邊緣計(jì)算賦能智慧城市：機(jī)遇與挑戰(zhàn)（下）
邊緣計(jì)算給智慧城市帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)邊緣計(jì)算技術(shù)具有廣闊的發(fā)展?jié)摿?，將為智慧城市的?gòu)建帶來(lái)巨大機(jī)遇，可歸納為技術(shù)層面和應(yīng)用層面。邊緣計(jì)算通過(guò)采用網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力為一體的開(kāi)放平臺(tái)，提供高效的近端服務(wù)。由于其應(yīng)用程序在邊緣側(cè)發(fā)起，從而可以達(dá)到更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，從技術(shù)層面滿足了智慧城市建設(shè)中在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、快速部署、高效運(yùn)行、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求。由于更加靠近用戶，邊緣計(jì)算為智慧城市的應(yīng)用提供更快的響應(yīng)，將任務(wù)需求在邊緣端解決。通過(guò)采用邊緣計(jì)算技術(shù)體系架構(gòu)，許多控制將通過(guò)本地設(shè)備實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需交由云端；處理過(guò)程也將在本地邊緣計(jì)算層完成，大大提升處理效率，減輕云端負(fù)荷。邊緣計(jì)算還可以與云計(jì)算相結(jié)合，以克服不同計(jì)算模式的特定限制，并提供更高效的服務(wù)。在隱私保護(hù)方面，許多終端設(shè)備（如智能路燈、電子標(biāo)簽）沒(méi)有足夠的資源來(lái)支持端到端的安全性，通過(guò)采用邊緣計(jì)算模式，安全管理任務(wù)可以從低性能的終端設(shè)備轉(zhuǎn)移到性能更強(qiáng)大的邊緣設(shè)備上，通過(guò)使用邊緣設(shè)備作為安全代理來(lái)管理終端設(shè)備的安全需求。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，邊緣設(shè)備可以為每個(gè)終端設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)安全配置文件，任何對(duì)終端設(shè)備的訪問(wèn)或發(fā)送到終端設(shè)備的指令都由邊緣設(shè)備代表這些終端設(shè)備通過(guò)完備的安全審查機(jī)制來(lái)處理。例如，代理終端設(shè)備的邊緣設(shè)備可以利用認(rèn)證協(xié)議來(lái)認(rèn)證希望與終端設(shè)備通信的第三方設(shè)備。授權(quán)也可以由邊緣設(shè)備管理，決定哪些第三方設(shè)備有權(quán)訪問(wèn)由終端設(shè)備收集的數(shù)據(jù)，或者可以向終端設(shè)備發(fā)送控制命令。邊緣計(jì)算在智慧城市中具有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，從網(wǎng)絡(luò)視頻攝像頭部署、智能感知系統(tǒng)平臺(tái)搭建到數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理。眾多研究與觀察發(fā)現(xiàn)邊緣計(jì)算非常適用于需要超短延遲的用戶服務(wù)，例如沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。利用邊緣計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)高清視頻流的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)用例，支持智慧城市的旅游行業(yè)發(fā)展。無(wú)論用戶如何移動(dòng)，邊緣計(jì)算確保服務(wù)始終跟隨用戶，并始終從最近的邊緣為用戶提供服務(wù)。基于邊緣計(jì)算，智慧城市建筑有望實(shí)現(xiàn)智能化、人性化，并對(duì)建筑產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行良好的處理和利用。基于移動(dòng)邊緣計(jì)算，并輔助以深度學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析的自主駕駛技術(shù)，無(wú)人駕駛服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)包括視線內(nèi)不可見(jiàn)車輛的實(shí)時(shí)定位，城市區(qū)域的協(xié)同危險(xiǎn)預(yù)測(cè)，以及自主駕駛?cè)S地圖生成?；谶吘売?jì)算的多能源網(wǎng)絡(luò)可以提高包括大型建筑在內(nèi)的不同規(guī)模區(qū)域（如公園、島嶼、城鎮(zhèn)等）能源系統(tǒng)的整體效率和效益?；谶吘売?jì)算技術(shù)的多能源網(wǎng)絡(luò)可以整合智能電網(wǎng)、供熱供氣網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)流量，實(shí)現(xiàn)智能城市的統(tǒng)一能源管理。