效率提升了120倍!中国天眼插上AI翅膀,听见宇宙的“心跳”

人工智能
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在《三体》中,叶文洁将电磁波对着太阳发射,通过太阳的电磁波放大作用,向四万光年外的宇宙发出信号,叶文洁发出的信号被外星人收到。一个善良的外星人告诉她:“不要回答。”因为人类回答三体人信号的时候,就是人类文明毁灭的时候!

人类真的可以和宇宙对话吗?茫茫宇宙真的有“三体”文明吗?就在不久前,在贵州深山里,中国的科学家就听到了极其微弱的宇宙“心跳”。或许,与宇宙对话的那一刻,已不再遥远。距离人类第一次听见宇宙的“心跳”,已经过去了56年。

1967年,人类首次发现脉冲星CP1919。它被称为“小绿人”——因为这颗天体太过规律,每隔1.337秒都能收到一次信号,当时的天文学界有不少人都以为这个信号来自外星文明。后来,科学家觉得这种规律的信号更像是电磁脉冲,也像人的心跳脉搏,短而稳定,就将这类星体称为脉冲星。

由于周期性地发射电磁波,脉冲星被称为宇宙中的“灯塔”“最精确的时钟”。它可以告诉人类在宇宙中的位置,也可以在星际航行中用来导航。只不过,脉冲星的信号很弱,且容易被人造电磁干扰淹没,探测难度很大。

效率提升了120倍!中国天眼插上AI翅膀,听见宇宙的“心跳”

作为目前世界上灵敏度最高的射电望远镜,“中国天眼”FAST的最长观测距离为137亿光年,搜寻和观测宇宙中的“脉冲星”,是它的重要科学目标之一。坐落在贵州大山里的它形状像一口大锅,如果装满米饭,也许够全世界每个人分到两碗。这口“大锅”一周就能产生数千万张疑似脉冲星的信号图,峰值数据每秒可达38G。如果靠人工处理,即使24小时不分昼夜地工作,也需要一年多时间才能把这些图像处理完。

“FAST信号收到以后,我们转换成一个图,统计下来几千万到一亿张的图里才能找到一颗脉冲星。”腾讯优图实验室的总监汪铖杰说,“所以对处理速度的要求很高。”如何更快速、高效地探测宇宙中传来的“心跳”,是天文工作者面临的巨大挑战。

2020年冬天的上海,腾讯优图实验室联系了国家天文台和复旦大学计算机科学技术学院,讨论在天文项目上合作的可能性。三方只谈了两个小时,就签订了协议,准备联合启动“探星计划”——基于腾讯优图实验室领先的计算机视觉技术、腾讯云领先的计算能力,用AI帮助“中国天眼”FAST处理每天接收到的海量数据,并通过视觉AI分析找到脉冲星、快速射电暴线索。

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这些数据到达云上服务器后,需要先进行预处理,然后进入AI模型,最后进入人工处理。每一个模块都存在不确定性。在计划最开始的20多天里,优图实验室没有任何发现。

跟以往优图实验室的工作不同,“探星计划”面临两大难题:一是FAST找到的脉冲星数量有限,不足以提供大量信号样本来训练AI,非常影响AI寻找脉冲星的精度;二是海量数据的标记成本非常高。

为了从500T的数据里找到脉冲星的信号,优图实验室的团队开始运用一些小样本学习的算法来训练AI,并优化代码。事实上,这是一个很小的团队,成员只有个位数。有人负责代码的优化加速,让AI模型跑得更快,有人负责算法的设计,有人负责合作对接。

几个月的时间里,几十台GPU的服务器每天24小时不间断地运转,这个不到10人的团队对AI模型进行了3点创新:一、自监督预训练算法;二、半监督域迁移算法;三、主动学习算法。目的都是为了让AI精度越来越高。

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流程不断优化后,FAST数据的处理速度提升了120倍以上。过去人工处理需要一年的工作,AI不到3天就能完成,误报率也下降了98%。复旦大学计算机科学技术学院副教授、博士生导师池明旻记得,2017年她在FAST开会时,预处理的时间是15分钟,“现在应该是1分钟都不到,甚至更少”。

终于,在“探星计划”开始后的第3个月,团队第一次听到了来自宇宙的“心跳”。这是一颗长周期脉冲星,在图像上,它的信号像一个中间粗、两端细的纺锤体。

发现第一颗脉冲星信号后,优图实验室的团队没有时间庆祝,而是抓紧修复系统上的各种小问题。直到系统变得越来越稳定,他们的加班才慢慢减少。

一直以来,腾讯优图实验室负责人吴运声的愿景都是“AI的普适化”,希望AI能够运用在人类生产生活的各个地方。“实际上这个项目的成果除了找到脉冲星以外,最重要的就是我们探索出了AI和基础学科结合的模式。”汪铖杰说。

有了寻找脉冲星的经验,在2023世界人工智能大会上,腾讯宣布基于腾讯云AI大模型技术和强大算力,搜寻快速射电暴的速度提升了1800倍,并首次用AI帮FAST找到了2颗快速射电暴。

池明旻曾经跟科技部国际合作司和国台科研团队一起去南非,发现当地的天文台专门开辟了一个区域用来办“非洲科学节”。这是一个半官方半民间的科普活动,已经连续举办了二十多年每年都吸引了大量来自世界各地的青少年参与。南非科技部总干事菲尔·姆瓦拉博士这样概括科学节的特色:“我们不称之为科学,我们称之为乐趣。”

最大程度地延展科学中蕴含的“好奇心”和“乐趣”,也是腾讯“AI For Science”的初衷。

截至今年7月,FAST已发现800余颗新脉冲星,其中借助优图实验室的AI技术探测到的有30颗,其中有一半是科研价值较高的毫秒脉冲星和长周期脉冲星。

FAST和优图实验室的下一个目标,是从仙女座星系听到脉冲星的“心跳”。如果实现,将成为人类历史上的突破,也将把人类对科学最朴素的好奇,送往宇宙更深处。

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