柴文婷,肖炳甲,袁旗平,陳大龍

1(中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 等離子體物理研究所,合肥 230031)

2(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230026)

EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)核聚變實驗裝置是我國自主研發(fā)的全超導(dǎo)的托卡馬克[1].EAST 裝置包括真空,低溫,快控,輔助加熱等十余個子系統(tǒng),EAST物理試驗中,由于雜質(zhì)輻射、磁流體不穩(wěn)定性以及垂直位移事件會導(dǎo)致放電瞬間停止,釋放出大量的儲能和磁能[2,3],期間產(chǎn)生的熱負(fù)荷和電磁負(fù)荷會對第一壁造成極大的破壞,威脅著整個裝置的安全,因此破裂炮的判定及破裂數(shù)據(jù)的提取尤為重要.

EAST運行期間,操作人員使用等離子體控制系統(tǒng)(PCS)設(shè)置參數(shù)的目標(biāo)值,待到放電結(jié)束時和診斷系統(tǒng)采集的各個子系統(tǒng)的放電參數(shù)一并存儲到對應(yīng)的MDSplus 數(shù)據(jù)庫中[4–7],因此通過對 MDSplus讀取和分析,可以獲得破裂判定的關(guān)鍵參數(shù)信息.

為了使實驗人員遠(yuǎn)程參與并實時的查詢和記錄實驗數(shù)據(jù),EAST聚變實驗室有很多有用的Web工具.EAST實驗日志評論系統(tǒng)Logbook能夠?qū)崟r的獲取等離子體放電信息,并提供分析評論的平臺,該系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取工程實驗數(shù)據(jù)、測量診斷數(shù)據(jù)、PCS控制數(shù)據(jù)等,同時實驗人員可以對每一炮進行評論標(biāo)注,記錄該炮的輔助加熱,等離子體是否破裂,放電是否完整等情況[8].基于Web的放電方案管理系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立了PCS中預(yù)設(shè)的放電方案及實際放電方案的信息管理,運用 C 語言,MDSplus,PHP 技術(shù)提取預(yù)設(shè)和實際放電方案參數(shù)并提供快速查找,審核及日程管理等功能[5],但目前并沒有提供放電破裂情況和基本波形顯示的功能.

本論文以放電方案管理系統(tǒng)為基礎(chǔ),對其進行功能擴充,增加了破裂信息和等離子體關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)設(shè)值和實際值波形顯示與對比功能,從而減少了Logbook上需要手動記錄的繁瑣性.

1 EAST 實驗炮的破裂判定

為了便于實驗人員對歷史數(shù)據(jù)炮破裂情況的篩選分析,我們將 EAST 實驗炮大致分成 3 種類型: 1) 破裂炮 (Disruption),即依據(jù)1.1章中的破裂判定條件篩選出的實驗炮.2) 完整的放電炮 (Full discharge),即等離子體電流經(jīng)歷了完整的脈沖放電的實驗炮.3) 其他炮(Other),除掉以上兩種情況以外的實驗炮,一般指的是等離子體未擊穿或者是小電流短脈沖放電.

1.1 破裂炮的判定

在EAST運行期間,等離子體破裂是指等離子體在放電期間快速熄滅的過程,一般分為: 熱猝滅和電流猝滅,如圖1所示,虛線所示的芯部軟X射線的溫度反映的是等離子體的溫度,在破裂發(fā)生后的1 ms內(nèi)等離子體溫度降到最低,這段期間的等離子電流(實線)表現(xiàn)出熱猝滅過程,當(dāng)?shù)入x子體能量在極短時間內(nèi)坍塌到第一壁后,壁雜質(zhì)就會濺射至等離子體中,造成等離子體電阻升高,電流減小,這一過程稱為電流猝滅.

破裂期間,從等離子體中釋放出的熱能對第一壁造成燒蝕危害,電流猝滅期間引起的halo電流、渦流會對真空室部件帶來強大的電磁力,嚴(yán)重威脅著內(nèi)部部件的安全.因此開展破裂數(shù)據(jù)分析,從大量的放電歷史實驗數(shù)據(jù)中尋找破裂炮,建立破裂數(shù)據(jù)庫存儲破裂及等離子體參數(shù)信息對科研人員順利開展破裂分析以及破裂預(yù)測有著重要的意義.

圖1 破裂期間等離子體電流 (實線)演化情況,芯部軟 X 射線演化(虛線)

目前EAST上破裂條件根據(jù)等離子體電流(IP)來判斷得出,我們制定了6個基本條件來判斷破裂是否發(fā)生,分別是:

(1)Tdischarge>0.6 s: 即放電時間長度大于 0.6 s.EAST是長脈沖放電,因此需要排除放電時間小于0.6 s的短脈沖.

(2)TCQ<50 ms: 電流猝滅時間TCQ應(yīng)小于 50 ms.

