從德國隊奪冠看 大數(shù)據(jù)在航天領域的應用與發(fā)展

蔡聞一 孫崢皓 唐塞麗 李東昊（中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展中心）

大數(shù)據(jù)（Big Data）作為信息時代獲取、處理與利用信息的一項核心技術，正在影響國家安全、社會經(jīng)濟發(fā)展乃至人類生活的各個方面，已經(jīng)成為信息時代各國競爭的新領域。2014年在巴西舉行的世界杯足球決賽上，德國隊1：0戰(zhàn)勝阿根廷隊，奪得桂冠。而幫助德國隊獲勝的“秘密武器”之一，正是悄然影響綠蔭場上強弱較量的“大數(shù)據(jù)”，可以說“大數(shù)據(jù)”是德國足球隊在賽場上的“第十二個人”。

1 德國隊巧妙運用大數(shù)據(jù)

德國隊在本屆世界杯的巔峰對決中最終勝出，可以說是以大數(shù)據(jù)為代表的新技術發(fā)展帶來的勝利。德國足協(xié)與SAP公司合作，定制了一款名為“視野中的比賽”（Match in Sights）的足球解決方案，用以迅速收集、處理和分析球員和球隊的技術數(shù)據(jù)，基于“數(shù)字和事實”優(yōu)化球隊配置，提升球隊整體作戰(zhàn)能力，并通過分析對手的技術數(shù)據(jù)，找到在比賽中的“制敵”方式。

這款數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)首先通過攝像頭、傳感器等工具捕捉到球員跑動的速度、位置、控球時間、防御方位、動作細節(jié)等大量數(shù)據(jù)，并傳入數(shù)據(jù)庫。隨后，基于SAP公司研制的HANA數(shù)據(jù)處理平臺運行的分析工具迅速對這些數(shù)據(jù)進行后臺分析和處理。

2012年4月，SAP公司斥資近5億美元研制了HANA數(shù)據(jù)處理平臺，其設計目的是迅速分析海量的銷售和運營信息，以及對電子郵件和社交媒體等非結構化數(shù)據(jù)進行分析，依靠計算機存儲器而非磁盤驅動器來加速這一程序。據(jù)SAP公司介紹，10名球員用3個球進行訓練，在10min的時間內(nèi)可產(chǎn)生超過700萬個可供分析的數(shù)據(jù)點，HANA數(shù)據(jù)處理平臺可以對所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行實時處理和分析。

德國隊通過這一數(shù)據(jù)分析工具可以迅速了解和評估比賽狀況、每個球員的特點、表現(xiàn)情況、防守范圍、對方球隊的空擋區(qū)等信息，從而教練可以對球員的上場時間、位置、技戰(zhàn)術等方面進行優(yōu)化配置；同時，可以對對方球隊的技術數(shù)據(jù)進行分析，以確定相應戰(zhàn)術，提升球隊進攻能力。

SAP公司大數(shù)據(jù)專家在中國介紹HANA數(shù)據(jù)處理平臺

2 大數(shù)據(jù)的發(fā)展背景

近年來，隨著移動通信、互聯(lián)網(wǎng)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)源種類和數(shù)據(jù)量持續(xù)快速增加，全球數(shù)據(jù)正在呈現(xiàn)爆炸式增長，數(shù)據(jù)已經(jīng)滲透到每一個行業(yè)和業(yè)務職能領域，并成為重要的生產(chǎn)因素。政治、經(jīng)濟活動與數(shù)據(jù)的創(chuàng)造、采集、傳輸和使用緊密相關，數(shù)據(jù)與自然資源、人力資源一樣，成為一項重要的戰(zhàn)略資源，掌握和使用數(shù)據(jù)資源的能力是國家數(shù)字主權的體現(xiàn)。

讓全世界嘩然的“棱鏡”事件，深刻地暴露出一些大國利用信息技術領域的優(yōu)勢，暗中采集他國的數(shù)據(jù)信息，對其國家安全造成威脅。大數(shù)據(jù)研究和應用將對未來的科技與經(jīng)濟發(fā)展帶來深遠的影響，一個國家擁有數(shù)據(jù)的規(guī)模和運用數(shù)據(jù)的能力將成為綜合國力的重要組成部分和企業(yè)間新的爭奪焦點。

