大數(shù)據(jù)在航天領(lǐng)域中的運(yùn)用現(xiàn)狀與展望

文/蔣旭 桑國(guó)彪 顧云蘇

當(dāng)今世界，已進(jìn)入大數(shù)據(jù)和云計(jì)算引領(lǐng)的信息技術(shù)新時(shí)代。大數(shù)據(jù)正深刻改變著人們的思維、生產(chǎn)和生活方式，掀起新一輪產(chǎn)業(yè)和技術(shù)革命。隨著多源大數(shù)據(jù)的獲取成本進(jìn)一步降低，配合計(jì)算能力的持續(xù)增長(zhǎng)，以及人工智能框架和算法的不斷創(chuàng)新，大數(shù)據(jù)與各個(gè)行業(yè)產(chǎn)生深度融合，改變著每個(gè)行業(yè)的業(yè)態(tài)發(fā)展。作為高精尖的航天領(lǐng)域自然也不例外，從航天器型號(hào)設(shè)計(jì)、研制過(guò)程、生產(chǎn)中的智能制造到航天器發(fā)射運(yùn)行過(guò)程中的監(jiān)控，再到發(fā)射之后的太空探索、航天成果發(fā)布應(yīng)用的全過(guò)程中，每一個(gè)重要環(huán)節(jié)都有著產(chǎn)生、管理和應(yīng)用大數(shù)據(jù)的需求和應(yīng)用，都可以發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)航天事業(yè)縱深發(fā)展的支撐。本文從這幾個(gè)維度介紹大數(shù)據(jù)在航天領(lǐng)域中的運(yùn)用現(xiàn)狀和展望。

▲遙測(cè)衛(wèi)星與地面的實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)接收處理示意圖

大數(shù)據(jù)助力航天器從“制造”向“智造”轉(zhuǎn)變

航天科研試驗(yàn)與裝備制造過(guò)程會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，是航天企業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源。隨著三維造型、數(shù)字樣機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，型號(hào)設(shè)計(jì)模型的數(shù)據(jù)量迅速增大；隨著虛擬仿真技術(shù)在型號(hào)方案、設(shè)計(jì)、故障分析、生產(chǎn)制造等階段的廣泛使用，產(chǎn)生了大量的仿真模型和分析結(jié)果數(shù)據(jù)；同時(shí)，航天產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段會(huì)有大量的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，不同單機(jī)、不同產(chǎn)品、不同發(fā)次的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是產(chǎn)品履歷信息的重要組成部分，隱含了型號(hào)產(chǎn)品的質(zhì)量信息，需要進(jìn)行有效的存儲(chǔ)和管理。

智能制造是推動(dòng)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)的戰(zhàn)略性舉措，是航天領(lǐng)域搶占新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革機(jī)遇的重要抓手。因此，在智能制造環(huán)境下圍繞航天大數(shù)據(jù)應(yīng)用對(duì)于推動(dòng)航天企業(yè)創(chuàng)新能力提升、加快制造強(qiáng)國(guó)發(fā)展具有重要意義。隨著智能制造、工業(yè)4.0持續(xù)推進(jìn)，航天制造業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)的需求，在生產(chǎn)過(guò)程中將大數(shù)據(jù)融合云計(jì)算、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，應(yīng)用于航天型號(hào)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)、運(yùn)行監(jiān)控、機(jī)床管理、日程編排等全環(huán)節(jié)應(yīng)用的逐步深化，航天制造業(yè)不斷從流程驅(qū)動(dòng)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變。數(shù)字化逐漸在航天智能制造研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中成為主流，從更高的維度來(lái)看，智能制造已成為全球新工業(yè)革命的核心驅(qū)動(dòng)力和科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，因此要深化制造業(yè)和大數(shù)據(jù)融合發(fā)展，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、開(kāi)放合作、研用并重、試點(diǎn)先行，積極推進(jìn)航天智能制造先進(jìn)技術(shù)與模式的應(yīng)用推廣。

以常見(jiàn)的基于大數(shù)據(jù)的協(xié)同智能制造平臺(tái)為例，通過(guò)這個(gè)平臺(tái)，將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造測(cè)試過(guò)程給予打通，以達(dá)到以下效果：

