EPICS環(huán)境下的軟件規(guī)范管理

雷 蕾 韓利峰 徐海霞 李勇平

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

3（中國(guó)科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201800）

EPICS環(huán)境下的軟件規(guī)范管理

雷 蕾1,2,3韓利峰1,3徐海霞1,3李勇平1,3

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

3（中國(guó)科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201800）

EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System)控制系統(tǒng)與商用的SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)軟件相比，還沒有統(tǒng)一的方式進(jìn)行軟件規(guī)范管理。各個(gè)科學(xué)裝置EPICS軟件的布局及調(diào)用方式千差萬(wàn)別，完全隨開發(fā)人員的喜好決定。對(duì)于諸如釷基熔鹽堆(Thorium Molten Salt Reactor, TMSR)、熱核聚變堆、質(zhì)子治療等項(xiàng)目，軟件模塊的科學(xué)規(guī)范管理尤為重要，它能夠從結(jié)構(gòu)上保障系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性和易用性。本文結(jié)合Linux目錄配置標(biāo)準(zhǔn)(Filesystem Hierarchy Standard, FHS)、軟件包管理器(Red Hat Package Manager, RPM)以及系統(tǒng)編程等技術(shù)，針對(duì)TMSR EPICS儀控系統(tǒng)核心軟件模塊進(jìn)行目錄管理、軟件包管理和服務(wù)管理，實(shí)現(xiàn)核心軟件的自動(dòng)化部署、開機(jī)自啟動(dòng)及規(guī)范調(diào)用。經(jīng)測(cè)試，該套方案運(yùn)行良好，大量減少了人工操作，有助于實(shí)現(xiàn)TMSR儀控系統(tǒng)軟件平臺(tái)的統(tǒng)一和完全自動(dòng)化。

EPICS，目錄管理，軟件包管理器，服務(wù)

EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System)[1]是現(xiàn)今國(guó)際高能加速器控制系統(tǒng)的一個(gè)主流的軟件開發(fā)工具集。大量實(shí)例證明，基于EPICS的控制系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、開放性好、系統(tǒng)可擴(kuò)展性好、國(guó)際交流協(xié)作方便等諸多優(yōu)點(diǎn)[2?7]。但是，目前成熟的商用SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)軟件（如iFIX、WinCC等），除了能夠有效地完成過程監(jiān)控等任務(wù)，還具有安裝自動(dòng)化、管理規(guī)范化等特點(diǎn)[8?9]。相比之下，EPICS系統(tǒng)由于其開源和模塊化的特點(diǎn)，目前并沒有一個(gè)統(tǒng)一的方式對(duì)它進(jìn)行規(guī)范管理。各個(gè)科學(xué)裝置EPICS軟件的類型多、數(shù)量大，布局及調(diào)用方式千差萬(wàn)別，完全隨開發(fā)人員的喜好決定，不利于開發(fā)和維護(hù)。

釷基熔鹽堆(Thorium Molten Salt Reactor, TMSR)核能系統(tǒng)項(xiàng)目是中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)之一，旨在研發(fā)第四代裂變反應(yīng)堆核能系統(tǒng)[10]。目前，TMSR現(xiàn)有的控制系統(tǒng)均是基于EPICS架構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于TMSR EPICS控制系統(tǒng)，軟件模塊的科學(xué)規(guī)范管理尤為重要，它能夠從結(jié)構(gòu)上保障系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性和易用性。因此本文對(duì)TMSR EPICS軟件環(huán)境的規(guī)范管理方法和技術(shù)展開了研究。