實際上，大數(shù)據(jù)描述的是隨著數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)類型激增而逐漸衍生出來的一種現(xiàn)象，不僅包括大規(guī)模的體量、多樣化種類的數(shù)據(jù)集，還包括對這種數(shù)據(jù)集進行高速采集、處理與分析以提取價值的技術架構與技術過程。IDC指出大數(shù)據(jù)具備其特有的4個特點，即數(shù)據(jù)量巨大（Volume）、數(shù)據(jù)類型多（Variety）、價值密度低（Value）、處理速度快（Velocity），簡稱“4V”。

3 國外大數(shù)據(jù)發(fā)展戰(zhàn)略與現(xiàn)狀

大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)活動涵蓋數(shù)據(jù)的獲取、整理、存儲、處理、可視化、應用服務以及信息共享等，其業(yè)務模式包括網(wǎng)絡數(shù)據(jù)與信息服務、企業(yè)和政府智能化管理決策、企業(yè)流程改造與變革等，涉及到互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)、制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、金融、醫(yī)療、氣象、衛(wèi)生、交通及社會的其他各個領域……大數(shù)據(jù)正深刻地影響每一個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并逐漸成為推動一個國家企業(yè)創(chuàng)新及社會進步的重要支撐力量。據(jù)美國咨詢機構Gartner預測，從現(xiàn)在起至2015年，大數(shù)據(jù)將會在世界范圍內(nèi)創(chuàng)造440萬個工作崗位。

“得大數(shù)據(jù)者得天下”，這是一些推崇大數(shù)據(jù)時代的變革者的判斷。不少業(yè)內(nèi)專家認為，在大數(shù)據(jù)時代，誰能夠有效地使用并壟斷數(shù)據(jù)，誰就有可能成為世界霸主。世界上許多國家已經(jīng)認識到了大數(shù)據(jù)所蘊含的重要戰(zhàn)略意義，紛紛開始在國家層面進行戰(zhàn)略部署。為爭奪高新技術的發(fā)展優(yōu)勢，迎接和應對大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)，美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)高度重視推進本國的信息產(chǎn)業(yè)和信息技術，紛紛投入巨額資金，制定一系列發(fā)展計劃。

美國

（1）大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展計劃

2012年3月，美國奧巴馬政府宣布投資2億美元啟動“大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展倡議”，將大數(shù)據(jù)定義為“未來的新石油”，全面開啟美國大數(shù)據(jù)研發(fā)工作，這是繼1993年美國宣布“信息高速公路”計劃后的又一次重大科技發(fā)展部署，由美國國防部、美國國防部高級研究計劃局、美國能源部、美國國家科學基金會、美國國家衛(wèi)生研究院、美國地質勘探局共6個聯(lián)邦部門和機構共同投資。

該計劃旨在大力推進大數(shù)據(jù)的收集、訪問、組織、開發(fā)和利用等相關技術的發(fā)展，進而提高和改進從海量和復雜的數(shù)據(jù)集合中提煉和獲取知識的能力和水平。這意味著美國將大數(shù)據(jù)正式提升到“國家意志”的戰(zhàn)略層面，將深度挖掘大數(shù)據(jù)的潛在巨大價值，帶動產(chǎn)業(yè)的升級換代，加速美國在科學和工程領域發(fā)明的步伐。

（2）美國國防部大數(shù)據(jù)應用情況

隨著高新技術的迅猛發(fā)展和運用，軍事領域發(fā)生深刻變化，全世界范圍內(nèi)形成了以加速發(fā)展信息化武器裝備為核心的競爭態(tài)勢，美國軍方越來越認識到戰(zhàn)場內(nèi)外利用大數(shù)據(jù)能力的重要性。美國軍方認為大數(shù)據(jù)是指從信號情報、手機和電子戰(zhàn)中所截獲到的衛(wèi)星圖像、視頻圖像等一切數(shù)據(jù)。最近的一份外交關系委員會報告顯示，美軍無人飛機的數(shù)量從2001年9月的50架激增到2012年4月的7500架，這期間帶來的數(shù)據(jù)量增長顯而易見。