邊緣計(jì)算作為一種新興技術(shù)，其發(fā)展同樣也會(huì)經(jīng)歷從無(wú)到有、從初始到成熟的過(guò)程，還會(huì)受到社會(huì)需求與傳統(tǒng)規(guī)則的影響。盡管邊緣計(jì)算無(wú)論從技術(shù)層面還是應(yīng)用層面都將為智慧城市的構(gòu)建帶來(lái)巨大機(jī)遇，其發(fā)展過(guò)程也會(huì)面臨技術(shù)、應(yīng)用甚至法律、倫理層面的挑戰(zhàn)。邊緣計(jì)算技術(shù)在智慧城市應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)包括以下三個(gè)方面。數(shù)據(jù)收集與存儲(chǔ)挑戰(zhàn)。智慧城市應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生大量的感知數(shù)據(jù)，這對(duì)邊緣計(jì)算系統(tǒng)的存儲(chǔ)與計(jì)算都提出挑戰(zhàn)。研究報(bào)告顯示，一個(gè)人口100萬(wàn)的城市每天將產(chǎn)生180PB的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來(lái)自公共安全、公共衛(wèi)生、公共設(shè)施和公共交通等方面。此外，將邊緣計(jì)算應(yīng)用到智慧城市的建設(shè)，還會(huì)遇到數(shù)據(jù)所有權(quán)歸屬的法律問(wèn)題?；谶吘売?jì)算，大量數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在邊緣，并被利用到智慧城市的各類應(yīng)用中。但是，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生者（或者擁有者）很多情況下并不知道自己的數(shù)據(jù)（甚至是隱私數(shù)據(jù)）被他人利用了。如何從倫理或立法的角度，明晰邊緣計(jì)算系統(tǒng)數(shù)據(jù)所有權(quán)的問(wèn)題，是智慧城市建設(shè)的一大挑戰(zhàn)。差異化與可擴(kuò)展服務(wù)挑戰(zhàn)。差異化且可擴(kuò)展的邊緣計(jì)算服務(wù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)是智慧城市建設(shè)的重要需求之一。未來(lái)的智慧城市建設(shè)預(yù)計(jì)將在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署多個(gè)服務(wù)，這些服務(wù)將有不同的優(yōu)先級(jí)。例如，一些關(guān)鍵的服務(wù)，如公共安全和故障報(bào)警，應(yīng)該比普通服務(wù)得到更早的處理。健康相關(guān)服務(wù)，如跌倒檢測(cè)或心力衰竭檢測(cè)也應(yīng)該比娛樂(lè)等其他服務(wù)具備更高的優(yōu)先級(jí)。與此同時(shí)，邊緣計(jì)算系統(tǒng)中可能有多個(gè)應(yīng)用程序共享同一個(gè)數(shù)據(jù)源。一個(gè)應(yīng)用程序失效或沒(méi)有響應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致使用同一數(shù)據(jù)源的其他應(yīng)用同時(shí)失效。上述系統(tǒng)應(yīng)用隔離帶來(lái)的挑戰(zhàn)可以通過(guò)引入部署或取消部署框架來(lái)解決。如果在安裝應(yīng)用程序之前操作系統(tǒng)可以檢測(cè)到?jīng)_突，則可以警告用戶并避免潛在的訪問(wèn)問(wèn)題。另外，如何將用戶的私有數(shù)據(jù)與第三方應(yīng)用程序進(jìn)行隔離也是隔離挑戰(zhàn)之一。數(shù)據(jù)隱私和安全挑戰(zhàn)。在網(wǎng)絡(luò)的邊緣，數(shù)據(jù)隱私安全保護(hù)是最重要的一項(xiàng)服務(wù)。采用邊緣計(jì)算推動(dòng)智慧城市建設(shè)，可以從感知到的使用數(shù)據(jù)中獲取大量隱私信息。隨著邊緣設(shè)備上可用數(shù)據(jù)的增多和計(jì)算能力的提高，邊緣設(shè)備同樣可能會(huì)受到安全攻擊。例如，通過(guò)對(duì)用電量或用水量的了解，可以很容易推測(cè)出市民住房是否空置。對(duì)于邊緣數(shù)據(jù)安全和使用隱私問(wèn)題的解決，仍然存在巨大挑戰(zhàn)。以WiFi網(wǎng)絡(luò)安全為例。在全球4.39億使用無(wú)線連接的家庭中，49%的WiFi網(wǎng)絡(luò)是不安全的，而80%的家庭仍然將路由器設(shè)置為默認(rèn)密碼。對(duì)于公共WiFi熱點(diǎn)，89%屬于不安全的利益相關(guān)者，包括服務(wù)提供商、系統(tǒng)和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者以及終端用戶。需要意識(shí)到，在網(wǎng)絡(luò)邊緣用戶的隱私會(huì)在不被通知的情況下受到損害。