ITER數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)的應(yīng)用

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（中國科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031）

國際熱核實驗堆(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裝置及其各個子系統(tǒng)提供了豐富的控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)工具。ITER極向場整流器系統(tǒng)作為其子系統(tǒng)之一在運行的過程中會產(chǎn)生大量的實驗數(shù)據(jù)，大量數(shù)據(jù)的高速采集給數(shù)據(jù)的存儲造成很大的困難，其控制系統(tǒng)需要及時地將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲，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)對極向場控制系統(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。

國際熱核實驗堆，中央控制系統(tǒng)CODAC，HDF5，數(shù)據(jù)歸檔，DAN

國際熱核聚變實驗堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)是為實現(xiàn)可控核聚變的一個國際性項目工程。由中國、歐盟、韓國、日本、俄國、美國、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裝置被劃分為多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都交由相應(yīng)的成員國來進(jìn)行制造和交付。各個子系統(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)開發(fā)的軟件包。它在遵循ITER標(biāo)準(zhǔn)的同時，為控制系統(tǒng)開發(fā)者提供了軟件開發(fā)和測試所需的環(huán)境。CODAC Core System基于實驗物理和控制系統(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實驗過程中產(chǎn)生的高吞吐量的實驗數(shù)據(jù)。

ITER極向場(Poloidal Field, PF)共有6個線圈，共需要14個變流器單元(Poloidal Field Converter Unit, PFCU)來為其供電[3]，所有的變流器單元具有相同的設(shè)計，其電路拓?fù)鋱D如圖1所示。

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

整個ITER極向場變流器的整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。對于第一個線圈PF1和第六個線圈PF6分別需要一個變流器單元為其供電。其余線圈需要三個變流器單元串聯(lián)為其供電。每個線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量為224個模擬信號和2520個開關(guān)信號。其中，模擬信號采樣率為5 kHz，開關(guān)信號變化采樣。

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

每一個變流器都需要本地控制器。在ITER極向場整流器數(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和開關(guān)信號），并將數(shù)據(jù)存儲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)庫服務(wù)器中進(jìn)行存儲和處理。

整個極向場數(shù)據(jù)采集和歸檔系統(tǒng)采用分布式采集，集中存儲的方式。數(shù)據(jù)歸檔無需考慮數(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，并提供一定的方式來處理分析數(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)的一臺計算機(jī)）上的一組模塊，即本地的DAN發(fā)布者進(jìn)程和一個DAN發(fā)送者進(jìn)程（收集本地數(shù)據(jù)，并通過DAN網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程的ITERDB）[4]；一個DAN存儲服務(wù)器用來接收傳送者發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入HDF5 (Hierarchical Data Format)文件中；一個數(shù)據(jù)訪問庫和一組繪圖器來檢索數(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)涉及到多個專有名詞，各個名詞的含義如下：

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

(2) DAN發(fā)布者：系統(tǒng)中的一個進(jìn)程，負(fù)責(zé)在DAN API中注冊新的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，再從數(shù)據(jù)緩沖中獲得實際的可用數(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，使得多個進(jìn)程均可訪問數(shù)據(jù)緩沖。

(4) DAN發(fā)送者：系統(tǒng)中的一個進(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。

(5) DAN訂閱者：本地linux進(jìn)程，訂閱一個或者多個數(shù)據(jù)源，并訪問數(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，并且為各個模塊提供了訪問數(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)，見圖3。DAN Client從不同的數(shù)據(jù)源(source)中獲得要存儲的數(shù)據(jù)，DAN存儲服務(wù)器則負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲在HDF5文件中?？蛻舳撕头?wù)器之間是通過DAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，該網(wǎng)絡(luò)使用一個基于TCP/IP的專用的協(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。一個數(shù)據(jù)發(fā)布者可以負(fù)責(zé)監(jiān)控多個數(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DAN API為數(shù)據(jù)源分配一個新的數(shù)據(jù)緩沖（如快速控制器2）。每一個快速控制器上，只有一個DAN 發(fā)送者，發(fā)送者是訂閱者的一種，訂閱了一個或者多個DAN數(shù)據(jù)源，并將數(shù)據(jù)通過DAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到DAN服務(wù)器上。

