劉 睿1，2，張 明1，2，翁楚橋1，2，鄭 瑋1，2，莊 革1，2，于克訓(xùn)1，2

（1.華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

基于MDSplus分段技術(shù)的Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)

劉 睿1，2，張 明1，2，翁楚橋1，2，鄭 瑋1，2，莊 革1，2，于克訓(xùn)1，2

（1.華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

先進(jìn)托卡馬克裝置需要長脈沖放電實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，針對裝置長脈沖放電實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)存儲和交互技術(shù)是重要的研究內(nèi)容之一。本工作設(shè)計了一種Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)采用ASP.NET架構(gòu)和數(shù)據(jù)分段技術(shù)從MDSplus數(shù)據(jù)庫讀取分段數(shù)據(jù)，利用NI Measurement Studio控件庫將數(shù)據(jù)顯示在Web頁面中。數(shù)據(jù)分段技術(shù)將長脈沖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)劃分為多個較小的數(shù)據(jù)單元——數(shù)據(jù)段，用戶可按需讀取長脈沖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的部分?jǐn)?shù)據(jù)段。同時系統(tǒng)制定了高效的分段讀取策略，可準(zhǔn)確、快速地顯示用戶所需的數(shù)據(jù)波形。Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)在J-TEXT托卡馬克上進(jìn)行了測試，運(yùn)行性能穩(wěn)定，達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。

數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)；Web；分段技術(shù)；MDSplus；ITER；Measurement Studio

托卡馬克是進(jìn)行磁約束聚變研究的實(shí)驗(yàn)裝置，獲取長脈沖等離子體放電是聚變能應(yīng)用研究的重要方向之一。在長脈沖等離子體實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常龐大，單獨(dú)1個通道的數(shù)據(jù)量達(dá)GB量級以上，如此巨大的數(shù)據(jù)量使實(shí)驗(yàn)人員需花費(fèi)很長的時間來獲取通道數(shù)據(jù)。通常實(shí)驗(yàn)人員讀取1個通道的數(shù)據(jù)需半小時以上的等待時間，而實(shí)驗(yàn)人員經(jīng)常需要查看多通道數(shù)據(jù)，如此幾小時的等待時間是令人無法接受的。另一方面，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)［1-4］基于C／S（Client／Server）架構(gòu)，需安裝數(shù)據(jù)顯示軟件才能正常使用。

本文針對托卡馬克裝置長脈沖放電的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，設(shè)計一套基于.NET的B／S（Browser／Server）架構(gòu)的Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，Web服務(wù)器配置兩塊網(wǎng)卡，一塊網(wǎng)卡連接實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部局域網(wǎng)，負(fù)責(zé)從MDSplus數(shù)據(jù)服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給用戶；另一塊網(wǎng)卡連接外部互聯(lián)網(wǎng)，供外網(wǎng)用戶訪問MDSplus數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。內(nèi)網(wǎng)用戶和外網(wǎng)用戶均可登錄Web服務(wù)器查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Web data display system

1.2 MDSplus數(shù)據(jù)庫

MDSplus數(shù)據(jù)庫是集合數(shù)據(jù)存儲、復(fù)雜數(shù)據(jù)處理等功能的大型軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)由麻省理工學(xué)院、意大利帕多瓦聚變研究小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室共同開發(fā)，廣泛應(yīng)用于世界各地聚變研究機(jī)構(gòu)以及其他脈沖類型的實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)。MDSplus數(shù)據(jù)庫支持完善的數(shù)據(jù)處理功能，實(shí)驗(yàn)人員通過編寫數(shù)據(jù)處理公式，可將不同通道的數(shù)據(jù)融合在一起進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。最新版MDSplus數(shù)據(jù)庫支持?jǐn)?shù)據(jù)分段技術(shù)，本文所設(shè)計的Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)采用MDSplus數(shù)據(jù)庫存儲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用最新版MDSplus數(shù)據(jù)庫推出的數(shù)據(jù)分段技術(shù)來對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段存儲以及分段讀取，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讀取效率。

