園區(qū)輻射監(jiān)測系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化

中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 徐海霞 雷 蕾 韓利峰 后 接 陳永忠 蔡 軍 黃文博

輻射監(jiān)測系統(tǒng)（RMS：Radiation Monitoring System）是釷基熔鹽堆(TMSR：Thorium Molten Salt Reactor)的重要子系統(tǒng)，是保證TMSR安全運行的重要手段。加強對輻射監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，對提高TMSR安全運行具有重要作用。本文介紹了TMSR嘉定園區(qū)RMS歷史數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)設(shè)計及開發(fā)。分析了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)、存儲系統(tǒng)、控制文件、重做日志文件、歸檔文件、數(shù)據(jù)庫內(nèi)存及表空間，提高數(shù)據(jù)庫可靠性、可用性及檢索性能；分析了優(yōu)化信號分組，提高設(shè)備信號的可維護性和管理效率。應(yīng)用表明RMS歷史存檔系統(tǒng)滿足長期穩(wěn)定運行。

釷基熔鹽堆(TMSR)核能系統(tǒng)項目是中科院先導(dǎo)科技專項之一，其戰(zhàn)略性目標(biāo)是研發(fā)第四代裂變反應(yīng)堆核能系統(tǒng)。RMS是反應(yīng)堆儀控系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)，實時監(jiān)測反應(yīng)堆工藝、尾氣、余排和電廠區(qū)域內(nèi)的放射性水平，保證反應(yīng)堆及人員安全；監(jiān)測放射性物質(zhì)對環(huán)境的影響，保障公眾輻射安全，并為反應(yīng)堆工程評估提供輻射數(shù)據(jù)。目前RMS國產(chǎn)率較低，以嘉定園區(qū)實驗室改造為契機建設(shè)園區(qū)全網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化輻射監(jiān)測系統(tǒng)，為建設(shè)TMSR研究堆輻射監(jiān)測系統(tǒng)解決技術(shù)難題。

歷史數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)是園區(qū)RMS的核心部分，用于存儲儀表測量數(shù)據(jù)及報警信息，為專業(yè)人員提供完整性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)檢索、統(tǒng)計、報表及繪制趨勢分析圖。園區(qū)RMS歷史存檔系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲量大、讀/寫性能高、可用性強、可靠性高?，F(xiàn)有的存檔系統(tǒng)為GB級數(shù)據(jù)庫，以建設(shè)園區(qū)全網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化輻射監(jiān)測系統(tǒng)為契機，為TMSR研究堆RMS海量數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)解決可靠性高、可用性強及讀寫性能瓶頸。

園區(qū)RMS采用Linux操作系統(tǒng)、Oracle數(shù)據(jù)庫平臺、R A I D 1+0存儲系統(tǒng)，用CSS(Control System Studio)檢索歷史數(shù)據(jù)和繪制趨勢分析圖。其應(yīng)用表明，性能優(yōu)化能實現(xiàn)RMS存檔系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，能提高運維和研究人員處理和分析數(shù)據(jù)效率，滿足RMS運行和研究需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

1.1 功能需求分析

園區(qū)RMS實時監(jiān)測園區(qū)放化實驗室和中子實驗樓防護屏蔽的放射水平及輻射監(jiān)測設(shè)備運行，早發(fā)現(xiàn)隱患事故并報警，以便及時采取防止措施，提高輻射監(jiān)測設(shè)備可靠性；通過連續(xù)監(jiān)測園區(qū)區(qū)域內(nèi)的放射性水平，當(dāng)超過規(guī)定限值時，發(fā)出報警信號，保障園區(qū)工作人員的輻射安全。另外，存檔系統(tǒng)應(yīng)滿足7×24穩(wěn)定運行，存儲滿足5000點以0.1s存儲5年存儲周期，能快速檢索并繪制1年歷史數(shù)據(jù)趨勢圖。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

