具有完全知识产权的面向聚变堆的自主等离子体控制系统“灵枢”研制成功

　　近日，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所成功研制具有完全知识产权的面向聚变堆的等离子体控制系统“灵枢”，并成功应用于东方超环EAST大科学装置，完成了连续、稳定和可靠的等离子体放电控制。

　　“灵枢”系统面向未来中国聚变工程堆安全稳态运行需求，在软件自主、硬件可控的前提下实现了多任务实时性、可靠性、可扩展性、安全性、可维护性和可检查性的高度统一。“灵枢”系统技术特点如下：利用成熟的市售硬件设备，可兼容国产硬件，保证了硬件的自主可控；采用双冗余集群架构，如图1所示，实现主从集群同步运行并可根据状态及时切换，系统可靠性可达99.99%；采用开源Linux操作系统进行实时性定制，将系统抖动控制在5微秒以内，研发基于实时网络及共享内存技术的高速实时数据分发服务，并运用多进程并行技术，使“灵枢”具有高度实时特性；利用先进的软件设计思想，构建了灵活可扩展的组件模块化架构，使“灵枢”具有跨CPU、跨主机以及跨网络分布式部署的能力，能够如搭积木般构建大型复杂的实时控制系统，保证了系统的可扩展性，提高了系统的可用性；采用数据加密、用户权限分级认证、参数合法性检查等方式，保证了控制系统输入数据的安全，并在放电过程中，实时监测等离子体状态及装置系统运行情况，基于状态机实时调整控制策略，保证等离子体的安全运行，提高装置的安全性；采用软件版本管理与严格的开发流程和质量控制、完善的程序文档、系统操作及运行日志记录、新算法模拟测试验证等措施，保证了控制系统的可维护性和可检查性。

　　以“灵枢”为核心，研发团队构建了具有自主知识产权的先进算法开发平台及控制仿真验证平台，如图2所示，实现了控制算法的可视化开发集成及模拟验证，服务于控制系统从需求、设计、开发、测试、运行到维护的全生命周期管理。算法开发平台基于Eclipse开发环境，遵照功能模块化、分层结构的设计原则，利用内核插件机制进行二次开发，扩展集成了工程管理、版本管理、帮助服务模块，定制了“灵枢”控制算法可视化开发环境和自动代码生成及集成功能，有效提高了控制算法的开发效率。

　　为最大限度地节约等离子体控制调试时间，避免控制策略和参数的不合理造成的机时浪费甚至装置的损坏，研发团队专门设计了基于实际历史运行数据和基于模型的仿真平台，为“灵枢”测试和优化控制算法及参数。控制仿真平台基于开源工具开发，性能达到了用Matlab simulink开发的类似平台的同等水平。平台还集成了人工智能的仿真工具，使得基于人工智能的等离子体控制方法可以在平台上构建、测试乃至最终部署到实际控制中，以期大大提高等离子体控制水平。控制仿真平台的使用，提高了“灵枢”的可用性、可靠性和安全性，大大提高了等离子体实验效率。

　　“灵枢”的原型系统于2023年8月2日正式投入EAST等离子体运行，具有16个实时控制进程，其中包括自主研发的先进并行等离子体平衡反演程序HPFIT进程。HPFIT基于GPU并行求解技术，可实现在129*129的网格数量下、300微秒内完成一次对Grad-Shafranov方程平衡反演迭代，已成功应用于ITER及美国DIII-D装置的平衡分析，也赋予了“灵枢”高精度和高实时性的磁面和剖面控制能力。在迄今为止的总共300余次的实际等离子体放电中，“灵枢”实现了稳定的等离子体电流、密度、位置、位形和环电压控制，最快控制周期可达50微秒，运行零失误。等离子体电流控制误差小于1%，位形控制精度达到毫米级，并利用超声分子束实现了稳定的等离子体密度反馈控制，整体控制精度优于原EAST等离子体控制系统（继承适配于美国DIII-D等离子体控制系统）。

　　8月11日，项目组召开了“自主等离子体控制系统的基础架构研发”课题指标测试验收评审会，与会专家现场见证并一致审核通过了课题验收指标。“灵枢”在EAST上的成功应用，标志着我国在托卡马克装置等离子体控制系统上成功实现自主可控，为我国聚变堆运行奠定了坚实的控制基础。

图1.“灵枢”双冗余集群硬件架构

图2.“灵枢”系统及算法开发和验证平台