探索未知世界的先鋒隊，背后總有云的身影

劉小賢

·編者按·

科幻作家劉慈欣在小說《球狀閃電》中呈現(xiàn)了一種未來天氣預(yù)報方式：故事的主人公從氣象學(xué)院畢業(yè)后開發(fā)了一種系統(tǒng)，可以用來探測龍卷風(fēng)，并且把即將生成的龍卷風(fēng)扼殺在搖籃之中，這個系統(tǒng)很快被推廣到全世界。

當(dāng)年書中的科幻場景，在云+AI技術(shù)快速發(fā)展的加持下，今天可能很快就要變成現(xiàn)實。

讀懂天氣，是人類勞作、捕獲、耕種的前提，是現(xiàn)代文明得以延續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。這件事在人類發(fā)展進程里占據(jù)著極重要的位置。對于災(zāi)害的預(yù)測、對全球氣候環(huán)境變化的趨勢預(yù)判、超精準(zhǔn)天氣預(yù)測的可能，這些話題依舊處在全球科技核心位置。

目前，國際上天氣預(yù)報的有效性已從早期的1天-3天，提高到5天-7天。上世紀(jì)60年代，隨著科技的進步，氣象監(jiān)測從單純的站點監(jiān)測變?yōu)榘瑲庀笮l(wèi)星遙感的全球監(jiān)測，氣象學(xué)飛躍發(fā)展為大氣科學(xué)，氣象預(yù)測也從天氣圖經(jīng)驗預(yù)報發(fā)展到如今的數(shù)值天氣預(yù)報。

不過，在常規(guī)的天氣預(yù)測之外，氣象預(yù)測的最大瓶頸要屬雷雨大風(fēng)、短時強降水等突發(fā)災(zāi)害性天氣預(yù)報的準(zhǔn)確率，如果再遠一點、再深入一些，超越常規(guī)氣象預(yù)測的天文探索，更是人類進步的重要一步。

把天氣預(yù)測這件事進一步推向更高精度“可測”的，是云和AI。云讓天氣數(shù)據(jù)有軌跡規(guī)律可循，AI讀懂規(guī)律，預(yù)測規(guī)律。今天，云和AI甚至在合力探索浩瀚宇宙。

在我們本期特別策劃中，將分別從AI預(yù)測臺風(fēng)、AI 定位宇宙星空、AI常規(guī)天氣預(yù)測落地深圳等角度，深度剖析AI在天文科學(xué)中的強大潛力。

2019 年，華為云提出“Cloud for Good“理念，與客戶和伙伴，在解決商業(yè)問題之外，推進環(huán)境保護、教育平等、福祉健康、均衡發(fā)展等領(lǐng)域的發(fā)展，讓技術(shù)更有溫度。華為云致敬每個為自身，為行業(yè)，為社會造就不凡價值的選擇，以更可靠、更智能的云服務(wù)，持續(xù)為各行業(yè)注入源源不斷的云動能，全力成就每個不凡的選擇。

在不久前舉行的“選擇不凡 華為云年度峰會”上，中國國家航天局、北京交通大學(xué)軟件學(xué)院、廣東穿越醫(yī)療科技有限公司等代表上臺講述了他們的“Cloud for Good”實踐，引起了現(xiàn)場聽眾的熱烈反響。華為云還與眾多客戶和伙伴共同開啟了“Cloud for Good 2020行動計劃”，用行動去踐行，讓技術(shù)溫暖更多的人。

讀取1TB的數(shù)據(jù)，需要多長時間？

對于一個機械硬盤來說，它的真實讀取速度大概是150M/s;固態(tài)硬盤的速度比它快一倍，拿一個固態(tài)硬盤讀1TB的數(shù)據(jù)大概需要一個小時。

那么如果想在一秒內(nèi)讀取這些數(shù)據(jù)怎么辦？

理想情況下可以找來3000塊固態(tài)硬盤串聯(lián)到一起讀取數(shù)據(jù)，但真實情況中需要考慮硬盤的不連續(xù)性和網(wǎng)絡(luò)延時，秒級訪問通常還有并發(fā)需求，綜合起來，可能還需要增加幾倍的硬盤數(shù)量。

