国外航空及国防数据中心的发展与启示

2021-07-04郝建春王秋生

数字通信世界 2021年6期

冯冰，郝建春，王秋生，兰江

（中国航空综合技术研究所，北京 100028）

0 引言

随着数字化技术的发展及在飞机设计、制造、维修等方面的广泛应用，国外先进航空及国防企业的数字化转型不断深入。波音公司开启了“第二个百年企业体系”战略，在统一平台上实现价值链上端到端的系统和流程集成，以支撑其数字化转型。2019年，空客公司在其所有活动和产品全面部署达索系统的3D体验平台，围绕数字设计、制造和服务（DDMS）项目加速其数字化转型。洛克希德•马丁公司从F-35项目开始采用数字化的设计、生产方式，近年来借助美军对数字孪生技术的推广应用，加速其数字化转型战略，形成了“数字织锦”（Digital Tapestry）和“产品数字集”（Product Digiverse）等解决方案。

在数字化转型的过程中，数据越来越得到重视，已经开始作为生产要素参与企业运作，并深刻影响航空及国防企业的运作方式。

当前，全球信息技术创新进入新一轮加速期，物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术在航空及国防领域快速发展和应用，带动数据量爆炸式增长。数据中心作为数据存储、算力承载、应用支持和网络连接的载体，被视为管理和业务转型的关键支撑，战略重要性日益凸显。

1 国外航空及国防数据中心发展趋势

1.1 战略认知和重视程度不断提高

随着数字化技术在航空及国防领域全周期各阶段的广泛持续应用，数据类型、规模急剧增加，业务应用场景不断丰富。人们对数据地位和作用的认知持续提升，建立与之相配套的数据中心成为国防机构和先进航空企业的通行做法。近年来，数据中心作为关键基础设施，得到前所未有的重视和发展。2018年6月，美国国防部发布《国防部数字工程战略》，把加强信息技术基础设施建设作为该战略的五大目标之一。2019年7月，发布《国防部数字现代化战略》，明确信息技术现代化方向，提出通过云和数据中心优化改革实现联合信息环境能力目标。2020年9月，发布《国防部数据战略》，将数据作为与武器系统同等重要战略资产进行管理，并致力于把国防部打造成“以数据为中心”的组织。2019年7月，美国空军发布《数字空军》白皮书，提出空军必须转向利用数据、信息技术和基础设施来获取战争胜利。在航空工业领域，一些先进航空企业纷纷打破信息系统“烟囱”屏障，建立统一数据共享平台。如，截至2018年，洛克希德•马丁公司建有3个企业级数据中心，在线存储能力达到20PB，备份存储能力达到5PB，并着力推动数据中心由缓慢、僵化向快速、敏捷、任务导向转变。

1.2 趋向云化、高性能和分布式发展

虚拟化、云计算技术发展和企业上云率提升，促使数据中心形态加速向云进化。海量数据和计算能力向云端迁移成为发展趋势。据估计，全世界96%的服务器增量将部署在云端或托管，86%的计算工作将在云上完成。美国国防部2018年以来相继发布《国防部云战略》和《国防部数字现代化战略》，提出通过云计算技术整合国防部数据中心，促进其虚拟化。波音公司实施“云优先”战略，积极推动数据中心高度虚拟化，对存储与计算资源进行池化共享。截至2014年，在3000余台服务器上建立14000余台虚拟机，形成了超过20PB数据存储能力。同时，波音公司与亚马逊、微软公司合作，将其7%至10%的关键IT应用迁移到云平台，极大提高了IT资源利用率和数据中心运行稳定性。

更加关注计算能力和业务连续性，数据中心向高性能和分布式发展。新型技术及应用需要海量计算、存储、分析以及灾备等能力，对数据中心提出更高要求。如，人工智能的快速发展带来深度学习、图片编解码和视频渲染等更多应用需求，在训练和推理过程中对计算性能、吞吐、时延等方面要求更高。根据世界权威IT咨询公司高德纳（Gartner）预测，到2025年，由于5G、新型电池、超融合基础架构和软件定义等技术的发展，企业数据中心每单位物理面积（平方英尺）的计算能力将提升5倍以上。空客公司早在2011年就部署了当时世界上最大的工业高性能计算系统，将其超级计算能力提升了将近1倍，显著提高了飞机研发计算能力。波音公司位于美国西南、西北、东南地区的3个数据中心，通过数据中心虚拟化、分散布局和分布式建设，实现数据备份、灾难恢复和业务连续。

