Художественная интерпретация системы искусственного интеллекта PACMAN для термоядерных систем. Фото: Кайл Палмер/Отдел коммуникаций PPPL
Как выяснил корреспондент нашего новостного сайта, управление термоядерной плазмой, прежде считавшееся прерогативой человека, теперь способен взять на себя искусственный интеллект, действующий с недоступной людям быстротой. Плазма в экспериментальных устройствах раскалена до значений, превосходящих температуру ядра Солнца, однако отдельные частицы способны за несколько тысячных долей секунды утратить стабильность. Столь стремительная динамика оставляет оператору слишком мало времени для осмысленной реакции. Решением стала разработка исследователей из Принстонской лаборатории (PPPL) и Принстонского университета: система на основе ИИ, принимающая решения за миллисекунды и при этом не отстраняющая людей от постановки главных задач.
Платформа получила название PACMAN — аббревиатуру от «Прогнозирование и управление с использованием машинного обучения». Испытания, проведённые на термоядерной установке, завершились успешно в ходе пяти отдельных экспериментов. Конструкция системы и предварительные результаты описаны в статье, опубликованной в журнале Nuclear Fusion.
Интерес к термоядерному синтезу подпитывается возможностью получения практически неисчерпаемой электроэнергии. В числе множества исследуемых направлений заметно выделяются токамаки — установки, где сверхмощные магнитные поля удерживают плазму, ионизированный газ, который нередко называют четвёртым состоянием вещества. Чтобы реакция протекала непрерывно, плазма должна оставаться горячей, плотной и устойчивой, а значит, требуется постоянная корректировка нагревательного оборудования, магнитов и газовых форсунок. Даже незначительные электромагнитные колебания способны в течение миллисекунд многократно усилиться и полностью нарушить ход термоядерного процесса.
Отдельной сложностью остаётся прогнозирование поведения плазмы. Детальные компьютерные симуляции требуют от нескольких дней до месяцев вычислений. Такие расчёты оказываются незаменимы при планировании будущих опытов, однако для управления в реальном времени они бесполезны, поскольку эксперимент зачастую длится всего несколько минут. Хиро Фарре Кага, соавтор исследования и аспирант Принстонской программы по физике плазмы (совместного проекта университета и PPPL), поясняет: «Это отлично подходит для подготовки эксперимента, запланированного на следующий год, но для контроля нам нужны модели, которые принимают решение в данный момент. Модели машинного обучения превосходно описывают поведение плазмы, и, что немаловажно, это единственный способ смоделировать её за миллисекунды. Скорость таких моделей — ключ к контролю».
Новая система искусственного интеллекта Принстона может управлять термоядерной плазмой за миллисекунды и даже предсказывать опасные нестабильности до того, как они произойдут
Машинное обучение уже подтверждало свой потенциал в управлении термоядерной плазмой, однако предыдущие работы носили разрозненный характер: не существовало общей архитектуры, позволяющей разным моделям действовать согласованно. Сложность термоядерного реактора требует одновременного контроля над множеством узлов и процессов, поэтому нужен не один, а целый комплекс алгоритмов.
PACMAN задумывался именно как универсальная среда для подобного взаимодействия. Энди Ротштейн, аспирант факультета машиностроения и аэрокосмической техники Принстонского университета и соавтор публикации, подчёркивает: «Мы разработали эту структуру, чтобы модели могли взаимодействовать друг с другом, результаты моделей можно было бы использовать совместно, и мы могли бы заниматься захватывающей физикой в одной интегрированной системе».
Комплекс моделей машинного обучения включён в повторяющийся управляющий цикл, который работает на порядки быстрее человека. «Оператору-человеку для ответа обычно требуется несколько секунд, — добавляет Ротштейн. — Вся структура PACMAN обычно отрабатывает примерно за 20 миллисекунд. При этом она не останавливается, а продолжает действовать снова и снова, замечая любые изменения в плазме и приспосабливаясь к ним так, как человек не смог бы никогда».
Принцип работы PACMAN напоминает конвейер со специализированными станциями. На начальном этапе платформа собирает данные измерений тока, температуры, освещённости и магнитных полей, формируя основу для последующих управляющих решений.
нитных сигналов. Затем система впоследствии выявила наличие ошибок и включила их в один пакет.
Затем модели искусственного интеллекта выбирают необходимые измерения и используют их для измерения того, что плазма делает в данный момент или что она, вероятно, будет делать дальше. Контроллеры наблюдения выполняют эти прогнозы и определяют, какие действия необходимы, например, увеличение мощности нагреваемого излучения.
