批量任务调度优化：提升GPU使用率至90%以上

背景与挑战：静态生成模式下的资源浪费

在基于I2VGen-XL模型的Image-to-Video 图像转视频生成器实际部署过程中，我们发现单次请求驱动的 WebUI 模式虽然用户体验友好，但在高并发或批量处理场景下存在严重瓶颈。典型表现为：

GPU 利用率波动剧烈，平均利用率不足40%
任务排队无序，先提交的任务可能因参数复杂度低而被后提交的高负载任务“插队”
显存频繁释放与加载，导致大量时间浪费在模型初始化和数据搬运上
用户批量生成多个视频时，需手动点击、等待、再点击，效率极低

这些问题本质上源于缺乏统一的任务调度层。每个请求独立执行，彼此隔离，无法实现资源协同与流水线并行。为解决这一问题，我们对原系统进行了二次重构，引入了批量任务调度引擎（Batch Task Scheduler），将 GPU 使用率稳定提升至90%+。

架构升级：从“单打独斗”到“集群作战”

原有架构局限性分析

原始 WebUI 架构采用典型的 Flask + Diffusers 组合，流程如下：

用户请求 → Flask 接收 → 加载模型（若未加载）→ 执行推理 → 返回结果 → 释放资源

这种模式适合交互式体验，但存在三大硬伤： 1.冷启动开销大：每次新会话都需重新加载模型到 GPU（约 30-60 秒） 2.串行执行：多用户同时请求时，只能排队依次处理 3.无优先级控制：简单任务与复杂任务混杂，影响整体吞吐

核心洞察：真正的性能瓶颈不在模型本身，而在任务组织方式。

新架构设计：引入任务队列与异步调度

我们在原有基础上新增了三层关键组件：

[WebUI] ↓ (HTTP 请求) [任务接收网关] → [任务队列 Redis] ↓ [调度器 Scheduler] ↓ [GPU 工作节点 Worker Pool]

核心模块职责说明

| 模块 | 职责 | |------|------| |任务接收网关| 接收前端请求，校验参数，生成唯一任务 ID，写入队列 | |Redis 队列| 存储待处理任务，支持持久化、去重、优先级排序 | |调度器 Scheduler| 定时扫描队列，按策略分发任务给空闲 Worker | |Worker 工作节点| 长驻进程，持有已加载模型，持续消费任务 |

该设计实现了： - ✅ 模型常驻 GPU，避免重复加载 - ✅ 多任务自动排队，无需用户反复操作 - ✅ 支持断点续传与失败重试 - ✅ 可横向扩展 Worker 数量以匹配 GPU 资源

调度策略优化：如何让 GPU “忙起来”？

单纯引入队列并不能保证高利用率。我们通过以下三项关键技术实现90%+ 的 GPU 利用率。

1. 动态批处理（Dynamic Batching）

传统批处理要求所有任务输入尺寸一致，但在 Image-to-Video 场景中，用户可选择 512p/768p/1024p 等不同分辨率，直接 batch 会导致 OOM。

我们提出“分辨率聚类 + 时间维度填充”策略：

def group_tasks_by_resolution(tasks): buckets = defaultdict(list) for task in tasks: res_key = (task['resolution'], task['num_frames']) buckets[res_key].append(task) # 每个桶内进行动态批处理 for (res, frames), bucket in buckets.items(): if len(bucket) >= 2: yield create_batch(bucket, resolution=res, frame_len=frames)

相同分辨率 & 帧数的任务自动合并为一个 batch
不足 batch_size 的任务仍单独执行，不阻塞
批处理显著减少 kernel launch 次数，提升 SM 占用率

💡 实测：batch_size=2 时，推理速度提升 1.7x，GPU 利用率从 58% → 82%

2. 优先级调度算法：短任务优先 + 显存预估

为防止长任务“饿死”短任务，我们设计了复合优先级评分函数：

$$ Priority = w_1 \cdot \frac{1}{T_{est}} + w_2 \cdot S_{mem} + w_3 \cdot Q_{time} $$

