單 鳳 傅 鵬, 黃連生 高 格

ITER數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)的應(yīng)用

單 鳳1傅 鵬1,2黃連生2高 格2

1（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 合肥 230026）
2（中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031）

國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)是世界上最大的超導(dǎo)托卡馬克裝置，其中央控制系統(tǒng)CODAC (Control, Data Access and Communication)為ITER裝置及其各個(gè)子系統(tǒng)提供了豐富的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工具。ITER極向場(chǎng)整流器系統(tǒng)作為其子系統(tǒng)之一在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大量數(shù)據(jù)的高速采集給數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)造成很大的困難，其控制系統(tǒng)需要及時(shí)地將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲(chǔ)，并提供相應(yīng)數(shù)據(jù)的查看方式。本文采用CODAC提供的數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)對(duì)極向場(chǎng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理。在充分了解該數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)該數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)的使用和可用性進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆，中央控制系統(tǒng)CODAC，HDF5，數(shù)據(jù)歸檔，DAN

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)是為實(shí)現(xiàn)可控核聚變的一個(gè)國(guó)際性項(xiàng)目工程。由中國(guó)、歐盟、韓國(guó)、日本、俄國(guó)、美國(guó)、印度共同建造。CODAC (Control, Data Access and Communication)系統(tǒng)是ITER裝置的中央控制系統(tǒng)[1]。ITER裝置被劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)都交由相應(yīng)的成員國(guó)來(lái)進(jìn)行制造和交付。各個(gè)子系統(tǒng)的控制系統(tǒng)也是交付的重要組成部分。CODAC Core System是用于ITER設(shè)備控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件包。它在遵循ITER標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，為控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者提供了軟件開(kāi)發(fā)和測(cè)試所需的環(huán)境。CODAC Core System基于實(shí)驗(yàn)物理和控制系統(tǒng)(Experimental Physics and Industrial Control System, EPICS)和紅帽Linux系統(tǒng)[2]。DAN (Data Archiving Network)數(shù)據(jù)歸檔是其提供的重要功能之一。該功能的主要目的是存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的高吞吐量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

ITER極向場(chǎng)(Poloidal Field, PF)共有6個(gè)線(xiàn)圈，共需要14個(gè)變流器單元(Poloidal Field Converter Unit, PFCU)來(lái)為其供電[3]，所有的變流器單元具有相同的設(shè)計(jì)，其電路拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 ITER極向場(chǎng)變流器單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of ITER PFCU.

整個(gè)ITER極向場(chǎng)變流器的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。對(duì)于第一個(gè)線(xiàn)圈PF1和第六個(gè)線(xiàn)圈PF6分別需要一個(gè)變流器單元為其供電。其余線(xiàn)圈需要三個(gè)變流器單元串聯(lián)為其供電。每個(gè)線(xiàn)圈的變流器單元都接到66 kV的電纜上。所有變流器單元的總的信號(hào)量為224個(gè)模擬信號(hào)和2520個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。其中，模擬信號(hào)采樣率為5 kHz，開(kāi)關(guān)信號(hào)變化采樣。

圖2 ITER極向場(chǎng)變流器單元的整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of ITER PF convert units.

每一個(gè)變流器都需要本地控制器。在ITER極向場(chǎng)整流器數(shù)據(jù)采集與歸檔系統(tǒng)中，本地控制器負(fù)責(zé)采集多通道數(shù)據(jù)（包括多通道模擬信號(hào)和開(kāi)關(guān)信號(hào)），并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地控制器的緩存中，然后本地控制器將數(shù)據(jù)以UDP數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器上，遠(yuǎn)程服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。

整個(gè)極向場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和歸檔系統(tǒng)采用分布式采集，集中存儲(chǔ)的方式。數(shù)據(jù)歸檔無(wú)需考慮數(shù)據(jù)采集的細(xì)節(jié)，只需接收高吞吐的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并提供一定的方式來(lái)處理分析數(shù)據(jù)。

