邊緣計(jì)算賦能智慧城市：機(jī)遇與挑戰(zhàn)（上）
邊緣計(jì)算是一種前瞻性的新興計(jì)算范式，將對(duì)城市化進(jìn)程中的我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生深刻影響，帶來(lái)巨大變革。本文從邊緣計(jì)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(jì)算重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)。邊緣計(jì)算能夠?yàn)橹腔鄢鞘薪ㄔO(shè)提供高效的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算體系架構(gòu)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力為一體的邊緣開(kāi)放平臺(tái)，提供高效低時(shí)延的近端用戶服務(wù)。面對(duì)隨之而來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，提出邊緣計(jì)算驅(qū)動(dòng)智慧城市發(fā)展的建議，作出未來(lái)智慧城市藍(lán)圖的展望。
近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)廣泛普及，推動(dòng)著萬(wàn)物互聯(lián)的應(yīng)用需求不斷發(fā)展。萬(wàn)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(yǔ)境感知能力、更強(qiáng)計(jì)算能力和感知能力的人、物、數(shù)據(jù)、流程、場(chǎng)景等有機(jī)融合，從而使得互聯(lián)更有價(jià)值。萬(wàn)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(jī)，甚至可穿戴設(shè)備都將成為萬(wàn)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(huì)急劇增長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司（International Data Corporation）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，到2025年，全球?qū)⒂?/span>1500億個(gè)終端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，其中超過(guò)70%的數(shù)據(jù)將在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行處理。美國(guó)思科公司預(yù)計(jì)，全球設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將從2016年的218ZB增長(zhǎng)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(jì)算需求的提升，網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延過(guò)大和帶寬不足正逐漸成為傳統(tǒng)云計(jì)算的瓶頸問(wèn)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(duì)時(shí)延的要求，必須在接近數(shù)據(jù)源的邊緣設(shè)備上卸載計(jì)算任務(wù)，從而減少數(shù)據(jù)傳輸并提高響應(yīng)速度。針對(duì)云計(jì)算面臨的困境，邊緣計(jì)算作為一種新型計(jì)算范式被提出，并逐漸成為適應(yīng)萬(wàn)物互聯(lián)應(yīng)用需求的新興計(jì)算模式。邊緣計(jì)算模型中的邊緣設(shè)備具有計(jì)算和分析的能力，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)的邊緣來(lái)執(zhí)行計(jì)算，為應(yīng)用開(kāi)發(fā)者和服務(wù)供應(yīng)商提供計(jì)算能力支持[3]。邊緣計(jì)算采用了一種分布式計(jì)算架構(gòu)，將主要應(yīng)用程序、服務(wù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下沉到網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)，從而使計(jì)算更加靠近數(shù)據(jù)源頭。邊緣計(jì)算通過(guò)將原本在中心節(jié)點(diǎn)處理的大型任務(wù)分解成多個(gè)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(yùn)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(shí)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(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、智能應(yīng)用、安全與隱私保護(hù)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(guó)科學(xué)院、美國(guó)工程院、美國(guó)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(bào)告，指出邊緣—云端融合是支撐未來(lái)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(jì)算，邊緣計(jì)算的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。云計(jì)算需要將數(shù)據(jù)上傳到中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(jì)算中心會(huì)造成巨大的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用往往具有高實(shí)時(shí)性需求，比如無(wú)人駕駛要求每一個(gè)動(dòng)作都要在10毫秒內(nèi)完成，云計(jì)算在傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中造成的巨大時(shí)延顯然無(wú)法滿足如此實(shí)時(shí)性需求。與之相反，邊緣計(jì)算能夠?qū)⑺懔Σ渴鹪诰W(wǎng)絡(luò)中離各個(gè)操作邏輯最近的地方（如移動(dòng)蜂窩基站），從而保證自動(dòng)駕駛車輛可以實(shí)時(shí)對(duì)車輛感知數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算中心會(huì)增加泄露用戶隱私數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。而邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)的收集和計(jì)算都在本地或邊緣節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行，不用上傳到云端，重要敏感的信息不必經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，從而有效避免了隱私泄漏問(wèn)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?。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備很容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，邊緣計(jì)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(cuò)性。隨著聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備越來(lái)越多，云數(shù)據(jù)中心的計(jì)算量和數(shù)據(jù)傳輸量越來(lái)越大，網(wǎng)絡(luò)的傳輸壓力也越來(lái)越大。而在邊緣計(jì)算模式下，由邊緣服務(wù)器提供算力對(duì)存儲(chǔ)的本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(jìn)入核心網(wǎng)絡(luò)的流量消耗和云計(jì)算中心的算力損耗，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了降低能耗的目的。由于邊緣計(jì)算潛在的巨大產(chǎn)業(yè)價(jià)值，世界各個(gè)國(guó)家和地區(qū)均大力推動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)的研發(fā)。