邊緣計算賦能智慧城市：機遇與挑戰(zhàn)（上）
邊緣計算是一種前瞻性的新興計算范式，將對城市化進程中的我國經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生深刻影響，帶來巨大變革。本文從邊緣計算的基本概念入手，探求技術(shù)應(yīng)用背后的系統(tǒng)本質(zhì)屬性，展望邊緣計算重點應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢。邊緣計算能夠為智慧城市建設(shè)提供高效的網(wǎng)絡(luò)計算體系架構(gòu)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力為一體的邊緣開放平臺，提供高效低時延的近端用戶服務(wù)。面對隨之而來的機遇和挑戰(zhàn)，提出邊緣計算驅(qū)動智慧城市發(fā)展的建議，作出未來智慧城市藍圖的展望。
近年來，物聯(lián)網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)廣泛普及，推動著萬物互聯(lián)的應(yīng)用需求不斷發(fā)展。萬物互聯(lián)不僅包括人與人、人與物，以及物與物的連接，還包括具有語境感知能力、更強計算能力和感知能力的人、物、數(shù)據(jù)、流程、場景等有機融合，從而使得互聯(lián)更有價值。萬物互聯(lián)所涉及的邊緣設(shè)備類型十分廣泛，傳感器、智能家電、智能手機，甚至可穿戴設(shè)備都將成為萬物互聯(lián)的一部分。因此，位于互聯(lián)網(wǎng)邊緣的終端設(shè)備數(shù)量及其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將會急劇增長。根據(jù)國際數(shù)據(jù)公司（International Data Corporation）統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，到2025年，全球?qū)⒂?/span>1500億個終端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，其中超過70%的數(shù)據(jù)將在網(wǎng)絡(luò)邊緣進行處理。美國思科公司預(yù)計，全球設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將從2016年的218ZB增長到2021年的847ZB。隨著邊緣設(shè)備所產(chǎn)生數(shù)據(jù)量的增加和計算需求的提升，網(wǎng)絡(luò)的時延過大和帶寬不足正逐漸成為傳統(tǒng)云計算的瓶頸問題，然而僅靠增加網(wǎng)絡(luò)帶寬并不能滿足海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和應(yīng)用對時延的要求，必須在接近數(shù)據(jù)源的邊緣設(shè)備上卸載計算任務(wù)，從而減少數(shù)據(jù)傳輸并提高響應(yīng)速度。針對云計算面臨的困境，邊緣計算作為一種新型計算范式被提出，并逐漸成為適應(yīng)萬物互聯(lián)應(yīng)用需求的新興計算模式。邊緣計算模型中的邊緣設(shè)備具有計算和分析的能力，通過在網(wǎng)絡(luò)的邊緣來執(zhí)行計算，為應(yīng)用開發(fā)者和服務(wù)供應(yīng)商提供計算能力支持[3]。邊緣計算采用了一種分布式計算架構(gòu)，將主要應(yīng)用程序、服務(wù)和數(shù)據(jù)存儲下沉到網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)，從而使計算更加靠近數(shù)據(jù)源頭。邊緣計算通過將原本在中心節(jié)點處理的大型任務(wù)分解成多個小的更易管理的子任務(wù)，放置在靠近數(shù)據(jù)源或者用戶服務(wù)終端上運行，就近提供邊緣智能服務(wù)，從而降低網(wǎng)絡(luò)通信和服務(wù)交付的時延，減少云端壓力，并且產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，滿足行業(yè)的實時業(yè)務(wù)、智能應(yīng)用、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。2017年，加州大學(xué)伯克利分校Michael I. Jordan教授（美國科學(xué)院、美國工程院、美國藝術(shù)與科學(xué)院三院院士）領(lǐng)銜發(fā)布的人工智能研究報告，指出邊緣—云端融合是支撐未來人工智能應(yīng)用的九大關(guān)鍵技術(shù)之一。相較于傳統(tǒng)的云計算，邊緣計算的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三個方面。