就在一顆通信衛(wèi)星以第一宇宙速度飛過我們頭頂?shù)膸追昼姇r(shí)間里，上百萬人正借助由它所搭建的網(wǎng)絡(luò)去鏈接這個(gè)世界，而實(shí)際上，這樣的衛(wèi)星有成千上萬顆。

當(dāng)我們使用方便快捷的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí)，就在網(wǎng)絡(luò)的另一邊，一個(gè)名叫 "風(fēng)云太空 " 的系統(tǒng)，卻平靜無聲地向這些為我們提供服務(wù)的衛(wèi)星發(fā)送了預(yù)警信息，一場因太陽爆發(fā)活動所帶來的沖擊即將在大約 24 小時(shí)后到達(dá) ...... 在獲取預(yù)警信息后，地面運(yùn)控部門啟動應(yīng)急預(yù)案，并在太陽風(fēng)暴到來時(shí)從容應(yīng)對，化解了此次空間天氣危機(jī)。

這個(gè)場景，正是我國空間天氣預(yù)報(bào)能力邁向智能化的一個(gè)縮影，而其背后的核心技術(shù)，就是本文的主角——" 風(fēng)宇 " 模型。

國家衛(wèi)星氣象中心（國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心）主任王勁松介紹，這是全球首個(gè)全鏈?zhǔn)降目臻g天氣人工智能預(yù)報(bào)模型。

當(dāng)前太陽正處于活動高發(fā)期，日珥爆發(fā)等隨機(jī)事件如同無形的 " 宇宙海嘯 "，時(shí)刻威脅著在軌衛(wèi)星、航空器安全乃至地面關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的安全。

然而，要精準(zhǔn)預(yù)報(bào)這場跨越 1.5 億公里的風(fēng)暴絕非易事。傳統(tǒng)的預(yù)報(bào)主要依賴數(shù)值模型，但空間天氣涉及太陽、行星際、磁層、電離層等多個(gè)圈層的復(fù)雜物理作用，機(jī)制極為復(fù)雜。這導(dǎo)致傳統(tǒng)數(shù)值模型不僅計(jì)算量巨大、耗時(shí)長，難以滿足實(shí)時(shí)響應(yīng)的需求，也難以精確刻畫完整的物理過程。

王勁松主任認(rèn)為，" 風(fēng)宇 " 模型的研發(fā)成功，使得空間天氣預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)了物理模型、數(shù)值預(yù)報(bào)和人工智能三足并立的格局，大大提高了我國空間天氣預(yù)報(bào)水平。

南昌大學(xué)人工智能工業(yè)研究院副院長陳洲詳細(xì)介紹了 " 風(fēng)宇 " 模型，該模型采用了首創(chuàng)空間天氣上下游智能耦合技術(shù)，利用了不同區(qū)域感知響應(yīng)和結(jié)構(gòu)自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了模型之間的協(xié)同優(yōu)化以及全鏈?zhǔn)降男r(shí)級快速預(yù)報(bào)。

華為計(jì)算昇騰業(yè)務(wù)總裁張迪煊表示，" 風(fēng)宇 " 空間天氣模型基于 MindSpore Science 套件和昇騰硬件，實(shí)現(xiàn)了模型訓(xùn)練到推理的全流程應(yīng)用，覆蓋太陽風(fēng)、磁層和電離層全鏈?zhǔn)今詈嫌?xùn)練，在訓(xùn)練效率、預(yù)測精度、系統(tǒng)適配性方面全面優(yōu)于傳統(tǒng)平臺。

架構(gòu)的革命性：從 " 各自為戰(zhàn) " 到 " 協(xié)同作戰(zhàn) "

過去，空間天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域也曾構(gòu)建過一些人工智能模型，但它們往往針對特定區(qū)域，如太陽風(fēng)或電離層，彼此獨(dú)立。王勁松主任指出，這種 " 各自為戰(zhàn) " 的模式最大的痛點(diǎn)在于，它沒有體現(xiàn)從太陽到地球整個(gè)因果鏈的物理關(guān)系，這限制了預(yù)報(bào)水平的提高。

