太空大腦：內(nèi)涵、構(gòu)想及關(guān)鍵問(wèn)題

文|余杰 范承 黎英 吳丹 王葉茵 周圓凱

中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)工程研究院

一、引言

當(dāng)前，太空領(lǐng)域已成為信息時(shí)代各國(guó)爭(zhēng)奪信息優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵戰(zhàn)略領(lǐng)域和新制高點(diǎn)，美國(guó)、歐洲等航天強(qiáng)國(guó)已經(jīng)搶占發(fā)展先機(jī)，意圖全方位掌握空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)主動(dòng)權(quán)，奪取空間信息優(yōu)勢(shì)，而我國(guó)當(dāng)前空間信息系統(tǒng)建設(shè)和研究仍處于起步階段[1]，現(xiàn)有天基信息系統(tǒng)在軌信息處理能力較差已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)、按需、體系、多樣、多任務(wù)、可定制、可控的空間信息服務(wù)需求[2]。因此，本文探索和研究構(gòu)建“太空大腦”，在太空中提供統(tǒng)一計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、分析、服務(wù)等資源，實(shí)現(xiàn)太空信息資源的統(tǒng)一接收、處理、分發(fā)、調(diào)度、融合應(yīng)用等多功能與一體，創(chuàng)新天基信息服務(wù)模式，具備較高的工程價(jià)值和一定的學(xué)術(shù)價(jià)值。

二、“星融網(wǎng)”架構(gòu)下的“太空大腦”

基于錢(qián)學(xué)森系統(tǒng)工程思想，本文提出了國(guó)家空間信息網(wǎng)絡(luò)——“星融網(wǎng)”的概念和總體構(gòu)想，如圖1所示，旨在構(gòu)建一個(gè)以天基骨干網(wǎng)絡(luò)為主干，以軍民融合、天地一體、自主可控、機(jī)動(dòng)靈活為特征，能與海基、陸基、空基等平臺(tái)融為一體的信息獲取、傳輸與綜合應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，為各類不同用戶提供實(shí)時(shí)、可靠、按需服務(wù)[3]。

圖1 “星融網(wǎng)”總體構(gòu)想

“太空大腦”是“星融網(wǎng)”信息資源融合匯聚的太空核心，是天空地海一體化大數(shù)據(jù)中心的太空形態(tài)，以“星融網(wǎng)”的天基骨干網(wǎng)為物理承載平臺(tái)，具有極強(qiáng)的系統(tǒng)可靠性、生存性、抗毀性和彈性，通過(guò)虛擬化技術(shù)，對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、分析等物理資源進(jìn)行虛擬化，智能響應(yīng)各類用戶的任務(wù)需求，提供動(dòng)態(tài)可彈性的統(tǒng)一太空虛擬資源池，實(shí)現(xiàn)太空信息資源的集約共享、集中管理、統(tǒng)一調(diào)度、按需分配、綜合應(yīng)用，支撐實(shí)時(shí)、按需、高效、可靠、可控、安全服務(wù)?！疤沾竽X”的具體內(nèi)涵體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1.太空統(tǒng)一調(diào)度中心

通過(guò)虛擬化技術(shù)，將太空的計(jì)算、存儲(chǔ)、處理、網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行池化、封裝、隔離、服務(wù)化，全面形成一個(gè)巨大的太空資源池，提供物理分散、邏輯統(tǒng)一的太空分布式并行計(jì)算處理能力，根據(jù)用戶需求通過(guò)算法隨需動(dòng)態(tài)合理分配太空相關(guān)資源，大幅度提高太空資源的利用率。

2.太空運(yùn)行管理中心

避免重復(fù)建設(shè)，促進(jìn)空間資源整合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源、軌道資源、數(shù)據(jù)資源、基礎(chǔ)資源的統(tǒng)一管理，為各類信息資源的獲取、存儲(chǔ)與分發(fā)提供統(tǒng)一平臺(tái)，打破了原有獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享的壁壘。

3.太空智能應(yīng)用中樞

按照“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代治理”思維，在太空中構(gòu)建集大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等新一代信息技術(shù)的“太空生命體”，融合多源異構(gòu)信息資源，針對(duì)不同應(yīng)用構(gòu)建不同算法模型，在太空中直接進(jìn)行融合計(jì)算，支撐“星融網(wǎng)”跨軍民、跨行業(yè)、跨領(lǐng)域的海量數(shù)據(jù)應(yīng)用。

