國外航空及國防數據中心的發展與啟示

馮 冰，郝建春，王秋生，蘭 江

（中國航空綜合技術研究所，北京 100028）

0 引言

隨著數字化技術的發展及在飛機設計、制造、維修等方面的廣泛應用，國外先進航空及國防企業的數字化轉型不斷深入。波音公司開啟了“第二個百年企業體系”戰略，在統一平臺上實現價值鏈上端到端的系統和流程集成，以支撐其數字化轉型。2019年，空客公司在其所有活動和產品全面部署達索系統的3D體驗平臺，圍繞數字設計、制造和服務（DDMS）項目加速其數字化轉型。洛克希德?馬丁公司從F-35項目開始采用數字化的設計、生產方式，近年來借助美軍對數字孿生技術的推廣應用，加速其數字化轉型戰略，形成了“數字織錦”（Digital Tapestry）和“產品數字集”（Product Digiverse）等解決方案。

在數字化轉型的過程中，數據越來越得到重視，已經開始作為生產要素參與企業運作，并深刻影響航空及國防企業的運作方式。

當前，全球信息技術創新進入新一輪加速期，物聯網、云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術在航空及國防領域快速發展和應用，帶動數據量爆炸式增長。數據中心作為數據存儲、算力承載、應用支持和網絡連接的載體，被視為管理和業務轉型的關鍵支撐，戰略重要性日益凸顯。

1 國外航空及國防數據中心發展趨勢

1.1 戰略認知和重視程度不斷提高

隨著數字化技術在航空及國防領域全周期各階段的廣泛持續應用，數據類型、規模急劇增加，業務應用場景不斷豐富。人們對數據地位和作用的認知持續提升，建立與之相配套的數據中心成為國防機構和先進航空企業的通行做法。近年來，數據中心作為關鍵基礎設施，得到前所未有的重視和發展。2018年6月，美國國防部發布《國防部數字工程戰略》，把加強信息技術基礎設施建設作為該戰略的五大目標之一。2019年7月，發布《國防部數字現代化戰略》，明確信息技術現代化方向，提出通過云和數據中心優化改革實現聯合信息環境能力目標。2020年9月，發布《國防部數據戰略》，將數據作為與武器系統同等重要戰略資產進行管理，并致力于把國防部打造成“以數據為中心”的組織。2019年7月，美國空軍發布《數字空軍》白皮書，提出空軍必須轉向利用數據、信息技術和基礎設施來獲取戰爭勝利。在航空工業領域，一些先進航空企業紛紛打破信息系統“煙囪”屏障，建立統一數據共享平臺。如，截至2018年，洛克希德?馬丁公司建有3個企業級數據中心，在線存儲能力達到20PB，備份存儲能力達到5PB，并著力推動數據中心由緩慢、僵化向快速、敏捷、任務導向轉變。

1.2 趨向云化、高性能和分布式發展

虛擬化、云計算技術發展和企業上云率提升，促使數據中心形態加速向云進化。海量數據和計算能力向云端遷移成為發展趨勢。據估計，全世界96%的服務器增量將部署在云端或托管，86%的計算工作將在云上完成。美國國防部2018年以來相繼發布《國防部云戰略》和《國防部數字現代化戰略》，提出通過云計算技術整合國防部數據中心，促進其虛擬化 。波音公司實施“云優先”戰略，積極推動數據中心高度虛擬化，對存儲與計算資源進行池化共享。截至2014年，在3000余臺服務器上建立14000余臺虛擬機，形成了超過20PB數據存儲能力。同時，波音公司與亞馬遜、微軟公司合作，將其7%至10%的關鍵IT應用遷移到云平臺，極大提高了IT資源利用率和數據中心運行穩定性。

更加關注計算能力和業務連續性，數據中心向高性能和分布式發展。新型技術及應用需要海量計算、存儲、分析以及災備等能力，對數據中心提出更高要求。如，人工智能的快速發展帶來深度學習、圖片編解碼和視頻渲染等更多應用需求，在訓練和推理過程中對計算性能、吞吐、時延等方面要求更高。根據世界權威IT咨詢公司高德納（Gartner）預測，到2025年，由于5G、新型電池、超融合基礎架構和軟件定義等技術的發展，企業數據中心每單位物理面積（平方英尺）的計算能力將提升5倍以上。空客公司早在2011年就部署了當時世界上最大的工業高性能計算系統，將其超級計算能力提升了將近1倍，顯著提高了飛機研發計算能力。波音公司位于美國西南、西北、東南地區的3個數據中心，通過數據中心虛擬化、分散布局和分布式建設，實現數據備份、災難恢復和業務連續。