云計算需要將數(shù)據(jù)上傳到中心節(jié)點進行處理，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，將邊緣設(shè)備產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)上傳到云計算中心會造成巨大的網(wǎng)絡(luò)負擔(dān)，而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用往往具有高實時性需求，比如無人駕駛要求每一個動作都要在10毫秒內(nèi)完成，云計算在傳輸數(shù)據(jù)的過程中造成的巨大時延顯然無法滿足如此實時性需求。與之相反，邊緣計算能夠?qū)⑺懔Σ渴鹪诰W(wǎng)絡(luò)中離各個操作邏輯最近的地方（如移動蜂窩基站），從而保證自動駕駛車輛可以實時對車輛感知數(shù)據(jù)進行處理。物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)與用戶的生活息息相關(guān)，將這些數(shù)據(jù)上傳到云計算中心會增加泄露用戶隱私數(shù)據(jù)的風(fēng)險。而邊緣計算數(shù)據(jù)的收集和計算都在本地或邊緣節(jié)點上進行，不用上傳到云端，重要敏感的信息不必經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸，從而有效避免了隱私泄漏問題。數(shù)據(jù)中心和終端設(shè)備位于與用戶鄰近的位置，也就減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠绊憽Ｍ瑫r，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備很容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，邊緣計算的分布式架構(gòu)天然具有抵御這種攻擊的特性，具有更高的可靠性和容錯性。隨著聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備越來越多，云數(shù)據(jù)中心的計算量和數(shù)據(jù)傳輸量越來越大，網(wǎng)絡(luò)的傳輸壓力也越來越大。而在邊緣計算模式下，由邊緣服務(wù)器提供算力對存儲的本地數(shù)據(jù)進行計算，與云端服務(wù)器交互的數(shù)據(jù)減少，顯著降低了所占用的網(wǎng)絡(luò)寬帶，從而減少了進入核心網(wǎng)絡(luò)的流量消耗和云計算中心的算力損耗，同時也實現(xiàn)了降低能耗的目的。由于邊緣計算潛在的巨大產(chǎn)業(yè)價值，世界各個國家和地區(qū)均大力推動邊緣計算技術(shù)的研發(fā)。2019年歐盟委員會及歐盟“地平線2020”（Horizon 2020）研究及創(chuàng)新計劃聯(lián)合資助實施邊緣計算項目DECENTER，用于研發(fā)可以實現(xiàn)無縫部署智能應(yīng)用的邊緣計算平臺，同時提供可控的安全和隱私保護。美國國家科學(xué)基金會（NSF）發(fā)布2017～2019年CNS（Computer and Network Systems）核心計劃，重點支持邊緣計算研究項目。2018～2019年我國國家重點研發(fā)計劃“先進網(wǎng)絡(luò)制造”“物聯(lián)網(wǎng)與智慧城市”專項中，也把邊緣計算作為重點課題列入。在工業(yè)界，各大廠商和巨頭公司也在紛紛布局邊緣計算。AT&T、微軟、Amazon、阿里、騰訊等公司均發(fā)布了邊緣計算戰(zhàn)略，華為、英特爾等廠商紛紛牽頭成立邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）發(fā)布5G邊緣計算白皮書。經(jīng)過幾年的技術(shù)積累，目前邊緣計算處于快速發(fā)展階段。邊緣計算的主要應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢在萬物互聯(lián)時代，邊緣計算正在引領(lǐng)社會發(fā)展的未來。邊緣計算主要存在于以下一些應(yīng)用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使家庭環(huán)境變得更加智能，市場上出現(xiàn)越來越多的智能家居，例如掃地機器人、智能燈光、智能門窗等。在云計算主導(dǎo)的時代，家居所感知產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要是通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云數(shù)據(jù)中心，一些比較耗時耗資源的任務(wù)由云端統(tǒng)一進行處理。而隨著邊緣計算的發(fā)展，家居終端本身就擁有更強大的計算力，加之更低的處理延時使得家居更加智能。幾乎所有的家庭家居都可以接入物聯(lián)網(wǎng)，掃地機器人可以自主學(xué)習(xí)更加復(fù)雜的家庭布局從而做到全屋規(guī)劃不漏掃，門窗門鎖等家居產(chǎn)生的帶有隱私的數(shù)據(jù)不需要傳輸?shù)皆贫硕诩彝シ秶鷥?nèi)即可完成處理。邊緣計算的引入，提升了家居的便利性、舒適性和安全性。隨著醫(yī)療保健行業(yè)的重要性日益增加，人工智能輔助的醫(yī)療平臺和可穿戴設(shè)備為行業(yè)發(fā)展助力。