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LAMOST观测控制与数据获取系统的研究

作　者: 黄鲲
导　师: 金革；王坚
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 物理电子学
关键词: 中国科学技术大学消息总线博士学位论文小系统命令流子系统系统代理命名服务执行器基本命令
分类号: TP273.5
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)是国际领先的光谱巡天望远镜。它的大口径和大视场使其具有很强的光谱巡天观测能力。LAMOST是一个由多个子系统组成的高度复杂的系统，它的观测行为的复杂性要求它使用观测控制系统(OCS)进行自动观测控制。OCS是LAMOST的上层控制系统软件。OCS的主要目的是管理、协调和控制各子系统行为，使整个望远镜系统有条不紊地、按计划、有步骤地进行天文观测。它将是一个通过子系统之间、运行模块之间的软硬件接口构成的多层次的、集中与分散相结合的观测控制系统。作为世界上领先的大型望远镜的控制软件，OCS自身也是一个复杂系统，且没有多少先例可循。对LAMOST观测控制的研究牵涉到软件开发、观测流程物理内容的探讨、与子系统交互、系统测试等诸方面的问题。这些问题的分析与解决不仅有助于推动LAMOST的项目工程进展，也将为LAMOST的后续工作开展留下重要的经验和资料。LAMOST的观测控制是对各个子系统控制的集合。OCS的工作模式基于对子系统的命令控制，从中抽象出命令驱动模型，即OCS对子系统的控制是一种命令-状态反馈-命令的翻滚式过程。在这种命令驱动模型的基础上，OCS与子系统间制订了命令的接收／拒绝协议和命令的执行反馈协议。前者用于和子系统的控制对话，后者用于对子系统的执行状态做出有效的处理。基于软件复用和框架设计的思想，OCS采用了基于组件和模块的分布式系统设计。这使得OCS在开发和使用过程中能够具有良好的可维护性和扩展性。由于观测控制是围绕观测流程的进行和完成展开的，本文在观测流程实现的基础上，详细分析了OCS的各核心模块。随着LAMOST工程进展，LAMOST小系统走上项目日程。本文针对小系统的特点，对OCS在小系统的应用进行了研究和分析，设计和开发了用户界面。根据OCS即将投入实际联调和软件开发本身的需要，对OCS-2.30版进行了系统和全面的测试工作。同时对OCS参与小系统的实际联调测试作出计划和展望。OCS对各个子系统统一管理和驱动调度，使所有子系统能够协调合作，按部就班地完成观测流程。OCS控制的子系统包括观测战略系统(SSS)、望远镜控制系统(TCS)、焦面仪器控制系统(ICS)、数据获取与在线处理系统(DHS)、气象信息系统(WIS)等。其中，DHS作为一个对观测结果在线处理和评估的数据系统，承担着对CCD数据的获取、存储和管理分析等重要任务。它从OCS接受命令，控制着各个CCD的工作行为。本文搭建了DHS的数据获取和存储模型，同时定义了其中的接口方法以及DHS的基本命令与参数，为将来DHS的完成做出了重要预研。论文的最后在现有OCS的基础上，从分布式模型的角度和数据模式的角度分别对OCS的设计框架提出了进一步优化和改进的思路，并详细分析了其优点所在和可行性，为OCS日后的继续发展和完善打下了良好的基础。本论文全文共七章。第一章介绍了LAMOST的项目背景和科学目标，阐述了其同时具备大口径和大视场的科学原理，提出使用观测控制系统是LAMOST进行观测的必然选择。第二章介绍了观测控制系统OCS的系统模型和设计框架。OCS进行观测控制的主旨是控制各个子系统完成观测流程，从这一根本目的出发，抽象出OCS的命令驱动模型和分布式系统框架。最后简单介绍了OCS体系结构所采用的CORBA规范和OCS的开发环境，以及OCS与子系统之间的接口协议。第三章主要讲述OCS各核心模块，包括命令执行器、消息总线和各子系统代理等组件。围绕它们在观测流程中的作用，详细地分析了这些组件的设计原理和实现方法。第四章以OCS-2.30版本为基础，围绕OCS在小系统上的应用介绍了所展开的一系列工作。包括观测流程控制台的设计与实现，OCS-2.30的测试以及OCS在小系统上的测试计划分析等内容。第五章设计了DHS与CCD整个数据系统的框架模型，提出双分布式存储结构，并设计了相应的接口，定义了DHS的基本命令和参数。第六章在现有OCS模型框架的基础上，提出了新的系统分布方案和数据模式，并对其优点和可行性作了详细分析和深入研究。第七章总结了本论文的工作，并对LAMOST观测控制和数据获取的后续工作进行了展望，提出了一些建议。附录收录了OCS研究和开发实现过程中的一些技术资料，主要是作者在日常工作中的翻译、整理或归纳所得。论文最后是参考文献，在校期间发表的文章列表以及致谢部分。本论文的创新之处主要有以下几点：1)在前期OCS的研究和设计基础上，对OCS二级系统进行具体实现，达到了工程要求，通过了工程指挥部的测试和验收。2)基于所实现的OCS-2.30版，对OCS在小系统的应用进行分析和探讨。首次将物理实验方法与软件工程测试相结合对OCS关键核心模块进行了多方面的测试。测试结果证明OCS不但在软件层面上能够运行LAMOST的观测流程，同时在物理性质上也满足LAMOST及其小系统的观测控制需要，确保了系统的可靠性及稳定性。3)预研了LAMOST数据获取系统，为DHS建立了系统框架，首次在LAMOST中提出双分布数据存储模型，解决了观测流程中大批量CCD数据的并行读取、存储与发布的技术难题。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章引言  12-24