三、“太空大腦”總體構(gòu)想

1.總體愿景

“太空大腦”以太空信息資源高效利用為愿景，以資源虛擬化為手段，以統(tǒng)一管理和調(diào)配為先導(dǎo)，以提供高性能太空信息處理和服務(wù)為核心，構(gòu)建智能化的太空服務(wù)支撐手段，提供智能化的太空服務(wù)。通過(guò)“太空大腦”建設(shè)，實(shí)現(xiàn)太空資源利用能力的大幅度提升，快速響應(yīng)用戶需求，按需智能合理分配軟硬件資源；通過(guò)“太空大腦”建設(shè)，實(shí)現(xiàn)太空資源的精細(xì)化管理，實(shí)時(shí)全面掌握太空運(yùn)行狀況為未來(lái)空間資源的統(tǒng)籌規(guī)劃、優(yōu)化設(shè)計(jì)、綜合建設(shè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)，促進(jìn)空間資源開(kāi)發(fā)利用的協(xié)調(diào)、有序、健康發(fā)展；通過(guò)“太空大腦”建設(shè)，全面提升太空智能化服務(wù)水平，以太空多源異構(gòu)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，面向各業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供跨應(yīng)用、多維度、多層次的自助融合服務(wù)。

2.主要構(gòu)成

“太空大腦”以搭載計(jì)算、中繼、儲(chǔ)存、分析等不同載荷的高軌模塊化骨干衛(wèi)星組成的太空骨干網(wǎng)為物理載體，由計(jì)算資源平臺(tái)、數(shù)據(jù)資源平臺(tái)、融合服務(wù)平臺(tái)等三大平臺(tái)組成，提供統(tǒng)一的計(jì)算能力、數(shù)據(jù)處理、融合應(yīng)用支持，有效破解在軌信息處理能力較差和體系化應(yīng)用服務(wù)能力弱的難題，在統(tǒng)一架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)各取所需，數(shù)據(jù)互通，功能互補(bǔ)，如圖2所示。

圖2 “太空大腦”主要構(gòu)成

（1）計(jì)算管理平臺(tái)

按需創(chuàng)建、快速交付、彈性擴(kuò)展的虛擬服務(wù)，形成集中統(tǒng)一、綜合利用的計(jì)算資源池，實(shí)現(xiàn)硬件資源和軟件資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、按需分配、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一分配、統(tǒng)一部署、統(tǒng)一監(jiān)控和統(tǒng)一備份。

（2）數(shù)據(jù)資源平臺(tái)

整合太空數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)太空資源的采集、儲(chǔ)存、處理、分發(fā)、組織、管理，建立一個(gè)完整的、面向不同用戶的、一致性的太空數(shù)據(jù)資源視圖，全面支撐用戶數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展現(xiàn)等各類業(yè)務(wù)。

（3）融合服務(wù)平臺(tái)

以具體用戶需求為導(dǎo)向，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)分析、挖掘、分析、融合模型，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的智慧功能。

3.總體框架

按照靈活拓展、松散耦合、敏捷可控、按需調(diào)用的理念，基于開(kāi)放式體系標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了面向服務(wù)的體系架構(gòu)，搭建了包含基礎(chǔ)資源層、數(shù)據(jù)資源層、服務(wù)組件層、應(yīng)用服務(wù)層和用戶層的總體架構(gòu)，如圖3所示。

PLCε沉默后通過(guò)Wnt/β-catenin信號(hào)通路抑制比卡魯胺耐藥的前列腺癌細(xì)胞增殖(李 羅)(8):761

圖3 “太空大腦” 總體架構(gòu)

（1）應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)層由應(yīng)用任務(wù)、應(yīng)用服務(wù)兩部分組成。其中，應(yīng)用任務(wù)是將天空地海各類用戶的具體需求進(jìn)行合適粒度的任務(wù)分解。應(yīng)用服務(wù)是對(duì)任務(wù)進(jìn)行切分，為分解后的多個(gè)任務(wù)提供所需的業(yè)務(wù)服務(wù)。

（2）服務(wù)組件層

為各類應(yīng)用服務(wù)提供所需的最小功能單元，支持面向業(yè)務(wù)用戶的組件快速組合構(gòu)建，可以被多個(gè)不同應(yīng)用服務(wù)所調(diào)用，支持用戶快速組合服務(wù)，形成新的應(yīng)用服務(wù)。

（3）數(shù)據(jù)資源層

建立信息資源集成和交換的規(guī)范和機(jī)制，搭建信息資源物理分散、邏輯集中的信息資源開(kāi)發(fā)和共享，滿足不同用戶之間的內(nèi)外部數(shù)據(jù)交換，形成一個(gè)高效、穩(wěn)定、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)集成與交換體系，為各類應(yīng)用服務(wù)提供數(shù)字支撐和保障。

4.基礎(chǔ)資源層

為網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、交換、安全保密等提供信息基礎(chǔ)設(shè)施，包括網(wǎng)絡(luò)資源、服務(wù)資源、存儲(chǔ)資源、交換資源、計(jì)算資源等。