1.3 注重運營成本控制與經濟價值創造

傳統數據中心全面進入轉型期，大量小微、低效、老舊數據中心正通過整合與技術升級，努力向規模化和節能化方向發展。美國數據中心在經過早期的高速發展之后，面臨數量過多、設備老舊、運行低效、運營成本過高等一系列問題。2010年開始，美國政府陸續實施美國聯邦數據中心整合計劃（FDCCI）、美國聯邦信息技術采辦改革法案（FITARA）以及數據中心優化計劃（DCOI），對數據中心進行調整優化，以提高運營效率并降低運營成本。截至目前，美國已關閉了210個中大型數據中心、3005個小微型數據中心，節省成本約19.4億美元 。早在2011年，空客公司就通過技術升級將其數據中心PUE值降到了1.25（同期數據中心PUE平均值為1.98）。

圖2 數據中心年度PUE平均值

數據中心是一個需要持久能源支持的基礎設施，能耗較高，電力成本占其總運營成本的50%以上。寒冷地區的數據中心利用氣候條件優勢可以實現極低的PUE值，大幅降低運營成本。供電架構和制冷方式的變革同樣可以提高效率，節省能源，降低成本。波音、空客、洛克希德?馬丁等公司把能源使用效率和全壽命周期運營維護成本作為數據中心選址和建設的重要因素。

國外航空既國防數據中心通過創新運營模式，實現在成本控制和經濟價值創造之間的平衡，以具備可持續運行的能力。數據是一種可以多維使用和長期開發利用的資產，數據中心既可以是企業支撐內部管理和業務運營的平臺，也可以成為經營能力的一部分，實現溢出價值。不少企業在數據中心建立數據分析平臺，為供應商和客戶提供服務，起到了緩解運營壓力和經營增值的作用。如，波音公司與卡耐基梅隆大學合作建立航空數據分析平臺，采集飛機運營和維修數據，為航空公司及其他客戶提供航空運營、維修保障等服務。空客公司建立開放的企業級數據平臺“智慧天空”，并將其基于云端的大數據分析范圍向產業鏈延伸，向航空公司提供產品可靠性、質量和性能改進服務。截至2019年，“智慧天空”已匯聚10多家供應商和54家航空公司的4500多架客機相關數據。

1.4 打造數字生態和數據交換機制

數據中心作為數據存儲、服務與開發應用平臺，正在成為數據資產價值放大和數字技術實施的核心載體和可靠途徑。美國國防部致力于打造數字工程生態系統，通過全壽命周期數據建模和知識挖掘，提高裝備系統性能并降低成本 。波音、空客、洛克希德?馬丁公司等優秀航空企業，努力推動數據中心應用系統與業務深度融合，使其不僅具有企業信息資源服務、核心計算、數據存儲等功能，還承擔產品建模仿真、生產過程監控、服務保障/運營支持等任務。如，美國空軍與波音公司合作，利用飛機幾何外形數據、飛行數據、檢驗和維修數據、材料數據等構建了F-15C機體數字孿生模型，運用先進建模仿真工具，實現飛機多尺度仿真和結構完整性診斷。在此過程中，數據中心發揮了各類機構聯系樞紐和數據應用平臺的關鍵作用。

美國大力推進軍地數據交換共享，自20世紀50年代起，美軍陸、海、空軍聯合發起政府—工業界數據交換計劃（GIDEP），旨在通過促進信息交換來尋求減少甚至消除資源消耗。從數據來源看，GIDEP主要包括軍方數據，政府組織數據，以及工業部門數據；從數據類型看，主要是武器裝備研發、生產、使用過程中的數據，具體包括產品基礎數據、產品故障數據、產品可靠性數據、工程數據、計量數據等。目前，GIDEP已發展為包含2000余家企業，6000多注冊會員的信息系統，經過幾十年的應用，GIDEP對于實現有效的技術轉移，保障美軍裝備系統的可靠性、可維護性、安全性和性能，加快計劃進度，降低美軍裝備系統研制、生產和維持費用等全壽命周期成本起了重要作用。據統計，GIDEP自成立至今已為各類用戶節省開支超21億美元。