▲基于大數(shù)據(jù)的協(xié)同智能制造平臺(tái)

①航天器制造的全流程延伸，貫穿從設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)到測(cè)試的全流程大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，從元器件到整體產(chǎn)品總裝的全制造過(guò)程跟蹤。一方面用于提升各環(huán)節(jié)生產(chǎn)效率，另一方面也可以通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，找到關(guān)鍵質(zhì)量節(jié)點(diǎn)，以提升產(chǎn)品質(zhì)量。

②更進(jìn)一步，大數(shù)據(jù)在智能制造之中可以通過(guò)信息回饋，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，在提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)之上重新構(gòu)建業(yè)務(wù)流程，使得整個(gè)生產(chǎn)管理都可以實(shí)時(shí)、透明，進(jìn)行有效的科學(xué)管控。

③再進(jìn)一步，大數(shù)據(jù)可以對(duì)航天發(fā)射和運(yùn)行過(guò)程中的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，分析使用過(guò)程之中的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)并進(jìn)一步分析，從而可以為設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提供思路，用于改進(jìn)產(chǎn)品功能、提升產(chǎn)品可靠性、降低產(chǎn)品成本等方向提供數(shù)據(jù)支撐和參考。

④未來(lái)，通過(guò)全流程的打通，以及數(shù)據(jù)的積累，能夠更進(jìn)一步對(duì)整體設(shè)計(jì)制造生產(chǎn)測(cè)試進(jìn)行數(shù)字化建模，完成“數(shù)字孿生”，從而對(duì)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行快速測(cè)試分析，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)效率。

然而，要達(dá)到以上效果，需要結(jié)合大數(shù)據(jù)與工業(yè)制造領(lǐng)域，攻關(guān)一系列關(guān)鍵技術(shù)，研制云端協(xié)同的工業(yè)大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，包括端側(cè)的支撐本地大數(shù)據(jù)預(yù)處理和實(shí)時(shí)計(jì)算的邊緣洞察計(jì)算系統(tǒng)，以及云側(cè)的大數(shù)據(jù)匯集計(jì)算處理的工業(yè)大數(shù)據(jù)云處理系統(tǒng)。并打通工業(yè)大數(shù)據(jù)與現(xiàn)有信息化大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，建立起云端融合架構(gòu)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)分布、協(xié)同的機(jī)制和模式。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境各類(lèi)工業(yè)流、音視頻流、圖像等多模態(tài)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)適配的多模態(tài)工業(yè)大數(shù)據(jù)混搭處理架構(gòu)，滿足結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化模型存儲(chǔ)與批處理、流計(jì)算需求；研究大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理優(yōu)化方法，包括基于高效壓縮行列混合的存儲(chǔ)、智能索引、海量數(shù)據(jù)并行查詢(xún)等；研究高性能分布式并行可伸縮計(jì)算架構(gòu)，通過(guò)引擎-代理計(jì)算模式、大規(guī)模并行+共享內(nèi)存的計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)可彈性、高效的大數(shù)據(jù)處理任務(wù)調(diào)度與通信。

大數(shù)據(jù)在航天器發(fā)射和運(yùn)行過(guò)程中的支撐作用

▲“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)過(guò)程示意圖

上一節(jié)講述的是在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中大數(shù)據(jù)的作用，除此以外，航天器在發(fā)射和運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)有較多的大數(shù)據(jù)運(yùn)用。典型的如航天測(cè)控系統(tǒng)是支撐航天任務(wù)完成的重要保障系統(tǒng)，主要完成對(duì)航天器的測(cè)量和測(cè)控?cái)?shù)據(jù)接收處理等工作，具有任務(wù)種類(lèi)多、采集信息量大、數(shù)據(jù)類(lèi)型多、處理實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)。從需求上看，在發(fā)射過(guò)程中，航天器會(huì)通過(guò)其上的傳感器采集當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)如速度、角度、加速度、溫度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)向地面發(fā)送大量的測(cè)控大數(shù)據(jù)，并且必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成快速存儲(chǔ)，對(duì)大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求很高。在這些實(shí)時(shí)而精確的大數(shù)據(jù)的支撐下，基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)飛行器飛行狀態(tài)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步，提升地面對(duì)飛行器的實(shí)時(shí)測(cè)控與數(shù)據(jù)共享，更進(jìn)一步基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制航天器的飛行和執(zhí)行任務(wù)，對(duì)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，必須以最快的速度完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)處理。可以說(shuō)，航天大數(shù)據(jù)不僅具有一般大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，而且要求高可靠和更高效的處理速度，這也是為什么航天是最早提出發(fā)展大數(shù)據(jù)技術(shù)的領(lǐng)域，也是取得大數(shù)據(jù)成果最多的領(lǐng)域。

