上海光源儲(chǔ)存環(huán)真空數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)

孫小影 陳廣花 劉以勇 陳建鋒 蔣迪奎 戴志敏

(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800)

上海光源(SSRF)是一臺(tái)高性價(jià)比的中能第三代同步輻射光源，其能量僅次于美、日、歐的三臺(tái)高能同步輻射光源，X射線的亮度和通量優(yōu)化在用戶最多的5–20 keV能區(qū)。SSRF包括150 MeV電子直線加速器、低能輸運(yùn)線、3.5 GeV增強(qiáng)器、高能輸運(yùn)線、3.5 GeV電子儲(chǔ)存環(huán)和七條首期光束線[1]。

儲(chǔ)存環(huán)中束流要保持長時(shí)間運(yùn)行，真空環(huán)境的好壞至關(guān)重要。真空度欠佳會(huì)大大縮短束流壽命，甚至注入時(shí)束流根本無法累積而不能成功注入。同時(shí)，真空管道經(jīng)充分的束流清洗后，儲(chǔ)存環(huán)的束流壽命可大為延長。因此用運(yùn)行數(shù)據(jù)分析研究儲(chǔ)存環(huán)真空系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，特別是真空管道的束流清洗情況，就十分重要。

該真空系統(tǒng)的運(yùn)行狀況診斷分析，需有完整的數(shù)據(jù)。本文基于EPICS建立了對儲(chǔ)存環(huán)真空規(guī)壓強(qiáng)讀數(shù)、動(dòng)態(tài)真空度、束流流強(qiáng)及束流壽命等數(shù)據(jù)的采集、存檔及檢索的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)平臺(tái)與開發(fā)環(huán)境

EPICS廣泛用于粒子加速器等大型實(shí)驗(yàn)物理裝置，有分布式體系結(jié)構(gòu)，用Client/Server和Publish/Subscribe模式按CA (Channel Access)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行計(jì)算機(jī)間的通信。服務(wù)器端通常為輸入輸出控制器(IOC)，運(yùn)行在實(shí)時(shí)系統(tǒng)上，有基于記錄的數(shù)據(jù)庫處理輸入和輸出及本地控制任務(wù)。操作員接口(OPI)是EPICS的客戶端，可運(yùn)行在UNIX、GNU/Linux、Windows95及NT、VMS、VxWorks等多種平臺(tái)上[2]。Channel Archiver是EPICS的通用數(shù)據(jù)存檔工具集，它作為CA客戶端能獲得任何通過CA的數(shù)據(jù)存檔，其核心是存檔引擎Archive Engine[3]。

SSRF儲(chǔ)存環(huán)真空數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)用Channel Archiver工具包把真空壓強(qiáng)、束流流強(qiáng)等讀數(shù)存入歷史數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(RDBMS)采用微軟公司的MS SQL Server2005軟件。系統(tǒng)在Windows 2003 Server下運(yùn)行，用ASP.NET/ADO作為數(shù)據(jù)庫與上層用戶交互的接口。用Microsoft Visual Studio 2005開發(fā)基于Web的接口程序，允許用戶從不同聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)上檢索數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)獲取、存檔和檢索等三部分，結(jié)構(gòu)框圖如圖1。各部分設(shè)計(jì)功能為：(1) IOC運(yùn)行數(shù)據(jù)，IOC通過串口與儲(chǔ)存環(huán)的真空規(guī)控制器通信獲取真空度等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以記錄形式保存在IOC運(yùn)行數(shù)據(jù)庫中；(2) Channel Archiver存檔數(shù)據(jù)，OPI上Channel Archiver程序根據(jù)配置文件將與真空相關(guān)的數(shù)據(jù)從IOC數(shù)據(jù)記錄中獲取并保存到文本文件中，然后對文本文件處理，將其導(dǎo)入 SQL Server 2005歷史數(shù)據(jù)庫中；(3) 基于 Web的數(shù)據(jù)檢索，Web服務(wù)器中用ASP.NET技術(shù)生成和運(yùn)行動(dòng)態(tài)、交互、高性能的Web服務(wù)器應(yīng)用程序，任務(wù)是接受用戶的請求，并按其要求生成標(biāo)準(zhǔn) Html頁面送給客戶端瀏覽器，達(dá)到人機(jī)交互的目的。下文介紹其具體功能。

圖1 SSRF儲(chǔ)存環(huán)真空數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Schematics of the vacuum data retrieval system for the SSRF storage ring.