個性化的便捷醫(yī)療服務(wù)和醫(yī)療數(shù)據(jù)的隱私安全問題，讓邊緣計算在智慧醫(yī)療保健行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用。邊緣計算的應(yīng)用，使醫(yī)療保健資源可以更好地被偏遠地區(qū)的人們所享用，通過更智能的可穿戴設(shè)備和人工智能醫(yī)療平臺，享受到更加個性化的醫(yī)療服務(wù)。醫(yī)療保健行業(yè)將隨之迎來更美好光明的未來。邊緣計算在智能交通中的應(yīng)用包括自動駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)車、交通管理等。生活中的各類交通工具都會產(chǎn)生很多數(shù)據(jù)（包括文本、圖像、視頻等），并需要實時處理，邊緣計算技術(shù)可以極大地提升交通秩序管理和交通運輸?shù)男省＠?，自動駕駛對任務(wù)響應(yīng)時間的要求極高，汽車上各種各樣的傳感器收集了很多數(shù)據(jù)，利用邊緣計算，可以在距離車輛更近的地方處理數(shù)據(jù)，從而減少延時。隨著物聯(lián)網(wǎng)與人工智能時代的到來，教育信息化正逐漸從“互聯(lián)網(wǎng)+”升級到“智能+”。在現(xiàn)代化智慧校園中，教學(xué)設(shè)備不斷升級，例如多媒體教學(xué)設(shè)備、交互式電子白板、智能監(jiān)考與監(jiān)控、智能控制中心等。教育應(yīng)用也在不斷進化，特別是VR／AR、沉浸式教學(xué)等教育模式的出現(xiàn)，對邊緣計算設(shè)備的數(shù)據(jù)分析能力、高效處理音視頻能力等提出了更高要求。通過邊緣計算與基礎(chǔ)設(shè)施的交互與協(xié)同，有利于積極應(yīng)對教育領(lǐng)域的各種挑戰(zhàn)，比如個人學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析、教學(xué)創(chuàng)新、校園安全等。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的有效手段。邊緣計算能很好地解決偏遠地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源不足問題，通過物聯(lián)網(wǎng)感知，將動植物和環(huán)境信息（如溫度、濕度、土壤、光照和設(shè)備性能等）進行全面的感知和互聯(lián)，服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個場景中，提升農(nóng)業(yè)效益，助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化和智能化。邊緣計算與工業(yè)制造存在密切關(guān)系。隨著“工業(yè)4.0”時代的來臨，工業(yè)制造將走向智能化，設(shè)備的組件化和專一性要求更高，生產(chǎn)過程將產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)制造的各個環(huán)節(jié)都需要做到數(shù)據(jù)互通和實時交互。邊緣計算的應(yīng)用，讓設(shè)備可以進行本地的升級更新，對設(shè)備性能起到更好的監(jiān)控，滿足了生產(chǎn)過程中實時性的要求。通過邊云協(xié)同，可以做到產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，讓工業(yè)真正走向智能制造。 公共安全涉及社會的方方面面（如消防、出行），影響著人們的生活。自然災(zāi)害、交通事故、刑事犯罪等各類事件存在諸多不確定性，在預(yù)防和處理公共安全事件時，對實時性和準(zhǔn)確度的要求很高。公共環(huán)境安裝了很多傳感器和攝像頭，尤其是對于視頻圖像，在邊緣端進行處理可以降低網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，即時數(shù)據(jù)分析處理對很多公共安全事件的預(yù)防和處理具有極其重要的作用。近年來，頻發(fā)的災(zāi)害給人們的生命財產(chǎn)造成了嚴重損失，人們越來越重視對緊急救援機制和方案的研究。在緊急救援場景下，對信息的實時處理以及救援人員的安全保障極為重要。將無人機技術(shù)應(yīng)用于救援中，可以獲取更加全面的信息，并保障救援人員的人身安全。類似地，一些輕巧的救援機器人可以深入到危險區(qū)域，并通過邊緣計算和云計算向急救人員提供緊急情況的有關(guān)信息。這些應(yīng)用，都離不開邊緣計算的快速發(fā)展。邊緣計算的應(yīng)用領(lǐng)域遠不止以上提到的幾個場景，還可以應(yīng)用到經(jīng)濟社會中的方方面面，例如金融、新零售、能源等。總之，邊緣計算正在引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)的未來；也將會是5G的核心功能之一，5G時代將會產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，5G帶來的高帶寬低時延將會進一步促進邊緣計算的發(fā)展。
