质子单粒子效应数据信息系统设计及实现

白小燕， 郭晓强， 王桂珍， 王忠明， 赵 雯， 刘敏波

(西北核技术研究所, 西安 710024)

借助信息化手段对辐照效应数据进行全寿命周期管理，可以极大地提高数据的完整性、规范性和可追溯性，提高管理效率和应用水平。美国的辐照效应数据库建设与辐照效应研究基本同步[1]，而我国近几年才开始重视辐照效应数据库的建设。西安200 MeV质子应用装置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility，XiPAF)建设之初，质子单粒子效应数据信息系统的建设就被列入相关研究项目中，是一项重要的研究内容。XiPAF是亚洲首台空间单粒子效应专用高能质子加速器，也是我国能量最高的质子单粒子效应模拟试验与考核专用装置。与中国航天科技集团有限公司五院的空间辐射效应数据库不同，质子单粒子效应数据信息系统紧紧围绕XiPAF进行开发建设，旨在把所有试验数据、与试验相关的信息和业务流程进行统一管理，实现数据管理规范化、历史数据可视化和试验过程流程化，提高试验数据的利用价值，提高科研试验的管理效率与应用水平，将在我国电子器件抗空间辐射领域发挥重要作用。本文主要从需求分析、系统设计及最终实现途径等3个方面对质子单粒子效应数据信息系统进行介绍。

1 需求分析

质子单粒子数据信息系统主要围绕在XiPAF上开展的质子单粒子试验全过程进行管理，核心目标是提供试验数据管理功能，并在此基础上实现试验全过程中各个阶段的流程管理和应具备信息录入、管理、利用等功能模块，全面满足信息化管理要求，提供一个准确一致的辐射效应试验数据资源库，提升XiPAF的服务水平及能力。为实现这一目标，质子单粒子数据信息系统必须满足多项需求，表1列出了需求清单。

表1 质子单粒子数据信息系统的需求清单

2 系统设计

系统设计遵循的约束条件为：

1) 系统外部接口符合SOAP通信协议。

2) 系统内部接口设计时要符合单一职责原则、开闭原则、替换原则、依赖倒置原则及接口隔离原则，以满足系统扩展性要求。

3) 数据库表设计要符合基本表的“四性”，即原子性、原始性、演绎性和稳定性。基本表与字段之间的关系，应该尽量满足第三范式，但需要在数据冗余和处理速度之间找到合适的平衡点，达到以空间换时间的目的，满足系统性能需求。

表1的6类需求中，资源管理、机时管理和试验管理是整个系统设计的核心。资源管理设计的关键是设计标准字段表[2]。机时管理和试验管理属于业务流程管理范畴，设计的关键是流程设计及与静态资源库建立动态关联，实现对静态资源的调配和新资源的入库。

2.1 资源管理设计

质子单粒子效应试验全过程涉及的信息资源主要包括试验单位、试验人员、仪器设备、标准规范、试验样品、试验结果及试验报告等7类资源。通过设置标准字段，对静态的信息资源进行管理[2]。标准字段的优势在于：1)提高信息的规范性和完整性；2)提高检索效率和准确度；3)增强不同数据库之间的兼容性。在设计标准字段的过程中，参考了中国航天科技集团有限公司五院的空间辐射效应数据库设计，保证该数据库与现有数据库的兼容性。表2列出了7类资源的标准字段设计。

2.2 机时管理设计

机时管理主要包括机时规划、机时申请、机时分配和机时发布4个环节，机时管理流程如图1所示。机时规划主要是XiPAF运行方结合任务情况给出质子单粒子效应试验的时间窗口，时间窗口可每年发布1～2次，机时规划完成后需经过审核才能送达用户手中。用户结合时间窗口和自己的任务计划选择适合自己的试验时间段，提出机时申请。XiPAF运行方在机时申请截止时间之后，结合不同用户的机时申请合理分配试验机时，经审核后发布机时分配方案。

表2 标准字段设计Tab.2 Design of standard fields for resource management

图1 机时管理流程Fig.1 Process for machine-time management

设计机时管理时考虑2种方案：1)机时管理业务在内网和外网同时布设，外单位用户直接登录外网进行访问；2)机时管理业务仅布设在内网，机时申请和机时发布环境均由指定人员通过邮件发送的方式通知外网用户。

