上海光源储存环真空数据检索系统

孙小影 陈广花 刘以勇 陈建锋 蒋迪奎 戴志敏

(中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800)

上海光源(SSRF)是一台高性价比的中能第三代同步辐射光源，其能量仅次于美、日、欧的三台高能同步辐射光源，X射线的亮度和通量优化在用户最多的5–20 keV能区。SSRF包括150 MeV电子直线加速器、低能输运线、3.5 GeV增强器、高能输运线、3.5 GeV电子储存环和七条首期光束线[1]。

储存环中束流要保持长时间运行，真空环境的好坏至关重要。真空度欠佳会大大缩短束流寿命，甚至注入时束流根本无法累积而不能成功注入。同时，真空管道经充分的束流清洗后，储存环的束流寿命可大为延长。因此用运行数据分析研究储存环真空系统的运行状况，特别是真空管道的束流清洗情况，就十分重要。

该真空系统的运行状况诊断分析，需有完整的数据。本文基于EPICS建立了对储存环真空规压强读数、动态真空度、束流流强及束流寿命等数据的采集、存档及检索的系统。

1 系统的总体设计

1.1 系统平台与开发环境

EPICS广泛用于粒子加速器等大型实验物理装置，有分布式体系结构，用Client/Server和Publish/Subscribe模式按CA (Channel Access)网络协议进行计算机间的通信。服务器端通常为输入输出控制器(IOC)，运行在实时系统上，有基于记录的数据库处理输入和输出及本地控制任务。操作员接口(OPI)是EPICS的客户端，可运行在UNIX、GNU/Linux、Windows95及NT、VMS、VxWorks等多种平台上[2]。Channel Archiver是EPICS的通用数据存档工具集，它作为CA客户端能获得任何通过CA的数据存档，其核心是存档引擎Archive Engine[3]。

SSRF储存环真空数据检索系统用Channel Archiver工具包把真空压强、束流流强等读数存入历史数据库。数据库管理系统(RDBMS)采用微软公司的MS SQL Server2005软件。系统在Windows 2003 Server下运行，用ASP.NET/ADO作为数据库与上层用户交互的接口。用Microsoft Visual Studio 2005开发基于Web的接口程序，允许用户从不同联网计算机上检索数据。

1.2 系统总体设计

本系统分为数据获取、存档和检索等三部分，结构框图如图1。各部分设计功能为：(1) IOC运行数据，IOC通过串口与储存环的真空规控制器通信获取真空度等数据，数据以记录形式保存在IOC运行数据库中；(2) Channel Archiver存档数据，OPI上Channel Archiver程序根据配置文件将与真空相关的数据从IOC数据记录中获取并保存到文本文件中，然后对文本文件处理，将其导入 SQL Server 2005历史数据库中；(3) 基于 Web的数据检索，Web服务器中用ASP.NET技术生成和运行动态、交互、高性能的Web服务器应用程序，任务是接受用户的请求，并按其要求生成标准 Html页面送给客户端浏览器，达到人机交互的目的。下文介绍其具体功能。

图1 SSRF储存环真空数据检索系统结构框图Fig.1 Schematics of the vacuum data retrieval system for the SSRF storage ring.

2 数据库的设计及数据获取

2.1 数据库的设计

存储数据见表1，数据库的表结构见表2。

表1 SSRF储存环真空数据库的存档数据Table 1 Archive data of the vacuum database for the SSRF storage ring.

表2 SSRF储存环真空数据库的表结构Table 2 Table structure of the vacuum database for the SSRF storage ring.