針對(duì)TMSR EPICS儀控系統(tǒng)核心軟件，結(jié)合Linux目錄配置標(biāo)準(zhǔn)(Filesystem Hierarchy Standard, FHS)實(shí)行目錄管理，運(yùn)用軟件包管理系統(tǒng)(RedHat Package Manager, RPM)技術(shù)進(jìn)行軟件自動(dòng)化部署，通過系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)服務(wù)管理，以達(dá)到統(tǒng)一開發(fā)平臺(tái)、規(guī)范化部署和調(diào)用儀控功能軟件的目的。實(shí)踐證明，這套方案使得EPICS系統(tǒng)軟件模塊的安裝和調(diào)用便捷統(tǒng)一，為在TMSR中更好地運(yùn)用EPICS提供了良好的軟件環(huán)境基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)環(huán)境

TMSR儀控系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的EPICS分布式架構(gòu)。EPICS是一個(gè)開源的軟件工具集，采用客戶/服務(wù)器模式，由輸入輸出控制器(Input/Output Controller, IOC)、操作員接口(Operator Interface, OPI)應(yīng)用軟件和通道訪問(Channel Access, CA)協(xié)議組成。OPI和IOC之間通過以太網(wǎng)(Ethernet)連接，OPI層應(yīng)用軟件通過CA協(xié)議訪問IOC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，并在客戶端層對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制、監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[1]。

TMSR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涵蓋多個(gè)子系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)各種儀控功能，需要用到眾多不同軟件。為建立一個(gè)統(tǒng)一、便捷和可靠的EPICS軟件開發(fā)平臺(tái)，TMSR儀控系統(tǒng)核心軟件包的理念應(yīng)運(yùn)而生。該核心軟件包規(guī)定了TMSR所有儀控系統(tǒng)完成既定控制任務(wù)所需要的基本軟件，主要分為系統(tǒng)環(huán)境和EPICS環(huán)境。

表1中，將Linux操作系統(tǒng)、Java軟件開發(fā)工具包(Java Development Kit, JDK)、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle作為系統(tǒng)環(huán)境軟件，其他軟件均作為EPICS環(huán)境軟件。EPICS環(huán)境中核心為Base包及相關(guān)支持模塊和驅(qū)動(dòng)程序。OPI客戶端層采用CSS (Control System Studio)[11]，它是由美國(guó)SNS、BNL和德國(guó)DESY合作開發(fā)而成，采用Eclipse RCP (Rich Client Plant)體系結(jié)構(gòu)，主要分為界面顯示(Best OPI Yet, BOY)、報(bào)警(Best Ever Alarm System Toolkit, BEAST)和歷史數(shù)據(jù)存檔(Best Ever Archive Toolset Yet, BEAUTY)[11?12]三部分。

在TMSR儀控系統(tǒng)的后續(xù)構(gòu)建工作中，將進(jìn)一步完善此核心軟件包。

表1 TMSR控制系統(tǒng)核心軟件包Table 1 Core software package of TMSR control system.

2 目錄管理

統(tǒng)一的目錄結(jié)構(gòu)是統(tǒng)一開發(fā)平臺(tái)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[13]。在目前的軟件開發(fā)過程中，由于沒有對(duì)目錄結(jié)構(gòu)進(jìn)行良好的規(guī)劃，軟件、文檔以及相關(guān)數(shù)據(jù)的存放比較混亂。這將給后續(xù)的開發(fā)和維護(hù)帶來很大的負(fù)擔(dān)[14]。

不難發(fā)現(xiàn)，各種Linux發(fā)行版的頂層目錄以及每個(gè)目錄的內(nèi)容都差不多。這并不是偶然的，而是因?yàn)樗鼈兌甲裱惶讟?biāo)準(zhǔn)——FHS標(biāo)準(zhǔn)。制定該標(biāo)準(zhǔn)的主要目的是讓用戶知道已安裝軟件通常放置于系統(tǒng)的哪個(gè)目錄下，方便管理和維護(hù)[15]。