美國奧巴馬政府在“大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展倡議”中推出了“X數(shù)據(jù)”（XDATA）項目，計劃在4年里耗資2500萬美元用以開發(fā)計算技術和防護數(shù)據(jù)軟件。美國航空航天局(NASA)也公布了先進的信息系統(tǒng)技術（AIST）、地球科學數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)（ESDIS）、全球地球觀測系統(tǒng)（GEOSS）、太空行動協(xié)議、行星數(shù)據(jù)系統(tǒng)（PDS）、太空望遠鏡科學研究所（MAST）、地球系統(tǒng)電網(wǎng)聯(lián)邦公共檔案等多個大數(shù)據(jù)行動計劃。

我們經(jīng)?？吹降奶煳钠嬗^預測報告，其中很多來自于NASA海量數(shù)據(jù)的收集、管理和分析。NASA約翰遜航天中心（JSC）從1959年至今，已收集400多萬張靜態(tài)圖像，總長度約2.9×106m的16mm膠卷，85000卷錄像磁帶，以及總時長81616h的視頻模擬及數(shù)字檔案。JSC還開發(fā)了一項名為“IO”（在線影像）的應用，能夠將影像文件名與所有相關元數(shù)據(jù)連接。為了將資源向公眾開放，這些資源進行代碼轉換，使其占用空間更小、可利用率更高，NASA和美國IT界聯(lián)合開發(fā)了一種高度可擴展的分布式批量處理系統(tǒng)“Hadoop”，對大型數(shù)據(jù)集進行掃描，處理從太空中（如太空望遠鏡）中傳回的海量數(shù)據(jù)。據(jù)悉太空中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量可達到700Tbit/s。

NASA好奇號火星車于2011年11月從肯尼迪航天中心升空，并于2012年8月6日降落火星，用于探索火星是否存在生命。在1年多的時間里，好奇號以每小時5萬張高分辨率圖像的速度，向地球傳回了大量數(shù)據(jù)?？茖W家根據(jù)這些數(shù)據(jù)，制成了13億像素的360°火星高清全景圖，由此發(fā)現(xiàn)了火星遠古存在河流以及當時環(huán)境適合原始微生物生存的證據(jù)。

其他國家和地區(qū)

（1）歐盟—開放數(shù)據(jù)平臺

2004年，歐盟委員會發(fā)起歐洲數(shù)字化議程，致力于利用數(shù)字技術刺激歐洲經(jīng)濟增長，幫助公眾和企業(yè)最大化地利用數(shù)字技術。全新的開放數(shù)據(jù)平臺（ODP）是歐洲數(shù)字化議程的重要組成部分，它不僅提供數(shù)據(jù)，還建立了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一語法規(guī)則，以保證包括數(shù)據(jù)發(fā)布機構、公眾、應用開發(fā)者等在內(nèi)的任何人都可以十分便捷地在這個平臺上下載數(shù)據(jù)，也可以利用相關數(shù)據(jù)開發(fā)新的應用。

ODP開放的是最原始的、粒度最小的、未經(jīng)過加工的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的廣泛性和真實性。截至2013年1月12日，ODP已經(jīng)開放5815個數(shù)據(jù)集，其中大部分來自歐盟統(tǒng)計局（Eurostat）。這些數(shù)據(jù)集包括地理、大氣、國際貿(mào)易、農(nóng)業(yè)等各類信息，提供dft、sdmx和tsv三種標準格式供下載使用。

（2）日本—ICT戰(zhàn)略計劃

2012年5月，日本總務省信息通信政策審議會下設的ICT基本戰(zhàn)略委員會召開會議，認為美國在大數(shù)據(jù)技術上處于世界領先地位，日本需要在大數(shù)據(jù)方面制定綜合性的發(fā)展戰(zhàn)略，需新啟動之前已經(jīng)擱置的ICT戰(zhàn)略研究，并重點關注大數(shù)據(jù)應用。

