基于MDSplus分段技術的Web數據顯示系統

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

（1.華中科技大學 強電磁工程與新技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074）

基于MDSplus分段技術的Web數據顯示系統

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

（1.華中科技大學 強電磁工程與新技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074）

先進托卡馬克裝置需要長脈沖放電實驗運行，針對裝置長脈沖放電實驗的數據存儲和交互技術是重要的研究內容之一。本工作設計了一種Web數據顯示系統，系統采用ASP.NET架構和數據分段技術從MDSplus數據庫讀取分段數據，利用NI Measurement Studio控件庫將數據顯示在Web頁面中。數據分段技術將長脈沖實驗數據劃分為多個較小的數據單元——數據段，用戶可按需讀取長脈沖實驗數據中的部分數據段。同時系統制定了高效的分段讀取策略，可準確、快速地顯示用戶所需的數據波形。Web數據顯示系統在J-TEXT托卡馬克上進行了測試，運行性能穩定，達到了系統的設計目標。

數據顯示系統；Web；分段技術；MDSplus；ITER；Measurement Studio

托卡馬克是進行磁約束聚變研究的實驗裝置，獲取長脈沖等離子體放電是聚變能應用研究的重要方向之一。在長脈沖等離子體實驗過程中，實驗所產生的數據量非常龐大，單獨1個通道的數據量達GB量級以上，如此巨大的數據量使實驗人員需花費很長的時間來獲取通道數據。通常實驗人員讀取1個通道的數據需半小時以上的等待時間，而實驗人員經常需要查看多通道數據，如此幾小時的等待時間是令人無法接受的。另一方面，現有的數據采集和數據服務系統［1-4］基于C／S（Client／Server）架構，需安裝數據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據特點，設計一套基于.NET的B／S（Browser／Server）架構的Web數據顯示系統。

1 系統總體設計

1.1 Web數據顯示系統結構

Web數據顯示系統結構如圖1所示，Web服務器配置兩塊網卡，一塊網卡連接實驗室內部局域網，負責從MDSplus數據服務器獲取數據，并將數據傳送給用戶；另一塊網卡連接外部互聯網，供外網用戶訪問MDSplus數據庫中的數據。內網用戶和外網用戶均可登錄Web服務器查看實驗數據。

圖1 Web數據顯示系統結構Fig.1 Structure of Web data display system

1.2 MDSplus數據庫

MDSplus數據庫是集合數據存儲、復雜數據處理等功能的大型軟件系統，該軟件系統由麻省理工學院、意大利帕多瓦聚變研究小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室共同開發，廣泛應用于世界各地聚變研究機構以及其他脈沖類型的實驗機構。MDSplus數據庫支持完善的數據處理功能，實驗人員通過編寫數據處理公式，可將不同通道的數據融合在一起進行數學運算。最新版MDSplus數據庫支持數據分段技術，本文所設計的Web數據顯示系統采用MDSplus數據庫存儲實驗數據，并利用最新版MDSplus數據庫推出的數據分段技術來對實驗數據進行分段存儲以及分段讀取，提高實驗數據讀取效率。

1.3 Web數據顯示系統軟件結構設計

本文研究了EAST的Web數據顯示系統［5］的結構，采用不同的設計思路設計新的Web數據顯示系統。本系統基于ASP.NET架構設計，采用C＃語言開發。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站進行數據訪問。系統中還增加了智能的分段讀取顯示策略，對用戶的數據請求進行分析，這樣可更好地滿足用戶需求。當用戶想要查看某一通道的數據時，只需輸入通道名和想要查看的時間段，系統即自動判斷要讀取的分段數據。當選取的時間段超過一定范圍時，系統將讀取該通道的低采樣率數據。當用戶想通過縮小時間范圍來觀察更精細的數據時，系統會根據策略讀取通道的高采樣率分段數據。

Web數據顯示系統軟件結構如圖2所示，主要包括數據讀取模塊和數據顯示模塊兩部分，數據讀取模塊根據用戶請求，采用對應的讀取策略調用MDSplus數據庫讀取接口，從MDSplus數據庫中讀取數據，然后將數據返回給數據顯示模塊。數據顯示模塊將用戶請求傳達給數據讀取模塊，同時將數據讀取模塊讀取的數據顯示在界面中。