1 ITER數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)介紹

DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)主要由三部分組成：快速控制器（安裝有CODAC系統(tǒng)的一臺(tái)計(jì)算機(jī)）上的一組模塊，即本地的DAN發(fā)布者進(jìn)程和一個(gè)DAN發(fā)送者進(jìn)程（收集本地?cái)?shù)據(jù)，并通過(guò)DAN網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程的ITERDB）[4]；一個(gè)DAN存儲(chǔ)服務(wù)器用來(lái)接收傳送者發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫(xiě)入HDF5 (Hierarchical Data Format)文件中；一個(gè)數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)庫(kù)和一組繪圖器來(lái)檢索數(shù)據(jù)[4]。

1.1 數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)名詞解釋

數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)涉及到多個(gè)專(zhuān)有名詞，各個(gè)名詞的含義如下：

(1) DAN數(shù)據(jù)源：數(shù)據(jù)的產(chǎn)生器，數(shù)據(jù)源可以是一個(gè)采集程序，每一個(gè)數(shù)據(jù)源會(huì)有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)緩沖。

(2) DAN發(fā)布者：系統(tǒng)中的一個(gè)進(jìn)程，負(fù)責(zé)在DAN API中注冊(cè)新的DAN數(shù)據(jù)源，發(fā)布該數(shù)據(jù)源關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)緩沖中新的可用數(shù)據(jù)塊的引用。引用被訂閱者獲取后，再?gòu)臄?shù)據(jù)緩沖中獲得實(shí)際的可用數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)緩沖：循環(huán)緩沖區(qū)，用于臨時(shí)存放數(shù)據(jù)源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，使用共享內(nèi)存機(jī)制，使得多個(gè)進(jìn)程均可訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)緩沖。

(4) DAN發(fā)送者：系統(tǒng)中的一個(gè)進(jìn)程，特殊的DAN訂閱者，負(fù)責(zé)將訂閱的數(shù)據(jù)源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)庫(kù)。

(5) DAN訂閱者：本地linux進(jìn)程，訂閱一個(gè)或者多個(gè)數(shù)據(jù)源，并訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

(6) DAN API：一組接口函數(shù)，用于發(fā)布者、訂閱者、傳送者之間進(jìn)行通信，并且為各個(gè)模塊提供了訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)緩沖、處理采集數(shù)據(jù)的接口函數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)可以看成C/S結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。DAN Client從不同的數(shù)據(jù)源(source)中獲得要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，DAN存儲(chǔ)服務(wù)器則負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在HDF5文件中?？蛻?hù)端和服務(wù)器之間是通過(guò)DAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，該網(wǎng)絡(luò)使用一個(gè)基于TCP/IP的專(zhuān)用的協(xié)議。歸檔系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示?？焖倏刂破魃系腄AN Client是基于發(fā)布-訂閱的結(jié)構(gòu)。發(fā)布者負(fù)責(zé)更新數(shù)據(jù)源相關(guān)的數(shù)據(jù)緩沖中的數(shù)據(jù)，并通過(guò)DAN API發(fā)布緩沖中可用數(shù)據(jù)的引用到數(shù)據(jù)源信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)布者可以負(fù)責(zé)監(jiān)控多個(gè)數(shù)據(jù)源。訂閱者訂閱感興趣的數(shù)據(jù)源，并接收發(fā)布者發(fā)布的關(guān)于該數(shù)據(jù)源緩沖中的可用數(shù)據(jù)的引用，并根據(jù)引用到數(shù)據(jù)緩沖中獲取可用的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)緩沖可以是系統(tǒng)原有的（如快速控制器1），也可以通過(guò)DAN API為數(shù)據(jù)源分配一個(gè)新的數(shù)據(jù)緩沖（如快速控制器2）。每一個(gè)快速控制器上，只有一個(gè)DAN 發(fā)送者，發(fā)送者是訂閱者的一種，訂閱了一個(gè)或者多個(gè)DAN數(shù)據(jù)源，并將數(shù)據(jù)通過(guò)DAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到DAN服務(wù)器上。

DAN Server負(fù)責(zé)接收并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)§1.4。

圖3 ITER數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of ITER data archiving system.