2019年歐盟委員會(huì)及歐盟“地平線2020”（Horizon 2020）研究及創(chuàng)新計(jì)劃聯(lián)合資助實(shí)施邊緣計(jì)算項(xiàng)目DECENTER，用于研發(fā)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫部署智能應(yīng)用的邊緣計(jì)算平臺(tái)，同時(shí)提供可控的安全和隱私保護(hù)。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）發(fā)布2017～2019年CNS（Computer and Network Systems）核心計(jì)劃，重點(diǎn)支持邊緣計(jì)算研究項(xiàng)目。2018～2019年我國(guó)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)制造”“物聯(lián)網(wǎng)與智慧城市”專項(xiàng)中，也把邊緣計(jì)算作為重點(diǎn)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(jì)算。AT&T、微軟、Amazon、阿里、騰訊等公司均發(fā)布了邊緣計(jì)算戰(zhàn)略，華為、英特爾等廠商紛紛牽頭成立邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）發(fā)布5G邊緣計(jì)算白皮書(shū)。經(jīng)過(guò)幾年的技術(shù)積累，目前邊緣計(jì)算處于快速發(fā)展階段。邊緣計(jì)算的主要應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，邊緣計(jì)算正在引領(lǐng)社會(huì)發(fā)展的未來(lái)。邊緣計(jì)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(chǎng)上出現(xiàn)越來(lái)越多的智能家居，例如掃地機(jī)器人、智能燈光、智能門窗等。在云計(jì)算主導(dǎo)的時(shí)代，家居所感知產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云數(shù)據(jù)中心，一些比較耗時(shí)耗資源的任務(wù)由云端統(tǒng)一進(jìn)行處理。而隨著邊緣計(jì)算的發(fā)展，家居終端本身就擁有更強(qiáng)大的計(jì)算力，加之更低的處理延時(shí)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(jī)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(jì)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(tái)和可穿戴設(shè)備為行業(yè)發(fā)展助力。個(gè)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(wèn)題，讓邊緣計(jì)算在智慧醫(yī)療保健行業(yè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。邊緣計(jì)算的應(yīng)用，使醫(yī)療保健資源可以更好地被偏遠(yuǎn)地區(qū)的人們所享用，通過(guò)更智能的可穿戴設(shè)備和人工智能醫(yī)療平臺(tái)，享受到更加個(gè)性化的醫(yī)療服務(wù)。醫(yī)療保健行業(yè)將隨之迎來(lái)更美好光明的未來(lái)。邊緣計(jì)算在智能交通中的應(yīng)用包括自動(dòng)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(huì)產(chǎn)生很多數(shù)據(jù)（包括文本、圖像、視頻等），并需要實(shí)時(shí)處理，邊緣計(jì)算技術(shù)可以極大地提升交通秩序管理和交通運(yùn)輸?shù)男省＠?，自?dòng)駕駛對(duì)任務(wù)響應(yīng)時(shí)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(jì)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(shí)。隨著物聯(lián)網(wǎng)與人工智能時(shí)代的到來(lái)，教育信息化正逐漸從“互聯(lián)網(wǎng)+”升級(jí)到“智能+”。在現(xiàn)代化智慧校園中，教學(xué)設(shè)備不斷升級(jí)，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(jìn)化，特別是VR／AR、沉浸式教學(xué)等教育模式的出現(xiàn)，對(duì)邊緣計(jì)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(guò)邊緣計(jì)算與基礎(chǔ)設(shè)施的交互與協(xié)同，有利于積極應(yīng)對(duì)教育領(lǐng)域的各種挑戰(zhàn)，比如個(gè)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(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的有效手段。邊緣計(jì)算能很好地解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源不足問(wèn)題，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)感知，將動(dòng)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(jìn)行全面的感知和互聯(lián)，服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)場(chǎng)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(jì)算與工業(yè)制造存在密切關(guān)系。隨著“工業(yè)4.0”時(shí)代的來(lái)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(guò)程將產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要做到數(shù)據(jù)互通和實(shí)時(shí)交互。邊緣計(jì)算的應(yīng)用，讓設(shè)備可以進(jìn)行本地的升級(jí)更新，對(duì)設(shè)備性能起到更好的監(jiān)控，滿足了生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)性的要求。通過(guò)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(huì)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(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)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(duì)于視頻圖像，在邊緣端進(jìn)行處理可以降低網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，即時(shí)數(shù)據(jù)分析處理對(duì)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(lái)，頻發(fā)的災(zāi)害給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重?fù)p失，人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)緊急救援機(jī)制和方案的研究。在緊急救援場(chǎng)景下，對(duì)信息的實(shí)時(shí)處理以及救援人員的安全保障極為重要。將無(wú)人機(jī)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(jī)器人可以深入到危險(xiǎn)區(qū)域，并通過(guò)邊緣計(jì)算和云計(jì)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(kāi)邊緣計(jì)算的快速發(fā)展。邊緣計(jì)算的應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)不止以上提到的幾個(gè)場(chǎng)景，還可以應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)社會(huì)中的方方面面，例如金融、新零售、能源等。總之，邊緣計(jì)算正在引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)；也將會(huì)是5G的核心功能之一，5G時(shí)代將會(huì)產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，5G帶來(lái)的高帶寬低時(shí)延將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)邊緣計(jì)算的發(fā)展。
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