為了實現(xiàn)上述功能及性能要求，采用Linux 64位操作系統(tǒng)、Oracle數(shù)據(jù)庫，RAID1+0存儲系統(tǒng)，RMS歷史存檔系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。EPICS IOC（Experimental Physics and Industrial Control System Input and Output Controller）服務(wù)器實時采集及處理儀表測量數(shù)據(jù)及設(shè)備運行狀態(tài)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器連接EPICS IOC服務(wù)器，采集并歸檔EPICS IOC實時數(shù)據(jù)及處理后的報警信息。查詢終端系統(tǒng)查詢信號，檢索數(shù)據(jù)、繪制數(shù)據(jù)趨勢分析圖，導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)。報警系統(tǒng)終端監(jiān)視設(shè)備工況、園區(qū)放射性水平，當(dāng)出現(xiàn)故障時報警并定位放射性超標(biāo)位置、故障設(shè)備，查詢歷史報警信息，并統(tǒng)計歷史報警情況。存儲系統(tǒng)是大容量磁盤陣列，用于存儲數(shù)據(jù)庫控制文件、數(shù)據(jù)文件、重做日志文件及歸檔日志文件等核心文件。

1.3 軟件開發(fā)

采集EPICS IOC實時數(shù)據(jù)并存儲到歷史數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)。如圖2所示，將采集設(shè)備數(shù)據(jù)的配置信息存儲到Oracle數(shù)據(jù)庫，ArchiveEngine讀取數(shù)據(jù)庫的存儲config.配置信息，并通過Channel Access通信協(xié)議，采集EPICS IOC實時數(shù)據(jù)并存儲到Oracle數(shù)據(jù)庫?？蛻舳送ㄟ^JDBC驅(qū)動，采用CSS的DataBrowser插件查詢、繪制歷史數(shù)據(jù)趨勢分析圖。

圖1 歷史存檔系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 歷史數(shù)據(jù)庫存檔系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

歷史數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)的表結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示，共12張表，分別是采集引擎表(SMPL_ENG)、通道組表(CHAN_GRP)、采集模式表(SMPL_MODE)、通道表(CHANNEL)、報警級別表(SEVERITY)、報警狀態(tài)表(STATUS)、采樣表(SAMPLE)、歸檔版本表(ARCHIVE_SCHEMA)、采樣數(shù)組表（ARRAY_VAL）、元數(shù)據(jù)預(yù)留表（RETENT）、數(shù)值報警設(shè)定表(NUM_METADATA)、枚舉通道表(ENUM_METADATA)。歸檔模式表(ARCHIVE_SCHEMA)記錄歸檔信息的修改情況，有利于管理調(diào)式過程引起的通道信息修改；SMPL_MODE表規(guī)定了周期掃描(scan)和實時監(jiān)測數(shù)值更新(monitor)兩種數(shù)據(jù)采集方式；根據(jù)SMPL_MODE表的采集模式，channel表規(guī)定了每個通道的數(shù)據(jù)采集方式（SMPL_MODE_ID）、采集周期（SMPL_PER）及采集閾值設(shè)定(SMPL_VAL)等詳細采集信息，每個通道（CHANNEL）分別對應(yīng)EPICS IOCs中的一個變量（PV）和SMPL_ENG表中的一個引擎，最后將采集數(shù)據(jù)存儲到采樣表(SAMPLE)和ARRAY_VAL表。通道組表（CHAN_GRP）對所有PV變量（通道）進行分組，每個通道（CHANNEL）對應(yīng)一個通道組，可以按功能、設(shè)備、采集方式、系統(tǒng)等多種方式對PV變量進行分組，有助于調(diào)試與運維過程增加、刪除、修改及診斷故障PV變量，每個通道組對應(yīng)一個引擎，當(dāng)PV變量大及采集頻率高時，將PV變量的數(shù)據(jù)采集分散到不同的采集引擎，有效降低單個引擎的采集壓力，避免數(shù)據(jù)丟失。