2 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)獲取

2.1 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)數(shù)據(jù)見表1，數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)見表2。

表1 SSRF儲(chǔ)存環(huán)真空數(shù)據(jù)庫的存檔數(shù)據(jù)Table 1 Archive data of the vacuum database for the SSRF storage ring.

表2 SSRF儲(chǔ)存環(huán)真空數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)Table 2 Table structure of the vacuum database for the SSRF storage ring.

2.2 數(shù)據(jù)獲取

上述數(shù)據(jù)按 Sampled方式采樣，即 Archive Engine按1 s周期性向CA server獲取數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到文件中；然后對文本文件處理，去掉無效的數(shù)據(jù)行和字符行，增加變量名這一列，改變時(shí)間數(shù)據(jù)的精度。因每個(gè)數(shù)據(jù)記錄的時(shí)刻不嚴(yán)格同步，也不在整數(shù)秒邊界上，因此須對數(shù)據(jù)作處理，將數(shù)據(jù)同步到同一時(shí)間序列上。處理方式是以整數(shù)秒的時(shí)間序列為基礎(chǔ)，對每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)歷史數(shù)據(jù)搜索 t0≤t＜t0+1時(shí)間段內(nèi)最接近 t0的數(shù)據(jù)作為該數(shù)據(jù)項(xiàng) t0時(shí)刻的數(shù)據(jù)；最后把處理后的文本文件數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入到SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫表中。

3 系統(tǒng)功能

根據(jù)真空數(shù)據(jù)分析和機(jī)器研究需要，編寫對已存入歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索的程序。它提供了功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)檢索和導(dǎo)出方法，用戶可方便地通過Web方式查詢真空系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行故障分析，還可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出做離線的真空系統(tǒng)研究[4]。

3.1 程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程序設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)文件顯示和下載、數(shù)據(jù)圖顯示和繪制圖形的參數(shù)選擇兩個(gè)主要部分，具體參數(shù)有：

(1) 起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間的選擇；

(2) 繪圖的樣式：可選擇折線圖、散點(diǎn)圖或柱狀圖；

(3) 值域范圍的選擇；

(4) 數(shù)據(jù)檢索方式：有均值和線性插值；當(dāng)選取時(shí)間跨度過長、數(shù)據(jù)量過大時(shí)，檢索數(shù)據(jù)和繪圖都十分耗時(shí)，因此檢索程序會(huì)用某種方法減少數(shù)據(jù)量。其中，均值法是將時(shí)間戳落在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的所有原始數(shù)據(jù)取平均值作為新數(shù)據(jù)，將此時(shí)間段的中點(diǎn)作為新數(shù)據(jù)的時(shí)間戳；線性插值法是把各時(shí)間段的邊界作新數(shù)據(jù)的時(shí)間戳，用邊界前后的兩個(gè)原始數(shù)據(jù)通過線性插值求得位于邊界處的數(shù)據(jù)作為新數(shù)據(jù)[5]。

3.2 數(shù)據(jù)檢索與數(shù)據(jù)分析

3.2.1 動(dòng)態(tài)真空度與束流流強(qiáng)的關(guān)系曲線

圖2為2008年5月8日0:40:35–2008年5月9日0:40:35的儲(chǔ)存環(huán)真空度和束流流強(qiáng)的關(guān)系曲線。真空度和束流流強(qiáng)可分別用points和lines繪圖，以及average和linear長時(shí)間數(shù)據(jù)檢索方式。

由于光電解吸作用，動(dòng)態(tài)真空度和束流流強(qiáng)的大小密切相關(guān)，由圖2，在并無突發(fā)性事件的時(shí)間段，動(dòng)態(tài)真空度與束流流強(qiáng)基本呈線性關(guān)系。

圖2 SSRF儲(chǔ)存環(huán)真空度與束流流強(qiáng)的關(guān)系曲線Fig.2 The vacuum and beam current curves recorded on May 7–8, 2009 in the SSRF storage ring.

