適合的節(jié)點進(jìn)行部署，這樣就能隨時獲取到邊緣智能。其次，郭嵩意識到，當(dāng)有多個任務(wù)同時發(fā)出資源需求的指令時，如何對這些任務(wù)進(jìn)行資源配置也很棘手，但通過研究多任務(wù)下的協(xié)同資源配置以及基于任務(wù)性能指標(biāo)優(yōu)先級這兩種資源配置策略后，團(tuán)隊最終成功找到了最優(yōu)配置方法。

研究中，郭嵩還遇到一個問題，那就是以往的研究中多是以靜態(tài)為前提進(jìn)行資源部署，然而許多實際場景中，資源都是動態(tài)的，為此郭嵩改變策略，面向邊緣智能QoS的資源部署與優(yōu)化問題展開研究，他在應(yīng)用資源需求動態(tài)變化條件下，重新思考了邊緣資源應(yīng)該如何部署的問題，并針對資源的需求預(yù)測進(jìn)行了新的資源部署優(yōu)化。

腳踏實地保數(shù)據(jù)

“要做的事情很多，邊緣計算、智慧醫(yī)療、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈……”一項研究完成，郭嵩又一刻不停地開始新的思考。為了充分發(fā)揮邊緣設(shè)備和大數(shù)據(jù)的潛能，他主持了“邊緣學(xué)習(xí)：云端和邊緣融合環(huán)境中分布式大數(shù)據(jù)分析的實現(xiàn)技術(shù)”項目，并獲得了530萬港元的香港研究資助局研究影響基金的資助。他帶領(lǐng)團(tuán)隊提出“邊緣學(xué)習(xí)”的概念，把機(jī)器學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練和推斷過程引入邊緣環(huán)境中，以在云端和邊緣環(huán)境中進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。這種方法與云端運算方法相輔相成，既能避免在數(shù)據(jù)傳輸過程中浪費過多的資源，也能保證隱私安全。一想到能夠通過這一項目，將邊緣學(xué)習(xí)的概念在智慧城市、智慧醫(yī)療等智能化應(yīng)用中得到實現(xiàn)，他的內(nèi)心充滿激情、充滿熱情。

為了能盡快看到科研成果應(yīng)用于智慧城市、智慧醫(yī)療等智能化應(yīng)用，郭嵩團(tuán)隊開始了技術(shù)推廣與實踐的道路。郭嵩表示，近年來電話、平板計算機(jī)、傳感器等一些邊緣設(shè)備變得越來越普及，這些設(shè)備通常會定期產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，并構(gòu)成大數(shù)據(jù)，而大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)對于大部分智能應(yīng)用都有至關(guān)重要的作用。善于發(fā)現(xiàn)問題、尋找新思路的郭嵩，認(rèn)為不能拘泥于基于云端運算的傳統(tǒng)方法，“邊緣學(xué)習(xí)”的概念就這樣應(yīng)運而生。

但在將理論變?yōu)楝F(xiàn)實的路上，郭嵩遇到了難題，團(tuán)隊成功將訓(xùn)練和推斷過程移至邊緣環(huán)境中進(jìn)行，但卻遇到邊緣設(shè)備資源有限、邊緣環(huán)境危機(jī)四伏等挑戰(zhàn)。為了找到突破口，郭嵩帶領(lǐng)團(tuán)隊相繼開辟出協(xié)作學(xué)習(xí)架構(gòu)、面向?qū)W習(xí)的通信方案、容錯和彈性策略、隱私保護(hù)和安全保證，以及訓(xùn)練好的模型部署和更新等多種新的邊緣學(xué)習(xí)技術(shù)。此外，團(tuán)隊還計劃開發(fā)邊緣學(xué)習(xí)平臺，以便可以讓機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用程序以高效且安全的方式在邊緣環(huán)境中進(jìn)行，從而更好地支持智慧城市中的人工智能服務(wù)。

付出總會有回報，邊緣學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用在智慧城市、智慧醫(yī)療等多領(lǐng)域里發(fā)光發(fā)亮。例如在智慧城市的建設(shè)中，應(yīng)用通常需要將數(shù)據(jù)上傳云端，經(jīng)過計算再對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。然而世事難料，城市中潛藏著層出不窮、難以預(yù)想的危險與意外，此時時間就是生命，為了應(yīng)對意外，找到及時發(fā)現(xiàn)危機(jī)并解決的方法至關(guān)重要。針對這種情況，郭嵩團(tuán)隊運用邊緣學(xué)習(xí)技術(shù)實現(xiàn)了對視頻流的實時處理，成功應(yīng)對城市復(fù)雜環(huán)境下的風(fēng)險預(yù)警和響應(yīng)。團(tuán)隊還與香港理工大學(xué)房地產(chǎn)系、電子工程系等團(tuán)隊進(jìn)行合作，共同推動了基于邊緣智能的風(fēng)險管理技術(shù)在工地安全保障方面的深入研究。

智慧醫(yī)療方面，郭嵩也取得了重要收獲。他們針對當(dāng)前青少年脊柱側(cè)彎篩查方法的種種缺陷，提出了遠(yuǎn)程篩查跟蹤，以及家庭實時AI監(jiān)控的運動康復(fù)治療的新觀點。團(tuán)隊基于移動端的體態(tài)篩查算法和實時運動康復(fù)跟蹤算法，通過模型量化壓縮后在移動端執(zhí)行高效的推理計算，做到了遠(yuǎn)程體態(tài)在線評估和實時運動康復(fù)跟蹤，成果成功推廣應(yīng)用于華西醫(yī)院、香港復(fù)康會、揚州市青少年脊柱健康中心等機(jī)構(gòu)。

