Článek
Forenzní řízení tokamaků s HFPC: od post-mortem analytiky k živé fúzi
Abstrakt
Článek navrhuje architekturu řízení tokamaku založenou na forenzním HFPC (hysterezně-fraktálním počítači), která převádí dnešní post-mortem zpracování diagnostik na živé, kauzálně auditovatelné řízení. Klíčem je událostní (event-based) akvizice surových měření, jejich časově deterministická synchronizace a „scénograf plazmatu“ – on-line kauzální model, který zachycuje vztah mezi prekurzory a následky v mnoha časoprostorových škálách. HF sběrnice s řízenou hysterézí a prioritou významu místo objemu bitů umožní reflexní zásahy v řádu stovek mikrosekund a takticko-strategické řízení s plnou forenzní stopou. Očekávané přínosy zahrnují dřívější detekci prekurzorů disrupcí a ELM, snížení špičkového tepelného toku na divertoru, kratší zotavení po ELM a rychlejší učení zařízení i týmu.
Úvod
Současná praxe v řízení tokamaků je limitována dvěma spojenými jevy: (i) diagnostická data jsou pro lidskou interpretaci a dávkové algoritmy silně agregována, takže mizí mikročasové signatury, které by umožnily včasný zásah, a (ii) rozhodování je auditovatelné jen částečně, protože není udržován úplný rodokmen „senzor → transformace → rozhodnutí → aktor“. Výsledkem je opožděná reakce na vznikající nestability, konzervativní provozní režimy a pomalý přenos zkušeností mezi výboji. Navrhované řešení využívá forenzní HFPC jako „mozkový kmen“ tokamaku: místo rámcovaných snímků a průměrů pracuje s událostmi změn, místo anonymního toku bitů přenáší organizaci informace a její kauzální prioritu, a místo post-mortem zpráv poskytuje živé, vysvětlitelné zásahy.
Forenzní paradigma a HFPC
Forenznost zde znamená, že každý kousek informace nese identitu svého vzniku (čas, místo, fyzikální kanál, kalibrace), seznam provedených transformací a vazbu na rozhodnutí, které z něj vzešlo. HFPC tuto stopu udržuje nativně: výpočet, paměť i přenos jsou propojené událostním jádrem. Hystereze v jednotlivých uzlech garantuje, že se přenáší nikoli šum, ale změny s významem v daném kontextu; fraktální rytmy dovolují současně řídit mikrosekundové reflexy i sekundové strategie bez kolizí priorit; a HF sběrnice zavádí deterministickou latenci pro kritické cesty tím, že přiděluje prostředky podle kauzální naléhavosti, nikoli podle velikosti datových bloků. Tato kombinace umožňuje realizovat to, co v klasických pipelinech prakticky nejde: kontinuální, auditovatelný přepis dění v plazmatu do kauzální struktury, na kterou lze navázat počítačové prediktory i lidské rozhodování.
Senzorika a akvizice bez ztráty signatur
Zásadní požadavek je přístup k co nejméně zpracovaným signálům a jejich přesné časové zarovnání. Magnetické cívky (Mirnovovy sondy) poskytují rychlé stopy rotačních MHD módů a jejich koherence; bolometrie a měkké rentgeny mapují radiační rozložení a tepelný stres; reflektometrie a interferometrie přinášejí gradienty hustoty a příchody filamentů; rychlé kamery včetně událostních a polarimetrických variant odhalují struktury okraje a strike-point dynamiku; dle vybavení lze doplnit ECE/ECEI a Thomsonovu diagnostiku pro teplotní profil a jeho fluktuace. Všechna měření jsou hardwarově časována a streamována do HFPC s nulovým kopírováním a s identitou „kdy-kde-čím“, aby pozdější analýza i replikační experimenty neztratily kontext.
