中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院一所所長(zhǎng) 艾邦成 ?研究員 ?楊武兵、羅曉光

人類正處于數(shù)字世界和物理世界對(duì)話的前夜。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，人類的數(shù)字化進(jìn)程形成了數(shù)字世界的物質(zhì)基礎(chǔ)，而隨著人工智能的發(fā)展，這一世界初具演化和成長(zhǎng)能力。以新世界的觀點(diǎn)來(lái)看待新一輪科技革命，我們能更好地理解各種科技變革和各種產(chǎn)業(yè)背后的邏輯關(guān)系，看到一個(gè)更加波瀾壯闊的時(shí)代。

過(guò)去的事實(shí)表明，從紙張到計(jì)算機(jī)再到人工智能，人類文明的進(jìn)程在加速。而從應(yīng)用角度而言，人工智能是一種現(xiàn)代工具，隨著工具的進(jìn)步，人類認(rèn)識(shí)世界、改造世界的能力在大幅提升，可以預(yù)見(jiàn)，如同 50 年前芯片一樣，人工智能將逐漸向各行各業(yè)滲透。這種滲透使數(shù)字世界的規(guī)模和能力大幅提升，具備從底層顛覆人類生產(chǎn)生活方式，尤其是科技領(lǐng)域創(chuàng)新模式的潛力，航天領(lǐng)域概莫能外。

科學(xué)大數(shù)據(jù)與科技創(chuàng)新

隨著大數(shù)據(jù)分析手段的完善，大數(shù)據(jù)和自然資源、人力資源一樣，展示出重要價(jià)值，甚至成為企業(yè)的最主要資產(chǎn)。這些早已引起業(yè)界、經(jīng)濟(jì)界和科技界的廣泛重視。

商業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用已非常廣泛，談?wù)撘埠芏?，此處我們主要談科學(xué)大數(shù)據(jù)?？茖W(xué)大數(shù)據(jù)目前還處于初期的發(fā)展階段。有評(píng)論指出，科學(xué)大數(shù)據(jù)可能是理論的終結(jié)，它提供了理解世界的一條完整新途徑，用相互關(guān)系取代因果關(guān)系，即使沒(méi)有一致性的模型和統(tǒng)一的理論，科學(xué)也可以進(jìn)步。這雖然帶來(lái)爭(zhēng)議，但可以看出科學(xué)大數(shù)據(jù)對(duì)物理世界認(rèn)知的重要性。

事實(shí)上，美國(guó)非常重視科學(xué)大數(shù)據(jù)。美國(guó) DARPA、能源部和研究基金會(huì)都已啟動(dòng)很多項(xiàng)目，對(duì)非線性等問(wèn)題開(kāi)展研究。從科學(xué)發(fā)展而言，人類科學(xué)研究早已確立了實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算三種研究范式，而大數(shù)據(jù)提供了第四范式。這是一種很大的變革力量。它與人工智能的結(jié)合，使其能力更大。當(dāng)它往航天領(lǐng)域滲透時(shí)，也許會(huì)煥發(fā)想象不到的空間。它帶來(lái)的不僅僅是技術(shù)本身的進(jìn)步，同時(shí)也是科研模式的巨大改變，甚至變革。

我們暢想大數(shù)據(jù)，但并非否定傳統(tǒng)思維。事實(shí)上，大數(shù)據(jù)的主要產(chǎn)出依然是傳統(tǒng)方式，例如計(jì)算，例如試驗(yàn)。我們主張傳統(tǒng)思維與大數(shù)據(jù)的融合。在傳統(tǒng)研究領(lǐng)域，我們已有很多經(jīng)驗(yàn)，而在大數(shù)據(jù)方面，未來(lái)需在各方面取得突破，包括可視化分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)應(yīng)用、語(yǔ)義引擎和數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量管理。早期航天器研制中產(chǎn)生了很多數(shù)據(jù)，但產(chǎn)出的數(shù)據(jù)并未形成大數(shù)據(jù)。雖然，也對(duì)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度做過(guò)小樣本實(shí)驗(yàn)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但對(duì)這些數(shù)據(jù)挖掘的模式并不完善，需要重新設(shè)計(jì)新的技術(shù)路線。

航天科技創(chuàng)新中的人工智能

當(dāng)前，我國(guó)正從航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)。我們的航天發(fā)射規(guī)模是世界上最大的，但是，從大到強(qiáng)，在技術(shù)領(lǐng)域還有不小的差距需要跨越。我們的主要差距在原始創(chuàng)新，我們很多技術(shù)不是原創(chuàng)的，大數(shù)據(jù)與人工智能或許能夠提供新的創(chuàng)新范式。