為此，" 風(fēng)宇 " 模型首創(chuàng)了一種 " 鏈?zhǔn)接?xùn)練結(jié)構(gòu) "，將預(yù)報(bào)從孤立的環(huán)節(jié)整合成一個(gè)協(xié)同作戰(zhàn)的整體。其中包括了三大關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。

第一，國際首次實(shí)現(xiàn)全鏈路智能建模。

" 風(fēng)宇 " 是國際上首次實(shí)現(xiàn)從太陽風(fēng) - 磁層 - 電離層端到端 AI 建模的系統(tǒng)，包括針對太陽風(fēng)的 "煦風(fēng)"、針對地球磁場的 "天磁" 和針對地球電離層的 "電穹" 等三大空間區(qū)域模型。這些區(qū)域模型采用鏈?zhǔn)接?xùn)練模式和可插拔架構(gòu)分別建模，未來能夠更加靈活、高效地進(jìn)行更新和迭代，同時(shí)新的太陽、極光等模型也在研發(fā)之中。

" 風(fēng)宇 " 獨(dú)創(chuàng)的 " 智能耦合優(yōu)化機(jī)制 "（也被稱為耦合優(yōu)化器），是實(shí)現(xiàn)三大區(qū)域模型協(xié)同的關(guān)鍵。陳洲特別提出，這是一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多區(qū)域模型耦合優(yōu)化方法，通過不同區(qū)域感知響應(yīng)和結(jié)構(gòu)自適應(yīng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)模型之間的協(xié)同優(yōu)化、全鏈?zhǔn)降男r(shí)級快速預(yù)報(bào)。

例如，" 煦風(fēng) " 模型的輸出，作為輸入喂給下游的 " 天磁 " 和 " 電穹 " 模型。而耦合優(yōu)化器（Coupling Optimizer）則通過計(jì)算多個(gè)損失函數(shù)（Loss1, Loss2, Loss3, LossX1, LossX2）來協(xié)同優(yōu)化所有模型。

這樣，" 風(fēng)宇 " 模型不僅能更真實(shí)地再現(xiàn)太陽風(fēng)影響地球環(huán)境的過程，還能描繪出磁場和電離層間復(fù)雜的相互作用，從根本上提升了對空間天氣變化過程的理解和預(yù)報(bào)精度。

王勁松主任認(rèn)為，" 風(fēng)宇 " 模型的實(shí)踐，也為人類利用不同的數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)人工智能對復(fù)雜物理現(xiàn)象的描述和解讀提供了一個(gè)很好的范例。

張迪煊介紹，在軟件層面，" 風(fēng)宇 " 基于MindSpore Science 套件構(gòu)建電離層、磁層等多個(gè)空間區(qū)域預(yù)報(bào)模型，并聯(lián)合國家衛(wèi)星氣象中心（國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心）、南昌大學(xué)共同設(shè)計(jì)的張量并行、流水線并行等并行切分策略，開發(fā)適用于 3D 時(shí)空數(shù)據(jù)的科學(xué)計(jì)算接口，通過自動圖優(yōu)化、圖算融合等編譯優(yōu)化能力，有效提升模型訓(xùn)練 / 推理效率。

硬件層面，" 風(fēng)宇 " 基于昇騰 AI 集群，在提供業(yè)界領(lǐng)先算力的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)級高可靠設(shè)計(jì)及軟硬件協(xié)同優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有效算力全面提升，為大規(guī)模歷史氣象資料和高分辨率格點(diǎn)數(shù)據(jù)的批量訓(xùn)練提供高效支撐。

數(shù)據(jù)驅(qū)動的基礎(chǔ)：" 天地一體化 " 觀測體系

任何先進(jìn)的 AI 模型都離不開海量高質(zhì)量數(shù)據(jù)的 " 喂養(yǎng) "。" 風(fēng)宇 " 的卓越性能，我國已建成的 " 天地一體化 " 空間天氣監(jiān)測體系功不可沒。

在太空，有 " 風(fēng)云系列衛(wèi)星 " 具備了監(jiān)測太陽、磁層、電離層等圈層關(guān)鍵要素的綜合能力，" 羲和號 " 和 " 夸父一號 " 獲取了的豐富的太陽活動特征。