1.3 Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文研究了EAST的Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)［5］的結(jié)構(gòu)，采用不同的設(shè)計思路設(shè)計新的Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于ASP.NET架構(gòu)設(shè)計，采用C＃語言開發(fā)。用戶使用瀏覽器查看波形時，無需安裝任何插件即可登錄網(wǎng)站進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問。系統(tǒng)中還增加了智能的分段讀取顯示策略，對用戶的數(shù)據(jù)請求進(jìn)行分析，這樣可更好地滿足用戶需求。當(dāng)用戶想要查看某一通道的數(shù)據(jù)時，只需輸入通道名和想要查看的時間段，系統(tǒng)即自動判斷要讀取的分段數(shù)據(jù)。當(dāng)選取的時間段超過一定范圍時，系統(tǒng)將讀取該通道的低采樣率數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶想通過縮小時間范圍來觀察更精細(xì)的數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會根據(jù)策略讀取通道的高采樣率分段數(shù)據(jù)。

Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括數(shù)據(jù)讀取模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊兩部分，數(shù)據(jù)讀取模塊根據(jù)用戶請求，采用對應(yīng)的讀取策略調(diào)用MDSplus數(shù)據(jù)庫讀取接口，從MDSplus數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)返回給數(shù)據(jù)顯示模塊。數(shù)據(jù)顯示模塊將用戶請求傳達(dá)給數(shù)據(jù)讀取模塊，同時將數(shù)據(jù)讀取模塊讀取的數(shù)據(jù)顯示在界面中。

圖2 Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.2 Software structure of Web data display system

2 數(shù)據(jù)讀取模塊設(shè)計

2.1 MDSplus數(shù)據(jù)庫的訪問

MDSplus數(shù)據(jù)庫提供了.NET環(huán)境下數(shù)據(jù)操作的庫函數(shù)，數(shù)據(jù)讀取模塊通過引用該庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的讀取操作。.NET環(huán)境下讀取MDSplus數(shù)據(jù)庫流程如圖3所示，數(shù)據(jù)讀取模塊發(fā)出訪問MDSplus數(shù)據(jù)庫請求，MDSplus數(shù)據(jù)庫接受連接請求，建立數(shù)據(jù)連接通道后，根據(jù)請求內(nèi)容返回對應(yīng)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)連接通道中完成數(shù)據(jù)的傳送工作。數(shù)據(jù)傳送完成后，數(shù)據(jù)讀取模塊發(fā)出斷開數(shù)據(jù)庫連接請求，MDSplus數(shù)據(jù)庫斷開數(shù)據(jù)庫連接。

圖3 MDSplus服務(wù)器數(shù)據(jù)讀取流程Fig.3 Flow of MDSplus server reading data

2.2 MDSplus數(shù)據(jù)庫分段讀取技術(shù)

舊版本MDSplus數(shù)據(jù)庫不支持分段技術(shù)［6］，1次只能讀寫1個通道的全部數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通道不分段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4a所示，通道中數(shù)據(jù)是1段連續(xù)的數(shù)據(jù)，用戶只能完整讀取初始時間和結(jié)束時間之間的數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)讀取方式的優(yōu)點(diǎn)是讀取操作簡便，缺點(diǎn)是當(dāng)長脈沖實(shí)驗(yàn)時，單個通道的數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)讀取等待時間較長，給實(shí)驗(yàn)人員帶來嚴(yán)重的時間浪費(fèi)，用戶體驗(yàn)較差，而且這種方式不支持實(shí)驗(yàn)過程中查看數(shù)據(jù)。

圖4 通道數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.4 Data structure of channel

新版MDSplus數(shù)據(jù)庫支持分段技術(shù)，即將長脈沖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分成若干段寫入到MDSplus數(shù)據(jù)庫，用戶在讀取數(shù)據(jù)時可讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)段。數(shù)據(jù)分段寫入MDSplus數(shù)據(jù)庫包括以下步驟：1）建立分段，將通道劃分為若干分段；2）分配段號，每個分段有1個唯一段號；3）給每個分段分配起始和終止時間。在實(shí)驗(yàn)過程中采集完1段數(shù)據(jù)后可即時寫入MDSplus數(shù)據(jù)庫中，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中查看數(shù)據(jù)的功能。數(shù)據(jù)段的長度可根據(jù)用戶需要進(jìn)行調(diào)整，分段寫入MDSplus數(shù)據(jù)庫后，用戶按段號或時間段從MDSplus數(shù)據(jù)庫中讀取分段數(shù)據(jù)。采用分段技術(shù)后通道中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4b所示。

