邊緣計算不再“邊緣”
——記香港理工大學計算機系教授郭嵩

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，其中香港理工大學計算機系教授郭嵩與其他51位杰出學者成功當選。郭嵩是云計算、邊緣人工智能、大數據和分布式系統領域的國際知名研究員、教育家和技術領導者。目前，他已經帶領實驗室開發出眾多邊緣人工智能技術且成功商業化，并廣泛實現民用，讓普通人也能享受到AI技術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、大數據、人工智能技術，這些領域可以濃縮成人、機、物的融合泛在計算。”談到自己所做的研究工作，郭嵩解釋道。這就好比是將以人為本的理念貫徹于計算機與網絡一體化的信息服務處理過程中，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”這一新興概念又進入人們的視線。隨著5G網絡、邊緣計算的規模建設，如雨后春筍般出現的新興應用將加速驅動數據處理由云端向邊側、端側的擴散。泛在計算的出現，恰好為云計算、邊緣計算的發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充。“如果將云計算中心比喻為大腦，那么邊緣計算更像是遍布全身的神經系統，聯結到各個智能終端。我們實驗室的名字就叫邊緣智能。”多年來，郭嵩帶領實驗室團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，對未來科技和技術發展的影響也將不可估量。

“電信是最有生機的行業”

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生大量的數據，而這些數據量也將毫無疑問變得更加巨大、復雜，對計算會提出更高的要求，同時也為發展人工智能、邊緣計算帶來了新機遇。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通信網絡更加去中心化，需要在網絡邊緣部署小規模或者便攜式數據中心，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網的高速發展，如今邊緣計算已經成為科技界、學術界、商界競相追捧的熱門領域。特別是隨著智能駕駛、智能安防、智慧商業等行業對終端AI技術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網絡在算法層面、應用層面不斷創新。

邊緣計算的加入，可以讓龐大的數據量有條不紊地被處理，也能使數據在進入云計算中心前就被妥善“解決”，且有著巨大的應用潛力。郭嵩介紹，在智慧城市的建設中，如果增加大量邊緣設備，就可以輕而易舉觀測到城市車輛、人流和發展狀況；在公共安全領域，視頻監控中加入邊緣計算模型，能夠提高其高清視頻數據的處理速度，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區域內的所有邊緣視頻終端，就會搜索相關區域內的視頻，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，隨著日后互聯網的飛速發展，數據會越來越往云端、數據中心遷移，計算也會慢慢轉移到云端；與此同時，從移動互聯網到物聯網，計算則出現另外一個趨勢，即從中央向邊緣遷移。“邊緣計算已經有了突飛猛進的發展，不再處于邊緣化，目前中國移動、電信、聯通三大運營商已經開始逐步推動各自邊緣計算的發展；‘工業4.0’與‘中國制造2025’概念的提出，也同樣都是致力于實現信息技術與先進制造業結合，強調虛擬網絡世界與實體物理系統的融合。未來邊緣計算將會輻射到越來越多的領域。”郭嵩對邊緣計算的發展很有信心。

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

完成本科學業后，被電信行業的活力所感染的郭嵩，來到了北京郵電大學攻讀研究生，從事智能網絡交換機的研究。繼續沿著計算機與電信研究道路前進，使郭嵩在研究生期間對網絡世界充滿了好奇。“那時只能用PC端上網，就算整個北郵校園也找不到幾個會上網的人，更別說用手機連接網絡了。”回憶起當時的場景，郭嵩仍歷歷在目。

盡管行業活力四射，但技術手段跟不上，發展速度必然會放緩。郭嵩一心想要深入研究計算機，找到計算機網絡發展的突破口，在導師的指導和推薦下，碩士畢業后，郭嵩遠赴加拿大渥太華大學進行計算機科學的博士生學習。一到加拿大，郭嵩立刻就感受到了計算機網絡的另類風采。“加拿大當時的計算機網絡已經發展得非常成熟，并開始朝著泛在計算方向發展，這就意味著不僅僅是要將網絡連起來，還要把虛擬網絡和實體物也連起來。”事實證明，郭嵩感知的確實沒錯，此后不到十年時間，加拿大就成功引進了傳感器網絡，也就是今天的物聯網，這就相當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絡，從而進行信息交換和通信。