RMS平臺有49套輻射監(jiān)測設(shè)備，每套設(shè)備有測量信號較多。為了提高設(shè)備信號可管理性和可維護性，設(shè)計數(shù)據(jù)庫時設(shè)有通道分組表CHAN_GRP，用于對設(shè)備分組管理。園區(qū)RMS設(shè)備按功能分為10組，分別是環(huán)境γ監(jiān)測儀（MRP-JH）、區(qū)域γ監(jiān)測儀（MRPJQ）、放射性氣溶膠監(jiān)測儀（MRP-JF）、放射性碘監(jiān)測儀（MRPJI）、放射性惰性氣體監(jiān)測儀（MRP-JD）、放射性廢液監(jiān)測儀（MRP-JP）、工藝輻射監(jiān)測（MRP-JG）、區(qū)域中子監(jiān)測（MRPJN）、劑量計讀取儀（MRP-ZQ）和全身污染監(jiān)測儀（MRPJB）。每組設(shè)備的監(jiān)測信號分為一個通道組。設(shè)備分組有益于快速定位、查找設(shè)備信號，提高數(shù)據(jù)檢索性能及設(shè)備信號管理效率。其次，通過信號分組可以快速定位、查找故障信號，如圖4所示，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備信號故障時，對應(yīng)Archive Engine Group界面上connnected出現(xiàn)紅色連接數(shù)，單擊connnected對應(yīng)group快速定位故障信號，提高RMS系統(tǒng)可維護性。

圖3 存檔系統(tǒng)表結(jié)構(gòu)

圖4 信號分組優(yōu)化

數(shù)據(jù)庫查詢采用CSS-DataBrowser插件，查詢測量信號及其歷史數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)及繪制趨勢分析圖。數(shù)據(jù)趨勢圖含顯示實時輻射水平的實時數(shù)據(jù)，從存檔系統(tǒng)讀取的歷史數(shù)據(jù)。支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出、多種計算分析及同一時段繪制多個信號，提高存檔系統(tǒng)可應(yīng)用性。圖5所示是歷史數(shù)據(jù)檢索。

2 歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能優(yōu)化

2.1 可靠性優(yōu)化

為了提高存檔系統(tǒng)可靠性，對數(shù)據(jù)庫核心文件：控制文件、重做日志文件、數(shù)據(jù)文件采用多物理硬盤多路徑冗余方法，對網(wǎng)絡(luò)采用冗余網(wǎng)絡(luò)。

控制文件采用三個不同路徑存儲到不同磁盤，將控制文件分別存儲到存儲系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，其中，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過不同路徑存儲到不同磁盤。這樣任意兩個控制文件丟失、損壞或存儲介質(zhì)損壞導(dǎo)致控制文件毀滅，直接復(fù)制好的控制文件就能恢復(fù)數(shù)據(jù)庫。

圖5 歷史數(shù)據(jù)檢索

數(shù)據(jù)文件是數(shù)據(jù)庫主體，存儲實際數(shù)據(jù)。為了保障數(shù)據(jù)完整性，避免數(shù)據(jù)丟失，在物理存儲介質(zhì)結(jié)構(gòu)上采用RAID1+0模式。RAID1+0模式提供了200%的速度和單磁盤損壞的數(shù)據(jù)安全性，并且當(dāng)同時損壞的磁盤不在同一Raid1中，保證數(shù)據(jù)安全性。邏輯結(jié)構(gòu)多路徑存儲歸檔日志，數(shù)據(jù)文件丟失或損壞，通過歸檔日志快速恢復(fù)。

重做日志文件記錄了數(shù)據(jù)庫修改信息，用于數(shù)據(jù)庫故障恢復(fù)數(shù)據(jù)庫，介質(zhì)損壞和用戶誤操作恢復(fù)數(shù)據(jù)。重做日志文件使用四組，每個組設(shè)有三個成員，存儲到不同磁盤。其中，1個成員存儲到存儲系統(tǒng)，2個成員存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的不同路徑不同磁盤上。保障無論存儲系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫服務(wù)器任何一個物理介質(zhì)或邏輯損壞，直接復(fù)制將未損壞的重做日志文件，就能恢復(fù)數(shù)據(jù)庫，提高數(shù)據(jù)庫可用性。

全網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，通訊接口容易發(fā)生故障，避免網(wǎng)絡(luò)接口單點故障引起數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)宕機，對IOC服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用多塊冗余網(wǎng)卡。綁定冗余網(wǎng)卡提供1個對外服務(wù)IP地址，任意網(wǎng)卡故障，不會影響對外服務(wù)。