▲祝融號(hào)火星車(chē)工作形態(tài)

下面以“天問(wèn)一號(hào)”探火系統(tǒng)和“嫦娥五號(hào)”月球采樣返回項(xiàng)目為例來(lái)說(shuō)明大數(shù)據(jù)的作用。

▲“嫦娥五號(hào)”任務(wù)過(guò)程示意圖

在“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)中，大數(shù)據(jù)在運(yùn)載發(fā)射、軌道修正、深空機(jī)動(dòng)、火星環(huán)繞、著陸巡視等任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。在整個(gè)過(guò)程中，地面控制系統(tǒng)與探測(cè)器之間的信息傳輸將會(huì)產(chǎn)生大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這就需要采用大數(shù)據(jù)進(jìn)行海量數(shù)據(jù)管理和大規(guī)模并發(fā)處理，用戶(hù)可根據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)感知探測(cè)器的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)“天問(wèn)一號(hào)”的精準(zhǔn)測(cè)控。在發(fā)射階段，發(fā)射基地需要進(jìn)行氣象觀測(cè)、地面保障、火箭跟蹤測(cè)控等核心系統(tǒng)中運(yùn)用大數(shù)據(jù)平臺(tái)用于存儲(chǔ)各類(lèi)數(shù)據(jù)，穩(wěn)定運(yùn)行，保障探測(cè)器順利升空；在地火轉(zhuǎn)移階段，需要采集測(cè)控?cái)?shù)據(jù)，保證地面飛控中心精確計(jì)算軌道線路；在火星著陸階段，為探測(cè)器持續(xù)提供高精度測(cè)量數(shù)據(jù)，助力著陸巡視器成功降落火星。這一過(guò)程對(duì)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的可靠性要求較高，需要系統(tǒng)擁有數(shù)據(jù)容災(zāi)備份和故障秒級(jí)切換等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問(wèn)、存儲(chǔ)時(shí)的負(fù)載均衡，必須在高速入庫(kù)和大量查詢(xún)的情況下保證數(shù)據(jù)的高可用和完整性，有效提升了系統(tǒng)的整體性能。最后，在完成了天問(wèn)工程之后，還可以通過(guò)全過(guò)程中的各傳感器采集的大數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析挖掘，同時(shí)匯聚在生產(chǎn)制造過(guò)程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，建立數(shù)字模型，為未來(lái)的型號(hào)設(shè)計(jì)提供更多的參考，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)迭代優(yōu)化。

“嫦娥五號(hào)”任務(wù)由運(yùn)載發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、近月減速、環(huán)月飛行、月面著陸、月面采樣、月面上升、交會(huì)對(duì)接、環(huán)月飛行、月地轉(zhuǎn)移、軌道分離、再入回收等階段構(gòu)成。在這些階段，同樣需要大數(shù)據(jù)提供全面保障和數(shù)據(jù)支撐。