Událostní scénograf plazmatu
Namísto uniformního snímkování a fixních oken FFT HFPC vytváří „scénograf“: graf stavů a událostí, v němž uzly reprezentují fyzikálně interpretovatelné objekty (například lokální gradient hustoty, rotačně koherentní mód na racionální ploše, parametry okrajového pedestalu, poloha a tvar sloupu) a hrany zachycují spouštěče a odezvy v přesném časovém sledu. Hysterézní prahy na jednotlivých senzorech a ve fúzi signálů se učí z kontextu konkrétní kampaně, takže systém rozlišuje přirozené fluktuace od vzorců, které historicky předcházely ELM nebo disrupcím. V této reprezentaci není „detekce“ redukována na prahování; jde o průběžné vyhodnocování vzájemné koherence, fázových driftů a entropie novosti – tedy o to, kolik nové kauzální informace událost přináší.
Prediktory a pozorovatelé
Pro včasný zásah jsou kritické dva typy prediktorů. První sledují rychlé prekurzory poruch a ELM v Mirnovových signálech a ve vysokorychlostním obraze okraje. On-line odhad fázových portrétů a jejich driftu, dohled nad vznikem koherentních klastrů a sledování změn smykového pole v divertorové oblasti poskytují časnou indikaci rizika. Druhý typ prediktorů slouží k rychlému odhadu směru a síly dopadů malých řídicích zásahů na transport a stabilitu; zde lze použít natrénované surrogate modely s on-line korekcí, vždy s explicitní evidencí nejistot a s vazbou na vstupní surová data. Oba typy jsou verzované, s jasným popisem tréninkové domény a s měřenými KPI, aby byl zajištěn forenzní přehled o tom, kdy a proč daný model rozhodl.
Vrstvená regulace: reflex, taktika, strategie
Architektura řízení je vícerytmická. Reflexní vrstva v rozsahu mikrosekund až milisekund pracuje přímo nad událostmi ze scénografu a může spouštět krátké, bezpečnostně omezené zásahy, například mikro-přifázování RMP, krátké ECCD/ECRH pulzy do rezonantní plochy nebo jemné přeuspořádání PF proudu pro rychlou změnu lokální stability okraje. Taktická vrstva v desítkách až stovkách milisekund adaptivně volí mezi ELM pacingem a mitigací (plyn, peletky, RMP) podle stavu pedestalu a predikce rizika; současně drží tvar a polohu plazmového sloupce s penalizací latence a s preferencí zásahů, jejichž efekt je lépe auditovatelný. Strategická vrstva řídí spalování, profil q(r) a rozložení ohřevů (NBI/ICRH/ECRH) v horizontu stovek milisekund a sekund tak, aby udržela žádoucí pracovní bod bez nárůstu rizika nestabilit. Mezi vrstvami proudí nejen čísla, ale i míry nejistoty a „kauzální dluh“ – informace o tom, jaké hypotézy právě neseme a jak rychle je potřebujeme potvrdit či vyvrátit.
HF sběrnice a determinismus latence
HF sběrnice zavádí prioritu významu: urgentní události přepisují pořadí doručování bez front, kritické cesty mají deterministický jitter a přenosová energie je úměrná entropii novosti, nikoli objemu dat. To zabraňuje zahlcení linky bulk-daty právě ve chvíli, kdy je nutné provést reflexní akci. Zpětná vazba ze scénografu do senzoriky dovoluje měnit gain, expoziční časy nebo prostorové oblasti zájmu u kamer a dalších diagnostik tak, aby systém alokoval pozornost tam, kde se rychle mění kauzální stav.
Forenzní audit, bezpečnost a replikace
Každé rozhodnutí je propojeno se vstupními událostmi, verzemi modelů, konfiguracemi prahů a latencemi přenosu. Auditní vrstva umožňuje „time-travel“ přehrání výboje s jinými pravidly, což je zásadní pro publikace, certifikaci i bezpečnostní analýzy. Rozhodovací logika je záměrně rozdělena na „co svět skutečně ukázal“ (raw stopa) a „co si myslíme, že znamenal“ (interpretace). Bezpečnostní obálky definují maximální amplitudy a rychlosti změn aktuátorů v reflexní vrstvě; teprve s rostoucí důvěrou v modely se obálky rozšiřují.