DAN Server負(fù)責(zé)接收并存儲數(shù)據(jù)，詳見§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)歸檔過程中的要存儲的數(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流是來自于同一個數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)塊的臨時有序的集合，這些數(shù)據(jù)塊共享相同的流屬性和通道屬性。一個DAN數(shù)據(jù)模型由三個部分組成：流元數(shù)據(jù)頭、每個通道元數(shù)據(jù)頭和一組數(shù)據(jù)塊。流元數(shù)據(jù)頭包含了一系列強制性屬性和用戶自定義屬性，用來描述數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。強制屬性包括數(shù)據(jù)源標(biāo)識符、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)版本、流的類型、數(shù)據(jù)類型（每一個通道數(shù)據(jù)的類型）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。用戶自定義元數(shù)據(jù)給用戶提供了很高的靈活性，用戶可以根據(jù)自身實驗的需要自行添加。

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：時間戳（該數(shù)據(jù)塊中第一個樣本采集的時間，相對于流元數(shù)據(jù)中的初始時間）、采樣率（樣本的采樣率）、數(shù)據(jù)維度（樣本中每一個通道數(shù)據(jù)的維度）、樣本數(shù)（該數(shù)據(jù)塊中有多少樣本）、以及用戶擴(kuò)展的數(shù)據(jù)塊頭屬性。數(shù)據(jù)塊中的每一個樣本的時間戳都可以根據(jù)該數(shù)據(jù)塊頭中的最初時間戳和采樣率來進(jìn)行推算。數(shù)據(jù)塊之間是相互獨立的。根據(jù)數(shù)據(jù)塊頭的信息可以在線性時間內(nèi)讀取到所存儲的數(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)用而成的一個通道數(shù)據(jù)序列。

1.4 DAN流的存儲與訪問

DAN數(shù)據(jù)歸檔服務(wù)器負(fù)責(zé)接收多個發(fā)送者發(fā)來的流數(shù)據(jù)。在使用歸檔進(jìn)程時，需要通過配置文件對其進(jìn)行配置。目前CODAC 5.0版本中，屬于同一個流的數(shù)據(jù)存儲在同一個HDF5文件中[5]。采用HDF5文件作為數(shù)據(jù)存儲的好處是：數(shù)據(jù)存儲方法靈活，支持標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型和自定義類型；具有線型數(shù)據(jù)訪問性能，顯著的流數(shù)據(jù)存儲率；靈活的數(shù)據(jù)壓縮框架；API支持C、C++、Fortran、java等多種語言[6]；線程安全；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，HDF5更能滿足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)于一個容器，被組織成一個類似于Linux文件系統(tǒng)的樹形結(jié)構(gòu)，如圖5所示。容器中包含了多種數(shù)據(jù)對象：組、數(shù)據(jù)集、屬性、數(shù)據(jù)空間、數(shù)據(jù)類型。其中，最基本的數(shù)據(jù)對象是組和數(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.

組可以看作是一個集合，包含一個或者多個組或者數(shù)據(jù)集，不存儲實際數(shù)據(jù)，相當(dāng)于路徑的作用。

數(shù)據(jù)集是一個多維數(shù)組，數(shù)組的形狀由數(shù)據(jù)空間進(jìn)行描述。數(shù)據(jù)集中的元素是一個單獨的數(shù)據(jù)單元，它可以是單個數(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)集維度大小沒有限制，支持很多通用數(shù)據(jù)類型，并支持用戶自定義的數(shù)據(jù)類型。

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

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

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

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

2 實驗過程和結(jié)果

2.1 模擬信號的存儲及顯示

2.1.1信號的采集

模擬一套模擬信號產(chǎn)生程序，產(chǎn)生224個通道模擬信號，信號的采樣率為5 kHz（與現(xiàn)有的采集程序的采樣率相同）。由于ITER極向場變流器控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集與歸檔分開，數(shù)據(jù)歸檔無需考慮采集的細(xì)節(jié)，信號的值不影響歸檔。本模擬實驗中，將所有的通道信號均設(shè)為幅值2.0，周期10 ms的正弦信號。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。本實驗中，數(shù)據(jù)包被分為5段，每段所存儲的數(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.

