用自己的雙手讓衛星變“聰明” 這些年輕人的代碼上天了
我們的代碼上天了
距離地表數百至上千公里的低軌衛星軌道上，許多年輕人的夢想，即將和數顆衛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團隊的小夥伴們，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、華為雲聯合發起了“代碼上太空”徵集活動。包括陳姝彤在內的廣大青年學生受邀前來，開發適用於衛星的創新應用。她們的優勝作品將有機會通過全球首個雲原生衛星計算平臺，部署到“天算星座”計劃的多顆衛星中，讓衛星變得“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起，首顆先導星已于2021年12月成功發射，預計2023年完成一期組網建設，建成後將成為我國科研衛星領域的生力軍，也將是全球衛星網路科技創新基地之一。華為雲作為“天算星座”首批共建單位，首次將雲原生、邊雲協同等理念引入空間計算領域，實現了衛星計算平臺的智慧化，讓衛星具備了“思考”能力。
2022年11月9日，徵集活動結果公佈。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團隊憑藉“CoStar：基於神經網路模型動態切分的星地協同遙感圖像分析系統”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支隊伍獲得優勝獎。
“太空和衛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”在實驗室裏
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裏，而是跟真實的大場景、真實的數據緊密結合起來，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。”
劉方明長期從事分佈式系統與網路、雲計算與邊緣計算等領域的研究，獲批多項國內外專利，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，企業提供了基礎平臺，發佈“有價值的場景”，還拿出了切切實實困擾業界的難題。而高校師生則在關鍵技術上有著足夠的積累，作為開發者前來，揭榜應戰。
這種“新模式”，讓高校師生與產業平臺“走到一起”，共同解決雲計算、星地協同、人工智慧這些交叉結合實際的問題，產教融合，是個“共贏的過程”。
“以前我們做了關鍵技術、原型系統，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。華為提供了開源的雲原生邊緣計算平臺KubeEdge、邊雲協同AI框架Sedna，還有彈性雲伺服器、雲原生服務等，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，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，有的發表過頂級學術論文，有的獲得過國家發明專利，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星離自己很遙遠。直到這次給衛星寫代碼，她才發現，原來衛星上用的技術，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穫，我們的視野打開了，未來的方向也更加廣闊，更加頂天立地。”陳姝彤從小就對電腦感興趣，在進行科研的過程中，她能夠感受到樂趣。
OpenEdgeNeXt團隊創新式地提出了一種星地協同遙感分析框架，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據中心分別執行這個模型在雲和邊的兩部分，實現細粒度、自適應、多樣化的星地協同，可服務於災害監測、資源探測等事關國計民生的多種應用服務。
這種全新的神經網路模型動態切分機制，如果安裝在衛星上，比傳統方案效率提高2.97倍。此外，CoStar既滿足了推理的精度，還減少了資源消耗，平均頻寬需求率大幅降低。
“該方案在推理效率提升及能耗節省上有巨大技術優勢，商業轉換後，預計每年可以節省超過1億元成本。”劉方明展望。
年輕人也能和衛星火箭這些“高大上”產生聯繫
在比賽過程中，前來揭榜的團隊各顯神通。他們基於雲原生、邊緣計算、AI、大數據等技術，結合雲原生衛星計算平臺，創制一個又一個作品，展露出欲上九天的氣勢。
這些“想上天”的代碼，圍繞著衛星的相關應用，能夠加速衛星計算智慧化進程，幫助衛星更好地服務於應急通信、生態監測、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“雲-管-邊-端”協同的星地一體化增量學習火災探測系統，幫助全球野火監測預警，能夠有力支撐全球突發性、大規模野火的應急響應，及時守護公眾生命財產安全和國家生態安全。
而來自“中國電信研究院”的參賽團隊則完成了一個雲原生的星地協同船舶檢測方案，應用於衛星+智慧海防領域，能夠助力現代化海港建設與海上交通管理，實現船舶偏航、碰撞等危險實時評估功能，快速地規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勝獎。
團隊隊長朱祚原本也覺得，衛星對大夥兒來說，是非常遙遠的一件事，接觸的門檻也很高。但是近兩年，他發現，越來越多的從業者，都在積極投入衛星應用這件事情當中。
他對中青報·中青網記者說，“可能再過幾年，就會發現，有更多基於衛星的應用出現。今年發佈的一些新手機，就有基於北斗衛星的短報文功能。未來，人們將利用到衛星的更多能力。衛星可以給大家的生活提供更多幫助。”
近地軌道的衛星與地面之間，並不使用常規網路協議IP。而且傳統使用星地協議設計的初衷是為了傳輸遙測遙控信號，並不適合現在大量的計算需求，這成為星地互聯的痛點所在。
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，開發了一款名為“屏蓬”的星地暢聯代理程式。他們“打通了從衛星到地面之間普適性的鏈路”，可以將星網與地面網無感化連通，使得衛星與伺服器直接交互。
用團隊成員司家寧的話說，“屏蓬”就像一個海淘的轉運公司，幫助資訊在地面和衛星之間轉運，簡化了流程，降低了門檻。
“屏蓬”解決了星地互聯問題，也為開發者提供了極大便利，無須感知衛星這一特定場景，任何使用IP協議的應用，都可以無感化地部署于衛星之上，“萬碼互聯”，甚至“人人代碼上太空”。
“我們希望衛星這件事，不單單是國家在做，而是有越來越多的開發者，都能低成本地用上這些東西。”司家寧感慨道，年輕開發者也能和太空、火箭、衛星這些高大上的詞產生聯繫。
用自己的雙手讓衛星變“聰明”
司家寧開始對衛星感興趣的契機，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，手機信號和地鐵站裏的電力都受到一定影響，很多資訊無法及時傳達到位。
“我們其實有途徑解決這件事情，儘管地面的網路不是時時刻刻都能用，但衛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星回到地面上，就不至於在基站不可用的時候，“太多的人都閉塞在資訊孤島裏”。他感慨道，哪怕能多一秒的鏈路可用，沒準，一條消息及時發出去，就能救一車的人。
起初，司家寧的研究方向是5G核心網領域，從那之後，便開始接觸衛星領域。這個年輕人希望，未來如果再遇到火災、大風這種突發自然災害，可以通過自己研發的技術，讓救援早一分鐘到達，讓決策資訊早一秒下達，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，關係到國計民生和人民生命財產健康。
他提到，近幾年各地發生山火的新聞十分牽動人心。而通過衛星，遙感圖像經過AI推理，結合歷史的經驗，能夠及時發覺某個地方已經發生山火了，甚至是“冒煙了”，快要發生山火了，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星上的特殊環境裏，以前都是不敢想的事情。開闢太空雲計算之後，我們做地面電腦技術的人，可以有機會把技術貢獻出來。國外有相關計劃，我們肯定不能落後，從跟跑，到並跑，到領跑。”他對記者說，
劉方明最早接觸到這次比賽的資訊並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。他起初發現這些年輕人心裏頭都在打鼓，沒什麼信心，於是鼓勵大家“這樣將理論與實際結合的機會難能可貴”。而且比賽結束後，很多研究過程中突破的瓶頸、實現的創新，都可以發表新的高水準論文。
他指導的另一支優勝獎隊伍OpenCloudNeXt，研究的是星地協同調度的問題，即多顆衛星之間計算的調度和應用的部署，同樣收穫良多。
“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勢，只要給予指導，給予資源，讓他們放手放膽去做就行。
“電腦是工科，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於自己的小鼓包，對於電腦領域做一個知識的小延伸，並且能夠做出有用的系統。”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。
中青報·中青網記者 張渺 來源：中國青年報