更高、更快、更遠(yuǎn)是飛行器永恒追求。從萊特兄弟的飛機(jī)，到現(xiàn)在的超聲速飛機(jī)，再到未來(lái)的高超聲速飛行器，兩小時(shí)全球到達(dá)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，按傳統(tǒng)的路徑技術(shù)發(fā)展需要很長(zhǎng)時(shí)間，但利用大數(shù)據(jù)和人工智能，這種進(jìn)程可以得到加速。比如說(shuō)外形設(shè)計(jì)，讓飛機(jī)阻力小。過(guò)去是基于科學(xué)認(rèn)知和實(shí)踐來(lái)做，而未來(lái)完全可以從數(shù)據(jù)中自動(dòng)衍生，并且性能上優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。我們甚至可以把飛行器做成像鳥(niǎo)兒一樣自由變化，可以通過(guò)學(xué)習(xí)具備智能飛行能力。

航天技術(shù)也涉及大量自然科學(xué)問(wèn)題，比如說(shuō)湍流，它被達(dá)·芬奇描述為混亂的、雜亂無(wú)章和無(wú)規(guī)律，它在科技領(lǐng)域困擾了人類一百多年，現(xiàn)在依然難從理論上解決，但也許未來(lái)可以通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行徹底解決。

航天飛行器還涉及大量管理科學(xué)。航天器設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程， 航天工程之所以周期長(zhǎng)，是因?yàn)樗枰獜V泛的不斷地協(xié)商、溝通。未來(lái)，我們希望借助人工智能實(shí)現(xiàn)航天器設(shè)計(jì)模式和管理的創(chuàng)新，把研制周期大幅縮減。同樣，借助它們實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、知識(shí)共享和工具共享。

數(shù)字世界的產(chǎn)業(yè)邏輯

我們嘗試從數(shù)字世界來(lái)看各相關(guān)產(chǎn)業(yè)背后的邏輯關(guān)系，以獲得某種啟示。

首先從物理世界到數(shù)字世界，它需要數(shù)字化設(shè)備，如數(shù)碼相機(jī)、3D 掃描、傳感器與物聯(lián)網(wǎng)將物理模型及其狀態(tài)導(dǎo)入數(shù)字世界，建立兩個(gè)世界的鏡像。同樣，從數(shù)字世界到物理世界，它需要 3D 打印這樣的技術(shù)快速變現(xiàn)。

其次是數(shù)字世界的演化。它的核心是大規(guī)模分布式計(jì)算，包括高性能計(jì)算、云計(jì)算和邊緣計(jì)算。隨著創(chuàng)新活動(dòng)的加劇，人類對(duì)計(jì)算的需求在加大。仍以航天為例，計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)改變了飛行器設(shè)計(jì)模式。1980?年以前飛行器都是通過(guò)地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)作為設(shè)計(jì)主要支撐，1980?年以后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展， 計(jì)算逐漸成為數(shù)據(jù)的主要手段。飛行器設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算需求在加大，根據(jù) NASA?調(diào)研報(bào)告，飛行器到 2030?年對(duì)計(jì)算需求會(huì)有量級(jí)的增長(zhǎng)。高性能計(jì)算還往下游衍生新的產(chǎn)業(yè)。例如，高性能計(jì)算需要散熱，我們把航天領(lǐng)域的散熱技術(shù)和熱管技術(shù)拓展用于高性能計(jì)算，可大幅省電。這也是高性能計(jì)算幫助航天器設(shè)計(jì)，航天技術(shù)反過(guò)來(lái)幫助高性能計(jì)算的成功案例。

最后，當(dāng)數(shù)字世界與物理世界互動(dòng)時(shí)，當(dāng)人類追求沉浸式體驗(yàn)時(shí)，我們還需要數(shù)據(jù)衣、數(shù)據(jù)手套、數(shù)字頭盔等設(shè)備。而 5G 技術(shù)甚至可使得數(shù)字世界與物理世界的聯(lián)通再無(wú)邊界，是兩者走上融合的開(kāi)始。

總之，大數(shù)據(jù)與人工智能的發(fā)展勢(shì)不可擋，現(xiàn)在我們需要探索它們?cè)诤教祛I(lǐng)域的融合方式。我們希望在融合過(guò)程中產(chǎn)生顛覆性的模式，大幅提升航天創(chuàng)新能力、大幅減小航天設(shè)計(jì)周期和成本。盡管我們現(xiàn)在的認(rèn)知還存在欠缺，但是一定會(huì)在未來(lái)創(chuàng)造航天新紀(jì)元。