其中： - $ T_{est} $：任务预计耗时（越小优先级越高） - $ S_{mem} $：显存占用评分（越小得分越高） - $ Q_{time} $：入队时间（越早得分越高） - $ w_i $：可调权重，默认 (0.5, 0.3, 0.2)

def calculate_priority(task): est_time = estimate_inference_time( res=task['resolution'], frames=task['num_frames'], steps=task['steps'] ) mem_score = 1 / (task['estimated_gpu_memory'] + 1e-6) age_score = (time.time() - task['timestamp']) / 3600 # 小时为单位 return ( 0.5 * (1 / max(est_time, 1)) + 0.3 * mem_score + 0.2 * age_score )

此策略确保： - 快速任务能及时响应，提升用户体验 - 长任务不会无限等待 - 显存紧张时自动避开高消耗任务

3. 流水线并行：解耦图像编码与视频扩散

I2VGen-XL 模型包含两个主要阶段： 1. 图像编码器（Image Encoder）：将输入图转为 latent 2. 视频扩散模型（Temporal UNet）：基于 prompt 生成帧间 motion

这两个阶段对 GPU 资源需求不同： - 图像编码：短时、高显存 - 视频扩散：长时间、高计算

我们将其拆分为两个子任务，并启用流水线并行：

[Task A] 图像编码 → [中间 latent 存储] → [Task B] 视频生成 ↓ ↗ Worker 1 Worker 2

编码阶段可在 CPU 或专用小型 GPU 上完成
扩散阶段由高性能 GPU 专注执行
总体吞吐提升 2.1x，GPU 计算单元空闲时间下降 63%

工程实现：无缝集成现有系统

修改`start_app.sh`启动脚本

#!/bin/bash # 原始启动命令 # python main.py --port 7860 # 新增后台 worker 进程 nohup python scheduler/worker.py --gpu-id 0 > logs/worker0.log 2>&1 & nohup python scheduler/worker.py --gpu-id 1 > logs/worker1.log 2>&1 & # 启动调度器 nohup python scheduler/scheduler.py > logs/scheduler.log 2>&1 & # 启动 WebUI（修改为仅作为 API 网关） python webui/main.py --port 7860

扩展 API 接口：支持批量提交

在原有/generate接口基础上增加/batch_generate：

@app.route('/batch_generate', methods=['POST']) def batch_generate(): tasks = request.json.get('tasks') # 允许一次提交多个任务 results = [] for task_data in tasks: task_id = str(uuid.uuid4()) validated_task = validate_and_fill_defaults(task_data) # 写入 Redis 队列 redis_client.lpush('task_queue', json.dumps({ 'task_id': task_id, 'data': validated_task, 'timestamp': time.time() })) results.append({'task_id': task_id, 'status': 'queued'}) return jsonify(results)

前端可一次性上传 10 张图片 + 对应 prompt，后端自动拆分为 10 个任务入队。

性能对比：优化前后实测数据

| 指标 | 原始方案 | 批量调度方案 | 提升幅度 | |------|--------|-------------|---------| | 平均 GPU 利用率 | 38% |91%| +139% | | 单卡日生成量（512p） | ~200 |~680| +240% | | 任务平均等待时间 | 12s |3s| -75% | | 显存碎片率 | 23% |6%| -74% | | 最大并发任务数 | 2 |8| +300% |

测试环境：NVIDIA RTX 4090 × 2, 64GB RAM, Ubuntu 22.04

最佳实践：高效使用批量调度功能

1. 批量生成推荐配置

{ "tasks": [ { "input_image": "/uploads/cat.jpg", "prompt": "A cat turning its head slowly", "resolution": "512p", "num_frames": 16, "fps": 8, "steps": 50, "guidance_scale": 9.0 }, { "input_image": "/uploads/ocean.jpg", "prompt": "Waves crashing on the beach", "resolution": "512p", "num_frames": 16, "fps": 8, "steps": 50, "guidance_scale": 9.0 } ] }