因此，結(jié)合Linux系統(tǒng)的目錄配置標(biāo)準(zhǔn)FHS，按圖1所示約定目錄樹結(jié)構(gòu)，將安裝的儀控系統(tǒng)軟件放置在/opt目錄下，配置文件放于/etc目錄下，程序相關(guān)實(shí)時(shí)文件放于/var目錄下[15]，同時(shí)還對(duì)各子目錄進(jìn)行了更細(xì)致的劃分。約定好目錄結(jié)構(gòu)之后，就可以明確一些基本的環(huán)境變量，供后續(xù)軟件配置管理使用。該目錄結(jié)構(gòu)仍需根據(jù)今后工程實(shí)際情況進(jìn)行完善，但是它為TMSR EPICS系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境提供了一個(gè)基礎(chǔ)目錄框架和擴(kuò)展原則。

3 軟件自動(dòng)化部署

商業(yè)DCS成品集成了所有軟件功能模塊，如同一個(gè)“黑匣子”，安裝自動(dòng)化和傻瓜化，并不需要專業(yè)人員額外的編譯。而目前大家在使用EPICS時(shí)，通常需要上網(wǎng)一個(gè)一個(gè)下載所需的軟件模塊，再一個(gè)一個(gè)解壓縮、安裝、編譯、測(cè)試、卸載等。其中有大量重復(fù)的工作，手工成本太高。因此本文結(jié)合RPM技術(shù)和系統(tǒng)編程，只需要一條簡(jiǎn)單的命令，就可以實(shí)現(xiàn)這一系列軟件模塊的自動(dòng)化安裝。

圖1 目錄樹架構(gòu)示意圖Fig.1 Directory tree structure.

3.1 RPM打包

RPM是一套開放的軟件包管理系統(tǒng)，幾乎所有的Linux發(fā)行版本都使用這種形式的軟件包管理安裝、更新和卸載[15?16]。Linux系統(tǒng)提供了自定義RPM安裝包的方式，即通過創(chuàng)建RPM安裝包的工具rpm-build和SPEC文件(Specific file)來實(shí)現(xiàn)。rpm-build工具提供命令來生成不同的rpm包，打包的過程則是由SPEC文件核心控制。SPEC文件具有自己的編寫規(guī)范，包括RPM打包過程的操作和新生成的軟件包的基本信息等內(nèi)容。圖2以 EPICS Base打包為例，展示了它的SPEC文件中的關(guān)鍵操作（圖2中省略了一些類似的拷貝操作）。新生成的RPM包內(nèi)含的程序都已經(jīng)編譯并打包完畢，用戶不用再重新編譯。RPM包的安裝和卸載均可使用簡(jiǎn)單的rpm命令來完成。

3.2 具體實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)軟件自動(dòng)化安裝，實(shí)質(zhì)上只需要用命令將所有手工操作串在一起，放進(jìn)一個(gè)獨(dú)立的Shell腳本里[16]。用戶可以將該腳本當(dāng)做一個(gè)黑盒來使用，并不需要了解軟件構(gòu)建的細(xì)節(jié)，使用時(shí)只需運(yùn)行tmsrsoftinstall命令。該命令封裝了以下操作：(1)創(chuàng)建目錄結(jié)構(gòu)；(2) 設(shè)置環(huán)境變量；(3) EPICS-Base包、相關(guān)支持模塊及驅(qū)動(dòng)的下載、RPM打包和安裝；(4) CSS、BEAST、BEAUTY軟件工具集的下載，RPM打包和安裝。

整個(gè)過程像全自動(dòng)流水線一樣，很快就能按照約定的目錄結(jié)構(gòu)部署好各軟件。安裝好的軟件模塊可以直接使用。軟件的卸載封裝在各自的uninstall命令中，運(yùn)行${Appname}uninstall命令即可快速卸載。整個(gè)構(gòu)建過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)都已通過測(cè)試。

圖2 EPICS-Base的SPEC文件Fig.2 SPEC file of EPICS-Base.