1.3 注重运营成本控制与经济价值创造

传统数据中心全面进入转型期，大量小微、低效、老旧数据中心正通过整合与技术升级，努力向规模化和节能化方向发展。美国数据中心在经过早期的高速发展之后，面临数量过多、设备老旧、运行低效、运营成本过高等一系列问题。2010年开始，美国政府陆续实施美国联邦数据中心整合计划（FDCCI）、美国联邦信息技术采办改革法案（FITARA）以及数据中心优化计划（DCOI），对数据中心进行调整优化，以提高运营效率并降低运营成本。截至目前，美国已关闭了210个中大型数据中心、3005个小微型数据中心，节省成本约19.4亿美元。早在2011年，空客公司就通过技术升级将其数据中心PUE值降到了1.25（同期数据中心PUE平均值为1.98）。

图2 数据中心年度PUE平均值

数据中心是一个需要持久能源支持的基础设施，能耗较高，电力成本占其总运营成本的50%以上。寒冷地区的数据中心利用气候条件优势可以实现极低的PUE值，大幅降低运营成本。供电架构和制冷方式的变革同样可以提高效率，节省能源，降低成本。波音、空客、洛克希德•马丁等公司把能源使用效率和全寿命周期运营维护成本作为数据中心选址和建设的重要因素。

国外航空既国防数据中心通过创新运营模式，实现在成本控制和经济价值创造之间的平衡，以具备可持续运行的能力。数据是一种可以多维使用和长期开发利用的资产，数据中心既可以是企业支撑内部管理和业务运营的平台，也可以成为经营能力的一部分，实现溢出价值。不少企业在数据中心建立数据分析平台，为供应商和客户提供服务，起到了缓解运营压力和经营增值的作用。如，波音公司与卡耐基梅隆大学合作建立航空数据分析平台，采集飞机运营和维修数据，为航空公司及其他客户提供航空运营、维修保障等服务。空客公司建立开放的企业级数据平台“智慧天空”，并将其基于云端的大数据分析范围向产业链延伸，向航空公司提供产品可靠性、质量和性能改进服务。截至2019年，“智慧天空”已汇聚10多家供应商和54家航空公司的4500多架客机相关数据。

1.4 打造数字生态和数据交换机制

数据中心作为数据存储、服务与开发应用平台，正在成为数据资产价值放大和数字技术实施的核心载体和可靠途径。美国国防部致力于打造数字工程生态系统，通过全寿命周期数据建模和知识挖掘，提高装备系统性能并降低成本。波音、空客、洛克希德•马丁公司等优秀航空企业，努力推动数据中心应用系统与业务深度融合，使其不仅具有企业信息资源服务、核心计算、数据存储等功能，还承担产品建模仿真、生产过程监控、服务保障/运营支持等任务。如，美国空军与波音公司合作，利用飞机几何外形数据、飞行数据、检验和维修数据、材料数据等构建了F-15C机体数字孪生模型，运用先进建模仿真工具，实现飞机多尺度仿真和结构完整性诊断。在此过程中，数据中心发挥了各类机构联系枢纽和数据应用平台的关键作用。

美国大力推进军地数据交换共享，自20世纪50年代起，美军陆、海、空军联合发起政府—工业界数据交换计划（GIDEP），旨在通过促进信息交换来寻求减少甚至消除资源消耗。从数据来源看，GIDEP主要包括军方数据，政府组织数据，以及工业部门数据；从数据类型看，主要是武器装备研发、生产、使用过程中的数据，具体包括产品基础数据、产品故障数据、产品可靠性数据、工程数据、计量数据等。目前，GIDEP已发展为包含2000余家企业，6000多注册会员的信息系统，经过几十年的应用，GIDEP对于实现有效的技术转移，保障美军装备系统的可靠性、可维护性、安全性和性能，加快计划进度，降低美军装备系统研制、生产和维持费用等全寿命周期成本起了重要作用。据统计，GIDEP自成立至今已为各类用户节省开支超21亿美元。