總之，讀取1TB數(shù)據(jù)意味著一塊硬盤讀一個小時，或是幾千塊硬盤同時讀取。

而在現(xiàn)實生活中，我國喀什、三亞和密云3個衛(wèi)星接收站每天接收的總數(shù)據(jù)量就可以突破1TB，2012年升空的資源三號衛(wèi)星每天獲取的數(shù)據(jù)量甚至達到了10TB。

面對這些超級大數(shù)據(jù)，到底應(yīng)該用什么樣的計算方案來解決？

超級傳感器

在現(xiàn)實世界中，很大一部分的數(shù)據(jù)都來源于生活中多種多樣的傳感器：溫度計測量溫度、X光機拍攝的骨骼圖像、手機記錄人的生活軌跡等。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過分析，可以幫助人類更好地作出決策。

而在數(shù)據(jù)收集方面，可能沒有什么傳感器比衛(wèi)星更強大了，而這其中最有代表性的非遙感衛(wèi)星莫屬。

遙感早在第一次世界大戰(zhàn)期間就被用于地面受損等信息的收集，也奠定了此后它在大規(guī)模公共服務(wù)領(lǐng)域的獨特價值。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，天空中相機拍攝地面的頻率越來越頻繁，它們能夠捕捉的信息也越來越豐富。從最初的光學(xué)影像到后來的可以收集到地形信息、光譜信息，甚至夜間的燈光信息等。

這些信息可以用來分析森林砍伐、碳循環(huán)和冰川衰減等眾多公共管理事務(wù)和科學(xué)問題。

國家航天局以及相關(guān)的跟太空遙感沾邊的機構(gòu)和部門，都是數(shù)據(jù)“大戶”。

傳感器和相應(yīng)理論的快速發(fā)展注定了遙感數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，而且未來也只會更多，這也增大了數(shù)據(jù)管理和從中提取出有效信息的難度。有行業(yè)人士認(rèn)為，也許沒有什么比遙感能產(chǎn)生更多的大數(shù)據(jù)。

因此，無論在中國還是美國或是其他任何國家，遙感領(lǐng)域中最讓人頭疼的問題都是如何管理這些數(shù)據(jù)。

美國宇航局（NASA）官員Rama Nemani曾舉過這樣一個例子：如果有人想利用遙感數(shù)據(jù)進行全球范圍的分析，首先需要從各個信息中心下載這些數(shù)據(jù)——光是這個過程就得持續(xù)幾周到幾個月。之后的分析過程也只能靠自己編寫代碼，而無法借鑒其他科學(xué)家所使用的方法。

隨著技術(shù)發(fā)展，科學(xué)家們也曾研究出一些數(shù)據(jù)管理方案，例如以Hadoop為代表的大數(shù)據(jù)解決方案已經(jīng)在很多遙感案例中得到了很好的應(yīng)用。

自2010年以來迅速崛起的云計算，其獨有的超大規(guī)模分布式儲存能力和并行計算能力，加之支持異構(gòu)計算、物理計算等場景，很好地解決了遙感行業(yè)中的數(shù)據(jù)管理問題。

當(dāng)然，此前已擁有小規(guī)模解決方案的遙感行業(yè)對新的商業(yè)解決方案的接受程度仍然有很大的加強空間，因為在新技術(shù)面前很多人會欣然接受從0到1的轉(zhuǎn)變，但從“1到更多”的進步則需要一些決心。

政府部門成上云“急行軍”

在遙感領(lǐng)域最先擁抱新技術(shù)的是政府部門。

2014年，工信部發(fā)布了可信云認(rèn)證名單，華為等企業(yè)在首批名單之列。這是國內(nèi)權(quán)威機構(gòu)首次開展云計算領(lǐng)域的資質(zhì)認(rèn)證，業(yè)內(nèi)有專家認(rèn)為這一進展將促進政府部門對云服務(wù)的采購。

