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北極圈內“諜影重重”

2035年5月，斯瓦爾巴群島。這個位于北極圈以北的群島上，在ReLife下屬的一個研究站內，科學家們正在對數百萬年前被冰封在這片永凍土里的未知微生物進行研究。然而，這個研究設施是否安全？會不會遭到間諜的攻擊？

“難以置信，山體內竟有如此巨大的空間！”Ole驚嘆道。戴著厚厚的手套，他費勁地弄了好幾次才將電子紙顯示屏展開，屏幕上呈現出一個巨型實驗室的橫截面圖。置身茫茫冰原，他面朝遠處一座白雪皚皚的山脈，舉起顯示屏。Ole是一位IT安全專家，他當然知道自己的家鄉斯瓦爾巴群島被譽為“世界上較大的北極研究實驗室”，但他完全沒想到這里真有一座如此龐大的研究設施。“很壯觀吧？”他的哥哥Magnus Caspersen說道。Magnus是一位生物學家，他說：“你知道嗎，這個研究站的研究活動包括對冰封在此的數百萬年前生長的藻類進行研究，當時這里還處于亞熱帶氣候。這個研究站的研究人員正在讓這些藻類復活，正如‘ReLife’這個名稱所意味的那樣。它們從這些復活生物中發現的基因將在整個生物技術行業引發變革，甚或可能用于產生清潔電能。現在，你明白為什么我們的客戶要不計一切代價弄清楚，究竟能不能把研究成果搞到手，以及如果可以，要怎么做。”

Ole凝視著面前的電子紙，Magnus則做了個手勢，讓弟弟的雪橇犬們全都安靜下來。Magnus說：“我們開始找進入的方法吧，有沒有辦法進到里面去？”Ole啞然失笑道：“恐怕不能。從屏幕上顯示的周界技術規格可以看出，每一寸外部空間都受到攝像頭的密切監視。它們不僅會記錄所有靠近的物體，而且能分辨來者是鳥、北極熊還是人類。如果是后者，它們肯定會拉響警報。”Magnus瞥了一眼趴在厚厚積雪上的雪橇犬們，吃力地走到Ole身邊，仔細查看研究站布局。Ole接著道：“就算我們能設法進入山體內，從這張圖來看，實驗室的每一道門都會擋住我們的去路。不過，我們不一定要進入實驗室。實際上，我們只需要研究人員在實驗過程中收集和分析的數據。這些數據受到了比諾克斯堡金庫還要嚴密的保護。”

自動動態安全架構

Magnus一邊拭去布局圖上凝結的冰水一邊抱怨道：“這個顯示屏在這里沒多大用處。”他思索道，“如果我們無法進入建筑物內部，或許我們可以攻入其網絡。譬如，用一個特殊的木馬程序窺探計算機，然后……”“門都沒有！”Ole打斷他，依然目不轉睛地看著地圖。“這座山里的IT系統與外部世界完全隔絕。就算我們能設法滲入內部系統，也幾乎寸步難行。每個區域、每個數據庫，甚至每個分析工具的安全架構都是自動動態運轉。換句話說，每個網段自行決策，不受人類影響，如有必要，它們甚至可以自動重新配置。另一個問題是IT系統會立即發現并記錄每一次攻擊。此外，研究站還是通過體貌特征來辨識用戶，無法仿冒。”

Ole若有所思地望著漫天搖曳的北極光。他說，“研究站與位于奧斯陸的公司總部必須相互通信。利用高性能計算機，我們可以破解加密通信，竊聽數據。”但Magnus打斷了他的話。他說：“算了吧，就連我這個生物學家也能從電子紙上看出來，這里的衛星連接受到**加密系統保護。這意味著數據流無法被破解。事實上，它們能立即識別出任何入侵企圖。”

具備護照的傳感器

Ole有點惱怒。“那么，我們可能無法獲取研究成果。如果是這樣的話，我們的客戶說，我們應當想辦法至少中斷研究。”Magnus冥思苦想道，“我們可以利用無人機在通風井附近投放氣體，從而摧毀這些高度敏感的微生物。”Ole反駁道：“那行不通。你看地圖，整個建筑物以及通風系統都安裝了配有氣體傳感器的煙感探測器。據我們掌握的信息，它們是較其尖端的監測儀器。每個探測器都能檢測出有害氣體并在發現異常時拉響警報。不僅如此，它們相互聯通且不受操縱。來看看這里，在實驗室下方的庫房里，似乎是配備無線傳感器芯片的微生物容器。看起來這些芯片會記錄貯存區溫度的細微變化，并確保較優空氣成分，這些成分隨著貯存室及其存儲物的不同而變化。一旦芯片發現哪怕絲毫偏差，它也會關斷進氣并觸發儲氣罐單獨供氣。”Magnus建議道，“那樣的話，我們或許能侵入傳感器，讓它們發送錯誤值。” Ole答道：“這種事在近幾年內還不可能發生。作為系統聯網的一部分，所有傳感器都配備自有數字安全證書。僅當它們向接收設備證明其身份后，才能發送數據。傳感器本身的芯片不會被破解，因為加密算法被牢牢集成到電路架構中。”

