Document
Sensor Fusion using Signal Processing and AI Tools Applied to CERN-CMS Detector
Linked Agent
Bahri, Zouhir, Sahin, Mehmet Özgür , Thesis advisor
Date Issued
2024
Language
English
Extent
{12}, 41, {8}m pages
Place of institution
Sakhir, Bahrain
Thesis Type
Thesis (Master)
Institution
University of Bahrain, College of Engineering
English Abstract
Abstract :
This thesis explores the application of Artificial Intelligence (AI) and Signal Processing (SP) techniques in
the context of Sensor Fusion applied to the high-energy physics experiment at the Large Hadron Collider
(LHC) of the European Centre for Nuclear Research (CERN). The central aim is to help in maintaining
the integrity of the massive sensor array used at the Minimum Ionizing Particle Timing Detector (MTD)
located at the inner layers of the Compact Muon Solenoid (CMS) and develop a user friendly platform
to collect and compactly present the large sensor data to the monitoring operator. Hence, a major part
of this work aims at detecting and raising warnings of potential operational issues before they escalate by
applying different AI techniques for anomaly detection, namely various autoencoder architectures including
Convolutional Neural Network (CNN), 2D Convolutional with Long Short-Term Memory (Conv2DLSTM),
CNN with U-net architecture, and Conv2DLSTM with U-net architecture. The latter method turned out to
provide the best performance with an accuracy of 96.2% on simulated data. Computer simulations indicate
that this algorithm is quite robust against additive noise as its performance was found to degrade by only
about 1% with a Signal-to-Noise Ratio (SNR) decreasing from 17dB to 5dB. The wavelet denoising algorithm
was investigated to possibly mitigate this noise effect in light of the harsh operating environment at CMS
with a marginal success since for low SNR sensor signals it caused the anomalies to be hidden hence missed
by the algorithm. Obtaining practical data from the sensor array was a rather challenging task, and as of the
writing of this work only partial data was obtained. Initial results of applying the algorithm to the partial
real data in hand showed a comparable accuracy of 94.5 %. The MTD services developed in this work using
FastAPI Python library and xDAQ C++ Framework as well as the proposed anomaly detection methods
should contribute to safely running the MTD close to its optimum point.
Keywords— CERN, CMS, MTD, DAQ, Anomaly Detection, Incremental Learning
Arabic Abstract
ملخص :
نستكشف هذه الرسالة العلمية تطبيق تقنيات الذكاء الاصطناعي (Artificial Intelligence - Al) ومعالجة دوال الإشارات (SP) في سياق دمج المستشعرات المطبقة في تجربة فيزياء الجسيمات عالية الطاقة في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في المركز الأوروبي للأبحاث النووية . (CERN) الهدف الرئيسي هو المساعدة في الحفاظ على سلامة عمليات جمع البيانات من مجموعة هائلة من المستشعرات المستخدمة في كاشف توقيت الجسيمات ذات الأيونات الأقل (MTD) الموجوده في الطبقات الداخلية للكاشف المغناطيس الحلزوني المدمج (CMS) وتطوير منصة مراقبة سهلة الاستخدام الجمع وعرض الكم الهائل من بيانات المستشعرات بشكل مدمج لإستخدام المراقب.
لذلك، يهدف جزء كبير من هذا العمل إلى اكتشاف وإطلاق تحذيرات عن المشكلات العملية المحتملة قبل أن تتفاقم من خلال تطبيق تقنيات الذكاء الاصطناعي المختلفة للكشف عن الأعطال العملية، ويتم ذالك عن طريق شبكات العصبية التلقائية (autoencoder) بما في تلك الشبكات العصبية الالتفافية ، (CNN) والشبكة الالتفافية ثنائية الأبعاد مع شبكة عصبية متكررة طويلة الامد قصيرة الذاكرة ، (Conv2DLSTM) و CNN مع بنية شبكة العصبية بشكل الحذوه (U-net) ، و Conv2DLSTM مع بنية شبكة العصبية بشكل الحذوه . (Unet) وقد تبين أن الشبكة العصبية الأخيرة توفر أفضل أداء بدقة %96.2% على البيانات المحاكاة. تشير المحاكاة الحاسوبية إلى أن هذه الخوارزمية قوية جدا ضد الضوضاء المضافة حيث تبين أن أداؤها تراجع بنحو %1% فقط مع انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) من 17dB إلى 5dB. تم التحقيق في خوارزمية إزالة الضوضاء بالمويجات (wavelet denoising) للتخفيف من تأثير الضوضاء نظراً للبيئة التشغيلية القاسية في CMS بنجاح محدود، حيث في إشارات المستشعرات ذات SNR المنخفضة تسببت في إخفاء بيانات التي تشير إلى الأعطال العملية وبالتالي تدنى أداء الخوارزمية. كان هناك صعوبة في الحصول على بيانات المستشعرات و لذلك و في وقت كتابة هذا العمل تم الحصول على بيانات جزئية فقط. أظهرت النتائج الأولية لتطبيق الخوارزمية على البيانات الحقيقية الجزئية التي تم الحصول عليها دقة مقارنة تبلغ 94.5 .
