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粒子數據挖掘

日內瓦附近的大型強子對撞機在西門(mén)子軟件的幫助下，試圖揭示大自然秘密。

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

當兩個(gè)質(zhì)子束在帶有探測器的隧道內的四個(gè)點(diǎn)彼此撞上時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生對撞。通過(guò)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構。他們取得了成功。譬如，2012年，他們證實(shí)了“物質(zhì)質(zhì)量的來(lái)源”希格斯玻色子的存在。

對這臺龐大機器進(jìn)行加固升級的工作始于2013年年初。2015年3月，機器將開(kāi)始第二次運行，而粒子束將以?xún)杀兜哪芰颗鲎?。繼發(fā)現希格斯玻色子后，科研人員現在希望更深入地研究宇宙懸而未決的問(wèn)題。

西門(mén)子新開(kāi)發(fā)的分析軟件，往往可在半小時(shí)內探測出故障根源。

粒子加速器每年產(chǎn)生超過(guò)300萬(wàn)億字節數據

LHC有助于物理學(xué)家從動(dòng)輒以PB（1 PB等于一千萬(wàn)億字節）計算的數據中提取知識。加速器利用大約3000萬(wàn)個(gè)傳感器捕獲機械脈沖，而加速器本身作為世界上復雜的自動(dòng)化系統之一，會(huì )產(chǎn)生大量的數據——每年超過(guò)100萬(wàn)億字節。到2015年機器再次啟動(dòng)時(shí)，每年的數據量將超過(guò)300萬(wàn)億字節。軟件工程師Manuel Gonzalez Berges正在對這些數據進(jìn)行挖掘。他與來(lái)自CERN和西門(mén)子的同事一起負責管理LHC的大量控制系統。他們正在使用西門(mén)子為此開(kāi)發(fā)的新型自適應診斷軟件。

該軟件的作用是查明各類(lèi)故障的根源。這些故障有時(shí)可能會(huì )導致系統癱瘓數周。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，在計算機屏幕“包圍”之下的Gonzalez Berges向參觀(guān)者解釋道：“過(guò)去，如果LHC中的一臺系統發(fā)出警告，有時(shí)要在兩周后專(zhuān)家才找到錯誤的實(shí)際原因。自2013年開(kāi)始，我們就利用歸檔操作狀態(tài)數據對西門(mén)子新開(kāi)發(fā)的這款分析軟件進(jìn)行測試。借助這款軟件，我們現在往往能在短短半小時(shí)內查明這些錯誤的根源。加速器將在幾天后再次啟動(dòng)，我們希望在測試階段實(shí)時(shí)預測問(wèn)題，然后從2017年起，我們將在常規運行中大規模部署這款軟件。”

解讀來(lái)自L(fǎng)HC的大量數據絕非無(wú)足輕重。難以計數的自動(dòng)化系統保證LHC正常運行，這些系統可以控制諸如真空度、冷卻和能量供應等。傳感器會(huì )檢查L(cháng)HC攜帶粒子束的管道是否保持超高真空度，以及其超導磁體是否保持足夠低的溫度。借助液氦，重達數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，計算機程序也可以監控探測器的控制系統是否正常工作。

在地下27公里長(cháng)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，譬如真空和冷卻裝置以及能量供應系統。

地底巨人

未來(lái)，西門(mén)子智能診斷軟件應能通過(guò)
大數據/智能數據幫助研究人員確定故障及其根源。

Gonzalez Berges帶領(lǐng)參觀(guān)者參觀(guān)其中一臺測量?jì)x器——CMS（緊湊型μ介子螺線(xiàn)管）探測器。他們一起乘坐電梯下到地下80米處，帶領(lǐng)他們穿過(guò)裝有密碼鎖的防護門(mén)，走過(guò)線(xiàn)纜密布的計算機服務(wù)器和設備機柜 ，終抵達長(cháng)21米、高三層樓的筒形探測器的前方。

探測器的結構就像一個(gè)洋蔥。中間是一個(gè)管道，大約有手臂般粗，質(zhì)子在管道內對撞。管道外部包裹著(zhù)層層殼體，厚度達到幾米。里面的殼體固定住可以記錄粒子束軌跡的硅探測器。另一層負責測量粒子的能量。該層殼體采用的部分材料，是從二戰時(shí)期蘇聯(lián)海軍所用彈殼回收的黃銅。探測器的外緣有特殊的腔體和數百萬(wàn)條線(xiàn)纜，用于探測高能介子。測得的數據隨后由七臺計算機進(jìn)行多次評估，然后，它們會(huì )報告異常的觀(guān)察結果。

為保持LHC平穩運行，過(guò)去十年來(lái)，CERN安裝了600多套西門(mén)子Simatic控制系統。這些系統通常僅僅用于復雜的工業(yè)設施。不過(guò)，LHC是的。一家汽車(chē)制造廠(chǎng)僅需使用50至100套西門(mén)子Simatic控制系統，一個(gè)石油平臺只需使用5到20套。而在LHC中，其中一臺控制設備依靠1.2萬(wàn)個(gè)傳感器監控氣體循環(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(guò)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(wú)關(guān)緊要。

將來(lái)，西門(mén)子推出的智能診斷軟件，能夠從大量傳感數據/智能數據中找出相關(guān)事件并查明其原因。例子之一是當管內氣壓下降時(shí)查找泄漏位置。不過(guò)，從外表看，組件之間的相互關(guān)聯(lián)并不總是那么明顯。因為，正如西門(mén)子軟件專(zhuān)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平穩運行，過(guò)去十年來(lái)，
CERN安裝了600多套西門(mén)子Simatic控制系統。

集中式機器智能分析

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

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

萬(wàn)維網(wǎng)誕生于CERN

使用該程序不僅使CERN獲益，西門(mén)子同樣受益匪淺。西門(mén)子中央研究院軟件開(kāi)發(fā)負責人Thomas Hahn表示：“我們在這里學(xué)到的東西，肯定會(huì )運用到其他工業(yè)設施的管理軟件中。”這也是西門(mén)子的傳統。CERN所開(kāi)展的研究，常常帶來(lái)可以影響我們日常生活的技術(shù)。譬如，萬(wàn)維網(wǎng)在這里誕生，此外，CERN對計算機斷層掃描技術(shù)的發(fā)展做出了決定性貢獻。

20多分鐘后，Gonzalez Berges返回電梯。當加速器在2015年3月再次開(kāi)始運行后，這個(gè)神圣的物理學(xué)殿堂將對參觀(guān)者關(guān)閉。不過(guò)，當以?xún)杀赌芰浚?3萬(wàn)億電子伏）運行時(shí)，LHC可能會(huì )打開(kāi)新局面——或許會(huì )發(fā)現暗物質(zhì)或超對稱(chēng)粒子的新證據。如果在運行期間出現任何重要的錯誤消息，西門(mén)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器自身運行提出建議，譬如氣體循環(huán)或動(dòng)力供應。Gonzalez Berges表示：“我們才剛剛開(kāi)始運用這款診斷軟件的潛力。”