大数据、人工智能与航天飞行器
中国航天空气动力技术研究院一所所长 艾邦成 研究员 杨武兵、罗晓光
人类正处于数字世界和物理世界对话的前夜。随着计算机的出现，人类的数字化进程形成了数字世界的物质基础，而随着人工智能的发展，这一世界初具演化和成长能力。以新世界的观点来看待新一轮科技革命，我们能更好地理解各种科技变革和各种产业背后的逻辑关系，看到一个更加波澜壮阔的时代。
过去的事实表明，从纸张到计算机再到人工智能，人类文明的进程在加速。而从应用角度而言，人工智能是一种现代工具，随着工具的进步，人类认识世界、改造世界的能力在大幅提升，可以预见，如同 50 年前芯片一样，人工智能将逐渐向各行各业渗透。这种渗透使数字世界的规模和能力大幅提升，具备从底层颠覆人类生产生活方式，尤其是科技领域创新模式的潜力，航天领域概莫能外。
科学大数据与科技创新
随着大数据分析手段的完善，大数据和自然资源、人力资源一样，展示出重要价值，甚至成为企业的最主要资产。这些早已引起业界、经济界和科技界的广泛重视。
商业大数据应用已非常广泛，谈论也很多，此处我们主要谈科学大数据。科学大数据目前还处于初期的发展阶段。有评论指出，科学大数据可能是理论的终结，它提供了理解世界的一条完整新途径，用相互关系取代因果关系，即使没有一致性的模型和统一的理论，科学也可以进步。这虽然带来争议，但可以看出科学大数据对物理世界认知的重要性。
事实上，美国非常重视科学大数据。美国 DARPA、能源部和研究基金会都已启动很多项目，对非线性等问题开展研究。从科学发展而言，人类科学研究早已确立了实验、理论和计算三种研究范式，而大数据提供了第四范式。这是一种很大的变革力量。它与人工智能的结合，使其能力更大。当它往航天领域渗透时，也许会焕发想象不到的空间。它带来的不仅仅是技术本身的进步，同时也是科研模式的巨大改变，甚至变革。
我们畅想大数据，但并非否定传统思维。事实上，大数据的主要产出依然是传统方式，例如计算，例如试验。我们主张传统思维与大数据的融合。在传统研究领域，我们已有很多经验，而在大数据方面，未来需在各方面取得突破，包括可视化分析、数据挖掘、数据应用、语义引擎和数据本身的质量管理。早期航天器研制中产生了很多数据，但产出的数据并未形成大数据。虽然，也对数据精准度做过小样本实验，并对这些数据进行分析，但对这些数据挖掘的模式并不完善，需要重新设计新的技术路线。
航天科技创新中的人工智能
当前，我国正从航天大国迈向航天强国。我们的航天发射规模是世界上最大的，但是，从大到强，在技术领域还有不小的差距需要跨越。我们的主要差距在原始创新，我们很多技术不是原创的，大数据与人工智能或许能够提供新的创新范式。
更高、更快、更远是飞行器永恒追求。从莱特兄弟的飞机，到现在的超声速飞机，再到未来的高超声速飞行器，两小时全球到达。要实现这个目标，按传统的路径技术发展需要很长时间，但利用大数据和人工智能，这种进程可以得到加速。比如说外形设计，让飞机阻力小。过去是基于科学认知和实践来做，而未来完全可以从数据中自动衍生，并且性能上优于传统设计方案。我们甚至可以把飞行器做成像鸟儿一样自由变化，可以通过学习具备智能飞行能力。
航天技术也涉及大量自然科学问题，比如说湍流，它被达·芬奇描述为混乱的、杂乱无章和无规律，它在科技领域困扰了人类一百多年，现在依然难从理论上解决，但也许未来可以通过大数据技术进行彻底解决。
航天飞行器还涉及大量管理科学。航天器设计是一个系统工程， 航天工程之所以周期长，是因为它需要广泛的不断地协商、沟通。未来，我们希望借助人工智能实现航天器设计模式和管理的创新，把研制周期大幅缩减。同样，借助它们实现数据共享、知识共享和工具共享。
数字世界的产业逻辑
我们尝试从数字世界来看各相关产业背后的逻辑关系，以获得某种启示。
首先从物理世界到数字世界，它需要数字化设备，如数码相机、3D 扫描、传感器与物联网将物理模型及其状态导入数字世界，建立两个世界的镜像。同样，从数字世界到物理世界，它需要 3D 打印这样的技术快速变现。
其次是数字世界的演化。它的核心是大规模分布式计算，包括高性能计算、云计算和边缘计算。随着创新活动的加剧，人类对计算的需求在加大。仍以航天为例，计算机和计算技术的出现改变了飞行器设计模式。1980 年以前飞行器都是通过地面试验和飞行试验作为设计主要支撑，1980 年以后随着计算机技术和计算流体力学的发展， 计算逐渐成为数据的主要手段。飞行器设计对计算需求在加大，根据 NASA 调研报告，飞行器到 2030 年对计算需求会有量级的增长。高性能计算还往下游衍生新的产业。例如，高性能计算需要散热，我们把航天领域的散热技术和热管技术拓展用于高性能计算，可大幅省电。这也是高性能计算帮助航天器设计，航天技术反过来帮助高性能计算的成功案例。
最后，当数字世界与物理世界互动时，当人类追求沉浸式体验时，我们还需要数据衣、数据手套、数字头盔等设备。而 5G 技术甚至可使得数字世界与物理世界的联通再无边界，是两者走上融合的开始。
总之，大数据与人工智能的发展势不可挡，现在我们需要探索它们在航天领域的融合方式。我们希望在融合过程中产生颠覆性的模式，大幅提升航天创新能力、大幅减小航天设计周期和成本。尽管我们现在的认知还存在欠缺，但是一定会在未来创造航天新纪元。