讀博期間，郭嵩主要針對傳感器網絡進行了深入研究，積累了豐富的理論基礎與經驗。“我最深的體會就是先要把科研工作做得扎實，才能有資本進一步去談創新。”在郭嵩內心，打好科研基礎，積累學科經驗就是為下一步的創新做準備，這樣的學習與工作態度一直貫穿于郭嵩此后多年的科研生涯中。回想起那段異國求學歲月，郭嵩也是感慨頗深。加拿大地處高緯度地區，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。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，也在應用新事物中，一點點感受計算機網絡帶來的便利，為后來在云計算與大數據、分布式系統、無線通信及移動計算的科研與教學工作獲取了扎實的專業知識與豐富的實踐經驗。

“霧”里堅守

郭嵩的學習能力從小就很強，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計算機系從事大數據、邊緣計算、聯邦學習、區塊鏈等不同方向的研究。而就在2015年，郭嵩已經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。

來到香港理工大學工作的這幾年中，郭嵩增長了學識，也積累了經驗。手握越多的科研“法寶”，他就越發能感受到云計算與邊緣計算的重要性。在此期間，他不斷加強與其他高校在邊緣計算等方面的交流與學習，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人的優秀團隊。“來到香港理工大學，我們主要處理人工智能、大數據等領域的基礎理論問題，以及為進一步找到解決問題的關鍵技術做準備。”郭嵩談道。

有想法是一瞬間的事情，但要落到實處，卻是漫長而嚴謹的科學工作過程。經過幾年積累，郭嵩心里漸漸有了底氣，2019年，他成功申請了國家自然科學基金項目“面向邊緣智能的資源配置與部署優化關鍵技術研究”。據郭嵩介紹，為了能實時獲取邊緣智能，越來越多的應用都需要對采集到的數據進行高效處理，但是用傳統的云平臺既不能實現實時處理數據，也不能保護客戶數據的隱私。在這種情況下，隨著云計算概念的延伸，出現了一種新的面向物聯網的分布式計算基礎設施，也就是霧計算，它能將計算能力和數據分析應用都擴展至網絡的“邊緣”，使客戶能夠在本地分析和管理數據，從而通過聯結獲得即時的見解。

但這種數據的“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，霧計算架構就失去了“活力”，不再能夠實時獲取邊緣智能信息。

有挑戰才有施展空間，開發新技術、破解“卡脖子”問題，沒有基礎研究的積累，拍腦袋是做不出來的。郭嵩團隊有著多年人工智能、大數據、邊緣計算的研究積累和國際交流經驗，這也許是他們驚險過關的制勝法寶。

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，對霧計算中的資源配置和部署優化展開一系列研究。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，為此郭嵩從傳統的分布式深度學習算法中獲得靈感，將訓練好的神經網絡下發到多樣化的終端設備或霧節點，再根據客戶對任務精度的不同需求來選擇最適合的節點進行部署，這樣就能隨時獲取到邊緣智能。其次，郭嵩意識到，當有多個任務同時發出資源需求的指令時，如何對這些任務進行資源配置也很棘手，但通過研究多任務下的協同資源配置以及基于任務性能指標優先級這兩種資源配置策略后，團隊最終成功找到了最優配置方法。

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為前提進行資源部署，然而許多實際場景中，資源都是動態的，為此郭嵩改變策略，面向邊緣智能QoS的資源部署與優化問題展開研究，他在應用資源需求動態變化條件下，重新思考了邊緣資源應該如何部署的問題，并針對資源的需求預測進行了新的資源部署優化。

腳踏實地保數據

“要做的事情很多，邊緣計算、智慧醫療、大數據、區塊鏈……”一項研究完成，郭嵩又一刻不停地開始新的思考。為了充分發揮邊緣設備和大數據的潛能，他主持了“邊緣學習：云端和邊緣融合環境中分布式大數據分析的實現技術”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。他帶領團隊提出“邊緣學習”的概念，把機器學習模型的訓練和推斷過程引入邊緣環境中，以在云端和邊緣環境中進行大數據分析。這種方法與云端運算方法相輔相成，既能避免在數據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，將邊緣學習的概念在智慧城市、智慧醫療等智能化應用中得到實現，他的內心充滿激情、充滿熱情。

為了能盡快看到科研成果應用于智慧城市、智慧醫療等智能化應用，郭嵩團隊開始了技術推廣與實踐的道路。郭嵩表示，近年來電話、平板計算機、傳感器等一些邊緣設備變得越來越普及，這些設備通常會定期產生大量的數據，并構成大數據，而大數據的學習對于大部分智能應用都有至關重要的作用。善于發現問題、尋找新思路的郭嵩，認為不能拘泥于基于云端運算的傳統方法，“邊緣學習”的概念就這樣應運而生。