Magnus有點無可奈何地說道，“好吧，就這么定了。”說著，他爬上雪橇，打了個響指。雪橇犬聞聲躍起，排好隊形。Ole問道，“什么定了？”“這座研究站固若金湯。你覺得呢？” Ole點點頭，笑著在電子紙上打個勾，把它收起來。“檢查合格。”他一邊說一邊爬上雪橇，在哥哥身后坐下。Magnus一臉滿意地說：“ReLife——你的客戶、我的雇主——會感到滿意的。我認為，任何人都不可能侵入這座研究站。我們寫完報告就收工。你留下來吃晚飯吧？Emma今天做了她拿手的烤馴鹿。”Ole笑著說：“當然！嫂子的廚藝較棒。”他興高采烈地向雪橇犬發出命令：“出發吧！”

Sebastian Webel / Katrin Nikolaus

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粒子數據挖掘

日內瓦附近的大型強子對撞機在西門子軟件的幫助下，試圖揭示大自然良好秘密。

在能望得見勃朗峰的法國賽希城附近，碰撞，在不斷發生。但究其原因，卻并非道路結冰或不小心駕駛。事實上，居民們夜間睡得很安詳。不過，在地下約50至100米處，基本粒子正以不可思議的速度對撞，每秒高達8億次。所有這一切，都發生在被稱為大型強子對撞機（LHC）的27公里長的環形隧道內，該隧道位于法國和瑞士邊境。大型強子對撞機由歐洲核子研究組織CERN運營。

當兩個質子束在帶有探測器的隧道內的四個點彼此撞上時，就會產生對撞。通過這種受控沖擊之后形成的碎片，物理學家希望能更深入地了解宇宙的較小結構。他們取得了成功。譬如，2012年，他們證實了“物質質量的來源”希格斯玻色子的存在。

對這臺龐大機器進行加固升級的工作始于2013年年初。2015年3月，機器將開始*二次運行，而粒子束將以兩倍的能量碰撞。繼發現希格斯玻色子后，科研人員現在希望更深入地研究宇宙懸而未決的問題。

西門子新開發的分析軟件，往往可在半小時內探測出故障根源。

粒子加速器每年產生**過300萬億字節數據

LHC有助于物理學家從動輒以PB（1 PB等于一千萬億字節）計算的數據中提取知識。加速器利用大約3000萬個傳感器捕獲機械脈沖，而加速器本身作為世界上較復雜的自動化系統之一，會產生大量的數據——每年**過100萬億字節。到2015年機器再次啟動時，每年的數據量將**過300萬億字節。軟件工程師Manuel Gonzalez Berges正在對這些數據進行挖掘。他與來自CERN和西門子的同事一起負責管理LHC的大量控制系統。他們正在使用西門子為此開發的新型自適應診斷軟件。

該軟件的作用是查明各類故障的根源。這些故障有時可能會導致系統癱瘓數周。該軟件查明故障根源的速度，要比以往人工查找快得多。在 LHC控制中心，在計算機屏幕“包圍”之下的Gonzalez Berges向參觀者解釋道：“過去，如果LHC中的一臺系統發出警告，有時要在兩周后專家才找到錯誤的實際原因。自2013年開始，我們就利用歸檔操作狀態數據對西門子新開發的這款分析軟件進行測試。借助這款軟件，我們現在往往能在短短半小時內查明這些錯誤的根源。加速器將在幾天后再次啟動，我們希望在測試階段實時預測問題，然后從2017年起，我們將在常規運行中大規模部署這款軟件。”

解讀來自LHC的大量數據絕非無足輕重。難以計數的自動化系統**LHC正常運行，這些系統可以控制諸如真空度、冷卻和能量供應等。傳感器會檢查LHC攜帶粒子束的管道是否保持**高真空度，以及其**導磁體是否保持足夠低的溫度。借助液氦，重達數噸并使粒子束保持在軌跡上的這些磁體，保持-271.25攝氏度的恒溫，這比外太空的溫度還要低。另外，計算機程序也可以監控探測器的控制系統是否正常工作。