机时管理4个环节中包含的字段及其设置，如表3所列。这4个环节的字段中均包含机时规划编码字段，是整个机时管理的唯一标识符。申请单位和申请人员等字段通过申请单位ID和申请人员ID与表1中的资源库建立关联。

表3 机时管理中的字段及其设置

2.3 试验管理设计

质子单粒子效应试验的全过程主要包括试验组织、试验分配、试验阶段及试验结果判定4个阶段。试验管理对这4个阶段进行管理，同时管理试验中产生的信息，图2为试验管理流程。用户在试验之前需要向运行方递交试验申请材料，运行方组织人力对材料进行审核，审核通过后，才能安排试验。线下试验实施完毕后，试验负责人需将本次试验的信息上传。当用户有试验报告的需求时，系统可根据上传的试验信息自动生成试验报告。试验负责人指定专人对生成的试验报告进行完善，并提交领导审核，通过审核的试验报告，才能加盖公章递交到用户手中。系统管理员或其指定的人员对上传的试验信息进行完备性检查，通过后，本次试验才能结束。信息系统需要提供方便快捷的流程定制功能，系统管理员可根据管理程序文件中确定的各种流程来设计流程与定义操作。

图2 试验管理流程Fig.2 Process for test management

在该系统中，同时实现对试验流程的管理和对试验中产生的信息管理是系统设计的关键。设计中，采用试验申请单实现对试验管理4个阶段的流程管理。试验申请单包含试验申请单位、试验时间、试验样品、试验方案、试验人员及试验结果等信息，试验申请单的字段设置如表4所列。通过机时编码将试验申请单中的试验申请单位和试验时间等信息与机时管理中的相关信息进行自动关联，申请人员在填写试验申请单时通过选择机时编码，即可实现对其他相关信息的录入。试验样品信息与试验样品的资源库通过样品ID建立关联。试验申请单中只显示试验样品的名称，但提供到试验样品的资源库查看该样品详细信息的链接。试验结果菜单中也仅显示试验名称，但可链接到试验结果的资源库中。试验结果的字段描述，如表2所列。试验结果菜单中包含试验报告部分。该系统能提供试验报告自动生成功能，可根据标准的试验报告模板进行数据库字段的绑定，可选择试验报告模板，也可自定义试验报告的格式和内容，通过审核的试验报告可自动进入试验报告库中。

表4 试验申请单的字段设置Tab.4 Design of standard fileds for test application form

3 质子单粒子效应数据信息系统实现

除XiPAF外，西北核技术研究所还拥有“强光一号”、“晨光号”、西安脉冲反应堆、钴源及“春雷号”等系列辐射效应模拟源，可开展瞬时电离辐射、中子、电离总剂量和电磁脉冲等效应试验。建设时，同时将这几种辐射效应也纳入管理之中。本文从平台环境、机时管理、试验管理及资源中心4个方面对已建成的数据信息系统进行介绍。

3.1 平台环境

数据信息系统的架构为B/S(browser/server)架构[3-4]，由浏览器和服务器组成。客户端是标准的浏览器，服务器为Web服务器加数据库服务器。浏览器将HTML代码转化为图文并茂的网页，网页具备一定的交互功能，允许用户在网页提供的申请表上输入信息提交给后台，并提出处理请求。后台的Web服务器将启动相应的进程响应用户的请求，并将处理结果返回给客户端的浏览器。如果客户端提交的请求包括数据的存取，Web服务器还需与数据库服务器协同完成相应的处理工作。与C/S架构相比，B/S架构具有系统开发、维护和升级的经济性，易于扩展，且简化了客户端，使用户的操作更加简单[5]。数据信息系统采用Oracle数据库。Oracle数据库一直处于行业领先地位，系统可移植性好，具有多平台兼容的特性，且具有完整的数据管理功能，数据保存的持久性相对稳定，可靠性和共享性好。数据信息系统的开发语言为Java。

3.2 机时管理

机时管理包括机时规划、机时申请、机时分配和机时发布。图3为机时规划界面，界面上可设置的选项有装置名称、规划开始和结束时间、申请截止时间、周末是否可用及占用开始和结束时间。用户不可以申请占用时间段内的机时。

