Computational Controls of Accelerators (CDL4)
Komplexe Steuerungsprozesse in Großanlagen, z.B. zur Herstellung von Produkten oder zur Durchführung wissenschaftlicher Experimente, werden mit einer vielschichtigen, hochgradig verteilten Hardware-Software-Architektur betrieben. Durch eine große Anzahl von Sensoren, Steuergeräten und anderer Infrastruktur werden große Datenmengen erzeugt. Die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse erfordern eine Datenverarbeitung mit hoher Geschwindigkeit zu Steuerungszwecken. Konfiguration und Betrieb beruhen auf umfangreichem Expertenwissen. Derzeit kann jedoch nur ein kleiner Teil der verfügbaren Daten verarbeitet und zielgerichtet genutzt werden.
Am Beispiel des Steuerungs- und Regelungssystems des European XFEL (EuXFEL) und möglicher Erweiterungen betrachtet das CDL Computational Control of Accelerators die Prozesssteuerung als "Big Data"-Problem und entwickelt neuartige Ansätze zur Optimierung, Diagnose, Steuerung und Wartung. Ziele sind zum Beispiel die Erhöhung der Präzision wissenschaftlicher Instrumente und der Verfügbarkeit des Gesamtsystems.
Im Fall von EuXFEL ist die Computerinfrastruktur über 3 Kilometer verteilt und besteht aus 300 Rechengestellen, die bis zu 30 TByte Rohdaten pro Tag erzeugen. Jedes Rechen-Rack selbst besteht aus zahlreichen Mikrocontrollern zur Datenerfassung und Steuerung der Aktoren. Über dieser Front-End-Schicht befindet sich eine mittlere Schicht, die hauptsächlich aus Software besteht und die übergeordnete Steuerung übernimmt. Auf der Anwendungsebene werden schließlich Nutzdaten, zum Beispiel von bildgebenden Sensoren, ausgewertet und verwendet.
Am Beispiel des Steuerungs- und Regelungssystems des European XFEL (EuXFEL) und möglicher Erweiterungen betrachtet das CDL Computational Control of Accelerators die Prozesssteuerung als "Big Data"-Problem und entwickelt neuartige Ansätze zur Optimierung, Diagnose, Steuerung und Wartung. Ziele sind zum Beispiel die Erhöhung der Präzision wissenschaftlicher Instrumente und der Verfügbarkeit des Gesamtsystems.
Im Fall von EuXFEL ist die Computerinfrastruktur über 3 Kilometer verteilt und besteht aus 300 Rechengestellen, die bis zu 30 TByte Rohdaten pro Tag erzeugen. Jedes Rechen-Rack selbst besteht aus zahlreichen Mikrocontrollern zur Datenerfassung und Steuerung der Aktoren. Über dieser Front-End-Schicht befindet sich eine mittlere Schicht, die hauptsächlich aus Software besteht und die übergeordnete Steuerung übernimmt. Auf der Anwendungsebene werden schließlich Nutzdaten, zum Beispiel von bildgebenden Sensoren, ausgewertet und verwendet.
Für die Steuerung müssen die Daten in Echtzeit verarbeitet werden. Eine vollständige Sicht kann nur durch eine effiziente dezentrale Vorverarbeitung erreicht werden. Gleichzeitig müssen Reaktionslatenzen von weniger als zehn Mikrosekunden erreicht werden, so dass Steuerung und Diagnose nicht mit herkömmlicher Standard-Hardware durchgeführt werden können. CDL4 evaluiert und entwickelt spezielle Hardware, die diese Zeitvorgabe durch den Einsatz von Field Programmable Gate Arrays (FPGA) als hochgradig anpassbare Berechnungshardware erreicht. Darüber hinaus liefern die aktuellen Fortschritte im Bereich des maschinellen Lernens weitere Erkenntnisse, und mit der Leistungsfähigkeit dieser Algorithmen sind wir in der Lage, modernste Algorithmen zu verbessern, die sich an wechselnde Betriebsbedingungen anpassen, indem sie aus vorhandenen Daten lernen.