站在云端學(xué)習(xí)

沿著“邊緣”行走多年，郭嵩內(nèi)心早已將邊緣計算作為他事業(yè)的根，也是他科學(xué)研究的根。如今，他再次將科研的根伸向更遠(yuǎn)的地方。

郭嵩提到，盡管物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、人工智能等技術(shù)在得到快速發(fā)展的同時，邊緣智能化應(yīng)用也在加快普及，但不容忽視的一點是，目前我國針對云—邊緣—終端（云邊端）的協(xié)同學(xué)習(xí)架構(gòu)研究仍處于低迷狀態(tài)，無論是在學(xué)習(xí)架構(gòu)、資源管理，還是學(xué)習(xí)算法、隱私安全方面都有許多亟待解決的問題。

在這種情況下，2021年，郭嵩帶領(lǐng)實驗室展開了新的探索——深圳市科技創(chuàng)新委員會基礎(chǔ)研究重點項目“云邊端協(xié)同學(xué)習(xí)架構(gòu)與關(guān)鍵優(yōu)化理論研究”，團(tuán)隊提出開展云邊端協(xié)同學(xué)習(xí)架構(gòu)與關(guān)鍵優(yōu)化理論研究，并通過融合邊緣計算、分布式機(jī)器學(xué)習(xí)、聯(lián)邦學(xué)習(xí)等主要研究方向，確定了“學(xué)習(xí)架構(gòu)—資源管理—學(xué)習(xí)算法—隱私安全”的研究主線，希望以此來研究面向云邊端協(xié)同學(xué)習(xí)的方法和關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)既高效可靠，又保證精確與隱私安全的云邊端協(xié)同學(xué)習(xí)框架。當(dāng)然，郭嵩團(tuán)隊的研究目標(biāo)不只要力爭取得高質(zhì)量的學(xué)術(shù)成果，還要形成具有自主產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)和國際標(biāo)準(zhǔn)，使云邊端協(xié)同學(xué)習(xí)框架的智能化邊緣服務(wù)能夠廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、民生、安全等多方面，為我國的信息技術(shù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

目前，郭嵩團(tuán)隊初步完成了研究方向的設(shè)定，計劃設(shè)計一種多層次、動態(tài)化的信息融合體系架構(gòu)，使其能清楚地感知位置與通信，并使學(xué)習(xí)架構(gòu)更好地適應(yīng)各種邊緣環(huán)境；此外，團(tuán)隊還提出在動態(tài)且復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，要盡早實現(xiàn)面向?qū)W習(xí)框架的高效通信機(jī)制，為此團(tuán)隊在多方實驗的基礎(chǔ)上，計劃接下來建立新的具有更高資源利用率及更低功耗的資源管理機(jī)制，通過這種機(jī)制，計算資源可以自行感知分配模型和通信資源并合理分配，從而可進(jìn)一步平衡計算與通信，最終實現(xiàn)降低功耗，提高計算效率。

值得一提的是，在項目研究計劃之外郭嵩還另有打算，在云邊端協(xié)同學(xué)習(xí)框架構(gòu)建成功后，團(tuán)隊還將在云邊端環(huán)境下開發(fā)VR視頻智能分析平臺，利用平臺來驗證所提出的體系架構(gòu)、理論模型、技術(shù)方法的合理性和正確性，并進(jìn)一步將協(xié)同學(xué)習(xí)框架推廣到智能監(jiān)控、自動駕駛、智慧醫(yī)療、智能交通等領(lǐng)域。

心中有信仰，腳下有力量。無論何時，郭嵩都能對科研工作充滿干勁和信心，在他看來，這不只源于興趣，更是對科學(xué)的信念。如今，這份堅持延續(xù)到郭嵩對學(xué)生的培養(yǎng)中。談起曾經(jīng)教過的學(xué)生，郭嵩滿是欣慰與自豪，“很多學(xué)生已經(jīng)獨當(dāng)一面，成為世界各地高校的科研骨干”。不難看出，對于郭嵩來說，一名老師最大的成就，就是看著自己的學(xué)生能夠在各自的領(lǐng)域里發(fā)光。

雖然時代在變化，為了適應(yīng)不同時代的孩子的思想，老師的教育教學(xué)的方式也在不斷變化，但教育的本質(zhì)沒變，為學(xué)生前途考慮和著想仍是每一名老師的心聲。對于郭嵩來說同樣如此，因材施教是他一直堅持的教學(xué)理念。“每一個學(xué)生都有閃光點，要看到學(xué)生不同方面的長處，幫助學(xué)生把閃光點放到最大。”多年來，郭嵩就這樣堅定地用努力和汗水澆灌著每一名學(xué)生的科研道路。

回望過去，當(dāng)一次次新技術(shù)研發(fā)成功的消息傳來，郭嵩與團(tuán)隊也迎來了一次次的鮮花和掌聲。但靜下心來，郭嵩不免感慨，光榮和熱鬧總會過去，作為一名科技工作者，他將時刻準(zhǔn)備著回到“冷板凳”上，進(jìn)入下一輪的奮斗。