在地面，則有中國氣象局布局的 73 個(gè)臺站和 " 子午工程 " 布局的 31 個(gè)臺站、近 300 臺設(shè)備進(jìn)行全天候探測。

正是這些海量、立體觀測數(shù)據(jù)，為 " 風(fēng)宇 " 模型提供了源源不斷的 " 燃料 "。

風(fēng)宇 " 模型還創(chuàng)見性地將全鏈?zhǔn)娇臻g天氣數(shù)值模式生成的數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成了互相補(bǔ)充、相互印證的高質(zhì)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)從空間天氣監(jiān)測、建模到預(yù)警的全鏈路智能化。

陳洲特別指出，" 風(fēng)宇 " 模型中的電離層部分具有彈性特質(zhì)，它能夠有效地融合來自于不同觀測、不同時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。

從預(yù)報(bào)到防護(hù)：" 風(fēng)宇 " 的應(yīng)用實(shí)例與性能表現(xiàn)

" 風(fēng)宇 " 不僅在架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新，更在實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中展現(xiàn)出突破性的預(yù)報(bào)能力。

在長達(dá)一年的預(yù)測性能測試中，" 風(fēng)宇 "在太陽風(fēng)、磁層和電離層各區(qū)域均表現(xiàn)出卓越的 24 小時(shí)短臨預(yù)測能力。

特別是在近兩年發(fā)生的多次大磁暴事件中，" 風(fēng)宇 " 在電離層區(qū)域的預(yù)測性能尤為突出，其對全球電子密度總含量的預(yù)測誤差基本能控制在 10% 左右。王勁松主任介紹，這是當(dāng)今世界范圍內(nèi)的最好結(jié)果。

目前，" 風(fēng)宇 " 模型已申請了11 項(xiàng)國家發(fā)明專利。

應(yīng)用案例：全方位指導(dǎo)航天器 " 趨利避害 "

" 風(fēng)宇 " 的能力遠(yuǎn)不止于預(yù)報(bào)。它強(qiáng)大的預(yù)測能力可以深入到航天器設(shè)計(jì)、管理和運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)。

例如，在衛(wèi)星的設(shè)計(jì)階段，就可以依據(jù)模型對未來太陽活動強(qiáng)度的預(yù)測，來估算衛(wèi)星在其使用壽命中可能經(jīng)受的輻射上下限，從而進(jìn)行針對性的防輻射加固設(shè)計(jì)。

對于在軌運(yùn)行的衛(wèi)星，精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)則能幫助其進(jìn)行軌道管理和任務(wù)安全優(yōu)化。

例如，當(dāng)預(yù)測到空間天氣變化將導(dǎo)致大氣阻力增加時(shí)，可以提前規(guī)劃衛(wèi)星燃料的使用、調(diào)整飛行姿態(tài)，確保任務(wù)安全。

下一站，星辰大海中的 " 邊緣智能 "

" 風(fēng)宇 " 模型的發(fā)布，標(biāo)志著我國空間天氣監(jiān)測預(yù)警能力取得了突破性進(jìn)展。

正如王勁松主任所說，它在技術(shù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)融合和應(yīng)用價(jià)值上的突破，是 AI for Science 領(lǐng)域一個(gè)典型的成功案例，也為空間科學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)和高性能計(jì)算的融合發(fā)展也提供了新的參考價(jià)值。

但探索永不止步。當(dāng)前 " 風(fēng)宇 " 是在地面運(yùn)行的云端大模型，依賴強(qiáng)大的算力支持。而空間智能的下一步，無疑是讓 AI 更靠近應(yīng)用前沿。未來，將 AI 能力直接部署在衛(wèi)星上，實(shí)現(xiàn)星上自主決策，將是航天領(lǐng)域 AI 應(yīng)用演進(jìn)的重要方向。

這為廣大開發(fā)者社群描繪出了一條清晰的技術(shù)演進(jìn)路線：從云端大模型到星上邊緣計(jì)算。

這意味著，AI 模型的輕量化、端側(cè)推理優(yōu)化、高可靠性智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，將成為未來航天領(lǐng)域 AI 應(yīng)用的新熱點(diǎn)，從而為人類探索星辰大海的征途，點(diǎn)亮一盞更智能、更安全的 " 指路明燈 "。

* 本文系量子位獲授權(quán)刊載，觀點(diǎn)僅為原作者所有。

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