1.3 DAN數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)歸檔過(guò)程中的要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)被組織成為一種特定的數(shù)據(jù)模型，即DAN數(shù)據(jù)模型，該數(shù)據(jù)模型被稱(chēng)作DAN流。DAN流的數(shù)據(jù)模型的示意圖如圖4所示。

DAN流是來(lái)自于同一個(gè)數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)塊的臨時(shí)有序的集合，這些數(shù)據(jù)塊共享相同的流屬性和通道屬性。一個(gè)DAN數(shù)據(jù)模型由三個(gè)部分組成：流元數(shù)據(jù)頭、每個(gè)通道元數(shù)據(jù)頭和一組數(shù)據(jù)塊。流元數(shù)據(jù)頭包含了一系列強(qiáng)制性屬性和用戶(hù)自定義屬性，用來(lái)描述數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。強(qiáng)制屬性包括數(shù)據(jù)源標(biāo)識(shí)符、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)版本、流的類(lèi)型、數(shù)據(jù)類(lèi)型（每一個(gè)通道數(shù)據(jù)的類(lèi)型）等。通道元數(shù)據(jù)主要記錄通道的相關(guān)信息如采集卡中的通道號(hào)。用戶(hù)自定義元數(shù)據(jù)給用戶(hù)提供了很高的靈活性，用戶(hù)可以根據(jù)自身實(shí)驗(yàn)的需要自行添加。

數(shù)據(jù)塊由一組樣本序列和數(shù)據(jù)塊頭構(gòu)成。數(shù)據(jù)塊頭中包含的信息有：時(shí)間戳（該數(shù)據(jù)塊中第一個(gè)樣本采集的時(shí)間，相對(duì)于流元數(shù)據(jù)中的初始時(shí)間）、采樣率（樣本的采樣率）、數(shù)據(jù)維度（樣本中每一個(gè)通道數(shù)據(jù)的維度）、樣本數(shù)（該數(shù)據(jù)塊中有多少樣本）、以及用戶(hù)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)塊頭屬性。數(shù)據(jù)塊中的每一個(gè)樣本的時(shí)間戳都可以根據(jù)該數(shù)據(jù)塊頭中的最初時(shí)間戳和采樣率來(lái)進(jìn)行推算。數(shù)據(jù)塊之間是相互獨(dú)立的。根據(jù)數(shù)據(jù)塊頭的信息可以在線(xiàn)性時(shí)間內(nèi)讀取到所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

從數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)的角度看，樣本是最小的數(shù)據(jù)單元。一個(gè)樣本是該數(shù)據(jù)源通道數(shù)據(jù)多路復(fù)用而成的一個(gè)通道數(shù)據(jù)序列。

1.4 DAN流的存儲(chǔ)與訪(fǎng)問(wèn)

DAN數(shù)據(jù)歸檔服務(wù)器負(fù)責(zé)接收多個(gè)發(fā)送者發(fā)來(lái)的流數(shù)據(jù)。在使用歸檔進(jìn)程時(shí)，需要通過(guò)配置文件對(duì)其進(jìn)行配置。目前CODAC 5.0版本中，屬于同一個(gè)流的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一個(gè)HDF5文件中[5]。采用HDF5文件作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的好處是：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法靈活，支持標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類(lèi)型和自定義類(lèi)型；具有線(xiàn)型數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)性能，顯著的流數(shù)據(jù)存儲(chǔ)率；靈活的數(shù)據(jù)壓縮框架；API支持C、C++、Fortran、java等多種語(yǔ)言[6]；線(xiàn)程安全；支持嵌入式數(shù)據(jù)加密；具有良好的圖像支持；代碼質(zhì)量高。因此比較于其他的數(shù)據(jù)庫(kù)，HDF5更能滿(mǎn)足ITER 數(shù)據(jù)的需要[7]。

圖4 DAN數(shù)據(jù)模型Fig.4 Data model of DAN.

1.4.1HDF5文件的結(jié)構(gòu)

HDF5是一種層次性數(shù)據(jù)格式。HDF5文件相當(dāng)于一個(gè)容器，被組織成一個(gè)類(lèi)似于Linux文件系統(tǒng)的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，如圖5所示。容器中包含了多種數(shù)據(jù)對(duì)象：組、數(shù)據(jù)集、屬性、數(shù)據(jù)空間、數(shù)據(jù)類(lèi)型。其中，最基本的數(shù)據(jù)對(duì)象是組和數(shù)據(jù)集。HDF5文件被看作是root組。

圖5 HDF5文件邏輯結(jié)構(gòu)Fig.5 Logical structure of HDF5 file.