每一個樣本為224個通道數(shù)據(jù)組成的一個一維數(shù)組，通道數(shù)據(jù)類型為浮點型。每個通道每次只產(chǎn)生一個數(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)類型為浮點型。采樣率為雙精度浮點型。最初時間戳為第一個樣本的采集時刻，數(shù)據(jù)類型為64整型，該時間戳使用的是UTC時間，即距離1970年1月1日，00:00:00時的納秒時間。該數(shù)據(jù)塊中的其余樣本可以根據(jù)時間戳和采樣率來計算采樣時刻。

模擬數(shù)據(jù)采集程序每2 ms發(fā)送一次UDP包，每個UDP包含有10個樣本（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

使用DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)，需要有一個發(fā)布者進(jìn)程、發(fā)送者進(jìn)程和歸檔寫進(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數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)發(fā)布者與傳送者需要通過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)程會自動啟動，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UDP包看作是一個數(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，然后寫入為該數(shù)據(jù)源分配的緩存當(dāng)中，數(shù)據(jù)寫入后將會通知傳送者來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DAN發(fā)布者程序。運行發(fā)布者進(jìn)程之前，要確保數(shù)據(jù)歸檔寫進(jìn)程和發(fā)送者進(jìn)程已經(jīng)啟動。數(shù)據(jù)歸檔寫進(jìn)程通過命令dan_archiver_writer start命令進(jìn)行啟動[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)械費用。減少不必要的開支，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。通過良好的工程計量對項目所用的材料等進(jìn)行估量，以減少材料的浪費。

圖7 模擬信號波形Fig.7 Waveform of archived analog signal.

從HDF5文件中讀取每一個通道的數(shù)據(jù)，并使用python中的pyplot子庫繪制波形。每通道數(shù)據(jù)均正確存儲并繪制。圖7中X軸為所采集樣本數(shù)據(jù)的序列號，從0開始標(biāo)號，圖7中顯示的是第9200-9900個樣本，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，且周期采集樣本數(shù)為50個?？梢娛褂肈AN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)可以準(zhǔn)確無誤地存儲多通道高采樣的模擬信號。

2.2 開關(guān)信號的存儲和顯示

2.2.1開關(guān)信號的采集

DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)的最初目的是存儲高吞吐量的模擬數(shù)據(jù)，對于開關(guān)信號并未給予相應(yīng)的解決方案。對于開關(guān)信號的值，采集系統(tǒng)使用一個bit來存儲相應(yīng)開關(guān)信號的值。并且對于一個開關(guān)信號，沒有固定的采樣率，無法通過最初時間戳和采樣率來推算該開關(guān)信號的下一個數(shù)據(jù)的采樣時刻。因此對于每一個開關(guān)信號值都需要存儲該值采集的時間戳。如果按照模擬信號的存儲方法，將每一個開關(guān)信號當(dāng)作一個通道進(jìn)行存儲，會造成很大的磁盤空間浪費。而且一個數(shù)據(jù)塊中也只能放一個樣本（因為一個數(shù)據(jù)快中的樣本要可以通過最初時間戳和采樣率進(jìn)行時間戳推算），這樣會大大降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率[10]。根據(jù)開關(guān)信號和DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)各自的特點。本實驗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)來存儲開關(guān)信號數(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)包的格式見表3。其中數(shù)據(jù)塊頭與模擬信號類似，這是DAN歸檔系統(tǒng)所要求的。數(shù)據(jù)塊頭存儲該數(shù)據(jù)塊的一些基本信息，如最初時間戳、樣本數(shù)據(jù)維度、采樣率等。數(shù)據(jù)段5存儲的是實際的數(shù)據(jù)，由時間戳和0,1序列交替組成。時間戳為緊接著的0,1序列數(shù)據(jù)的采集時間，該0,1序列代表的是一組開關(guān)信號的值，這一組開關(guān)信號的每一個值的采集時間相同。數(shù)據(jù)段5中的數(shù)據(jù)在開關(guān)信號的存儲過程中，被看成是兩個以上的虛擬通道數(shù)據(jù)。通道數(shù)據(jù)類型為64位整型（HDF5文件中的每一個數(shù)據(jù)集中所存儲的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型必須一致，并且所有通道的數(shù)據(jù)存儲在一個數(shù)據(jù)集中）。第一個通道存儲時間戳，其余通道存儲開關(guān)信號，其余通道個數(shù)M取決于開關(guān)信號的個數(shù)N，其余通道數(shù)M=N/64+1。因此，數(shù)據(jù)段5所存儲的數(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)。然后按照存儲模擬數(shù)據(jù)的方法來存儲開關(guān)信號。