图3 机时规划界面Fig.3 Interface for machine-time planning

由于目前数据信息系统仅能通过我单位的内网网页访问，因此在机时规划完成后，XiPAF的相关负责人会将机时规划通过邮件发给外网用户，之后将收到的用户申请导入数据信息系统。内网用户登录网页自己申请。在申请截止日期之后，XiPAF的相关负责人登录数据信息系统，结合用户的申请进行机时分配。当不同用户申请的机时发生冲突时，发生冲突的时间段会以红色标记，负责人通过线下沟通的方式协调不同用户的试验机时，最终完成机时分配并予以发布。内网用户可以登录系统查看自己的试验机时，外网用户会收到试验机时的通知邮件。当机时管理部分实现互联网访问后，XiPAF的机时管理将更快捷、更高效。

3.3 试验管理

试验管理不仅包含流程管理，还包括试验信息管理。整个流程以试验申请单在不同人员之间流动的方式进行管理。图4为试验申请单界面，界面上显示了委托方信息、试验信息、附件信息、样品信息及流程记录等内容。数据信息系统提供方便快捷的流程定制功能，具有权限的用户通过拖拽界面可定义审批节点，每个审批节点可设置相关审批人员，建立的流程必须发布为正式状态，才能被使用。图5为试验管理流程设计界面。

图4 试验申请单界面Fig.4 Interface for test application

图5 试验管理流程设计界面Fig.5 Process design interface for test management

在收到试验机时批复的通知后，用户应尽早递交试验相关材料，包括试验样品、试验方案及试验规范等信息。XiPAF运行方会登录该系统提交试验申请单，线上组织效应负责人及装置运行负责人对试验相关材料进行审核，通过审核后会指定相关人员负责试验安排。试验负责人在线下组织实施试验，同时在线上通过试验申请单生成试验管理窗口用于试验信息的录入。图6为试验管理界面，界面上的试验信息主要有试验样品、辐射环境、试验人员、试验设备、试验标准、原始数据、结果数据、试验报告、试验附件、试验权限及操作日志等。对于试验样品、试验人员、试验设备及试验标准等信息，信息录入员可链接到相应的资源库通过添加的方式录入这些信息，方便快捷。对于资源库中未记录的信息，可通过新建的方式录入，信息一经录入，就会同时进入相关的资源库中。图7为试验报告界面。在信息录入完毕后，可进入试验报告界面，系统自动生成试验报告。试验报告撰写人员可下载生成的试验报告，并将完善后的试验报告上传。试验附件部分可上传试验过程中的录音和录像等音像资料及其他需要记录的资料。试验权限是确定不同层级人员对试验信息的操作权限，这些权限主要包括读取、修改、下载和删除等。

图6 试验管理界面Fig.6 Interface for test management

所有的相关信息录入完毕后，试验负责人将试验申请单流转给信息审核员，信息审核员会对信息的完整性进行审核，通过审核后，试验才能结束。如果要出具试验报告，试验申请单同时会流转给报告审核员，报告审核员会对试验报告进行审核，通过审核的试验报告经打印盖章递交到用户手中，并进入试验报告库。

图7 试验报告生成界面Fig.7 Test report generation interface

3.4 资源中心

数据信息系统收集与辐照效应试验相关的信息资源，形成了包括试验单位、试验人员、试验样品、仪器设备、标准规范及试验报告6大资源中心。其中，标准规范主要收集国内外与辐照效应相关的标准和规范，目前已收集美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials，ASTM)标准34份,美国军用标准14份，我国相关标准24份。通过试验管理界面自动生成的报告在通过审核后可自动进入试验报告资源中心。图8为试验报告资源中心界面，界面还提供历史报告上传功能。系统会根据上传的报告，自动识别“报告编号”、“试验类型”、“样品名称”、“样品型号”、“试验单位”、“试验负责人”、“环境测试人”、“报告审核人”、“报告签发人”及“试验时间”等字段。用户可根据这些字段对试验报告进行检索，提高检索定位的准确度。目前，试验报告资源中心已收集试验报告475份，涉及质子单粒子效应、电离总剂量效应、瞬时电离辐射效应、中子辐射效应和电磁脉冲效应等5个方向。

图8 试验报告资源中心界面Fig.8 Interface for test report center

4 结论

本文从设计和实现2个方面介绍了质子单粒子效应数据信息系统。该系统紧紧围绕XiPAF而建，不仅收集与质子试验相关的信息形成资源中心，而且管理与质子试验相关的业务流程，包括机时管理、材料审核和报告审核等，实现了静态资源与动态业务的有机融合。目前，质子单粒子效应数据信息系统已上线运行，下一步将根据用户的使用反馈，进一步补充完善，改善用户体验。