2 借鑒與啟示

通過對國外航空及國防數據中心相關政策及建設運營情況的現狀及趨勢的深度分析，可以得到如下啟示：數據中心是匯聚和利用數據資產的重要基礎設施。我國航空工業必須加快論證建設高水平航空數據中心，促進對航空裝備研制、生產、使用和售后服務全壽命周期數據的聚集、挖掘與深度應用；同時，加強運營模式創新，不斷提升已有及新建數據中心的運營效率和效能，努力使數據成為我國航空工業提升管理效率、提高裝備質量和降低經營成本的關鍵生產要素。

2.1 技術適度超前引領數據中心建設

未來航空裝備研制圍繞數據展開，要加快數據中心，尤其是集團級數據中心建設，把數據作為核心資產管起來、用起來。數據是數字航空和數字技術的基石，美國國防部、美國空軍以及波音公司、洛克希德?馬丁公司等均把數據作為一種戰略資產加以管理。數據中心則是裝載、管理和運用數據的平臺，離開數據中心支撐，數字航空只能是空中樓閣。當前，我國航空工業缺少集團級高水平數據中心，現有“簡單機房式”數據中心普遍容量不夠、計算能力不足，致使型號信息系統“煙囪”、“數據孤島”現象突出，嚴重制約航空裝備數字化研制、智能制造和數字化運營管理推進，已成為航空工業數字化轉型升級的瓶頸。

以技術適度超前應對快速迭代的數據中心發展需求，打造云邊結合、分布式數據中心體系，避免陷于“建成即落后”的尷尬境地。從需求端看，組織對數據中心存儲密度、計算能力、節能降耗、支撐業務場景等方面需求的不斷變化和增強，牽引著數據中心持續優化升級。美國國防部、波音公司整合優化其數據中心，充分說明數據中心如不能持續滿足組織需求，很快就會落后并被淘汰。從供給端看，云計算、邊緣計算、虛擬化等新技術應用，使云數據中心、邊緣數據中心等新形態數據中心應運而生，為更好地滿足組織需要創造了條件。

2.2 嚴格遵守安全保密和節能環保要求

安全、保密是涉軍數據中心的特殊要求，也是航空數據中心建設運營的紅線和底線，必須作為重中之重來抓。航空數據中心涉及大量涉密數據，事關國家利益和安全，決定了數據中心要配備高規格的安全、保密條件，確保數據中心的絕對安全。波音公司在云化過程中，將敏感數據分割成多個“拼圖”并使其廣泛分布，并不斷應用加密技術進行處理，從技術上確保不被竊取，表明數據中心的安全和保密問題在全世界范圍內都是普遍關注的焦點問題。我國航空數據中心的安全保密，要以技術手段為核心，兼顧管理、物防措施的綜合運用。

國家政策法規對數據中心建設運營有嚴格的節能、環保規定，必須高度重視并滿足相關要求。數據中心高能耗問題在全世界范圍內引發廣泛關注，很多國家和國際組織紛紛制定法規和標準對其能效加以約束。我國也不例外，國家和地方政府出臺了一系列政策要求。因而，航空數據中心建設要符合國家和地方政府在建設規模、環保等方面的限制條件，充分利用電價、氣候、土地、網絡基礎設施（國家級互聯網骨干直連點）、用工等方面的優惠政策和條件。

2.3 合理規劃，創新可持續發展路徑

以用促建、以用引建，提前做好數據中心運營效率和運營成本評估，確保數據中心建設和運營均衡發展。近年來，美國政府和國防部采取的一系列關閉、整合低效、老舊數據中心舉措，表明數據中心建設要考慮后續運營效率與成本，避免大干快上、盲目發展，這是我國航空工業數據中心建設必須借鑒的寶貴經驗。航空數據中心建設，要統籌數據在線存儲和離線存儲需求，合理規劃數據中心數量、級別（集團級、企業級）、類型（存儲中心、計算中心、應用中心）、規模和布局，科學評估后續運營成本、效率和效能，確保可持續發展。

數據的持續穩定獲取是數據中心的根本，是發揮一切其他效用的前提。可探索市場化條件下的數據定價和交易機制。對于基礎、共性或有轉讓價值的專用數據，構建數據供方定價、數據交易雙方商務議價和線上/線下交易相結合的機制，逐步擺脫單純依靠行政命令進行強制性數據匯集的方式，為航空數據中心建設及長期的數據持續交換/共享奠定基礎。

3 結束語

本文通過跟蹤分析以美國、歐洲為主的國外航空及國防數據中心相關政策及建設運營情況，概括給出了其發展現狀與趨勢，結合實際需求提煉總結了對我國建設航空數據中心的啟示。他山之石，可以攻玉。研究結論對航空工業數據中心的布局、建設、運營和發展具有積極借鑒意義。