同年7月，日本文部科學省發(fā)布了以學術云為主題的討論會報告，指出為迎接大數(shù)據(jù)時代學術界面臨的挑戰(zhàn)，將重點推進大數(shù)據(jù)收集、存儲、分析、可視化、建模、信息綜合的各階段研究，構建大數(shù)據(jù)利用的模型。

（3）聯(lián)合國—大數(shù)據(jù)白皮書

2012年7月，聯(lián)合國在紐約發(fā)布了一份關于大數(shù)據(jù)政務的白皮書—《大數(shù)據(jù)促發(fā)展：機遇與挑戰(zhàn)》，代表著對大數(shù)據(jù)的關注在全世界范圍內(nèi)達到了前所未有的熱度。

白皮書指出，大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來，大數(shù)據(jù)對于聯(lián)合國和各國政府都是一次歷史性的機遇。報告對世界各國政府如何利用大數(shù)據(jù)更好地服務和保護人民進行了總結，并討論了如何利用大量豐富的數(shù)據(jù)資源幫助政府更好地響應社會需求，指導經(jīng)濟運行。

在聯(lián)合國的建議和指導下，由澳大利亞出資在印度尼西亞首都雅加達建立了“脈搏實驗室”（Pulse Labs），以挖掘大數(shù)據(jù)的潛在價值。此外，烏干達也在首都坎貝拉建立了“脈搏實驗室”。

此外，加拿大、新西蘭、英國、法國、德國和印度等國家也在大數(shù)據(jù)領域進行了研究部署，加大了在大數(shù)據(jù)領域的投資，支持發(fā)展大數(shù)據(jù)市場研發(fā)項目，并紛紛推出本國的公共數(shù)據(jù)開放網(wǎng)站，推廣大數(shù)據(jù)資源的使用并從中獲得利益。

4 大數(shù)據(jù)發(fā)展對我國航天領域發(fā)展的啟示

當前，我國的大數(shù)據(jù)正處于快速起步階段。業(yè)內(nèi)專家表示，中國將形成全球最具潛力的大數(shù)據(jù)市場。IDC在2012年發(fā)布研究報告《中國互聯(lián)網(wǎng)市場洞見：互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術創(chuàng)新研究，2012》，對中國互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)圍繞大數(shù)據(jù)的技術創(chuàng)新進行了專題研究。報告指出，“大數(shù)據(jù)”概念正在引領中國互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)新一輪的技術浪潮，到2015年中國互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)持有的數(shù)據(jù)總量將增長到8.2EByte，大數(shù)據(jù)領域的市場規(guī)模將增長至169億美元，平均每年的成長率接近40%。

好奇號火星車傳回大量數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)技術領域的競爭與國家安全和國防安全緊密相關。面對改革和機遇，我們應積極研討大數(shù)據(jù)在航天領域的應用模式和思路，充分利用信息技術快速發(fā)展帶來的改革紅利，抓住大數(shù)據(jù)帶來的時代變革，取其精華，充分挖掘大數(shù)據(jù)與航天產(chǎn)業(yè)的結合點，使大數(shù)據(jù)真正成為軍工企業(yè)改革的助推劑。

（1）加強產(chǎn)品故障預測分析，確保航天產(chǎn)品高可靠性

數(shù)據(jù)既是航天理論的基礎，又是航天實踐的基石。航天大數(shù)據(jù)不僅具有大數(shù)據(jù)的普遍特點，而且具有高可靠和高價值的要求。將大數(shù)據(jù)分析方法應用在航天產(chǎn)品故障預測，可以有效提高產(chǎn)品質量，避免產(chǎn)品出現(xiàn)低層次質量問題及故障。通過收集航天產(chǎn)品在生產(chǎn)、測試、使用過程中的全部數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析能力，將異常情況與正常情況進行對比，就可以預先捕捉到產(chǎn)品不同狀態(tài)的“信號”，從而在發(fā)生故障之前更換零件或者修復問題。例如，通過收集加裝在火箭和導彈武器上的全部傳感器數(shù)據(jù)，建立大數(shù)據(jù)故障預測分析系統(tǒng)，充分利用大數(shù)據(jù)的預測能力，可以給出可能出現(xiàn)故障的先驗信息，提早防范，提前預警，從而可以降低航天產(chǎn)品的故障率，確保航天產(chǎn)品的高可靠性。