分段技術(shù)的使用必須配合相應(yīng)的分段讀取策略，才能發(fā)揮數(shù)據(jù)分段技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提高讀取效率和用戶體驗(yàn)。由于通道中數(shù)據(jù)量龐大，用戶查看的數(shù)據(jù)涵蓋的時間段也長短不一，當(dāng)用戶查看的數(shù)據(jù)涵蓋的時間段較長時，系統(tǒng)若將這一時間段全部讀出并顯示在網(wǎng)頁中，會產(chǎn)生兩個問題：1）數(shù)據(jù)讀取的等待時間仍會較長，違背了設(shè)計該系統(tǒng)的初衷；2）網(wǎng)頁顯示波形的控件在讀取過大的數(shù)據(jù)量時會造成網(wǎng)頁崩潰。針對上述問題，需結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計合理的讀取策略。首先將數(shù)據(jù)分為高采樣率數(shù)據(jù)和低采樣率數(shù)據(jù)，采集模塊以高采樣率采集數(shù)據(jù)，再對高采樣率數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣獲得低采樣率數(shù)據(jù)，將高采樣率數(shù)據(jù)分段寫入MDSplus數(shù)據(jù)庫，低采樣率數(shù)據(jù)整段寫入MDSplus數(shù)據(jù)庫。當(dāng)用戶申請查看數(shù)據(jù)的時間范圍在3段以內(nèi)時，系統(tǒng)將高采樣率數(shù)據(jù)返回給用戶；在3段以外時，系統(tǒng)返回給用戶低采樣率數(shù)據(jù)。因受用戶屏幕尺寸限制，在查看長時間段數(shù)據(jù)時，顯示全部數(shù)據(jù)點(diǎn)是多余的，經(jīng)計算，采用的低采樣率數(shù)據(jù)在超過3個時間段時也可顯示足夠的細(xì)節(jié)。

用戶查看數(shù)據(jù)時間范圍在3段以內(nèi)時，系統(tǒng)讀取策略如圖5所示，用戶申請查看數(shù)據(jù)的時間段Ts～Te在s4、s5、s6 3段數(shù)據(jù)內(nèi)，系統(tǒng)讀取這3段的高采樣率數(shù)據(jù)，再從這3段數(shù)據(jù)中截取Ts～Te時間段數(shù)據(jù)顯示在Web頁面中。

用戶申請查看數(shù)據(jù)的時間段在3段以上時，系統(tǒng)讀取策略如圖6所示，用戶申請查看的時間段Ts～Te超過3個數(shù)據(jù)段，系統(tǒng)讀取整段低采樣率數(shù)據(jù)，再從低采樣率數(shù)據(jù)中截取Ts～Te時間段數(shù)據(jù)顯示在Web頁面中。

圖5 3段以內(nèi)數(shù)據(jù)系統(tǒng)讀取策略Fig.5 System reading strategy of below three segments

圖6 3段以上數(shù)據(jù)系統(tǒng)讀取策略Fig.6 System reading strategy of above three segments

當(dāng)用戶進(jìn)行放大、縮小或平移操作時，查看的數(shù)據(jù)波形的時間范圍會發(fā)生改變，此時系統(tǒng)調(diào)用前述數(shù)據(jù)分段讀取策略對顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新，在該過程中實(shí)現(xiàn)在低采樣率數(shù)據(jù)與高采樣率數(shù)據(jù)之間的無縫切換。