其他面向航天大數(shù)據(jù)的運(yùn)用前景

前兩個(gè)部分更多是從航天器自身運(yùn)行過(guò)程中需求去研討大數(shù)據(jù)的作用，更多的關(guān)注在大數(shù)據(jù)對(duì)航天工程的作用，用于輔助航天領(lǐng)域的發(fā)展。但實(shí)際上，我國(guó)開(kāi)展民用航天的更重要的目標(biāo)是服務(wù)國(guó)計(jì)民生。目前在運(yùn)行的各種類(lèi)人造衛(wèi)星如通訊、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星中，每時(shí)每刻都在產(chǎn)生著海量數(shù)據(jù)，規(guī)模能夠達(dá)到PB級(jí)甚至EB級(jí)，這些應(yīng)用級(jí)的大數(shù)據(jù)猶如一個(gè)巨大的金山，需要我們從中獲得更多的價(jià)值，而運(yùn)用于大數(shù)據(jù)之上的各類(lèi)數(shù)據(jù)分析挖掘處理技術(shù)則猶如一個(gè)鋒利的礦鎬，幫助我們不斷發(fā)掘。

▲“嫦娥五號(hào)”上升器月面點(diǎn)火，攜帶月壤順利進(jìn)入環(huán)月軌道，成功實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次地外天體起飛

以遙感衛(wèi)星為列，隨著我國(guó)不斷新發(fā)數(shù)量的快速增加以及空間、時(shí)間、光譜等分辨率的不斷提高，遙感數(shù)據(jù)的規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)速度快等大數(shù)據(jù)特征越來(lái)越明顯，給航天遙感系統(tǒng)中的星地?cái)?shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用等關(guān)鍵環(huán)節(jié)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，但同時(shí)也帶來(lái)機(jī)遇，通過(guò)建立模型，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析挖掘，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)的高效訪存、索引、壓縮和計(jì)算，既有助于解決航天遙感系統(tǒng)在快速獲取、高效存儲(chǔ)、智能化管理等方面的難題，又更進(jìn)一步獲得數(shù)據(jù)價(jià)值，并高效服務(wù)于農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)防、地圖測(cè)繪以及城市建設(shè)和管理等中。

又如在天文觀測(cè)領(lǐng)域中，在近地空間和太陽(yáng)系中有著海量的大大小小的未知飛行物，在觀測(cè)獲得的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，應(yīng)用人工智能技術(shù)，以深度學(xué)習(xí)為核心，融匯圖像、視頻、天文學(xué)、語(yǔ)義識(shí)別等領(lǐng)域，對(duì)未知飛行物進(jìn)行分類(lèi)，發(fā)現(xiàn)并定位新飛行物，為進(jìn)一步分析和運(yùn)用提供依據(jù)，將遠(yuǎn)高于目前人工識(shí)別的效率和精確度,伴隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、高性能計(jì)算資源的發(fā)展，獲得了成功的應(yīng)用，成為解決自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別問(wèn)題的一種有效途徑。

在軍事領(lǐng)域中，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以應(yīng)用于構(gòu)建從陸?？仗祀娋W(wǎng)六位一體的態(tài)勢(shì)指揮作戰(zhàn)系統(tǒng)，提供多源數(shù)據(jù)的快速實(shí)時(shí)情報(bào)匯總分析，從而快速發(fā)現(xiàn)和識(shí)別敵對(duì)軍事目標(biāo)，從而掌控戰(zhàn)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

展望未來(lái)，大數(shù)據(jù)在航天各個(gè)領(lǐng)域必將成為無(wú)所不在的存在，然而目前大數(shù)據(jù)的應(yīng)用仍存在數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)交換不夠，浪費(fèi)了大量的潛在資產(chǎn)；處理能力特別是對(duì)于圖像、遙感、視頻、音頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理技術(shù)水平仍有不足；數(shù)據(jù)計(jì)算分析能力不夠，大數(shù)據(jù)在應(yīng)用與設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的反饋閉環(huán)尚需進(jìn)一步完善；以“數(shù)字孿生”為代表的數(shù)據(jù)模型仍不夠豐富等問(wèn)題。未來(lái)需要更進(jìn)一步打破數(shù)據(jù)壁壘，借助“東數(shù)西算”的新機(jī)遇，綜合運(yùn)用跨領(lǐng)域多源大數(shù)據(jù)，深入推進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)在航天領(lǐng)域內(nèi)的深度運(yùn)用，這既是打造航天智能制造技術(shù)創(chuàng)新突破的前沿陣地和應(yīng)用示范的主要戰(zhàn)場(chǎng)，也是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興對(duì)航天人的使命召喚。