圖2 Web數據顯示系統軟件結構Fig.2 Software structure of Web data display system

2 數據讀取模塊設計

2.1 MDSplus數據庫的訪問

MDSplus數據庫提供了.NET環境下數據操作的庫函數，數據讀取模塊通過引用該庫函數實現對數據庫的讀取操作。.NET環境下讀取MDSplus數據庫流程如圖3所示，數據讀取模塊發出訪問MDSplus數據庫請求，MDSplus數據庫接受連接請求，建立數據連接通道后，根據請求內容返回對應數據，在數據連接通道中完成數據的傳送工作。數據傳送完成后，數據讀取模塊發出斷開數據庫連接請求，MDSplus數據庫斷開數據庫連接。

圖3 MDSplus服務器數據讀取流程Fig.3 Flow of MDSplus server reading data

2.2 MDSplus數據庫分段讀取技術

舊版本MDSplus數據庫不支持分段技術［6］，1次只能讀寫1個通道的全部數據。數據通道不分段的數據結構如圖4a所示，通道中數據是1段連續的數據，用戶只能完整讀取初始時間和結束時間之間的數據。這種數據讀取方式的優點是讀取操作簡便，缺點是當長脈沖實驗時，單個通道的數據量龐大，數據讀取等待時間較長，給實驗人員帶來嚴重的時間浪費，用戶體驗較差，而且這種方式不支持實驗過程中查看數據。

圖4 通道數據結構Fig.4 Data structure of channel

新版MDSplus數據庫支持分段技術，即將長脈沖實驗數據分成若干段寫入到MDSplus數據庫，用戶在讀取數據時可讀取部分數據段。數據分段寫入MDSplus數據庫包括以下步驟：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。在實驗過程中采集完1段數據后可即時寫入MDSplus數據庫中，即可實現實驗過程中查看數據的功能。數據段的長度可根據用戶需要進行調整，分段寫入MDSplus數據庫后，用戶按段號或時間段從MDSplus數據庫中讀取分段數據。采用分段技術后通道中數據結構如圖4b所示。

分段技術的使用必須配合相應的分段讀取策略，才能發揮數據分段技術的優點，提高讀取效率和用戶體驗。由于通道中數據量龐大，用戶查看的數據涵蓋的時間段也長短不一，當用戶查看的數據涵蓋的時間段較長時，系統若將這一時間段全部讀出并顯示在網頁中，會產生兩個問題：1）數據讀取的等待時間仍會較長，違背了設計該系統的初衷；2）網頁顯示波形的控件在讀取過大的數據量時會造成網頁崩潰。針對上述問題，需結合實際情況設計合理的讀取策略。首先將數據分為高采樣率數據和低采樣率數據，采集模塊以高采樣率采集數據，再對高采樣率數據進行重采樣獲得低采樣率數據，將高采樣率數據分段寫入MDSplus數據庫，低采樣率數據整段寫入MDSplus數據庫。當用戶申請查看數據的時間范圍在3段以內時，系統將高采樣率數據返回給用戶；在3段以外時，系統返回給用戶低采樣率數據。因受用戶屏幕尺寸限制，在查看長時間段數據時，顯示全部數據點是多余的，經計算，采用的低采樣率數據在超過3個時間段時也可顯示足夠的細節。

用戶查看數據時間范圍在3段以內時，系統讀取策略如圖5所示，用戶申請查看數據的時間段Ts～Te在s4、s5、s6 3段數據內，系統讀取這3段的高采樣率數據，再從這3段數據中截取Ts～Te時間段數據顯示在Web頁面中。

用戶申請查看數據的時間段在3段以上時，系統讀取策略如圖6所示，用戶申請查看的時間段Ts～Te超過3個數據段，系統讀取整段低采樣率數據，再從低采樣率數據中截取Ts～Te時間段數據顯示在Web頁面中。