用戶或者應(yīng)用需要邊緣服務(wù)器提供計(jì)算資源，不可避免會(huì)將數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)在邊緣，網(wǎng)絡(luò)邊緣高度動(dòng)態(tài)的環(huán)境會(huì)使用戶隱私和數(shù)據(jù)安全面臨更大挑戰(zhàn)，目前還缺乏有效工具來(lái)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)邊緣的數(shù)據(jù)隱私和安全。邊緣計(jì)算驅(qū)動(dòng)的城市公共安全視頻分析案例作為視頻數(shù)據(jù)的重要來(lái)源之一，視頻采集攝像頭在城市各個(gè)角落隨處可見(jiàn)。不僅如此，攝像頭的數(shù)量還以每年20%的增長(zhǎng)率不斷擴(kuò)大規(guī)模，伴隨而來(lái)的是視頻大數(shù)據(jù)衍生的視頻分析應(yīng)用數(shù)量的飛速增長(zhǎng)，城市公共安全場(chǎng)景下的視頻分析也隨之吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的注意力。在數(shù)據(jù)處理量急劇增長(zhǎng)的背景下，如何獲取視頻中的有用信息，成為智慧城市發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵目標(biāo)，而智能視頻分析則是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的有效手段，將決定著整個(gè)智慧城市的智能化程度。視頻分析任務(wù)往往會(huì)要求高準(zhǔn)確率和低延遲以支撐應(yīng)用實(shí)時(shí)獲得結(jié)果的需求，這就需要很強(qiáng)的計(jì)算性能。目前的商業(yè)攝像頭，其本身的計(jì)算性能還無(wú)法高效實(shí)時(shí)地支持其完成視頻分析任務(wù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了視頻源與云結(jié)合的解決方案，將攝像頭產(chǎn)生的視頻流發(fā)送到計(jì)算性能強(qiáng)大的云端，再在云端完成視頻分析任務(wù)。然而，這帶來(lái)額外的網(wǎng)絡(luò)資源消耗和網(wǎng)絡(luò)延遲，對(duì)要求高實(shí)時(shí)性的視頻分析任務(wù)造成了很大的阻礙。為了追求更低的延遲，結(jié)合邊緣計(jì)算的解決方案應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)在距離攝像頭更近的邊緣端完成部分或全部的計(jì)算任務(wù)，視頻分析系統(tǒng)以更低的帶寬消耗，實(shí)現(xiàn)更低的延遲以完成視頻分析任務(wù)。不同的視頻分析任務(wù)往往有著不同的性能需求。有些視頻分析任務(wù)是長(zhǎng)期、持續(xù)進(jìn)行的，例如統(tǒng)計(jì)車流量作為紅綠燈持續(xù)時(shí)間的參考，對(duì)時(shí)延的需求就不會(huì)很高；而有些視頻分析任務(wù)則是需要在很短的時(shí)間內(nèi)完成，例如車牌應(yīng)用對(duì)準(zhǔn)確率和時(shí)延的要求都會(huì)很高。與此同時(shí)，視頻分析任務(wù)的性能會(huì)受許多因素影響，例如計(jì)算資源（處理器類型，內(nèi)存等）、視頻流的參數(shù)（分辨率等）、視頻分析算法的模型等。如果提供的資源不足，可能會(huì)無(wú)法運(yùn)行滿足準(zhǔn)確率需求的視頻分析算法，或者延遲太高，不能滿足應(yīng)用需求；如果提供的資源過(guò)多，又會(huì)造成浪費(fèi)。所以，對(duì)于視頻分析系統(tǒng)，如何合理地調(diào)度任務(wù)、分配資源，使系統(tǒng)可以在滿足視頻分析任務(wù)需求的前提下有效利用資源，具有非常重要的研究意義。而從架構(gòu)方面而言，現(xiàn)有視頻分析系統(tǒng)關(guān)注的是如何在不同層次之間、同層次的不同節(jié)點(diǎn)之間決定任務(wù)的執(zhí)行位置，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算卸載從而提高整個(gè)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。由于現(xiàn)實(shí)中存在許多系統(tǒng)架構(gòu)、資源特點(diǎn)各不相同的場(chǎng)景，有些工作提出了在特定場(chǎng)景下結(jié)合視頻分析任務(wù)特性與整體架構(gòu)特點(diǎn)的調(diào)度策略，以提高系統(tǒng)性能。例如，對(duì)于一個(gè)承擔(dān)多任務(wù)的攝像頭，其產(chǎn)生的視頻流往往會(huì)被用以執(zhí)行多個(gè)不同的視頻分析應(yīng)用（包括車流檢測(cè)、失蹤兒童搜尋和逃逸車輛追蹤等）。然而，這些視頻分析過(guò)程的執(zhí)行流程在某些步驟上是相同的，意味著可以利用這個(gè)特性去節(jié)省資源開(kāi)銷。多任務(wù)對(duì)同一臺(tái)攝像頭的視頻流分別做目標(biāo)檢測(cè)，再基于目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果來(lái)根據(jù)不同應(yīng)用進(jìn)行不同分析，不可避免地會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率的下降。