Měření úspěchu a falsifikovatelné cíle
Smyslem návrhu není přinést další heuristiky, ale ověřitelné zlepšení. Krátkodobé cíle zahrnují zkrácení latence mezi detekcí prekurzoru a akčním signálem pod půl milisekundy na kritických cestách, dosažení předstihu detekce rotačně koherentních módů o pět až deset milisekund proti stávajícímu postupu, snížení variance špičkového tepelného toku na divertoru o dvacet až čtyřicet procent bez zhoršení globálního výkonu výboje a udržení deterministického jitteru na HF sběrnici pod padesát mikrosekund. Všechny tyto údaje jsou měřitelné v jediné kampani a jejich neúspěch by návrh přímo vyvrátil.
Minimální proveditelný experiment
Implementace může začít bez zásahu do stávající akviziční infrastruktury. Nejprve se zavede jednotná časová metrologie a paralelní odběr surových streamů z vybraných diagnostik (Mirnov, bolometrie, jedna rychlá kamera, reflektometr), které se napojí do HFPC s nulovým kopírováním a s úplnou identitou původu. Následuje fáze bez zásahů, během níž se trénují hysterézní prahy a validují prediktory koherence a fázového driftu; systém zatím generuje pouze doporučení pro operátory. V další fázi se povolí limitované zásahy v reflexní a taktické vrstvě v jasně definovaných bezpečnostních obálkách. Každý výboj je zaznamenán s úplnou forenzní stopou a je možné jej ex post přehrát s variantními pravidly, aby se oddělily skutečné kauzální efekty od náhodných korelací.
Rizika a mitigace
Hlavním rizikem jsou falešné poplachy a drift modelů mimo doménu, pro niž byly validovány. Tomu odpovídá konzervativní náběh: reflexní zásahy mají zpočátku malou amplitudu, audit vede k rychlé re-kalibraci prahů a všechny modely nesou explicitní míru nejistoty. Druhé riziko spočívá v distribuované latenci: HF sběrnice proto degraduje beze ztráty kritických cest – v případě zahlcení se odhazují nejméně významné události, nikoli se zpožďují signály pro akci. Třetím rizikem je sociálně-procesní stránka: systém mění roli operátorů. Forenzní audit je v tomto smyslu výhodou, neboť umožňuje přesně ukázat, proč systém navrhl daný zásah a co se stalo poté.
Diskuse a dopad
Navržené řízení nepožaduje „více dat“, ale „lepší kauzální data v čase“, čímž přirozeně zlepšuje poměr nové informace na joule přenosu i výpočtu. Proto může urychlit i samotné fyzikální poznání: stejné událostní scénáře, které slouží k řízení, lze využít k systematickému vyvracení hypotéz o původu konkrétních nestabilit. V praxi se očekává snížení frekvence tvrdých disrupcí, jemnější práce s okrajovým gradientem bez penalizace výkonu a objev nových, mírných režimů řízení, jež dnes unikají kvůli latenci a absenci auditovatelné kontinuity mezi měřením a akcí.
Závěr
Forenzní HFPC převádí řízení tokamaku z ex post analytiky na živý, auditovatelný dialog s plazmatem. Událostní akvizice surových diagnostik, scénograf plazmatu, deterministická HF sběrnice a vícerytmická regulace tvoří celek, který umožňuje dřívější, přesnější a bezpečnější zásahy. Síla návrhu nespočívá v jedné „magické“ metodě, ale v integraci: v nepřerušené kauzální stopě od fotonu či indukovaného napětí až k mikrosekundovému pulzu do aktuátoru a zpět. Pokud se cíle definované v tomto textu nepodaří v krátké kampani splnit, bude možné přesně ukázat proč; pokud se je podaří splnit, stane se forenzní HFPC novým standardem pro regulaci fúze.
Řízení tokamaků s forenzním HFPC: z „post-mortem“ k živé fúzi
Níže je čistě fúzní výřez – jen to, co navrhuješ pro řízení tokamaků a proč je k tomu forenzní HFPC klíčový.
---
1) Cíl: živé, kauzálně auditovatelné řízení plazmatu
Tokamak se řídí na mnoha škálách najednou: mikrosekundové výkyvy (prekurzory poruch a ELM), milisekundová stabilita tvaru/sloupu, desítky ms okrajové nestability, sekundy až desítky sekund pro profil q(r), hustotu, teplotu a spalování. Tvoje teze:
Přestat dělat jen post-mortem analýzy agregovaných dat a přejít k in-the-loop řízení s živou kauzální pamětí.