圖5 3段以內數據系統讀取策略Fig.5 System reading strategy of below three segments

圖6 3段以上數據系統讀取策略Fig.6 System reading strategy of above three segments

當用戶進行放大、縮小或平移操作時，查看的數據波形的時間范圍會發生改變，此時系統調用前述數據分段讀取策略對顯示數據進行刷新，在該過程中實現在低采樣率數據與高采樣率數據之間的無縫切換。

3 數據顯示模塊設計

3.1 數據顯示控件

為達到良好的顯示效果，測試了多種圖形顯示控件，如NPlot、ZGraph、dotnetCharting、Measurement Studio 2010，測試比較發現，NPlot、ZGraph、dotnetCharting控件讀取和顯示大量數據的性能較差，常出現控件崩潰的現象，導致網站無法運行。Measurement Studio 2010控件庫讀取和顯示大量數據的效果最佳，性能穩定，用戶體驗較好，故采用它開發數據顯示模塊。該控件庫是NI公司為Microsoft Visual Studio 2010和Visual Studio 6.0環境提供的集成式套件，具備很優秀的數據讀取和顯示能力，完全兼容Microsoft Visual Studio 2008／2005／2003，并支持在Visual Basic.NET、Visual C＃、Microsoft Visual C＋＋等環境下開發測試測量應用。

3.2 數據顯示功能實現

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

圖7 Web數據顯示界面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據所花費的時間，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據波形的效果以及穩定性進行了測試。

測試硬件環境：Web波形顯示系統服務器處理器Intel Core（TM）i5 2.80GHz，內存2GB，100M以太網。測試軟件環境：Microsoft Visual Studio 2010，Measurement Studio 2010，Windows 7 32位操作系統。分別將10M、20M、30M單精度浮點數據分10段寫入測試通道，數據時間范圍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 數據讀取時間Table 1 Time of acquiring data

測試結果表明，采用1M數據點的分段策略時，延時較小，用戶體驗較好。當采用3M數據點的分段策略時，延時較大，無法實現流暢的用戶體驗，同時占用服務器內存較高，當同時在線用戶較多時，導致服務器負荷較重。若分段數據較小，會造成實驗過程中采集模塊頻繁寫入MDSplus數據庫，網絡負荷巨大，甚至導致網絡崩潰，因此分段數據也不宜過小。綜合考慮上述兩個因素，最終選取1段數據寫入1M數據點的分段策略，這種策略時間延遲低，內存占用少，滿足系統運行要求。經大量測試，Web數據顯示系統運行穩定，各種操作功能均能良好實現，用戶體驗流暢。

5 總結

基于B／S模式的Web數據顯示系統降低了用戶從MDSplus數據庫獲取分段數據的時間，Measurement Studio控件庫顯示數據波形的效果以及對數據波形操作的能力滿足系統設計要求，同時用戶無需安裝客戶端軟件即可通過瀏覽器查看數據，用戶體驗較好。該系統還需借鑒DWscope等軟件的功能繼續完善Web數據顯示系統對數據波形的操作功能，以獲得更好的用戶體驗；同時需增加緩存機制，將最近常用數據存入緩存，進一步降低用戶讀取數據時間；最后在Web數據顯示系統中加入用戶管理機制，對用戶賦予不同的數據操作權限，增強數據的安全性。

［1］ 黃禮華，莊革，張明，等.J-TEXT托卡馬克數據采集系統設計［J］.微計算機信息，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聚變實驗數據系統中的應用［J］.計算機工程，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裝置的連續數據采集與服務系統的設計與實現［J］.核技術，2009，32（9）：716-720.

QU Lianzheng，YAN Hongsheng，ZOU Zili，et al.Design and implementation of a continuous data acquisition and service system for EAST［J］.Nuclear Techniques，2009，32（9）：716-720（in Chinese）.

［4］ QU Lianzheng，LUO Jiarong，WEI Peijie，et al.Upgraded data service system for HT-7Tokamak［J］.Nuclear Science and Techniques，2005，16（5）：304-309.

［5］ YANG F，XIAO B J.A web based MDSplus data analysis and visualization system for EAST［J］.Fusion Engineering and Design，2012，87（12）：2 161-2 165.

［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展研究專項資助（2010GB108004，2013GB113003）

劉 睿（1989—），男，湖北天門人，碩士研究生，電氣工程專業