(3) |IPfinal|<100 KA: 破裂發(fā)生 15 ms后電流絕對值|IPfinal|要小于100 KA,此條件是為了排除小的破裂.

(4) |IP0|>100 KA: 破裂時刻電流絕對值|IP0|要大于100 KA,此條件是為了排除等離子電流比較小的破裂.

(5) |IPmax|>200 KA: 整個過程中等離子電流的絕對最大值|IPmax|應(yīng)大于200 KA,此條件是為了排除小電流炮.

(6)IP0/IPmax>1/3: 等離子體電流在下降階段也會發(fā)生破裂,為了排除破裂時刻過晚的放電,我們規(guī)定破裂時刻電流值IP0要大于最大電流IPmax的1/3.

1.2 完整放電炮的判定

對于一次完整的放電,等離子體電流會在0時刻開始,按照預(yù)設(shè)的目標(biāo)值,經(jīng)歷建立、爬升、平頂和下降四個階段.圖2所示為2017年第一輪實驗中的75 680 炮的 IP 電流,該炮在 1.4 s 左右進入平頂段,IP電流約 400 KA,7.9 s 左右進入下降段,9.7 s 左右結(jié)束放電.

從1.1節(jié)中破裂判定條件來看,條件(2)、(3)、(4)、(6)是判斷一次等離子放電是否破裂的必要條件,而條件(1)、(5)則是限定了算法判定的范圍.對于EAST而言,一次完整放電的放電長度Tdischarge一般大于 0.6 s,電流平頂段的最大值IPmax大于 200 KA,而在對于破裂炮的判定時,系統(tǒng)對于Tdischarge大于0.6 s、IPmax大于 200 KA 的炮都進行了破裂判定,因此,我們規(guī)定當(dāng)Tdischarge大于0.6 s并且IPmax大于200 KA時,除去破裂炮之外的炮都是完整的放電炮.

圖2 完整放電情況下的等離子體電流

本文將破裂炮和完整的放電炮以外的炮稱為其他(Other)類型的炮,一般是一些無效炮,小電流破裂炮等.

1.3 具體實現(xiàn)描述

根據(jù)1.1和1.2所描述的破裂炮和完整放電炮的判定條件可以得出判定的關(guān)鍵是對實驗炮的IP電流進行數(shù)據(jù)提取和分析.對于EAST的每一炮放電,采集系統(tǒng)都會實時的采集各個子系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)信息并按類別存入MDSplus數(shù)據(jù)庫中.

Matlab具有高效的數(shù)據(jù)計算功能,而且能夠通過接口文件方便的存取MDSplus和MySQL.因此我們選用Matlab工具讀取IP電流并按照1.1和1.2中的條件編寫程序進行關(guān)鍵參數(shù)的提取和判定,最后將關(guān)鍵參數(shù)和判定結(jié)果存入MySQL數(shù)據(jù)庫中,然后利用Web技術(shù)顯示在界面上,每一次放電結(jié)束后程序自動運行,數(shù)據(jù)庫自動更新,在本文中需要使用的主要參數(shù)有: 炮號,評定結(jié)果 (破裂炮,完整放電炮或其他炮),破裂時刻電流值,破裂時刻.

具體實現(xiàn)過程如圖3所示.功能界面見3.1節(jié).

圖3 破裂判定的實現(xiàn)過程

2 Dygraphs實現(xiàn)波形的對比顯示

EAST每一次放電結(jié)束后,等離子體電流和密度等參數(shù)都會按照指定的類目存入MDSplus,為了更加直觀的顯示出等離子放電過程中尤其是破裂情況下預(yù)設(shè)參數(shù)值與實際參數(shù)值的波形對比情況,采用PHP技術(shù)讀取 MDSplus中各個波形的參數(shù),并轉(zhuǎn)換成Dygraphs顯示數(shù)據(jù)的格式,然后用Dygraphs繪制出帶對比顯示功能的圖表.具體過程如圖4所示.

圖4 波形對比顯示的實現(xiàn)過程

2.1 圖表繪制框架Dygraphs

Dygraphs是一個快速,靈活,開源的 JavaScript圖表繪制插件[9],用于生成可與用戶交互的、可縮放的時間表,可以用來顯示密集數(shù)據(jù)集,用戶可以方便的瀏覽和查看數(shù)據(jù): 可以高亮需要強調(diào)的數(shù)據(jù)集; 可以使用鼠標(biāo)點擊或者用鼠標(biāo)拖動來縮放圖表; 可以修改數(shù)值或者點擊條目來調(diào)整平均周期.Dygraphs支持多種格式的數(shù)據(jù)顯示,可接收的數(shù)據(jù)類型有: CSV data,URL,array(native format),function,Data Table.