組可以看作是一個(gè)集合，包含一個(gè)或者多個(gè)組或者數(shù)據(jù)集，不存儲(chǔ)實(shí)際數(shù)據(jù)，相當(dāng)于路徑的作用。

數(shù)據(jù)集是一個(gè)多維數(shù)組，數(shù)組的形狀由數(shù)據(jù)空間進(jìn)行描述。數(shù)據(jù)集中的元素是一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)單元，它可以是單個(gè)數(shù)字或字符，也可以是數(shù)字或字符數(shù)組，甚至可以由不同數(shù)據(jù)組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)集維度大小沒(méi)有限制，支持很多通用數(shù)據(jù)類(lèi)型，并支持用戶(hù)自定義的數(shù)據(jù)類(lèi)型。

屬性是一種小型的數(shù)據(jù)集，用來(lái)描述HDF5文件中的基本數(shù)據(jù)對(duì)象組和數(shù)據(jù)集。一個(gè)HDF5數(shù)據(jù)對(duì)象可以有0個(gè)或者多個(gè)屬性。

1.4.2 HDF5文件和DAN 流數(shù)據(jù)模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

采用DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)將流數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一個(gè)HDF5文件。其中HDF5文件名的格式為：流名_數(shù)據(jù)源名_脈沖號(hào).h5。HDF5文件的內(nèi)容與DAN數(shù)據(jù)模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 DAN存儲(chǔ)的HDF5文件內(nèi)容Table 1 Content of HDF5 file stored by DAN.

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

2.1 模擬信號(hào)的存儲(chǔ)及顯示

2.1.1信號(hào)的采集

模擬一套模擬信號(hào)產(chǎn)生程序，產(chǎn)生224個(gè)通道模擬信號(hào)，信號(hào)的采樣率為5 kHz（與現(xiàn)有的采集程序的采樣率相同）。由于ITER極向場(chǎng)變流器控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集與歸檔分開(kāi)，數(shù)據(jù)歸檔無(wú)需考慮采集的細(xì)節(jié)，信號(hào)的值不影響歸檔。本模擬實(shí)驗(yàn)中，將所有的通道信號(hào)均設(shè)為幅值2.0，周期10 ms的正弦信號(hào)。模擬數(shù)據(jù)采集程序以UDP包的形式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給DAN 發(fā)布者。

采集程序所發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)要符合一定的要求。本實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)包被分為5段，每段所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)如表2所示。數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)就相當(dāng)于DAN數(shù)據(jù)模型中的一個(gè)數(shù)據(jù)塊。

表2 模擬數(shù)據(jù)UDP包格式Table 2 Organization of UDP package comprised by analog signals.

每一個(gè)樣本為224個(gè)通道數(shù)據(jù)組成的一個(gè)一維數(shù)組，通道數(shù)據(jù)類(lèi)型為浮點(diǎn)型。每個(gè)通道每次只產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)維度為1×1，數(shù)據(jù)維度1的值為1，數(shù)據(jù)維度2的值為1，數(shù)據(jù)類(lèi)型為浮點(diǎn)型。采樣率為雙精度浮點(diǎn)型。最初時(shí)間戳為第一個(gè)樣本的采集時(shí)刻，數(shù)據(jù)類(lèi)型為64整型，該時(shí)間戳使用的是UTC時(shí)間，即距離1970年1月1日，00:00:00時(shí)的納秒時(shí)間。該數(shù)據(jù)塊中的其余樣本可以根據(jù)時(shí)間戳和采樣率來(lái)計(jì)算采樣時(shí)刻。

模擬數(shù)據(jù)采集程序每2 ms發(fā)送一次UDP包，每個(gè)UDP包含有10個(gè)樣本（該值可根據(jù)緩沖大小進(jìn)行調(diào)整），數(shù)據(jù)量為17.952 KB。每秒鐘數(shù)據(jù)量高達(dá)到9 M左右。

2.1.2數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)

使用DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，需要有一個(gè)發(fā)布者進(jìn)程、發(fā)送者進(jìn)程和歸檔寫(xiě)進(jìn)程。根據(jù)數(shù)據(jù)源的定義，上述的數(shù)據(jù)采集程序可以看作是一個(gè)數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)發(fā)布者與傳送者需要通過(guò)DAN API進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