Získat raw fyzikální signatury (před klasickými „pipeline“, které jemné stopy vyžehlí).
Vést forenzní rodokmen každého rozhodnutí (co, kdy, proč a na základě jakého senzoru/modelu se stalo).
Použít HF sběrnice a událostní (hysterezně-fraktální) zpracování, aby se přenášela hlavně organizace změn (ne slepé bity).
---
2) Senzorická vrstva: získat to, co dnešní pipeline schovají
Co chceš připojit přímo (raw) do HFPC:
Magnetické/ Mirnovovy cívky (MHz rozsah): prekurzory MHD módů, rotační frekvence, fázová koherence.
Rychlá kamerová diagnostika (gated, event-based, polarimetrie): fluktuace na okraji, struktury ELM, strike-point dynamika.
Reflektometrie a interferometrie: lokální hustotní gradienty, příchod filamentů.
Bolometrie a soft-X: radiační rozložení, nárůst ztrát při ELM/prekursoru.
ECE / ECEI / Thomson (podle dostupnosti): teplotní profil a jeho fluktuace.
Divertorové sondy: proudy, teplota, lokální nárůsty tepelného toku.
Metrologie času: vše vynuceně synchronně časováno (hardware time-stamping, deterministická distribuce času), aby šlo složit kauzální scénograf – kdo co spustil a v jaké posloupnosti.
---
3) Událostní „scénograf plazmatu“
Místo rámování do fixních FPS a oken FFT navrhuješ událostní rekonstrukci:
Hystereze na senzorech: přenáší se jen změny, které překročí lokální (adaptivní) prahy. Prahy se učí z kontextu kampaně a shot-to-shot variability.
Fraktální rytmy: paralelní rychlé (µs–ms) a pomalé (ms–s) smyčky sdílí totéž „tělo dat“, takže krátké reflexy nečekají na „pomalé povolení“ a naopak.
Kauzální graf: uzly = stavy/plochy (profil q, okrajová šmyk, rotační módy), hrany = spouštěče/odezvy (překročení gradientu, náběh rotační fáze, kohero-instabilita).
Výsledek: okamžitě vysvětlitelná mapa dění – základ pro predikci a zásah.
---
4) Prediktory a pozorovatelé (jen to, co navrhuješ)
Rychlé prekurzory poruch a ELM: kontinuální detekce fázové koherence/klastrů v Mirnovkách (wavelet-like v událostním režimu), sledování driftu fázového portretu; pokud se blíží kritická konstelace, jde „alert“ do reflexní smyčky.
Okrajové řízení (pedestal): živý odhad gradientů hustota/teplota + lokální E×B střih; pokud hrozí vybuzení ELM, MPC horní vrstvy připraví zmírnění (RMP fázování, krátký puffing, úprava ohřevu).
Profil q(r), tvar a poloha sloupu: fúze magnetické rekonstrukce s rychlou obrazovou informací (strike-point/LCFS mikro-pohyby), aby se zmenšila latence EFIT-like odhadu.
Turbulentní transport: událostní surrogate model (Koopman/rezervoár) pro rychlý odhad směru změny transportu při malém zásahu, s on-line re-tréninkem a auditní stopou dat.
Všechny prediktory mají verzovaný stav, vstupy, hyperparametry a KPI – aby šlo ex-post přesně říct, proč systém rozhodl.
---
5) Řídicí vrstvy (multi-rate, od reflexu po strategii)
Reflexní (µs–ms):
Rychlé potlačení prekurzoru: krátké ECRH/ECCD zášlehy do rezonantní plochy, mikro-změna tvaru přes PF cívky v bezpečné amplitudě, rychlé RMP fázování.
Ochrana divertoru: v okamžiku nárůstu tepelného toku jemná redistribuce strike-pointů (dither), abys rozložil špičku.
Taktické (ms–100 ms):
ELM pacing/mitigace: adaptivní plyn/peletky vs. RMP – volí se podle prediktoru rizika a stavu okraje (ne rigidní sekvence).