四、“太空大腦”關(guān)鍵問(wèn)題

1.太空集群資源統(tǒng)一管理和調(diào)度

2.太空信息資源交換共享

當(dāng)前，各類太空信息系統(tǒng)自成體系，各種星座資源各自為營(yíng)，體系協(xié)同能力弱，信息壁壘現(xiàn)象嚴(yán)重，空間信息資源難以有效共享和整合管理。為解決這一問(wèn)題，梳理太空信息資源目錄，建立高效的資源共享機(jī)制，建立太空信息資源交換與共享平臺(tái)，形成統(tǒng)一、完備的信息資源體系，并進(jìn)行統(tǒng)一組織和管理，為天空地海各類用戶提供標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的信息產(chǎn)品和共享服務(wù)能力，支撐跨業(yè)務(wù)、跨部門(mén)、跨層級(jí)的信息資源共享和協(xié)同。

3.太空多源異構(gòu)信息融合

太空信息資源種類和數(shù)量日益豐富，多波段、多極化、多尺度的數(shù)據(jù)源源不斷地產(chǎn)生。如何綜合地、充分地、更有效地從多源數(shù)據(jù)中快速高效的獲取所需的信息，來(lái)有效支撐航天應(yīng)用，已經(jīng)成為提升太空競(jìng)爭(zhēng)力、生產(chǎn)力和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵因素。因此，重點(diǎn)研究空間信息的時(shí)空基準(zhǔn)與統(tǒng)一表征、多維信息的時(shí)空同化、空間信息的快速提取、知識(shí)發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)挖掘等天基信息融合處理技術(shù)，解決時(shí)空信息難以同化，時(shí)空基準(zhǔn)難以精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)等難題，全面提高太空數(shù)據(jù)資源的時(shí)效性、可靠性和精確性，從而滿足不同用戶的應(yīng)用需求。

4.在軌分布式協(xié)同任務(wù)調(diào)度

現(xiàn)階段，由于衛(wèi)星數(shù)量和任務(wù)需求日益增多，星間、星地交互頻繁，傳統(tǒng)的由地面衛(wèi)星運(yùn)控中心通過(guò)計(jì)劃方案和任務(wù)指令進(jìn)行衛(wèi)星在軌活動(dòng)控制的方式，運(yùn)行成本較高，要求任務(wù)明確且串行、星地通信時(shí)間充分以及運(yùn)行環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，已經(jīng)很難適用。因此，研究衛(wèi)星在軌分布式協(xié)同任務(wù)調(diào)度，突破單星的計(jì)算資源限制，最大化利用網(wǎng)絡(luò)信息能力，根據(jù)實(shí)時(shí)的任務(wù)信息、衛(wèi)星狀態(tài)信息、外部環(huán)境及其他約束條件，在軌自主調(diào)度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)衛(wèi)星之間的協(xié)同計(jì)算，解決在軌衛(wèi)星資源能夠合理分配和高效使用，最大限度完成用戶提交的多個(gè)觀測(cè)任務(wù)。

5.太空信息安全防護(hù)技術(shù)

針對(duì)天基信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)階段拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、星間星地鏈路傳輸介質(zhì)開(kāi)放、服務(wù)對(duì)象復(fù)雜、服務(wù)質(zhì)量分級(jí)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)安全、可靠、穩(wěn)定、高效的太空大腦功能和服務(wù)是“星融網(wǎng)”高效運(yùn)行的基礎(chǔ)和基本要求。同時(shí)，開(kāi)放式空間環(huán)境中敏感數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)安全也是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)的基礎(chǔ)與前提。因此，構(gòu)建太空信息分級(jí)安全防護(hù)體系，在物理安全技術(shù)方面，研究攻擊容忍和躲避、高抗干擾、抗毀的安全服務(wù)部署與遷移等技術(shù)；在運(yùn)行安全方面，研究安全可信身份管理、安全認(rèn)證和接入控制、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)控制等技術(shù)；在數(shù)據(jù)安全方面，研究跨域密碼資源動(dòng)態(tài)管理與監(jiān)控，高并發(fā)密碼服務(wù)資源控制、自助可控密碼計(jì)算平臺(tái)等技術(shù)；在威脅感知與聯(lián)動(dòng)管控方面，研究多維度態(tài)勢(shì)準(zhǔn)確預(yù)警、分級(jí)智能聯(lián)動(dòng)管控、安全仿真驗(yàn)證等技術(shù)。

五、結(jié)束語(yǔ)

太空是國(guó)家提升競(jìng)爭(zhēng)力、生產(chǎn)力和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵領(lǐng)域，“太空大腦”建設(shè)是充分探索、開(kāi)發(fā)、利用和有效控制太空的不可或缺的主要組成部分?！疤沾竽X”創(chuàng)新太空信息服務(wù)模式，實(shí)現(xiàn)太空服務(wù)的快速智能響應(yīng)。在未來(lái)，“太空大腦”肯定還會(huì)在不斷演進(jìn)、更新中，被發(fā)掘出更多更具價(jià)值的強(qiáng)大功能。