4 服務(wù)管理

4.1 Linux服務(wù)

Linux系統(tǒng)中通常使用service命令統(tǒng)一管理服務(wù)。service命令實(shí)質(zhì)上是一個(gè)可執(zhí)行的腳本，位于/sbin目錄下。service的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用格式：

service [service_name] (start|stop|restart|…)

Linux系統(tǒng)還提供了/sbin/chkconfig工具，用來設(shè)置服務(wù)的開機(jī)自啟動(dòng)及運(yùn)行級(jí)別[15]。它的使用需要在/etc/init.d下的服務(wù)控制腳本中設(shè)定chkconfig和description兩個(gè)注釋參數(shù)，再通過chkconfig--add＜service＞簡(jiǎn)單的命令添加自啟動(dòng)服務(wù)。

4.2 EPICS軟件調(diào)用現(xiàn)狀

部署好的EPICS軟件環(huán)境下，軟件的調(diào)用方式各異。如：IOC啟動(dòng)時(shí)需要調(diào)用IOCBOOT下的st.cmd腳本；Alarm Server、Archive Engine等軟件工具在啟動(dòng)時(shí)需要調(diào)用相應(yīng)的啟動(dòng)腳本，并指定配置文件及端口號(hào)等參數(shù)。軟件的調(diào)用方式繁雜，不利于管理。此外，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試或者意外宕機(jī)需要重啟時(shí)，系統(tǒng)管理員需要手動(dòng)輸入各種不同的命令和參數(shù)依次啟動(dòng)各軟件，耗時(shí)耗力。

因此，本文提出將EPICS軟件設(shè)置成Linux服務(wù)，以規(guī)范統(tǒng)一的模式進(jìn)行調(diào)用；并使用chkconfig工具將它們?cè)O(shè)置成開機(jī)自啟動(dòng)。

4.3 EPICS軟件規(guī)范調(diào)用和自啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)

分兩步實(shí)現(xiàn)：注冊(cè)Linux系統(tǒng)服務(wù)和添加自啟動(dòng)服務(wù)。關(guān)鍵在于如何將EPICS軟件注冊(cè)成Linux系統(tǒng)服務(wù)。Linux服務(wù)的注冊(cè)依賴于/etc/init.d目錄下相應(yīng)的服務(wù)腳本，即sercive控制腳本。各軟件的service控制腳本的工作大致類似，其工作流程如圖3所示。

考慮到代碼復(fù)用，也為了方便增加自定義服務(wù)，因此將圖3中“虛線框中”的部分作為通用的功能提取出來，設(shè)置成注冊(cè)服務(wù)的公用接口，即service-common腳本。

service-common腳本中實(shí)現(xiàn)了獲取服務(wù)程序PID函數(shù)get_service_pid()、程序啟動(dòng)函數(shù)start()、終止進(jìn)程函數(shù)stop()、查詢程序運(yùn)行狀態(tài)函數(shù)status()、重啟程序函數(shù)restart()。當(dāng)添加單個(gè)服務(wù)時(shí)，只需要在單個(gè)服務(wù)腳本中設(shè)置好服務(wù)名、啟動(dòng)腳本路徑等偏好參數(shù)，并在末尾調(diào)用service-common腳本即可。

通過以上設(shè)置，EPICS各軟件就成功注冊(cè)成為L(zhǎng)inux系統(tǒng)服務(wù)，使用簡(jiǎn)單的service命令就可以調(diào)用，如圖4所示。圖4(a)以CSS Alarm Server為例顯示了除IOC程序之外的軟件服務(wù)管理過程，圖4(b)以一個(gè)園區(qū)輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)區(qū)域監(jiān)測(cè)IOC程序展示了IOC服務(wù)管理過程。與之前EPICS環(huán)境下的軟件調(diào)用方法相比，具有簡(jiǎn)單明了、方便統(tǒng)一的特點(diǎn)。

圖3 Service控制腳本流程圖Fig.3 Control flow of service control script.

圖4 CSS Alarm Server (a)和IOC (b)服務(wù)管理Fig.4 Service management of CSS Alarm Server (a) and IOC (b).