（2）加強戰(zhàn)場態(tài)勢數(shù)據(jù)分析，建立戰(zhàn)略預警監(jiān)測系統(tǒng)

從最近的幾場局部戰(zhàn)爭來看，每次爆發(fā)戰(zhàn)爭前，敵方均會按需提前部署航母編隊、天基衛(wèi)星資源，從而導致核心交戰(zhàn)區(qū)域的信息不對稱性。隨著體系作戰(zhàn)的概念逐漸深入，未來無論是局部戰(zhàn)爭還是核戰(zhàn)爭，我軍都需要準確高效的預警系統(tǒng)對敵方導彈武器發(fā)射的時機和方位進行預測，提早部署進攻武器和攔截武器，快速進入發(fā)射流程。例如，我軍可以根據(jù)相關情報信息和偵察信息，結合已有歷史數(shù)據(jù)，開發(fā)監(jiān)測敵方態(tài)勢的預警模型，通過大數(shù)據(jù)分析對敵方航母編隊等典型目標的位置區(qū)域、敵方導彈武器的發(fā)射窗口等進行有效預測，給出我軍的進攻或防御策略，為戰(zhàn)場指揮員提供輔助決策信息，使大數(shù)據(jù)成為一種可用的戰(zhàn)場資源。

（3）加強軍貿(mào)產(chǎn)品需求分析，積極爭取市場競爭優(yōu)勢

國外大型超市及在線購物網(wǎng)站最初曾利用大數(shù)據(jù)，對消費者喜好進行預測，以根據(jù)市場需求調整商業(yè)發(fā)展策略。在當前運載火箭和武器裝備系列化、型譜化的發(fā)展趨勢下，同樣可以利用大數(shù)據(jù)，對各種運載器對搭載載荷的要求以及各種導彈武器型號的最佳作戰(zhàn)應用等一系列問題進行分析。例如，通過對各個型號的運載和武器產(chǎn)品進行有針對性的模型建模，結合歷史試驗數(shù)據(jù)、發(fā)射數(shù)據(jù)等，建立一套面向用戶選擇的航天產(chǎn)品應用需求分析系統(tǒng)，通過大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)做出有針對性的解答。尤其在未來新型號和新產(chǎn)品的研制方面，可以提出產(chǎn)品的布局建議，使型號的系列化發(fā)展更加規(guī)范和合理。

（4）加強航天武器裝備智能化發(fā)展，全面提升戰(zhàn)場作戰(zhàn)能力

未來戰(zhàn)爭具有多維化、信息化以及快速化等特點，作戰(zhàn)范圍將由內(nèi)空間擴展到外空間，打擊目標的種類也將繁雜多樣。同時，隨著人工智能技術、微電子技術和信息技術的快速發(fā)展，航天武器型號也向智能化方向發(fā)展。將大數(shù)據(jù)的發(fā)展和航天產(chǎn)品發(fā)展相結合，以大數(shù)據(jù)思維引領航天領域的智能化發(fā)展，使大數(shù)據(jù)成為航天產(chǎn)品智能化發(fā)展的有力工具，從而提升運載和導彈武器的自主性、決策性，為未來運載和武器型號具備在線自主決策能力、實時任務規(guī)劃能力、快速指揮控制能力、自我檢測與維護能力等多種能力，提供強有力的支撐。

5 結語

在當今信息時代，隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等高新技術的快速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，大數(shù)據(jù)所蘊含的巨大價值正在逐步顯現(xiàn)，“大數(shù)據(jù)”勢必成為整個信息界乃至全社會的熱點，企業(yè)將朝著個性化、創(chuàng)新型、智能化方向轉變和發(fā)展。充分挖掘和利用大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，將大數(shù)據(jù)應用與我國航天領域發(fā)展相結合，對我國航天事業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展將產(chǎn)生深遠影響。