2.2 数据获取

上述数据按 Sampled方式采样，即 Archive Engine按1 s周期性向CA server获取数据，存储到文件中；然后对文本文件处理，去掉无效的数据行和字符行，增加变量名这一列，改变时间数据的精度。因每个数据记录的时刻不严格同步，也不在整数秒边界上，因此须对数据作处理，将数据同步到同一时间序列上。处理方式是以整数秒的时间序列为基础，对每个数据项历史数据搜索 t0≤t＜t0+1时间段内最接近 t0的数据作为该数据项 t0时刻的数据；最后把处理后的文本文件数据批量导入到SQL Server 2005数据库表中。

3 系统功能

根据真空数据分析和机器研究需要，编写对已存入历史数据库的数据进行检索的程序。它提供了功能强大的数据检索和导出方法，用户可方便地通过Web方式查询真空系统的历史数据，并进行故障分析，还可将数据导出做离线的真空系统研究[4]。

3.1 程序的设计与实现

程序设计分为数据文件显示和下载、数据图显示和绘制图形的参数选择两个主要部分，具体参数有：

(1) 起始时间和结束时间的选择；

(2) 绘图的样式：可选择折线图、散点图或柱状图；

(3) 值域范围的选择；

(4) 数据检索方式：有均值和线性插值；当选取时间跨度过长、数据量过大时，检索数据和绘图都十分耗时，因此检索程序会用某种方法减少数据量。其中，均值法是将时间戳落在同一个时间段内的所有原始数据取平均值作为新数据，将此时间段的中点作为新数据的时间戳；线性插值法是把各时间段的边界作新数据的时间戳，用边界前后的两个原始数据通过线性插值求得位于边界处的数据作为新数据[5]。

3.2 数据检索与数据分析

3.2.1 动态真空度与束流流强的关系曲线

图2为2008年5月8日0:40:35–2008年5月9日0:40:35的储存环真空度和束流流强的关系曲线。真空度和束流流强可分别用points和lines绘图，以及average和linear长时间数据检索方式。

由于光电解吸作用，动态真空度和束流流强的大小密切相关，由图2，在并无突发性事件的时间段，动态真空度与束流流强基本呈线性关系。

图2 SSRF储存环真空度与束流流强的关系曲线Fig.2 The vacuum and beam current curves recorded on May 7–8, 2009 in the SSRF storage ring.

理论计算和实测曲线都表明，随动态真空度的改善，束流寿命会明显提高。

图3为2008年1月1日16:00:57读取的全环B-A规的真空度读数，与各B-A规相对应的通道名称见表3。

图3 SSRF全环B-A规压强分布曲线(各B-A规的对应通道名称见表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

用已存档数据分析真空管道束流清洗，储存环实际运行时，真空室材料的光电解吸的一个重要特征，是解吸气体的量随辐射光子累积照射剂量增加而降低，表现为随机器运行时间增加，动态真空逐渐改善，束流寿命随之增长，称之为束流清洗作用。目前大多实验室都用动态真空度变化与束流流强之比(P/I)代替解吸系数分析光电解吸大小。分析P/I和束流寿命I·τ随积分流强的变化得到真空管道束流清洗的情况。

由真空历史数据库中数据，2008年1月末，积分流强约为10.8 A·h、P=1.89×10–9T，I=99.5 mA、τ=11 h，至2010年5月末，积分流强约为1559 A·h、P=2.74×10–10T、I=142.5 mA、τ=35 h。随积分流强增加，P/I值减小一个量级，I·τ明显增长，可见真空管道的束流清洗作用明显。

表3 SSRF全环B-A规对应的通道名称Table 3 The names of channels connected to the B-A gauges for the SSRF storage ring.

4 结束语

SSRF储存环真空数据检索系统的设计与初步建立为储存环真空系统的研究和整个上海光源真空系统历史数据存档系统的建立提供了方法。基于Web方式的检索系统能方便研究人员进行故障分析，还可将数据导出做离线的真空系统研究。下一步工作是真空历史数据库的完整和真空数据分析程序的进一步完善等。

1 中国科学院上海应用物理研究所.上海光源初步设计.内部报告.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 杨世锡, 赵 辉.ASP+SQL Server动态网站开发从基础到实践.北京: 电子工业出版社, 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.合肥光源真空系统数据采集与分析.硕士学位论文.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