理論計(jì)算和實(shí)測曲線都表明，隨動(dòng)態(tài)真空度的改善，束流壽命會(huì)明顯提高。

圖3為2008年1月1日16:00:57讀取的全環(huán)B-A規(guī)的真空度讀數(shù)，與各B-A規(guī)相對應(yīng)的通道名稱見表3。

圖3 SSRF全環(huán)B-A規(guī)壓強(qiáng)分布曲線(各B-A規(guī)的對應(yīng)通道名稱見表3)Fig.3 Pressure distribution curve of the B-A gauge for the SSRF storage ring.Refer to Table 3 for the name of a channel corresponding to a gauge.

3.2.2 真空管道束流清洗的分析

用已存檔數(shù)據(jù)分析真空管道束流清洗，儲(chǔ)存環(huán)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，真空室材料的光電解吸的一個(gè)重要特征，是解吸氣體的量隨輻射光子累積照射劑量增加而降低，表現(xiàn)為隨機(jī)器運(yùn)行時(shí)間增加，動(dòng)態(tài)真空逐漸改善，束流壽命隨之增長，稱之為束流清洗作用。目前大多實(shí)驗(yàn)室都用動(dòng)態(tài)真空度變化與束流流強(qiáng)之比(P/I)代替解吸系數(shù)分析光電解吸大小。分析P/I和束流壽命I·τ隨積分流強(qiáng)的變化得到真空管道束流清洗的情況。

由真空歷史數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，2008年1月末，積分流強(qiáng)約為10.8 A·h、P=1.89×10–9T，I=99.5 mA、τ=11 h，至2010年5月末，積分流強(qiáng)約為1559 A·h、P=2.74×10–10T、I=142.5 mA、τ=35 h。隨積分流強(qiáng)增加，P/I值減小一個(gè)量級，I·τ明顯增長，可見真空管道的束流清洗作用明顯。

表3 SSRF全環(huán)B-A規(guī)對應(yīng)的通道名稱Table 3 The names of channels connected to the B-A gauges for the SSRF storage ring.

4 結(jié)束語

SSRF儲(chǔ)存環(huán)真空數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與初步建立為儲(chǔ)存環(huán)真空系統(tǒng)的研究和整個(gè)上海光源真空系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)的建立提供了方法?；赪eb方式的檢索系統(tǒng)能方便研究人員進(jìn)行故障分析，還可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出做離線的真空系統(tǒng)研究。下一步工作是真空歷史數(shù)據(jù)庫的完整和真空數(shù)據(jù)分析程序的進(jìn)一步完善等。

1 中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所.上海光源初步設(shè)計(jì).內(nèi)部報(bào)告.2004.1–68 Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences.Preliminary Design Report of Shanghai Synchrotron Radiation Facility (inner report).2004.1–68

2 http://www.aps.an1.gov/epies/.2005.04–20

3 Kasemir K U, Dalesio L E.Overview of the Experimental.Physics and Industrial Control System (EPICS) Channel Arehiver.Proceedings of ICALEPCS 2001.San Jose,2001.526, 528

4 楊世錫, 趙 輝.ASP+SQL Server動(dòng)態(tài)網(wǎng)站開發(fā)從基礎(chǔ)到實(shí)踐.北京: 電子工業(yè)出版社, 2005 YANG Shixi, ZHAO Hui.Dynamic website development via ASP and SQL Server―theory and practices.Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2005

5 王研科.合肥光源真空系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與分析.碩士學(xué)位論文.2005.22–37 WANG Yanke.The data acquisition and analysis of the vacuum system for the Hefei light source.Dissertation for Masters Degree.2005.22–37