4.4 方案改進(jìn)及測(cè)試

為使服務(wù)管理更加便捷，本文對(duì)上述方案進(jìn)行了以下改進(jìn)：

(1) 從系統(tǒng)管理角度，在多人參與的工程項(xiàng)目中，上述方案存在安全隱患。service命令只能在root用戶下使用，某些軟件的調(diào)用也只有root用戶有權(quán)限，普通用戶在使用軟件時(shí)需要使用su來切換到root下操作，而root用戶的密碼理應(yīng)掌握在少數(shù)用戶手中[15]。因此，采取以下改進(jìn)措施：

設(shè)置軟件服務(wù)啟動(dòng)腳本的軟鏈接至/usr/bin目錄下，實(shí)現(xiàn)直接通過服務(wù)名調(diào)用軟件；并使用sudo工具將超級(jí)用戶對(duì)軟件調(diào)用的權(quán)限有針對(duì)性的下放給普通用戶。

(2) 在調(diào)試過程中，可能需要反復(fù)啟動(dòng)、停止各軟件服務(wù)。按照§4.3所述的方案，用戶不得不在終端對(duì)軟件服務(wù)一個(gè)一個(gè)進(jìn)行操作。為解決該問題，在service-common腳本的基礎(chǔ)上編寫multiple-services-common腳本，在其中實(shí)現(xiàn)doall()函數(shù)，同時(shí)編寫另一個(gè)腳本傳入需要批量啟動(dòng)的服務(wù)名序列，如SERVICES=("Alarm Server" "Archive Engine" "JMS2RDB")。

改進(jìn)之后，普通用戶可以批量啟動(dòng)服務(wù)，手工操作也最少化。如圖5所示，在用戶controluser1中可同時(shí)對(duì)多個(gè)CSS服務(wù)進(jìn)行管理。

圖5 普通用戶批量管理服務(wù)Fig.5 Management of multiple services for general users.

5 結(jié)語(yǔ)

本文緊密結(jié)合Linux系統(tǒng)的特點(diǎn)，使用相關(guān)軟件工具和編程初步完成了TMSR核心軟件的自動(dòng)化部署和規(guī)范化調(diào)用，解決了目前EPICS軟件開發(fā)過程中的諸多不便，實(shí)現(xiàn)了Linux系統(tǒng)環(huán)境與EPICS軟件架構(gòu)的統(tǒng)一。在后續(xù)工作中，將進(jìn)一步完善其中的各個(gè)環(huán)節(jié)，以期最大程度減少人工操作，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、全自動(dòng)化的軟件平臺(tái)。

致謝 作者之一雷蕾感謝她的導(dǎo)師和部門老師的悉心指導(dǎo)，以及部門所提供的良好的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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CLC TL99

Software management in EPICS environment

LEI Lei1,2,3HAN Lifeng1,3XU Haixia1,3LI Yongping1,3
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
3(Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)

Background: Compared with commercial SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) software, EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System) control system has no uniform way for software management at present. Developers in different projects deploy and invoke EPICS software modules in different ways. However, it is particularly important to manage the software modules scientifically and normatively for projects like thermonuclear fusion reactor, proton therapy and Thorium Molten Salt Reactor (TMSR), which helps to improve the reliability, maintainability and usability of system. Purpose: We aim to deploy EPICS software modules automatically and call them normatively. Methods: We implement the directory management using Linux Filesystem Hierarchy Standard (FHS), deploy software modules with Red Hat Package Manager (RPM) and shell scripts and manage all software modules with Linux service. Results: The scheme runs very well and reduces manual operation greatly. Conclusion: The results indicate that this scheme can address some issues in the usage of EPICS, which may help to build a unified, fully automated software platform for TMSR I&C system.

EPICS, Directory management, RPM, Service

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.060501

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)(No.XDA02010300)資助

雷蕾，女，1989年出生，2012年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域反應(yīng)堆控制系統(tǒng)軟件

韓利峰，E-mail: hanlifeng@sinap.ac.cn

2015-03-18，

2015-04-10