بالإضافة إلى مساهمات في خدمات MTD المطورة في هذا العمل باستخدام مكتبة FastAPI بلغة Python وإطار عمل xDAQ بلغة ++C حيث يمكن وضع كاشف الأعطال العملية المقترحة فيه للمساهمه والمحافظة على تشغيل عمليات إستلام بيانات MTD بمثالية.
نستكشف هذه الرسالة العلمية تطبيق تقنيات الذكاء الاصطناعي (Artificial Intelligence - Al) ومعالجة دوال الإشارات (SP) في سياق دمج المستشعرات المطبقة في تجربة فيزياء الجسيمات عالية الطاقة في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في المركز الأوروبي للأبحاث النووية . (CERN) الهدف الرئيسي هو المساعدة في الحفاظ على سلامة عمليات جمع البيانات من مجموعة هائلة من المستشعرات المستخدمة في كاشف توقيت الجسيمات ذات الأيونات الأقل (MTD) الموجوده في الطبقات الداخلية للكاشف المغناطيس الحلزوني المدمج (CMS) وتطوير منصة مراقبة سهلة الاستخدام الجمع وعرض الكم الهائل من بيانات المستشعرات بشكل مدمج لإستخدام المراقب.
لذلك، يهدف جزء كبير من هذا العمل إلى اكتشاف وإطلاق تحذيرات عن المشكلات العملية المحتملة قبل أن تتفاقم من خلال تطبيق تقنيات الذكاء الاصطناعي المختلفة للكشف عن الأعطال العملية، ويتم ذالك عن طريق شبكات العصبية التلقائية (autoencoder) بما في تلك الشبكات العصبية الالتفافية ، (CNN) والشبكة الالتفافية ثنائية الأبعاد مع شبكة عصبية متكررة طويلة الامد قصيرة الذاكرة ، (Conv2DLSTM) و CNN مع بنية شبكة العصبية بشكل الحذوه (U-net) ، و Conv2DLSTM مع بنية شبكة العصبية بشكل الحذوه . (Unet) وقد تبين أن الشبكة العصبية الأخيرة توفر أفضل أداء بدقة %96.2% على البيانات المحاكاة. تشير المحاكاة الحاسوبية إلى أن هذه الخوارزمية قوية جدا ضد الضوضاء المضافة حيث تبين أن أداؤها تراجع بنحو %1% فقط مع انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) من 17dB إلى 5dB. تم التحقيق في خوارزمية إزالة الضوضاء بالمويجات (wavelet denoising) للتخفيف من تأثير الضوضاء نظراً للبيئة التشغيلية القاسية في CMS بنجاح محدود، حيث في إشارات المستشعرات ذات SNR المنخفضة تسببت في إخفاء بيانات التي تشير إلى الأعطال العملية وبالتالي تدنى أداء الخوارزمية. كان هناك صعوبة في الحصول على بيانات المستشعرات و لذلك و في وقت كتابة هذا العمل تم الحصول على بيانات جزئية فقط. أظهرت النتائج الأولية لتطبيق الخوارزمية على البيانات الحقيقية الجزئية التي تم الحصول عليها دقة مقارنة تبلغ 94.5 .
بالإضافة إلى مساهمات في خدمات MTD المطورة في هذا العمل باستخدام مكتبة FastAPI بلغة Python وإطار عمل xDAQ بلغة ++C حيث يمكن وضع كاشف الأعطال العملية المقترحة فيه للمساهمه والمحافظة على تشغيل عمليات إستلام بيانات MTD بمثالية.
Member of
Identifier
https://digitalrepository.uob.edu.bh/id/e7b3e04c-c498-4ed2-85ea-4f0be8f3f946