這在當(dāng)年引起了各方的高度關(guān)注。中國信息通信研究院云計算與大數(shù)據(jù)研究所所長何寶宏當(dāng)年在接受媒體采訪時就預(yù)測，我國政府信息化采購的市場規(guī)模超過500億元人民幣，是當(dāng)時我國公共云市場規(guī)模的十余倍。除此之外，還有近年來頗具影響力的2017年出臺的三年行動計劃和2018年的企業(yè)上云指南，這些政策基本覆蓋了政府和企業(yè)的上云行動。尤其是三年行動計劃指出，支持地方主管部門聯(lián)合云計算企業(yè)構(gòu)建公共服務(wù)平臺，同時支持制造業(yè)重點領(lǐng)域的行業(yè)協(xié)會開展行業(yè)云建設(shè)。

從另一個角度來看，政府積極上云還有經(jīng)濟方面的考量。在經(jīng)濟放緩的壓力下，宏觀增加政府投資既符合經(jīng)濟調(diào)控規(guī)律，同時也提升政府部門運行效率并降低運行成本。

僅在對地觀測領(lǐng)域，進入2018年以來包括國家航天局（科工局）高分辦，我國資源、氣象、海洋三大衛(wèi)星應(yīng)用中心，自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心，國家基礎(chǔ)地理信息中心，發(fā)改委國家地理空間信息中心等在內(nèi)的政府部門和事業(yè)單位，都在積極應(yīng)用云計算，以尋求更好的服務(wù)。

美國的政策路線與中國類似。奧巴馬在2009年上任初期，為了緩解次貸危機對美國經(jīng)濟的沖擊，政府一面向市場釋放近8000億美元的復(fù)蘇資金，一面推進政府提升效率和降低運行成本。這其中就有2010年提出的“云優(yōu)先”政策，規(guī)定各政府部門在一年半時間內(nèi)，至少挑出三項業(yè)務(wù)“上云”，另外減少政府中數(shù)據(jù)中心數(shù)量，將其總量控制在800個以內(nèi)。亞馬遜云正是在這樣的政策背景下孕育壯大。

規(guī)模效應(yīng)開始顯現(xiàn)

如果說最初政府部門應(yīng)用云計算是為了服務(wù)于公共管理，在這一需求得到滿足后，這一能力正在朝著更大范圍擴展。

其中具有代表性的是2019年世界地球觀測組織（Group on Earth Observa-tions， GEO）在澳大利亞舉行會議周期間，我國國家航天局代表團在會議上推出了“高分衛(wèi)星16m數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺”，向世界各國開放我國高分一號和六號衛(wèi)星16m數(shù)據(jù)。

在這個數(shù)據(jù)開放項目中，全球用戶都可以通過在線的平臺進行查詢和下載兩顆衛(wèi)星的歷史存檔數(shù)據(jù)、基于存檔數(shù)據(jù)生成的全球有效覆蓋一張圖和每日拍攝的16米數(shù)據(jù)，用來分析全球氣候變化、預(yù)測農(nóng)作物長勢，甚至為用戶所在國家的災(zāi)后救援提供有力支撐。

這一項目每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)高達1T，每32天就可以完成一次全球覆蓋;同時用戶也來自世界各國，他們有可能是學(xué)者、科學(xué)家、政府官員或是金融機構(gòu)中的數(shù)據(jù)專家。面對大量用戶同時在線上發(fā)起的需求，快速、平穩(wěn)地響應(yīng)不僅是功能實現(xiàn)，更在某種程度上代表了我國在遙感領(lǐng)域的技術(shù)能力。

中國此前也有過類似的共享平臺，但用戶大多數(shù)為行業(yè)用戶，需求有限的情況下平臺不需要太大的運算能力即可正常運行，因此小規(guī)模的計算方案就可以解決。然而當(dāng)面對這樣的項目，穩(wěn)定的云服務(wù)就幾乎成了唯一的解決方案。在這一項目中，華為云聯(lián)合中科星圖、航天宏圖等參與到了平臺的建設(shè)中，其算力能力為平臺的穩(wěn)定運行提供了重要保障。