但在將理論變為現實的路上，郭嵩遇到了難題，團隊成功將訓練和推斷過程移至邊緣環境中進行，但卻遇到邊緣設備資源有限、邊緣環境危機四伏等挑戰。為了找到突破口，郭嵩帶領團隊相繼開辟出協作學習架構、面向學習的通信方案、容錯和彈性策略、隱私保護和安全保證，以及訓練好的模型部署和更新等多種新的邊緣學習技術。此外，團隊還計劃開發邊緣學習平臺，以便可以讓機器學習的應用程序以高效且安全的方式在邊緣環境中進行，從而更好地支持智慧城市中的人工智能服務。

付出總會有回報，邊緣學習技術的應用在智慧城市、智慧醫療等多領域里發光發亮。例如在智慧城市的建設中，應用通常需要將數據上傳云端，經過計算再對收集的數據進行分析處理。然而世事難料，城市中潛藏著層出不窮、難以預想的危險與意外，此時時間就是生命，為了應對意外，找到及時發現危機并解決的方法至關重要。針對這種情況，郭嵩團隊運用邊緣學習技術實現了對視頻流的實時處理，成功應對城市復雜環境下的風險預警和響應。團隊還與香港理工大學房地產系、電子工程系等團隊進行合作，共同推動了基于邊緣智能的風險管理技術在工地安全保障方面的深入研究。

智慧醫療方面，郭嵩也取得了重要收獲。他們針對當前青少年脊柱側彎篩查方法的種種缺陷，提出了遠程篩查跟蹤，以及家庭實時AI監控的運動康復治療的新觀點。團隊基于移動端的體態篩查算法和實時運動康復跟蹤算法，通過模型量化壓縮后在移動端執行高效的推理計算，做到了遠程體態在線評估和實時運動康復跟蹤，成果成功推廣應用于華西醫院、香港復康會、揚州市青少年脊柱健康中心等機構。

站在云端學習

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

郭嵩提到，盡管物聯網、邊緣計算、人工智能等技術在得到快速發展的同時，邊緣智能化應用也在加快普及，但不容忽視的一點是，目前我國針對云—邊緣—終端（云邊端）的協同學習架構研究仍處于低迷狀態，無論是在學習架構、資源管理，還是學習算法、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，郭嵩帶領實驗室展開了新的探索——深圳市科技創新委員會基礎研究重點項目“云邊端協同學習架構與關鍵優化理論研究”，團隊提出開展云邊端協同學習架構與關鍵優化理論研究，并通過融合邊緣計算、分布式機器學習、聯邦學習等主要研究方向，確定了“學習架構—資源管理—學習算法—隱私安全”的研究主線，希望以此來研究面向云邊端協同學習的方法和關鍵技術，實現既高效可靠，又保證精確與隱私安全的云邊端協同學習框架。當然，郭嵩團隊的研究目標不只要力爭取得高質量的學術成果，還要形成具有自主產權的核心技術和國際標準，使云邊端協同學習框架的智能化邊緣服務能夠廣泛應用于經濟、民生、安全等多方面，為我國的信息技術發展作出貢獻。

目前，郭嵩團隊初步完成了研究方向的設定，計劃設計一種多層次、動態化的信息融合體系架構，使其能清楚地感知位置與通信，并使學習架構更好地適應各種邊緣環境；此外，團隊還提出在動態且復雜的網絡環境中，要盡早實現面向學習框架的高效通信機制，為此團隊在多方實驗的基礎上，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制，通過這種機制，計算資源可以自行感知分配模型和通信資源并合理分配，從而可進一步平衡計算與通信，最終實現降低功耗，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，在云邊端協同學習框架構建成功后，團隊還將在云邊端環境下開發VR視頻智能分析平臺，利用平臺來驗證所提出的體系架構、理論模型、技術方法的合理性和正確性，并進一步將協同學習框架推廣到智能監控、自動駕駛、智慧醫療、智能交通等領域。

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，更是對科學的信念。如今，這份堅持延續到郭嵩對學生的培養中。談起曾經教過的學生，郭嵩滿是欣慰與自豪，“很多學生已經獨當一面，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，就是看著自己的學生能夠在各自的領域里發光。

雖然時代在變化，為了適應不同時代的孩子的思想，老師的教育教學的方式也在不斷變化，但教育的本質沒變，為學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理念。“每一個學生都有閃光點，要看到學生不同方面的長處，幫助學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生的科研道路。

回望過去，當一次次新技術研發成功的消息傳來，郭嵩與團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，他將時刻準備著回到“冷板凳”上，進入下一輪的奮斗。