3 數(shù)據(jù)顯示模塊設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)顯示控件

為達(dá)到良好的顯示效果，測試了多種圖形顯示控件，如NPlot、ZGraph、dotnetCharting、Measurement Studio 2010，測試比較發(fā)現(xiàn)，NPlot、ZGraph、dotnetCharting控件讀取和顯示大量數(shù)據(jù)的性能較差，常出現(xiàn)控件崩潰的現(xiàn)象，導(dǎo)致網(wǎng)站無法運(yùn)行。Measurement Studio 2010控件庫讀取和顯示大量數(shù)據(jù)的效果最佳，性能穩(wěn)定，用戶體驗(yàn)較好，故采用它開發(fā)數(shù)據(jù)顯示模塊。該控件庫是NI公司為Microsoft Visual Studio 2010和Visual Studio 6.0環(huán)境提供的集成式套件，具備很優(yōu)秀的數(shù)據(jù)讀取和顯示能力，完全兼容Microsoft Visual Studio 2008／2005／2003，并支持在Visual Basic.NET、Visual C＃、Microsoft Visual C＋＋等環(huán)境下開發(fā)測試測量應(yīng)用。

3.2 數(shù)據(jù)顯示功能實(shí)現(xiàn)

本文運(yùn)用Measurement Studio 2010提供的波形控件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)顯示模塊。數(shù)據(jù)顯示模塊不僅能將通道中數(shù)據(jù)完整流暢地呈現(xiàn)在Web頁面中，而且支持對數(shù)據(jù)波形進(jìn)行橫向、縱向以及區(qū)域縮放，修改坐標(biāo)軸范圍，撤銷上次操作等功能。數(shù)據(jù)顯示模塊還實(shí)現(xiàn)了同窗口多波形對比功能，即在同一波形顯示控件中，用戶可根據(jù)需要添加其他多個波形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)波形會以不同顏色顯示，并且在網(wǎng)頁右邊欄會顯示對應(yīng)數(shù)據(jù)波形的相關(guān)信息，當(dāng)用戶需要刪除某一波形時，只需選中相應(yīng)數(shù)據(jù)波形并點(diǎn)擊刪除按鈕即可。同時為了方便用戶查看數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示模塊增添了新窗口查看數(shù)據(jù)波形功能，用戶輸入炮號和通道信息后，點(diǎn)擊新窗口打開按鈕，波形數(shù)據(jù)便會在新網(wǎng)頁中顯示，新網(wǎng)頁具有原網(wǎng)頁同樣功能。Web數(shù)據(jù)顯示界面如圖7所示，在Channel和shotNO文本框中輸入通道名和炮號，點(diǎn)擊ReadData按鈕便能從MDSplus數(shù)據(jù)庫中讀取所需數(shù)據(jù)，并顯示在Measurement Studio波形顯示控件中，其他部分包括了縮放、撤銷操作、修改坐標(biāo)軸范圍、同窗口多波形對比、新網(wǎng)頁打開等功能。

圖7 Web數(shù)據(jù)顯示界面Fig.7 Interface of Web data display

4 測試與分析

通過測試比較不同分段策略讀取數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時間，選擇最適合的分段策略，同時也對Measurement Studio 2010控件庫操作和顯示數(shù)據(jù)波形的效果以及穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。

測試硬件環(huán)境：Web波形顯示系統(tǒng)服務(wù)器處理器Intel Core（TM）i5 2.80GHz，內(nèi)存2GB，100M以太網(wǎng)。測試軟件環(huán)境：Microsoft Visual Studio 2010，Measurement Studio 2010，Windows 7 32位操作系統(tǒng)。分別將10M、20M、30M單精度浮點(diǎn)數(shù)據(jù)分10段寫入測試通道，數(shù)據(jù)時間范圍0～10s，高采樣率速率和低采樣率速率分別為1MHz和10kHz，得到的讀取時間列于表1。

