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粒子數(shù)據(jù)挖掘

日內(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在西門子軟件的幫助下，試圖揭示大自然秘密。

在能望得見勃朗峰的法國(guó)賽希城附近，碰撞，在不斷發(fā)生。但究其原因，卻并非道路結(jié)冰或不小心駕駛。事實(shí)上，居民們夜間睡得很安詳。不過，在地下約50至100米處，基本粒子正以不可思議的速度對(duì)撞，每秒高達(dá)8億次。所有這一切，都發(fā)生在被稱為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的27公里長(zhǎng)的環(huán)形隧道內(nèi)，該隧道位于法國(guó)和瑞士邊境。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)由歐洲核子研究組織CERN運(yùn)營(yíng)。

當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子束在帶有探測(cè)器的隧道內(nèi)的四個(gè)點(diǎn)彼此撞上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生對(duì)撞。通過這種受控沖擊之后形成的碎片，物理學(xué)家希望能更深入地了解宇宙的小結(jié)構(gòu)。他們?nèi)〉昧顺晒?。譬如?012年，他們證實(shí)了“物質(zhì)質(zhì)量的來源”希格斯玻色子的存在。

對(duì)這臺(tái)龐大機(jī)器進(jìn)行加固升級(jí)的工作始于2013年年初。2015年3月，機(jī)器將開始第二次運(yùn)行，而粒子束將以兩倍的能量碰撞。繼發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子后，科研人員現(xiàn)在希望更深入地研究宇宙懸而未決的問題。

西門子新開發(fā)的分析軟件，往往可在半小時(shí)內(nèi)探測(cè)出故障根源。

粒子加速器每年產(chǎn)生超過300萬億字節(jié)數(shù)據(jù)

LHC有助于物理學(xué)家從動(dòng)輒以PB（1 PB等于一千萬億字節(jié)）計(jì)算的數(shù)據(jù)中提取知識(shí)。加速器利用大約3000萬個(gè)傳感器捕獲機(jī)械脈沖，而加速器本身作為世界上復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)之一，會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)——每年超過100萬億字節(jié)。到2015年機(jī)器再次啟動(dòng)時(shí)，每年的數(shù)據(jù)量將超過300萬億字節(jié)。軟件工程師Manuel Gonzalez Berges正在對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘。他與來自CERN和西門子的同事一起負(fù)責(zé)管理LHC的大量控制系統(tǒng)。他們正在使用西門子為此開發(fā)的新型自適應(yīng)診斷軟件。

該軟件的作用是查明各類故障的根源。這些故障有時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓數(shù)周。該軟件查明故障根源的速度，要比以往人工查找快得多。在 LHC控制中心，在計(jì)算機(jī)屏幕“包圍”之下的Gonzalez Berges向參觀者解釋道：“過去，如果LHC中的一臺(tái)系統(tǒng)發(fā)出警告，有時(shí)要在兩周后專家才找到錯(cuò)誤的實(shí)際原因。自2013年開始，我們就利用歸檔操作狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)西門子新開發(fā)的這款分析軟件進(jìn)行測(cè)試。借助這款軟件，我們現(xiàn)在往往能在短短半小時(shí)內(nèi)查明這些錯(cuò)誤的根源。加速器將在幾天后再次啟動(dòng)，我們希望在測(cè)試階段實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)問題，然后從2017年起，我們將在常規(guī)運(yùn)行中大規(guī)模部署這款軟件。”

解讀來自LHC的大量數(shù)據(jù)絕非無足輕重。難以計(jì)數(shù)的自動(dòng)化系統(tǒng)保證LHC正常運(yùn)行，這些系統(tǒng)可以控制諸如真空度、冷卻和能量供應(yīng)等。傳感器會(huì)檢查L(zhǎng)HC攜帶粒子束的管道是否保持超高真空度，以及其超導(dǎo)磁體是否保持足夠低的溫度。借助液氦，重達(dá)數(shù)噸并使粒子束保持在軌跡上的這些磁體，保持-271.25攝氏度的恒溫，這比外太空的溫度還要低。另外，計(jì)算機(jī)程序也可以監(jiān)控探測(cè)器的控制系統(tǒng)是否正常工作。

在地下27公里長(zhǎng)的環(huán)形隧道里，基本粒子加速相向飛奔。粒子加速器裝備有眾多自動(dòng)化系統(tǒng)，譬如真空和冷卻裝置以及能量供應(yīng)系統(tǒng)。

地底巨人

未來，西門子智能診斷軟件應(yīng)能通過
大數(shù)據(jù)/智能數(shù)據(jù)幫助研究人員確定故障及其根源。

Gonzalez Berges帶領(lǐng)參觀者參觀其中一臺(tái)測(cè)量?jī)x器——CMS（緊湊型μ介子螺線管）探測(cè)器。他們一起乘坐電梯下到地下80米處，帶領(lǐng)他們穿過裝有密碼鎖的防護(hù)門，走過線纜密布的計(jì)算機(jī)服務(wù)器和設(shè)備機(jī)柜 ，終抵達(dá)長(zhǎng)21米、高三層樓的筒形探測(cè)器的前方。