首先要生成DAN配置文件、描述流、通道、數(shù)據(jù)源、傳送者的基本信息，并使用命令danApiTool來(lái)配置DAN API。命令格式：/opt/codac-5.0/bin/ danApiTool api init[配置文件名][8]。只有進(jìn)行了DAN API的配置之后，才可以使用DAN API。該命令執(zhí)行后，發(fā)送者進(jìn)程會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，并等待發(fā)布者的可用數(shù)據(jù)引用通知。

采集程序以UDP包的形式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給DAN發(fā)布者進(jìn)程。發(fā)布者將每一個(gè)UDP包看作是一個(gè)數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)發(fā)布者負(fù)責(zé)接收UDP數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)做相應(yīng)的解析，然后寫(xiě)入為該數(shù)據(jù)源分配的緩存當(dāng)中，數(shù)據(jù)寫(xiě)入后將會(huì)通知傳送者來(lái)讀取緩存中的可用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)布者的流程圖如圖6所示。

使用DAN API編寫(xiě)DAN發(fā)布者程序。運(yùn)行發(fā)布者進(jìn)程之前，要確保數(shù)據(jù)歸檔寫(xiě)進(jìn)程和發(fā)送者進(jìn)程已經(jīng)啟動(dòng)。數(shù)據(jù)歸檔寫(xiě)進(jìn)程通過(guò)命令dan_archiver_writer start命令進(jìn)行啟動(dòng)[9]。

圖6 DAN發(fā)布者流程圖Fig.6 Flow chart of DAN publisher.

2.1.3波形顯示

每通道數(shù)據(jù)波形(部分)顯示結(jié)果如圖7所示。

（2）減少不必要的人員、機(jī)械費(fèi)用。減少不必要的開(kāi)支，為企業(yè)提供更多的利益，這是成本控制的一種比較好的方案。在不影響路橋質(zhì)量的情況下把利益最大化。通過(guò)良好的工程計(jì)量對(duì)項(xiàng)目所用的材料等進(jìn)行估量，以減少材料的浪費(fèi)。

圖7 模擬信號(hào)波形Fig.7 Waveform of archived analog signal.

從HDF5文件中讀取每一個(gè)通道的數(shù)據(jù)，并使用python中的pyplot子庫(kù)繪制波形。每通道數(shù)據(jù)均正確存儲(chǔ)并繪制。圖7中X軸為所采集樣本數(shù)據(jù)的序列號(hào)，從0開(kāi)始標(biāo)號(hào)，圖7中顯示的是第9200-9900個(gè)樣本，Y軸為每通道的采樣值。與設(shè)定的各通道的值相同，即幅值2.0的正弦信號(hào)，且周期采集樣本數(shù)為50個(gè)?？梢?jiàn)使用DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)可以準(zhǔn)確無(wú)誤地存儲(chǔ)多通道高采樣的模擬信號(hào)。

2.2 開(kāi)關(guān)信號(hào)的存儲(chǔ)和顯示

2.2.1開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集

DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)的最初目的是存儲(chǔ)高吞吐量的模擬數(shù)據(jù)，對(duì)于開(kāi)關(guān)信號(hào)并未給予相應(yīng)的解決方案。對(duì)于開(kāi)關(guān)信號(hào)的值，采集系統(tǒng)使用一個(gè)bit來(lái)存儲(chǔ)相應(yīng)開(kāi)關(guān)信號(hào)的值。并且對(duì)于一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)，沒(méi)有固定的采樣率，無(wú)法通過(guò)最初時(shí)間戳和采樣率來(lái)推算該開(kāi)關(guān)信號(hào)的下一個(gè)數(shù)據(jù)的采樣時(shí)刻。因此對(duì)于每一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)值都需要存儲(chǔ)該值采集的時(shí)間戳。如果按照模擬信號(hào)的存儲(chǔ)方法，將每一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)當(dāng)作一個(gè)通道進(jìn)行存儲(chǔ)，會(huì)造成很大的磁盤(pán)空間浪費(fèi)。而且一個(gè)數(shù)據(jù)塊中也只能放一個(gè)樣本（因?yàn)橐粋€(gè)數(shù)據(jù)快中的樣本要可以通過(guò)最初時(shí)間戳和采樣率進(jìn)行時(shí)間戳推算），這樣會(huì)大大降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率[10]。根據(jù)開(kāi)關(guān)信號(hào)和DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)各自的特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)采用了如下的解決方案，使得可以使用DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)。

