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菏泽西门子代理商
产品时间:2020-11-23
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日内瓦附近的大型强子对撞机在西门子软件的帮助下,试图揭示大自然秘密。

在能望得见勃朗峰的法国赛希城附近,碰撞,在不断发生。但究其原因,却并非道路结冰或不小心驾驶。事实上,居民们夜间睡得很安详。不过,在地下约50至100米处,基本粒子正以不可思议的速度对撞,每秒高达8亿次。所有这一切,都发生在被称为大型强子对撞机(LHC)的27公里长的环形隧道内,该隧道位于法国和瑞士边境。大型强子对撞机由欧洲核子研究组织CERN运营。

当两个质子束在带有探测器的隧道内的四个点彼此撞上时,就会产生对撞。通过这种受控冲击之后形成的碎片,物理学家希望能更深入地了解宇宙的最小结构。他们取得了成功。譬如,2012年,他们证实了“物质质量的来源”希格斯玻色子的存在。

对这台庞大机器进行加固升级的工作始于2013年年初。2015年3月,机器将开始第二次运行,而粒子束将以两倍的能量碰撞。继发现希格斯玻色子后,科研人员现在希望更深入地研究宇宙悬而未决的问题。

西门子新开发的分析软件,往往可在半小时内探测出故障根源。

粒子加速器每年产生超过300万亿字节数据

LHC有助于物理学家从动辄以PB(1 PB等于一千万亿字节)计算的数据中提取知识。加速器利用大约3000万个传感器捕获机械脉冲,而加速器本身作为世界上最复杂的自动化系统之一,会产生大量的数据——每年超过100万亿字节。到2015年机器再次启动时,每年的数据量将超过300万亿字节。软件工程师Manuel Gonzalez Berges正在对这些数据进行挖掘。他与来自CERN和西门子的同事一起负责管理LHC的大量控制系统。他们正在使用西门子为此开发的新型自适应诊断软件。

该软件的作用是查明各类故障的根源。这些故障有时可能会导致系统瘫痪数周。该软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,在计算机屏幕“包围”之下的Gonzalez Berges向参观者解释道:“过去,如果LHC中的一台系统发出警告,有时要在两周后专家才找到错误的实际原因。自2013年开始,我们就利用归档操作状态数据对西门子新开发的这款分析软件进行测试。借助这款软件,我们现在往往能在短短半小时内查明这些错误的根源。加速器将在几天后再次启动,我们希望在测试阶段实时预测问题,然后从2017年起,我们将在常规运行中大规模部署这款软件。”

解读来自LHC的大量数据绝非无足轻重。难以计数的自动化系统保证LHC正常运行,这些系统可以控制诸如真空度、冷却和能量供应等。传感器会检查LHC携带粒子束的管道是否保持超高真空度,以及其超导磁体是否保持足够低的温度。借助液氦,重达数吨并使粒子束保持在轨迹上的这些磁体,保持-271.25摄氏度的恒温,这比外太空的温度还要低。另外,计算机程序也可以监控探测器的控制系统是否正常工作。

在地下27公里长的环形隧道里,基本粒子加速相向飞奔。粒子加速器装备有众多自动化系统,譬如真空和冷却装置以及能量供应系统。

地底巨人



未来,西门子智能诊断软件应能通过
大数据/智能数据帮助研究人员确定故障及其根源。

Gonzalez Berges带领参观者参观其中一台测量仪器——CMS(紧凑型μ介子螺线管)探测器。他们一起乘坐电梯下到地下80米处,带领他们穿过装有密码锁的防护门,走过线缆密布的计算机服务器和设备机柜 ,最终抵达长21米、高三层楼的筒形探测器的前方。

探测器的结构就像一个洋葱。中间是一个管道,大约有手臂般粗,质子在管道内对撞。管道外部包裹着层层壳体,厚度达到几米。最里面的壳体固定住可以记录粒子束轨迹的硅探测器。另一层负责测量粒子的能量。该层壳体采用的部分材料,是从二战时期苏联海军所用弹壳回收的黄铜。探测器的最外缘有特殊的腔体和数百万条线缆,用于探测高能介子。测得的数据随后由七台计算机进行多次评估,然后,它们会报告异常的观察结果。

为保持LHC平稳运行,过去十年来,CERN安装了600多套西门子Simatic控制系统。这些系统通常仅仅用于复杂的工业设施。不过,LHC是的。一家汽车制造厂仅需使用50至100套西门子Simatic控制系统,一个石油平台只需使用5到20套。而在LHC中,其中一台控制设备依靠1.2万个传感器监控气体循环。气体循环的作用是将磁体冷却至绝对零度之上几度。在这个过程中,每个组件都会生成状态消息,有时生成警告,其中大部分都无关紧要。

将来,西门子推出的智能诊断软件,能够从大量传感数据/智能数据中找出相关事件并查明其原因。例子之一是当管内气压下降时查找泄漏位置。不过,从外表看,组件之间的相互关联并不总是那么明显。因为,正如西门子软件专家Mikhail Roshchin所指出的:“一个故障可能会引发一连串的警告。”



为保持LHC平稳运行,过去十年来,
CERN安装了600多套西门子Simatic控制系统。

集中式机器智能分析

西门子软件能被训练,其方式是,教它识别来自以往故障状况中的模式,然后让它从新的数据集中查找相同的模式。这被称作根源分析。此外,欧洲核子研究组织(CERN)与西门子的计算机科学家不断在程序中人工添加新算法,其目的是增强软件的功能。这样,科学家将逐步建立起一个专为LHC量身定制的的实用知识库。将来,它能让计算机程序在紧急情况下快速解读数据,即使数据“通常是不可靠、不完整和无序的” ,如欧洲核子研究组织计算机科学家Filippo Tilaro 所指出的那样。

尽管由集中式机器智能进行的分析异常复杂,其结果对用户而言必须易于理解。CERN的仪器用户,往往是只在现场短暂停留并且没有时间熟悉复杂软件的科学家。因此,诊断程序有一个直观的用户界面,在发出故障报警的情况下,可以针对需要采取的措施提供具体建议。

万维网诞生于CERN

使用该程序不仅使CERN获益,西门子同样受益匪浅。西门子中央研究院软件开发负责人Thomas Hahn表示:“我们在这里学到的东西,肯定会运用到其他工业设施的管理软件中。”这也是西门子的传统。CERN所开展的研究,常常带来可以影响我们日常生活的技术。譬如,万维网在这里诞生,此外,CERN对计算机断层扫描技术的发展做出了决定性贡献。

20多分钟后,Gonzalez Berges返回电梯。当加速器在2015年3月再次开始运行后,这个神圣的物理学殿堂将对参观者关闭。不过,当以两倍能量(即13万亿电子伏)运行时,LHC可能会打开新局面——或许会发现暗物质或超对称粒子的新证据。如果在运行期间出现任何重要的错误消息,西门子的全新诊断软件将有助于查找原因。然而更好的情况是,就LHC而言,我们期望软件最终能够就机器自身运行提出建议,譬如气体循环或动力供应。Gonzalez Berges表示:“我们才刚刚开始运用这款诊断软件的潜力。”

 

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