探測(cè)器的結(jié)構(gòu)就像一個(gè)洋蔥。中間是一個(gè)管道，大約有手臂般粗，質(zhì)子在管道內(nèi)對(duì)撞。管道外部包裹著層層殼體，厚度達(dá)到幾米。里面的殼體固定住可以記錄粒子束軌跡的硅探測(cè)器。另一層負(fù)責(zé)測(cè)量粒子的能量。該層殼體采用的部分材料，是從二戰(zhàn)時(shí)期蘇聯(lián)海軍所用彈殼回收的黃銅。探測(cè)器的外緣有特殊的腔體和數(shù)百萬條線纜，用于探測(cè)高能介子。測(cè)得的數(shù)據(jù)隨后由七臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行多次評(píng)估，然后，它們會(huì)報(bào)告異常的觀察結(jié)果。

為保持LHC平穩(wěn)運(yùn)行，過去十年來，CERN安裝了600多套西門子Simatic控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常僅僅用于復(fù)雜的工業(yè)設(shè)施。不過，LHC是的。一家汽車制造廠僅需使用50至100套西門子Simatic控制系統(tǒng)，一個(gè)石油平臺(tái)只需使用5到20套。而在LHC中，其中一臺(tái)控制設(shè)備依靠1.2萬個(gè)傳感器監(jiān)控氣體循環(huán)。氣體循環(huán)的作用是將磁體冷卻至零度之上幾度。在這個(gè)過程中，每個(gè)組件都會(huì)生成狀態(tài)消息，有時(shí)生成警告，其中大部分都無關(guān)緊要。

將來，西門子推出的智能診斷軟件，能夠從大量傳感數(shù)據(jù)/智能數(shù)據(jù)中找出相關(guān)事件并查明其原因。例子之一是當(dāng)管內(nèi)氣壓下降時(shí)查找泄漏位置。不過，從外表看，組件之間的相互關(guān)聯(lián)并不總是那么明顯。因?yàn)?，正如西門子軟件專家Mikhail Roshchin所指出的：“一個(gè)故障可能會(huì)引發(fā)一連串的警告。”

為保持LHC平穩(wěn)運(yùn)行，過去十年來，
CERN安裝了600多套西門子Simatic控制系統(tǒng)。

集中式機(jī)器智能分析

西門子軟件能被訓(xùn)練，其方式是，教它識(shí)別來自以往故障狀況中的模式，然后讓它從新的數(shù)據(jù)集中查找相同的模式。這被稱作根源分析。此外，歐洲核子研究組織（CERN）與西門子的計(jì)算機(jī)科學(xué)家不斷在程序中人工添加新算法，其目的是增強(qiáng)軟件的功能。這樣，科學(xué)家將逐步建立起一個(gè)專為L(zhǎng)HC量身定制的的實(shí)用知識(shí)庫(kù)。將來，它能讓計(jì)算機(jī)程序在緊急情況下快速解讀數(shù)據(jù)，即使數(shù)據(jù)“通常是不可靠、不完整和無序的” ，如歐洲核子研究組織計(jì)算機(jī)科學(xué)家Filippo Tilaro 所指出的那樣。

盡管由集中式機(jī)器智能進(jìn)行的分析異常復(fù)雜，其結(jié)果對(duì)用戶而言必須易于理解。CERN的儀器用戶，往往是只在現(xiàn)場(chǎng)短暫停留并且沒有時(shí)間熟悉復(fù)雜軟件的科學(xué)家。因此，診斷程序有一個(gè)直觀的用戶界面，在發(fā)出故障報(bào)警的情況下，可以針對(duì)需要采取的措施提供具體建議。

萬維網(wǎng)誕生于CERN

使用該程序不僅使CERN獲益，西門子同樣受益匪淺。西門子中央研究院軟件開發(fā)負(fù)責(zé)人Thomas Hahn表示：“我們?cè)谶@里學(xué)到的東西，肯定會(huì)運(yùn)用到其他工業(yè)設(shè)施的管理軟件中。”這也是西門子的傳統(tǒng)。CERN所開展的研究，常常帶來可以影響我們?nèi)粘Ｉ畹募夹g(shù)。譬如，萬維網(wǎng)在這里誕生，此外，CERN對(duì)計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)的發(fā)展做出了決定性貢獻(xiàn)。

20多分鐘后，Gonzalez Berges返回電梯。當(dāng)加速器在2015年3月再次開始運(yùn)行后，這個(gè)神圣的物理學(xué)殿堂將對(duì)參觀者關(guān)閉。不過，當(dāng)以兩倍能量（即13萬億電子伏）運(yùn)行時(shí)，LHC可能會(huì)打開新局面——或許會(huì)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)或超對(duì)稱粒子的新證據(jù)。如果在運(yùn)行期間出現(xiàn)任何重要的錯(cuò)誤消息，西門子的全新診斷軟件將有助于查找原因。然而更好的情況是，就LHC而言，我們期望軟件終能夠就機(jī)器自身運(yùn)行提出建議，譬如氣體循環(huán)或動(dòng)力供應(yīng)。Gonzalez Berges表示：“我們才剛剛開始運(yùn)用這款診斷軟件的潛力。”