采集系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)以UDP包的形式發(fā)給DAN發(fā)布者進(jìn)程。該UDP數(shù)據(jù)包的格式見(jiàn)表3。其中數(shù)據(jù)塊頭與模擬信號(hào)類(lèi)似，這是DAN歸檔系統(tǒng)所要求的。數(shù)據(jù)塊頭存儲(chǔ)該數(shù)據(jù)塊的一些基本信息，如最初時(shí)間戳、樣本數(shù)據(jù)維度、采樣率等。數(shù)據(jù)段5存儲(chǔ)的是實(shí)際的數(shù)據(jù)，由時(shí)間戳和0,1序列交替組成。時(shí)間戳為緊接著的0,1序列數(shù)據(jù)的采集時(shí)間，該0,1序列代表的是一組開(kāi)關(guān)信號(hào)的值，這一組開(kāi)關(guān)信號(hào)的每一個(gè)值的采集時(shí)間相同。數(shù)據(jù)段5中的數(shù)據(jù)在開(kāi)關(guān)信號(hào)的存儲(chǔ)過(guò)程中，被看成是兩個(gè)以上的虛擬通道數(shù)據(jù)。通道數(shù)據(jù)類(lèi)型為64位整型（HDF5文件中的每一個(gè)數(shù)據(jù)集中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類(lèi)型必須一致，并且所有通道的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)據(jù)集中）。第一個(gè)通道存儲(chǔ)時(shí)間戳，其余通道存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)信號(hào)，其余通道個(gè)數(shù)M取決于開(kāi)關(guān)信號(hào)的個(gè)數(shù)N，其余通道數(shù)M=N/64+1。因此，數(shù)據(jù)段5所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)看成是M+1通道的數(shù)據(jù)。然后按照存儲(chǔ)模擬數(shù)據(jù)的方法來(lái)存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)信號(hào)。

表3 開(kāi)關(guān)信號(hào)UDP數(shù)據(jù)包格式Table 3 Organization of UDP package comprised by switch signals.

本次實(shí)驗(yàn)中模擬了一套開(kāi)關(guān)信號(hào)采集程序。開(kāi)關(guān)信號(hào)的個(gè)數(shù)為2520個(gè)。因此存儲(chǔ)過(guò)程中每個(gè)樣本由41個(gè)通道復(fù)合而成，第一個(gè)通道數(shù)據(jù)為時(shí)間戳，第二個(gè)通道到第41個(gè)通道為開(kāi)關(guān)信號(hào)在該時(shí)刻的取值，其中第41個(gè)通道中低24位有效。由于在ITER極向場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與歸檔系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)分開(kāi)，所采集的數(shù)據(jù)值不會(huì)影響數(shù)據(jù)歸檔。本實(shí)驗(yàn)中假設(shè)所有開(kāi)關(guān)信號(hào)的變化規(guī)律一樣。對(duì)于每一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)的取值規(guī)律為 4個(gè)1和4個(gè)0交替變換。模擬采集程序每1 ms發(fā)送一個(gè)UDP包。每一個(gè)UDP數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段5中含有8個(gè)樣本（該值可根據(jù)緩沖大小進(jìn)行調(diào)整），即8個(gè)時(shí)間戳和其對(duì)應(yīng)的每個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)的采樣值。每秒鐘數(shù)據(jù)產(chǎn)生量可達(dá)到2.656M，相對(duì)實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)分鐘，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)準(zhǔn)確無(wú)誤。

2.2.2數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)

采用與模擬信號(hào)一樣的DAN 發(fā)布者進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和監(jiān)控。對(duì)于DAN API的配置文件需要重新生成，除了模擬信號(hào)中要描述的信息之外還應(yīng)該添加一個(gè)額外的屬性，用來(lái)描述開(kāi)關(guān)信號(hào)的個(gè)數(shù)。經(jīng)過(guò)通道虛擬之后，開(kāi)關(guān)信號(hào)的接收和存儲(chǔ)過(guò)程與模擬信號(hào)類(lèi)似。