Udržení tvaru a polohy sloupu: MPC s penalizací latence a „kauzální dluh“ (preference akcí s jasnou forenzní zpětnou dohledatelností).
Strategické (100 ms–s+):
Burn control: optimalizace poměru ohřevů (NBI/ICRH/ECRH), tlakový profil a rotace.
q-profil shaping: ECCD k anchorování racionálních ploch (prevence tearing módů), s ohledem na budoucí provozní plán.
Každá smyčka má definovaný latency budget a „watchdog“: pokud by zásah ohrozil stabilitu (nebo auditní jistotu), zásah se degraduje na konzervativnější variantu.
---
6) HF sběrnice v tokamaku: proč je to nutné
Kauzální QoS: urgentní události z magnetik/bolometrie přepíší prioritu sběrnice bez front.
Zero-copy s časoprostorovými štítky: žádné anonymní bufferování; každý paket nese „kdy-kde-čím“ vznikl.
Energetika přenosu ~ entropie novosti: drtivá většina dat se nevozí, přenáší se změny s významem.
Zpětná vazba do senzorů: adaptivní gain/rozlišení na senzorech (např. kamera: kratší gate v rizikových oblastech LCFS).
Tohle sníží latence zásahu a současně zvýší důvěryhodnost rozpojení „příčina→následek“.
---
7) Forenzní audit: bezpečnost, certifikace, věda
Rodokmen rozhodnutí: pro každé „zapnul jsem RMP v čase t“ existuje přesný seznam vstupních událostí, verzí modelů, metrik nejistoty a simulovaného dopadu.
Reverzní přehrání (time-travel): lze přepočítat „co by se stalo“, kdyby se použilo jiné pravidlo (nutné pro validaci a publikace).
Oddělení „co vidím“ vs. „co si myslím“: raw měření zůstávají; interpretace jsou verzované a porovnatelné.
---
8) Minimální proveditelný experiment (MVP) na stávajícím zařízení
1. Časová infrastruktura: hardwarové timestampy a sdílený čas na všech rychlých diagnostikách.
2. Tap-in do raw dat: paralelní odbočení z Mirnovek, bolometrie, jedné rychlé kamery (event/gated), reflektometru – bez změny standardní akviziční cesty.
3. Událostní engine v HFPC: on-line wavelet/koherence detektor + jednoduchý scenograf okraje.
4. Řídicí hook: neinvazivní „advisory“ signál pro operátory (nejdřív bez zásahu), následně řízené experimenty s omezenou amplitudou RMP/ECRH.
5. Auditní vrstva: plná stopa „input→model→rozhodnutí“ a možnost ex-post přehrání.
Kritéria úspěchu: (i) dřívější detekce prekurzorů, (ii) nižší variance tepelného toku na divertoru při stejném výkonu, (iii) méně tvrdých ELM / lepší pacing, (iv) kratší latence mezi detekcí a akcí, (v) reprodukovatelná auditní zpráva.
---
9) Rizika a pojistky
Falešné pozitivity: reflexní smyčky mají „bezpečnou obálku“ amplitud, než se zvýší důvěra modelu.
Distribuovaná latence: HF sběrnice má „graceless degradation“ – při zahlcení se shazuje nejméně důležitý obsah, ne zpožďují se kritické cesty.
Model drift: on-line učení je svázáno s referenční kampaní; změna režimu vyžaduje „přestavbu“ prahů a re-validaci.
---
10) Shrnutí přínosu tvého přístupu
Z post-mortem se stává živé, vysvětlitelné řízení plazmatu.
Místo agregovaných průměrů pracuješ s kauzálními signaturami v reálném čase.
HF sběrnice umožní přenášet prioritu a význam, ne jen data, a tím stíhat kritické děje.
Forenzní audit dává vědě i bezpečnosti pevnou půdu: každý zásah je dohledatelný a replikovatelný.
Cíl: stabilnější okraj, méně tvrdé ELM/disrupcí, lepší využití ohřevů a rychlejší učení stroje i týmu.
Tohle je „jen fúze“ – přesně tvůj návrh na poli řízení tokamaků, převedený do ucelené podoby pro experiment a implementaci.
