神经网络在磁约束聚变物理上应用汇总

本文章搜罗近几年在各大顶级期刊投稿的神经网络替代模型的文献,然后归纳总结神经网络做替代模型所使用的网络结构、数据类型和训练方法。

简单介绍

神经网络随着近几年的发展,在各个领域都方兴未艾,其在托卡马克磁流体领域的应用也颇为广泛。包括EPED1-NN、MISHKA-NN、EuroPED-NN等。与目前如日中天的大模型不同的是,神经网络替代模型一般强调的是与数理迭代相比,其耗时有数量级的优势。个人认为这些替代模型有着如下几个特点。

数据少(网络结构简单)

相比大模型可以从互联网上直接拉取大量的已有数据不同,实验数据都需要主动生产出来,因此数据量不在一个量级,自然网络结构也不再一个量级,因此网络结构自然简单。

标准不统一

相比其他领域的网络模型,如图像识别,人脸识别,文本生成,翻译等等,其他领域有着一套标准的数据集用来检测不同模型的效果。因此比较大的网络创新都会很快被发现并得到推广,如transformer、unet、diffusion等等。而等离子体领域并没有形成这样一个公共数据集标准,每个装置都有一套属于自己的数据集,因此应用网络结构呈现百花齐放的特点。通过与实验数据或实验装置结合、或与其他数值程序结果对比、或从耗时降低为出发点,来阐述自己的创新性。而自身的网络结构相比现在主流的网络结构呈现一定的落后。

实用性问题

由于托卡马克本质上是一个工程问题,而AI在托卡马克上的应用属于AI的落地项目的一种方式。类比其他AI形式,如何使AI可用并且能够替代原有方案是一个核心问题。这里给出几种可能与对应的优缺点:

  • 基于实验数据的AI分析预测
    • 优点:可以做到更快的速度。
    • 缺点:由于数据量较少,实验参数的变化导致分析结果的可行性不一定可靠。
    • 本质上是一种综合性的数据分析工具,跳过传统的数据处理过程直接给出结果。
  • 基于数值模拟数据的AI分析预测
    • 优点:相比数值模拟有更快的速度,数据量可以做到较大。
    • 缺点:需要原数值模拟结果有足够的可信度,关键地方的数据需要仔细调优。
    • 本质上是通过历史数值结果,让AI去猜下一次数值模拟的结果。

论文介绍

这里并不对论文内容作详细介绍(在其他页面),只对论文中神经网络的网络结构、数据来源、训练方式、和其优缺点分析。

EuroPED-NN

可供参考的论文:[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10]。

参考文献

  1. Degrave, Jonas and Felici, Federico and Buchli, Jonas and Neunert, Michael and Tracey, Brendan and Carpanese, Francesco and Ewalds, Timo and Hafner, Roland and Abdolmaleki, Abbas and de Las Casas, Diego and others Magnetic control of tokamak plasmas through deep reinforcement learning Nature 602(7897), 414–419 2022
  2. Ho, Aaron and Citrin, Jonathan and Bourdelle, Clarisse and Camenen, Yann and Casson, Francis J and van de Plassche, Karel L and Weisen, Henri and Contributors, JET Neural network surrogate of QuaLiKiz using JET experimental data to populate training space Physics of Plasmas 28(3) 2021
  3. van de Plassche, Karel Lucas and Citrin, Jonathan and Bourdelle, Clarisse and Camenen, Yann and Casson, Francis J and Dagnelie, Victor I and Felici, Federico and Ho, Aaron and Van Mulders, Simon and Contributors, JET Fast modeling of turbulent transport in fusion plasmas using neural networks Physics of Plasmas 27(2) 2020
  4. Meneghini, Orso and Smith, Sterling P and Snyder, Philip B and Staebler, Gary M and Candy, Jeffrey and Belli, E and Lao, L and Kostuk, Mark and Luce, T and Luda, Teobaldo and others Self-consistent core-pedestal transport simulations with neural network accelerated models Nuclear Fusion 57(8), 086034 2017
  5. Morosohk, Shira M and Pajares, Andres and Rafiq, Tariq and Schuster, Eugenio Neural network model of the multi-mode anomalous transport module for accelerated transport simulations Nuclear Fusion 61(10), 106040 2021
  6. Zhu, JX and Rea, Cristina and Montes, Kevin and Granetz, RS and Sweeney, Ryan and Tinguely, Roy Alexander Hybrid deep-learning architecture for general disruption prediction across multiple tokamaks Nuclear Fusion 61(2), 026007 2020
  7. Kates-Harbeck, Julian and Svyatkovskiy, Alexey and Tang, William Predicting disruptive instabilities in controlled fusion plasmas through deep learning Nature 568(7753), 526–531 2019
  8. Meneghini, O and Snoep, Garud and Lyons, Brendan C and McClenaghan, Joseph and Imai, Chieko Sarah and Grierson, B and Smith, Sterling P and Staebler, Gary M and Snyder, Philip B and Candy, Jeff and others Neural-network accelerated coupled core-pedestal simulations with self-consistent transport of impurities and compatible with ITER IMAS Nuclear Fusion 61(2), 026006 2020
  9. Zeger, Emi U and Laggner, Florian M and Bortolon, Alessandro and Rea, Cristina and Meneghini, Orso and Saarelma, Samuli and Sammuli, Brian S and Smith, Sterling P and Zhao, Jinjin Prediction of DIII-D pedestal structure from externally controllable parameters IEEE Transactions on Plasma Science 49(10), 3212–3227 2021
  10. Alvarez, A Panera and Ho, A and J{\\"a EuroPED-NN: Uncertainty aware surrogate model Plasma Physics and Controlled Fusion 66(9), 095012 2024
文章链接:https://sunwaybits.tech/application-of-neural-network-on-tokamak-physics-as-surrogate-model/
文章标题:神经网络在磁约束聚变物理上应用汇总
文章作者:Myron

评论

  1. 面影的头像
    面影
    Windows Edge 137.0.0.0
    1 年前
    2025-6-24 14:01:38

    好好好

    📍广东 广州市
    • Myron的头像
      Myron
      面影
      Linux Chrome 129.0.0.0
      1 年前
      2025-6-24 14:06:30

      哈哈哈哈

      📍广东 广州市

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