表1 數(shù)據(jù)讀取時間Table 1 Time of acquiring data

測試結(jié)果表明，采用1M數(shù)據(jù)點(diǎn)的分段策略時，延時較小，用戶體驗(yàn)較好。當(dāng)采用3M數(shù)據(jù)點(diǎn)的分段策略時，延時較大，無法實(shí)現(xiàn)流暢的用戶體驗(yàn)，同時占用服務(wù)器內(nèi)存較高，當(dāng)同時在線用戶較多時，導(dǎo)致服務(wù)器負(fù)荷較重。若分段數(shù)據(jù)較小，會造成實(shí)驗(yàn)過程中采集模塊頻繁寫入MDSplus數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷巨大，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰，因此分段數(shù)據(jù)也不宜過小。綜合考慮上述兩個因素，最終選取1段數(shù)據(jù)寫入1M數(shù)據(jù)點(diǎn)的分段策略，這種策略時間延遲低，內(nèi)存占用少，滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。經(jīng)大量測試，Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各種操作功能均能良好實(shí)現(xiàn)，用戶體驗(yàn)流暢。

5 總結(jié)

基于B／S模式的Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)降低了用戶從MDSplus數(shù)據(jù)庫獲取分段數(shù)據(jù)的時間，Measurement Studio控件庫顯示數(shù)據(jù)波形的效果以及對數(shù)據(jù)波形操作的能力滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，同時用戶無需安裝客戶端軟件即可通過瀏覽器查看數(shù)據(jù)，用戶體驗(yàn)較好。該系統(tǒng)還需借鑒DWscope等軟件的功能繼續(xù)完善Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)對數(shù)據(jù)波形的操作功能，以獲得更好的用戶體驗(yàn)；同時需增加緩存機(jī)制，將最近常用數(shù)據(jù)存入緩存，進(jìn)一步降低用戶讀取數(shù)據(jù)時間；最后在Web數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)中加入用戶管理機(jī)制，對用戶賦予不同的數(shù)據(jù)操作權(quán)限，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性。

［1］ 黃禮華，莊革，張明，等.J-TEXT托卡馬克數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.微計算機(jī)信息，2009，25（16）：74-76.

HUANG Lihua，ZHUANG Ge，ZHANG Ming，et al.Data acquisition system designed for JTEXT Tokamak［J］.Microcomputer Information，2009，25（16）：74-76（in Chinese）.

［2］ 瞿連政，羅家融，魏沛杰，等.MDSplus在HT-7 Tokamak聚變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.計算機(jī)工程，2006，32（6）：64-66.

QU Lianzheng，LUO Jiarong，WEI Peijie，et al.Application of MDSplus in data system of HT-7 Tokamak［J］.Computer Engineering，2006，32（6）：64-66（in Chinese）.

［3］ 瞿連政，閆宏生，鄒自力，等.EAST裝置的連續(xù)數(shù)據(jù)采集與服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.核技術(shù)，2009，32（9）：716-720.

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［6］ The segmented records in MDSplus［EB／OL］.http：∥www.mdsplus.org／index.php／LongPulseExtensions.

Web Data Display System Based on Data Segment Technology of MDSplus

LIU Rui1，2，ZHANG Ming1，2，WENG Chu-qiao1，2，ZHENG Wei1，2，ZHUANG Ge1，2，YU Ke-xun1，2
（1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.School of Electrical and Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Long pulse operation is the main character of advanced Tokamak，so the technology of data storage and human-data interaction are vital for dealing with the large data generated in long pulse experiment.The Web data display system was designed.The system is based on the ASP.NET architecture，and it reads segmented-record data from MDSplus database by segmented-record technology and displays the data on Web page by using NI Measurement Studio control library.With the segmented-record technology，long pulse data could be divided into many small units，data segments.Users can read the certain data segments from the long pulse data according to their special needs.Also，the system develops an efficient strategy for reading segmentedrecord data，showing the waveforms required by users accurately and quickly.The datadisplay Web system was tested on J-TEXT Tokamak，and was proved to be reliable and efficient to achieve the initial design goal.

data display system；Web；segment technology；MDSplus；ITER；Measurement Studio

TL62

A

1000-6931（2014）02-0357-05

10.7538／yzk.2014.48.02.0357

2012-11-08；

2013-07-31

國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)資助（2010GB108004，2013GB113003）

劉 睿（1989—），男，湖北天門人，碩士研究生，電氣工程專業(yè)