在地下27公里長的環形隧道里，基本粒子加速相向飛奔。粒子加速器裝備有眾多自動化系統，譬如真空和冷卻裝置以及能量供應系統。

地底巨人

未來，西門子智能診斷軟件應能通過

大數據/智能數據幫助研究人員確定故障及其根源。

Gonzalez Berges帶領參觀者參觀其中一臺測量儀器——CMS（緊湊型μ介子螺線管）探測器。他們一起乘坐電梯下到地下80米處，帶領他們穿過裝有密碼鎖的防護門，走過線纜密布的計算機服務器和設備機柜 ，較終抵達長21米、高三層樓的筒形探測器的前方。

探測器的結構就像一個洋蔥。中間是一個管道，大約有手臂般粗，質子在管道內對撞。管道外部包裹著層層殼體，厚度達到幾米。較里面的殼體固定住可以記錄粒子束軌跡的硅探測器。另一層負責測量粒子的能量。該層殼體采用的部分材料，是從二戰時期蘇聯海軍所用彈殼回收的黃銅。探測器的較外緣有特殊的腔體和數百萬條線纜，用于探測高能介子。測得的數據隨后由七臺計算機進行多次評估，然后，它們會報告異常的觀察結果。

為保持LHC平穩運行，過去十年來，CERN安裝了600多套西門子Simatic控制系統。這些系統通常僅僅用于復雜的工業設施。不過，LHC是*一**的。一家汽車制造廠僅需使用50至100套西門子Simatic控制系統，一個石油平臺只需使用5到20套。而在LHC中，其中一臺控制設備依靠1.2萬個傳感器監控氣體循環。氣體循環的作用是將磁體冷卻至**零度之上幾度。在這個過程中，每個組件都會生成狀態消息，有時生成警告，其中大部分都無關緊要。

將來，西門子推出的智能診斷軟件，能夠從大量傳感數據/智能數據中找出相關事件并查明其原因。例子之一是當管內氣壓下降時查找泄漏位置。不過，從外表看，組件之間的相互關聯并不總是那么明顯。因為，正如西門子軟件專家Mikhail Roshchin所指出的：“一個故障可能會引發一連串的警告。”

為保持LHC平穩運行，過去十年來，

CERN安裝了600多套西門子Simatic控制系統。

集中式機器智能分析

西門子軟件能被訓練，其方式是，教它識別來自以往故障狀況中的模式，然后讓它從新的數據集中查找相同的模式。這被稱作根源分析。此外，歐洲核子研究組織（CERN）與西門子的計算機科學家不斷在程序中人工添加新算法，其目的是增強軟件的功能。這樣，科學家將逐步建立起一個專為LHC量身定制的*一**的實用知識庫。將來，它能讓計算機程序在緊急情況下快速解讀數據，即使數據“通常是不可靠、不完整和無序的” ，如歐洲核子研究組織計算機科學家Filippo Tilaro 所指出的那樣。

盡管由集中式機器智能進行的分析異常復雜，其結果對用戶而言必須易于理解。CERN的儀器用戶，往往是只在現場短暫停留并且沒有時間熟悉復雜軟件的科學家。因此，診斷程序有一個直觀的用戶界面，在發出故障報警的情況下，可以針對需要采取的措施提供具體建議。

萬維網誕生于CERN

使用該程序不僅使CERN獲益，西門子同樣受益匪淺。西門子*研究院軟件開發負責人Thomas Hahn表示：“我們在這里學到的東西，肯定會運用到其他工業設施的管理軟件中。”這也是西門子的傳統。CERN所開展的研究，常常帶來可以影響我們日常生活的技術。譬如，萬維網在這里誕生，此外，CERN對計算機斷層掃描技術的發展做出了決定性貢獻。

20多分鐘后，Gonzalez Berges返回電梯。當加速器在2015年3月再次開始運行后，這個神圣的物理學**將對參觀者關閉。不過，當以兩倍能量（即13萬億電子伏）運行時，LHC可能會打開新局面——或許會發現暗物質或**對稱粒子的新證據。如果在運行期間出現任何重要的錯誤消息，西門子的全新診斷軟件將有助于查找原因。然而更好的情況是，就LHC而言，我們期望軟件較終能夠就機器自身運行提出建議，譬如氣體循環或動力供應。Gonzalez Berges表示：“我們才剛剛開始運用這款診斷軟件的潛力。”

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