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

本次實驗中模擬了一套開關(guān)信號采集程序。開關(guān)信號的個數(shù)為2520個。因此存儲過程中每個樣本由41個通道復(fù)合而成，第一個通道數(shù)據(jù)為時間戳，第二個通道到第41個通道為開關(guān)信號在該時刻的取值，其中第41個通道中低24位有效。由于在ITER極向場數(shù)據(jù)采集與歸檔系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集與存儲分開，所采集的數(shù)據(jù)值不會影響數(shù)據(jù)歸檔。本實驗中假設(shè)所有開關(guān)信號的變化規(guī)律一樣。對于每一個開關(guān)信號的取值規(guī)律為 4個1和4個0交替變換。模擬采集程序每1 ms發(fā)送一個UDP包。每一個UDP數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段5中含有8個樣本（該值可根據(jù)緩沖大小進(jìn)行調(diào)整），即8個時間戳和其對應(yīng)的每個開關(guān)信號的采樣值。每秒鐘數(shù)據(jù)產(chǎn)生量可達(dá)到2.656M，相對實際應(yīng)用來說已經(jīng)足夠。實驗進(jìn)行數(shù)分鐘，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲準(zhǔn)確無誤。

2.2.2數(shù)據(jù)的接收和存儲

采用與模擬信號一樣的DAN 發(fā)布者進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和監(jiān)控。對于DAN API的配置文件需要重新生成，除了模擬信號中要描述的信息之外還應(yīng)該添加一個額外的屬性，用來描述開關(guān)信號的個數(shù)。經(jīng)過通道虛擬之后，開關(guān)信號的接收和存儲過程與模擬信號類似。

2.2.3開關(guān)信號的波形

由于在HDF5文件中所存儲的通道數(shù)據(jù)是虛擬的通道，實際存儲開關(guān)信號值只是一個二進(jìn)制位。因此對于第二個以后的虛擬通道中的數(shù)據(jù)都要進(jìn)行相應(yīng)的處理，解析出要訪問的模擬信號的值。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開關(guān)信號波形Fig.8 Waveform of number 0-19 switch signals.

(1) 對于要訪問的每一個實際的開關(guān)信號（下標(biāo)從0開始），首先取出X軸的數(shù)據(jù)，即時間，就是虛擬通道0中的數(shù)據(jù)；

(2) 然后判斷實際開關(guān)信號位于哪一個虛擬通道中；

(3) 取出該虛擬通道的數(shù)據(jù)，并取出相應(yīng)的開關(guān)信號值，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) 若開關(guān)信號沒訪問完，則返回步驟(1)。

圖8中的X軸為開關(guān)信號采集的納秒級時間戳（末尾的標(biāo)注1×108+1.4369789523×1018為時間戳的科學(xué)計數(shù)法，橫坐標(biāo)刻度2代表的實際時間戳為2×108+1.4369789523×1018ns），Y軸為該時刻對應(yīng)的開關(guān)信號的值，0代表開關(guān)無效即斷開，1代表開關(guān)閉合。

3 結(jié)語

實驗表明，DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)可高效的存儲多通道模擬信號和開關(guān)信號，可對信號進(jìn)行波形顯示。滿足ITER極向場變流器數(shù)據(jù)歸檔的要求。通過本次實驗，掌握了DAN數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)的使用，也驗證了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

科技部國際合作項目(No.4.1.P2.CN.01)：ITER計劃極向場變流器電源系統(tǒng)設(shè)計及國內(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)域為計算機(jī)自動控制

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