太空是座數(shù)據(jù)“鉆石礦”

國家航天局以及相關(guān)的跟太空遙感沾邊的機構(gòu)和部門，都是數(shù)據(jù)“大戶”。在距離地面350公里乃至宇宙更深處，人類已經(jīng)陸陸續(xù)續(xù)發(fā)射了成千上萬顆衛(wèi)星，這些衛(wèi)星有的將鏡頭對準(zhǔn)地球，形成遙感影像;有的把鏡頭對準(zhǔn)云層，幫助人類更好地了解天氣;也有像哈勃望遠鏡將鏡頭對準(zhǔn)神秘的外太空，去探索更大的宇宙。

這些探索的目的都是收集數(shù)據(jù)，并且在這座礦山中提煉最珍貴的鉆石。

例如在氣象領(lǐng)域，通過數(shù)據(jù)的運算，就可以盡量精準(zhǔn)地預(yù)測臺風(fēng)路徑，及時提醒當(dāng)?shù)鼐用穹罏?zāi)避災(zāi)，從而降低自然災(zāi)害帶來的經(jīng)濟損失，甚至人員傷亡。然而大氣看似只是一團氣體，對它的觀測確實是全維度的，因此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也十分巨大，更別提要對大氣進行模擬和仿真。因此，實現(xiàn)大氣模型的綜合數(shù)據(jù)處理也一直是氣象業(yè)務(wù)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)面前，云計算同樣是“掘鉆”利器。云計算可以有效擴展底層IT系統(tǒng)的擴展能力和處理芯片的承載數(shù)據(jù)能力，為天氣的預(yù)測預(yù)報提供幫助。

不光是天上的衛(wèi)星，為了更好地了解這個世界，包括中國在內(nèi)的20個國家的科學(xué)家制定了一個龐大的計劃，在地面上建造一個巨型射電望遠鏡陣列，即平方公里陣列射電望遠鏡（簡稱SKA）項目。它們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并不比衛(wèi)星少：SKA項目每年存檔數(shù)據(jù)大約有600PB（約合超過60萬TB）。

每一個大型的數(shù)據(jù)項目背后都有一家成熟的云供應(yīng)商。SKA項目背后是華為云，同時華為云也參與到了中國國家氣象局等機構(gòu)的氣象衛(wèi)星算法的創(chuàng)新大賽中，為氣象應(yīng)用提供技術(shù)支持。而在著名的哈勃望遠鏡背后，也是美國的亞馬遜云提供算力支撐。

上述太空相關(guān)強數(shù)據(jù)領(lǐng)域進一步發(fā)展的瓶頸，取決于云計算能力自身的發(fā)展水平，因此云計算的算力提升和穩(wěn)定服務(wù)更顯得尤為重要。

人類在計算領(lǐng)域的探索欲望無止境。2019年10月，谷歌宣布實現(xiàn)“量子霸權(quán)”轟動全球，正因它突破了現(xiàn)有計算機計算能力的限制。乍聽上去，這些最前沿的計算技術(shù)跟普通人的生活相距很遠。但它們終將隨著技術(shù)的發(fā)展落地到人們的生活之中。

十年前，李彥宏和馬化騰對“云計算”嗤之以鼻，在下一個計算時代即將來臨之時，谷歌雖然領(lǐng)先了一步，但在中國華為、阿里、騰訊和百度也已經(jīng)展開了激烈的競爭。2019年華為推出的昆侖量子計算也一定程度上代表中國公司正在逐漸占領(lǐng)一些制高點。

科技變化面前，政府在國家競爭和經(jīng)濟環(huán)境的影響下做了更為積極的嘗試。企業(yè)需要考量綜合經(jīng)濟性、投入產(chǎn)出比和直觀效果等多方面因素。但二者都應(yīng)該在快速變化中找到屬于自己的“新技術(shù)優(yōu)先”政策，畢竟在科技領(lǐng)域，唯一不變的是變化本身。