2.2.3開(kāi)關(guān)信號(hào)的波形

由于在HDF5文件中所存儲(chǔ)的通道數(shù)據(jù)是虛擬的通道，實(shí)際存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)信號(hào)值只是一個(gè)二進(jìn)制位。因此對(duì)于第二個(gè)以后的虛擬通道中的數(shù)據(jù)都要進(jìn)行相應(yīng)的處理，解析出要訪(fǎng)問(wèn)的模擬信號(hào)的值。解析的步驟如下，所繪制的波形圖（部分）如圖8所示。

圖8 第0-19開(kāi)關(guān)信號(hào)波形Fig.8 Waveform of number 0-19 switch signals.

(1) 對(duì)于要訪(fǎng)問(wèn)的每一個(gè)實(shí)際的開(kāi)關(guān)信號(hào)（下標(biāo)從0開(kāi)始），首先取出X軸的數(shù)據(jù)，即時(shí)間，就是虛擬通道0中的數(shù)據(jù)；

(2) 然后判斷實(shí)際開(kāi)關(guān)信號(hào)位于哪一個(gè)虛擬通道中；

(3) 取出該虛擬通道的數(shù)據(jù)，并取出相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)值，即Y軸的數(shù)據(jù)；

(4) 按照X、Y軸的數(shù)據(jù)值進(jìn)行波形修復(fù)，將梯形波修復(fù)為方波；

(5) 若開(kāi)關(guān)信號(hào)沒(méi)訪(fǎng)問(wèn)完，則返回步驟(1)。

圖8中的X軸為開(kāi)關(guān)信號(hào)采集的納秒級(jí)時(shí)間戳（末尾的標(biāo)注1×108+1.4369789523×1018為時(shí)間戳的科學(xué)計(jì)數(shù)法，橫坐標(biāo)刻度2代表的實(shí)際時(shí)間戳為2×108+1.4369789523×1018ns），Y軸為該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)的值，0代表開(kāi)關(guān)無(wú)效即斷開(kāi)，1代表開(kāi)關(guān)閉合。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)表明，DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)可高效的存儲(chǔ)多通道模擬信號(hào)和開(kāi)關(guān)信號(hào)，可對(duì)信號(hào)進(jìn)行波形顯示。滿(mǎn)足ITER極向場(chǎng)變流器數(shù)據(jù)歸檔的要求。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，掌握了DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)的使用，也驗(yàn)證了DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)的可靠性與合理性。為更好地將DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)應(yīng)用于ITER PF變流器控制系統(tǒng)以及其他的控制系統(tǒng)做了鋪墊。

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Application of ITER data archiving system for PF control system

SHAN Feng1FU Peng1,2HUANG Liansheng2GAO Ge2
1(College of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)
2(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Background:International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) is the largest superconducting Tokamak device in the world. CODAC (Control, Data Access and Communication) system has been adopted as the central control system for ITER device. This system provides ITER subsystems with many tools to design and develop its own sub-control system. ITER device will produce a larger number of experimental data during its operation. Fast data acquisition and large volume of data can bring great difficulty to control system.Purpose:This study aims to design and implement a data archiving system for Poloidal Field (PF) control to archive these data effectively in time, and provide some way to check the data.Methods:Data Archiving Network (DAN) of CODAC is employed to implement an effective data archiving system for ITER PF control system, and a program to do data lookup is designed using Python. Necessary experiments to simulate the PF system were performed to test this data archiving system flexibly.Results and Conclusion:Experimental results show that this data archiving system can store experimental data effectively.

ITER, CODAC, HDF5, Data archiving, DAN

SHAN Feng, female, born in 1992, graduated from Anhui University in 2013, master student, research area is computer automatic control

TP274.2

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.120401

科技部國(guó)際合作項(xiàng)目(No.4.1.P2.CN.01)：ITER計(jì)劃極向場(chǎng)變流器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)及國(guó)內(nèi)集成

單鳳，女，1992年出生，2013年畢業(yè)于安徽大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)自動(dòng)控制

Supported by Design and Integrate of ITER Polodial Field Convert System in China (No.4.1.P1.CN.01)

2015-07-15，

2015-11-16

CLCTP274.2