針對(duì)邊緣計(jì)算驅(qū)動(dòng)的城市公共安全視頻分析，如何高效合并任務(wù)需求以及合理的配置邊緣計(jì)算資源是一個(gè)亟待解決的研究課題。在邊緣計(jì)算驅(qū)動(dòng)智慧城市發(fā)展過(guò)程中，可以從以下幾個(gè)路徑出發(fā)提升邊緣計(jì)算的應(yīng)用效能和安全水平。夯實(shí)安全基礎(chǔ)，完善邊緣計(jì)算安全保障體系。智慧城市的建設(shè)需要提升城市基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)、核心要害信息以及系統(tǒng)的安全可控水平，智慧城市的建設(shè)涉及應(yīng)用、平臺(tái)、連接、終端等多個(gè)層次，各方面存在不同的安全隱患。同時(shí)，伴隨邊緣計(jì)算在賦能智慧城市進(jìn)程的不斷深入，應(yīng)用層面、平臺(tái)層面、網(wǎng)絡(luò)層面、數(shù)據(jù)層面、終端層面等每個(gè)層面的威脅和風(fēng)險(xiǎn)都有其獨(dú)特性，任何一個(gè)層面的安全防御被突破都可能會(huì)帶來(lái)不可預(yù)估的損失。在邊緣計(jì)算賦能智慧城市的進(jìn)程中，需要不斷完善安全保障體系以及安全防護(hù)機(jī)制，根據(jù)不同層面的特征，統(tǒng)籌考慮安全技術(shù)、安全管理、安全運(yùn)營(yíng)等因素，設(shè)計(jì)制定個(gè)性化的安全規(guī)則，配置部署針對(duì)防御全層次的定制化安全防護(hù)機(jī)制，為賦能智慧城市夯實(shí)安全基礎(chǔ)。堅(jiān)持融合發(fā)展策略，研制邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。在邊緣計(jì)算賦能智慧城市的進(jìn)程中，需要積極響應(yīng)政府主導(dǎo)，協(xié)調(diào)有關(guān)各方研制統(tǒng)一的、科學(xué)合理的智慧城市中邊緣計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，為各地進(jìn)行智慧城市建設(shè)程度、水平和效益評(píng)估等提供依據(jù)，為有需求的部分地區(qū)建立地域化的拓展以及定制化的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系提供基礎(chǔ)，為綜合分析各地區(qū)智慧城市規(guī)劃建設(shè)等提供統(tǒng)一維度。同時(shí)，針對(duì)不同技術(shù)、政策等產(chǎn)生的異構(gòu)海量數(shù)據(jù)、硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)資源等異構(gòu)信息，需要推動(dòng)構(gòu)建一個(gè)開(kāi)放的、可擴(kuò)展的、可伸縮的、能適應(yīng)城市各領(lǐng)域需求動(dòng)態(tài)變化的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，將智慧城市建設(shè)發(fā)展推向深入。圍繞核心需求，打造開(kāi)放的邊緣計(jì)算生態(tài)體系。智慧城市是高新科技的載體，涵蓋政務(wù)、園區(qū)、物流、交通、教育、醫(yī)療等應(yīng)用場(chǎng)景，需要多技術(shù)、多產(chǎn)業(yè)深度融合。在邊緣計(jì)算賦能智慧城市的進(jìn)程中，需要打造足夠開(kāi)放的生態(tài)體系，能夠融合邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、人工智能等新技術(shù)，吸引優(yōu)質(zhì)伙伴，吸納優(yōu)質(zhì)資源，圍繞智慧城市核心需求，在市民、企業(yè)、城市管理等方面，有針對(duì)性地開(kāi)展符合城市定位的特色應(yīng)用，多方多角度參與共同建設(shè)智慧城市。構(gòu)建完善監(jiān)督機(jī)制，形成智慧城市建設(shè)的良好閉環(huán)。在邊緣計(jì)算賦能智慧城市的進(jìn)程中，需要遵循智慧城市與邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展規(guī)律，做好頂層設(shè)計(jì)、搭建好體系化布局，探討邊緣計(jì)算技術(shù)在賦能智慧城市過(guò)程中的監(jiān)管問(wèn)題，同步開(kāi)展相關(guān)政策以及法律法規(guī)研究，注意防范各種潛在風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建科學(xué)合理的監(jiān)管監(jiān)督機(jī)制，為完善安全保障體系、優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、建設(shè)開(kāi)放生態(tài)體系提供科學(xué)指引，形成良好閉環(huán)，促進(jìn)邊緣計(jì)算技術(shù)賦能下的智慧城市可持續(xù)化發(fā)展。
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