国际空间站试验以边缘运算技术监控宇航员健康

国际空间站应用边缘运算技术来监控宇航员的健康,结合搭载在国际空间站的HPE的Spaceborne Computer-2边缘运算系统,还有地球上的Azure云计算服务,来监控宇航员因为暴露在高辐射环境,可能出现的健康风险,宇航员的血液样本基因测序资料会先在国际空间站进行预处理,只有需要进一步分析的资料,才会通过带宽有限的下行连接(Downlink)传输到地球处理。

目前国际空间站的这套HPE Spaceborne Computer-2,是在2021年4月才安装到NG-15空间站,预计要服役2到3年。这件事本身就极具意义,因为过去空间站所用的计算机,通常是专门定制的硬件和软件模型,以满足太空任务的可靠性需求,这些定制的星载系统开发人员体验很复杂,与地球上使用的商用系统相比,程序开发速度不只缓慢且困难。

在2017年的时候,HPE所设计的第一代商业系统Spaceborne Computer-1,成功被发射到太空,并且验证可在太空高辐射的环境中正常运行,并且在今年的时候,拥有2倍运算性能,以及强化人工智能运算能力,由HPE Edgeline EL4000 Converged Edge系统和HPE ProLiant DL360 Gen10服务器组成的Spaceborne Computer-2,再次被部署到空间站中。

虽然运算能力提升了,但是微软提到,应用真正的瓶颈是国际空间站和地球之间的传输带宽,Spaceborne Computer-2每周只能从NASA,分配到2小时的通信带宽将资料传输到地球,最大的下载速度为每秒250 KB,这样的带宽还要分配给多个实验,在这个有限的网络环境,边缘云计算的概念发挥作用,Spaceborne Computer-2能先对大型资料集进行初步分析和过滤,截取有趣和意外的内容,再将这些结果传回地球公有云上解析。

微软在这些限制提出了一项实验,监控高辐射暴露下宇航员的健康,由于在太空中不像地球有大气层,阻挡来自宇宙的辐射,因此宇航员需要面临高辐射的威胁,特别越过低空地球轨道,超过范艾伦辐射带时,所暴露的辐射只会越来越多。

微软的这项实验,是要访问国际空间站上基因测序仪的资料进行分析,但是基因测序资料量太过庞大,而且输出要和不断更新的大型临床数据库进行比较,因此下行链路的带宽太小,不足以支持这些操作,因此该实验使用HPE Spaceborne Computer-2执行初始运算,将截取的基因串行和参考的DNA片段进行比较,只有在找到差异或是变异时,才下载到HPE地面站。

当地球上,这些资料会被传输到Azure,并且使用微软Genomics服务进行运算,将下载资料中的短碱基对基因测序资料和完整的人类基因组数据库比对,来确定突变的位置和变化类型,并使用美国国家卫生院的dbSNP数据库比对读数,来确定突变所带来的影响。

由于在开发和测试期间,开发人员无法访问HPE Spaceborne Computer-2或HPE地面站,因此研究人员先在Azure模拟验证了这个实验,并在8月12日的时候,上传120MB的程序到国际空间站的Spaceborne Computer-2上执行。

根据微软的试验,当原始资料为500 KB时,执行时间只需要20分钟,需要下载至地球的资料只剩4 KB,传输时间不到1秒,即便原始资料有150 MB,在Spaceborne Computer-2执行1小时的预处理后,需要传输的资料剩下900 KB,17秒内就能传输到地球。

目前HPE Spaceborne Computer-2还在边缘云计算应用的试验和概念性验证阶段,宇航员健康监控应用仅是其中一项项目,这些试验都会独立于国际空间站运行的操作系统,微软提到,随着人类继续向太空发展,边缘云计算能力将会越来越重要,使用案例也会增加,作为突破计算资源极限的解决方案。

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