Dygraphs還支持將多個x-value相互獨立的數(shù)據(jù)集在同一坐標(biāo)系顯示的功能.方法是對所有數(shù)據(jù)集中的x-value都指定y-value,對于一個數(shù)據(jù)集中有yvalue的x-value,給其余在x-value這一時間點上沒有值的數(shù)據(jù)集賦值null.如圖5所示,兩個獨立的數(shù)據(jù)集A和B,必須轉(zhuǎn)換成圖示的array形式,即對沒有值的位置賦null值,就可顯示出如圖5所示的圖表.

2.2 波形參數(shù)的獲取及格式化

IP和Density的預(yù)設(shè)值是采用PCS手動繪制離散點后系統(tǒng)自動插值得到的波形,數(shù)據(jù)量在6個點左右,而其實際值是經(jīng)過高速采集系統(tǒng)(頻率約250 KHZ)采集得到,因此一次放電會產(chǎn)生幾萬個數(shù)據(jù)點.為了使這兩個差距較大的數(shù)據(jù)集共同顯示在一個圖表上,我們選取了array作為數(shù)據(jù)類型,采用類似順序表合并的算法[10],將兩個數(shù)據(jù)集合并成圖5所示的array形式.

算法實現(xiàn)采用PHP技術(shù),流程如圖6所示.其中n1和n2分別代表兩個數(shù)據(jù)集的總點數(shù),time和value數(shù)組分別代表數(shù)據(jù)集的x-value和y-value,Data是最終需要的合并后的數(shù)據(jù)集.得到Data后,就可以按照Dygraphs插件的格式要求顯示出來,具體結(jié)果見第3部分.

圖5 兩個獨立數(shù)據(jù)集的顯示

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 破裂信息的顯示

圖7是放電方案管理系統(tǒng)中歷史炮的參數(shù)信息顯示界面,包括等離子體電流 (IP),位形 (Shape),密度(Density),放電長度 (Pulse),一些波加熱參數(shù) (ECRH,ICRF,NBI,LHW)和破裂參數(shù)等.圖中圈出部分為破裂相關(guān)信息,其中Disruption表示是否是破裂炮,Disruption time為破裂時刻,另外Evaluate為破裂評定結(jié)果,一般有三種取值: Plasma died at ‘disruption time’s,Full discharge,Other.

圖7 歷史炮的信息顯示界面

3.2 預(yù)設(shè)值和實際值的波形對比顯示

采用Dygraphs圖表繪制插件將波形繪制到前端頁面,首先需要在頁面載入dygraph.js和dygraph.css,然后將2.2部分得到的Data數(shù)組生成Dygraphs對象,此外,我們還添加了波形的顯示和隱藏功能,以IP為例生成對象的代碼如下所示,對應(yīng)生成的圖表如圖8所示.

圖8 Dygraphs對比顯示預(yù)設(shè)參數(shù)和實際參數(shù)

本文選取了IP和Density這兩個參數(shù),圖8中75655是破裂炮,75677是一次完整的放電炮,實際值和預(yù)設(shè)值分別用實線和虛線畫出,‘pcrl01’和‘IP’ 分別代表等離子體電流的實際值和預(yù)設(shè)值,‘dfsdev’和‘density’分別代表密度的實際值和預(yù)設(shè)值.

為了用戶能夠方便的查看數(shù)據(jù),我們還提供了波形的顯示與隱藏功能,見圖中的Show series復(fù)選框,圖8(d) 是隱藏了預(yù)設(shè)值的效果圖.此外,用戶還可以運用此插件提供的局部縮放功能更方便的查看數(shù)據(jù).

4 結(jié)語

本文通過MDSplus技術(shù)讀取破裂參數(shù),然后應(yīng)用Matlab設(shè)計算法進行破裂判定,最后采用主流的Web技術(shù)展示破裂參數(shù)信息.基于Web的EAST破裂參數(shù)的計算與顯示功能的設(shè)計與實現(xiàn)能夠?qū)AST實驗炮的破裂情況進行判別分類、自動記錄和顯示,尤其是運用Dygraphs繪制的預(yù)設(shè)置和實際值的對比圖,能夠更加直觀的反映破裂狀態(tài).作為放電方案管理系統(tǒng)的重要部分,該功能的實現(xiàn)使得實驗人員不用手動記錄破裂情況,同時更加便捷直觀的查看破裂電流和密度,提高了實驗運行效率.

參考文獻

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3陳大龍.EAST裝置上halo電流實驗性研究[博士學(xué)位論文].北京: 中國科學(xué)院大學(xué),2015.

4袁旗平.基于Linux集群架構(gòu)的等離子體控制系統(tǒng)[博士學(xué)位論文].合肥: 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,2009.

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7黃文君,王華忠,楊飛,等.MDSplus 實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).測控技術(shù),2014,33(2): 16–19.

8楊飛.EAST 實驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)研究[博士學(xué)位論文].北京: 中國科學(xué)院研究生院,2011.

9http://dygraphs.com/.

10嚴(yán)蔚敏,吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) (C 語言版).北京: 清華大學(xué)出版社,2007.21–31.