  1.1 大口径与大视场的矛盾  12-16
  1.2 国际巡天项目现状  16-19
  1.3 LAMOST的解决方案和物理目标  19-22
  1.4 观测控制与数据模型  22-24
第二章观测控制系统  24-45
  2.1 LAMOST子系统  24-26
  2.2 LAMOST观测流程  26-30
  2.3 命令驱动模型  30-34
  2.4 分布式系统  34-37
  2.5 CORBA规范  37-40
  2.6 OCS开发环境  40-42
  2.7 接口协议  42-45
第三章 OCS核心模块分析与实现  45-81
  3.1 OCS的主要接口  45-51
  3.2 命令执行器  51-58
    3.2.1 命令分发模块的设计  52-55
    3.2.2 时间监控模块的设计  55-57
    3.2.3 消息总线消费者模块的设计  57-58
  3.3 子系统代理接口  58-64
    3.3.1 子系统代理的作用  58-59
    3.3.2 数据流向线与实现  59-64
  3.4 消息总线  64-81
    3.4.1 推模型与拉模型  64-65
    3.4.2 CORBA通知服务  65-70
    3.4.3 OCS消息总线事件通道  70-72
    3.4.4 事件优先级  72-76
    3.4.5 消息总线实现  76-78
    3.4.6 消费者端接口  78-81
第四章 LAMOST小系统中的 OCS及其测试  81-111
  4.1 LAMOST小系统  81-84
    4.1.1 小系统的由来  81
    4.1.2 小系统的意义  81
    4.1.3 小系统的科学课题  81-82
    4.1.4 用于小系统的OCS  82-84
  4.2 观测流程控制台  84-90
  4.3 OCS-2.30系统测试  90-107
    4.3.1 OCS测试目标  90
    4.3.2 软件工程中的软件测试  90-93
    4.3.3 OCS的测试方向和测试手段  93
    4.3.4 OCS软件方面的测试  93-96
    4.3.5 消息总线的测试  96-107
  4.4 小系统 OCS测试计划  107-111
    4.4.1 小系统对 OCS的要求  107
    4.4.2 小系统 OCS的测试目标  107
    4.4.3 小系统OCS的测试级别  107-108
    4.4.4 小系统 OCS的测试方法  108-109
    4.4.5 小系统 OCS的测试计划  109-111
第五章 DHS设计与研究  111-131
  5.1 DHS与 CCD控制层  111-113
  5.2 CCD控制模块设计  113-115
  5.3 DHS数据接口设计  115-118
  5.4 DHS数据存储方式  118-124
    5.4.1 文件存储与快速索引  118
    5.4.2 安全性考虑  118-119
    5.4.3 分布式存取  119-120
    5.4.4 双分布式存储结构  120-122
    5.4.5 接口设计  122-123
    5.4.6 两点补充  123-124
  5.5 命令与参数定义  124-131
第六章系统深入研究  131-143
  6.1 观测控制的分布式优化  131-135
    6.1.1 核心模块分布优化  131-133
    6.1.2 用户视图分布优化  133-135
  6.2 数据模式  135-143
    6.2.1 LAMOST数据行为  135
    6.2.2 系统消耗  135-136
    6.2.3 数据模式改进  136-137
    6.2.4 统一的数据接口  137-140
    6.2.5 数据的发布与检索  140-142
    6.2.6 可靠性考虑  142-143
第七章总结和展望  143-146
  7.1 本论文的工作总结  143-144
  7.2 今后的工作展望  144-146
附录1 CORBA相关服务的使用  146-162
  1 命名服务与通知服务的启动  146-148
  2 命名服务 QTGUI程序的编写  148-160
    2.1 最简单的例子  148
    2.2 idl文件  148-149
    2.3 服务器端  149-152
    2.4 客户端  152-154
    2.5 界面  154-155
    2.6 Makefile  155-158
    2.7 程序的运行  158-160
  3 实现库服务的使用  160-162
附录2 MPC MAKEFILE工具  162-168
附录3 OCS-2.30环境配置  168-171
  1 OCS运行的软件环境  168
  2 编译 TAO  168-169
    2.1 设置环境变量  168
    2.2 下载安装包，解压和编译  168-169
  3 数据库的建立  169-171
参考文献  171-174
在校期间发表论文情况  174-175
致谢  175

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