На заключительном этапе PACMAN разрешает любые противоречивые инструкции контроллеров, устанавливает строгие ограничения безопасности оборудования и отправляет утвержденные команды токамаку. Поскольку модели и контроллеры работают независимо, ученые могут внедрять новые компоненты, не нарушая остальную часть структуры.
ИИ протестирован на основе термоядерной машины
Исследователи продемонстрировали гибкость PACMAN в пяти экспериментах с использованием токамака DIII-D Национальной термоядерной установки Министерства энергетики США в Сан-Диего.
Во время тестирования этих PACMAN:
- демонстрируют модели ИИ, обучающей методики проб и ошибок, передачи как обучение подкреплению, полный контроль нагрева подкрепления. системы.
- Предсказал внезапные всплески энергии на краю диапазона.
- Обнаружение и управление волнами в плазме, возбуждаемыми быстрыми частицами.
- Плотность и вращение мозга скорректированы в соответствии с объектами, установленными исследователями.
- Предсказал нестабильность, называемую режимом разрыва, и остановил ее до того, как она изменилась.
Эксперимент с разрывом режима показал одно из наиболее очевидных преимуществ международных систем. Обычные контроллеры не могут измерить эту нестабильность, пока она еще не началась.
«Затем они пытаются это подавить, и это может привести к значительному снижению производительности», — сказал он. — сказал Фарре Кага. «В одном из экспериментов, которые мы предполагаем, модель машинного обучения заранее указывает режим разрыва примерно за 200 миллисекунд, поэтому плазму можно изменить, чтобы избежать его».
PACMAN также смог одновременно координировать работу всех шести гиротронов DIII-D (система, нагревающая плазму мощными микроволновыми лучами). Для достижения сложных целей, заранее выбранных исследователями, система регулировала мощность гиротронов, а также перемещала их зеркала в первое время.
«Раньше не создано алгоритма для поиска дифференциального решения», — сказал он. — сказал Фарре Кага. «Когда удар закончился и мы посмотрели на данные, он сделал именно то, на что мы надеялись, одновременно перемещая все шестью способами для достижения целей».
Эксперименты по более быстрому синтезу с участием людей, все еще управляемых под контролем
Ротштейн сказал, что одним из самых удивительных результатов стало то, что PACMAN быстрее всех позволяет внедрить дополнительные модели искусственного интеллекта. Разработка платформы и установка первой модели потребовали несколько месяцев работы.
"Затем мы пошли ставить вторую модель, и это заняло пару дней. Тестирование было проще, и ошибок было гораздо меньше», — сказал он. — сказал он. «DIII-D — это прежде всего исследовательская машина, и иногда все идет не так, как вы ожидали. Если вы можете надеть модель за неделю, вы можете ее переобучить и через неделю поставить новую. Это позволяет проводить итерации, которые раньше были невозможны».
Исследователи приходят к выводу, что эффективная система не предназначена для исключения людей из экспериментов по термоядерному синтезу. PACMAN применяет ограничения безопасности независимо от того, что рекомендует модель искусственного интеллекта, а физика проверяет результаты после каждого эксперимента, чтобы изменить контроллеры перед следующими испытаниями.
«Независимо от того, насколько сложны ваши контроллеры, в конечном итоге параметры для этого элемента управления устанавливают человека-оператора», — сказал он. — сказал Фарре Кага.
Гибкая платформа искусственного интеллекта для будущих термоядерных машин
Модульная структура PACMAN также может сделать его особенностью DIII-D. Разработчики полагают, что эту систему можно адаптировать для токамаков различных форм, размеров и инструментов, включая термоядерные машины, которые еще не созданы.
"PACMAN использует гибкие решения, позволяющие объединить блоки алгоритмов ИИ. Вы можете добавить новый, заменить один или запустить несколько одновременно, не затрагивая остальную часть системы», — сказал он. Сказал Эгемен Колемен, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Принстонского университета, назначенный совместно с Центром энергетики и окружающей среды Андлингера и PPPL. «Эта модульность превращает управление плазмой с помощью искусственного интеллекта из серии одноразовых демонстраций в инфраструктуру, на которой может построиться все термоядерное сообщество».
Среди других авторов: Рикардо Шуша , Кит Эриксон и Сан Гён Ким от PPPL, Джалал-уд-дина Батта, Питера Штайнера и Азарахша Джалалванда из Принстонского университета и Такума Вакацуки из .
| Аспирантура по гранту DGE-2039656.