2 借鉴与启示

通过对国外航空及国防数据中心相关政策及建设运营情况的现状及趋势的深度分析，可以得到如下启示：数据中心是汇聚和利用数据资产的重要基础设施。我国航空工业必须加快论证建设高水平航空数据中心，促进对航空装备研制、生产、使用和售后服务全寿命周期数据的聚集、挖掘与深度应用；同时，加强运营模式创新，不断提升已有及新建数据中心的运营效率和效能，努力使数据成为我国航空工业提升管理效率、提高装备质量和降低经营成本的关键生产要素。

2.1 技术适度超前引领数据中心建设

未来航空装备研制围绕数据展开，要加快数据中心，尤其是集团级数据中心建设，把数据作为核心资产管起来、用起来。数据是数字航空和数字技术的基石，美国国防部、美国空军以及波音公司、洛克希德•马丁公司等均把数据作为一种战略资产加以管理。数据中心则是装载、管理和运用数据的平台，离开数据中心支撑，数字航空只能是空中楼阁。当前，我国航空工业缺少集团级高水平数据中心，现有“简单机房式”数据中心普遍容量不够、计算能力不足，致使型号信息系统“烟囱”、“数据孤岛”现象突出，严重制约航空装备数字化研制、智能制造和数字化运营管理推进，已成为航空工业数字化转型升级的瓶颈。

以技术适度超前应对快速迭代的数据中心发展需求，打造云边结合、分布式数据中心体系，避免陷于“建成即落后”的尴尬境地。从需求端看，组织对数据中心存储密度、计算能力、节能降耗、支撑业务场景等方面需求的不断变化和增强，牵引着数据中心持续优化升级。美国国防部、波音公司整合优化其数据中心，充分说明数据中心如不能持续满足组织需求，很快就会落后并被淘汰。从供给端看，云计算、边缘计算、虚拟化等新技术应用，使云数据中心、边缘数据中心等新形态数据中心应运而生，为更好地满足组织需要创造了条件。

2.2 严格遵守安全保密和节能环保要求

安全、保密是涉军数据中心的特殊要求，也是航空数据中心建设运营的红线和底线，必须作为重中之重来抓。航空数据中心涉及大量涉密数据，事关国家利益和安全，决定了数据中心要配备高规格的安全、保密条件，确保数据中心的绝对安全。波音公司在云化过程中，将敏感数据分割成多个“拼图”并使其广泛分布，并不断应用加密技术进行处理，从技术上确保不被窃取，表明数据中心的安全和保密问题在全世界范围内都是普遍关注的焦点问题。我国航空数据中心的安全保密，要以技术手段为核心，兼顾管理、物防措施的综合运用。

国家政策法规对数据中心建设运营有严格的节能、环保规定，必须高度重视并满足相关要求。数据中心高能耗问题在全世界范围内引发广泛关注，很多国家和国际组织纷纷制定法规和标准对其能效加以约束。我国也不例外，国家和地方政府出台了一系列政策要求。因而，航空数据中心建设要符合国家和地方政府在建设规模、环保等方面的限制条件，充分利用电价、气候、土地、网络基础设施（国家级互联网骨干直连点）、用工等方面的优惠政策和条件。

2.3 合理规划，创新可持续发展路径

以用促建、以用引建，提前做好数据中心运营效率和运营成本评估，确保数据中心建设和运营均衡发展。近年来，美国政府和国防部采取的一系列关闭、整合低效、老旧数据中心举措，表明数据中心建设要考虑后续运营效率与成本，避免大干快上、盲目发展，这是我国航空工业数据中心建设必须借鉴的宝贵经验。航空数据中心建设，要统筹数据在线存储和离线存储需求，合理规划数据中心数量、级别（集团级、企业级）、类型（存储中心、计算中心、应用中心）、规模和布局，科学评估后续运营成本、效率和效能，确保可持续发展。

数据的持续稳定获取是数据中心的根本，是发挥一切其他效用的前提。可探索市场化条件下的数据定价和交易机制。对于基础、共性或有转让价值的专用数据，构建数据供方定价、数据交易双方商务议价和线上/线下交易相结合的机制，逐步摆脱单纯依靠行政命令进行强制性数据汇集的方式，为航空数据中心建设及长期的数据持续交换/共享奠定基础。