2.2 檢索性能優(yōu)化

影響RMS數(shù)據(jù)庫性能因素較多，優(yōu)化日志文件、內(nèi)存、獨立表空間模式及表分區(qū)，提高歷史數(shù)據(jù)庫性能。

日志文件記錄了數(shù)據(jù)庫修改，分為ACTIVE，CURRENT及INCATIVE三個狀態(tài)。當(dāng)日志文件記寫滿后，CURRENT日志組進行歸檔，成為ACTIVE狀態(tài)，同時，由狀態(tài)為INACITIVE的其中一組日志組記錄數(shù)據(jù)庫的修改活動，切換為CURRENT組；當(dāng)ACTIVE日志組完成檢查點后，日志組成為INCATIVE狀態(tài)。如果日志組設(shè)置太小，頻繁切換會消耗大量資源，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)庫性能，但是日志組設(shè)置太大，長時間才切換一次，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫恢復(fù)時間過長，甚至造成數(shù)據(jù)大量丟失。為了既降低切換重做日志文件頻率，提高數(shù)據(jù)庫性能，又能將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)時間降到最小，經(jīng)過多次實驗，得出日志組文件設(shè)置大小為52M，4個日志組，每組3個組成員，日志組切換時間為24min，滿足行業(yè)內(nèi)的黃金比。

數(shù)據(jù)庫內(nèi)存分配是影響數(shù)據(jù)庫性能的最重要因素之一，直接影響CPU和IO消耗，與內(nèi)存相關(guān)的故障十分棘手。因此，內(nèi)存配置尤為重要，其由SGA（系統(tǒng)全局區(qū)域）與PGA（進程全局區(qū)）組成。其中，SGA是包含Oracle實例的數(shù)據(jù)和控制信息的共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)，PGA是進程和線程專用內(nèi)存。為了降低內(nèi)存錯誤，保障性能優(yōu)異，SGA設(shè)置為8G，sga_target為7323M，pga設(shè)置為2G，數(shù)據(jù)庫已經(jīng)滿足RMS性能要求及7*24穩(wěn)定運行。

RMS歷史數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)存儲輻射監(jiān)測設(shè)備過程數(shù)據(jù)及報警信息。這些數(shù)據(jù)均有大量排序、索引、計算與統(tǒng)計，需要消耗大量I/O資源和讀、寫進程。為了避免I/O資源爭用和讀、寫進程等待，采用獨立用戶和獨立表空間。設(shè)有用戶ARCHIVE及ALARM；ARCHIVE設(shè)有表空間ARCHIVE_DAT及臨時表空間ARCHIVE_TEMP；ALARM設(shè)有表空間ALARM_DATA及臨時表空間ALARM_TEMP。ALARM用戶存儲報警信息，表空間ALARM_DATA存儲放射性水平超標(biāo)及設(shè)備故障報警信息，臨時表空間ALARM_TEMP存儲ALARM排序、計算、索引等臨時信息；ARCHIVE用戶存儲輻射監(jiān)測儀設(shè)備歷史數(shù)據(jù)，表空間ARCHIVE_DATA存儲輻射監(jiān)測儀的歷史數(shù)據(jù)，臨時表空間ARCHIVE_TEMP用于歷史數(shù)據(jù)的檢索、排序、統(tǒng)計、計算及繪制歷史數(shù)據(jù)趨勢分析圖等臨時數(shù)據(jù)。

總結(jié)：對于RMS歷史數(shù)據(jù)存檔系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)與優(yōu)化。本文描述了存檔系統(tǒng)硬件架構(gòu)、數(shù)據(jù)流、表結(jié)構(gòu)、信號分組及上層應(yīng)用軟件；分析了信號分組提高信號可管理性及可維護性；分析了冗余網(wǎng)絡(luò)、RAID1+0磁盤陣列，避免單點故障，提高數(shù)據(jù)庫可靠性；分析了多磁盤多路徑存儲數(shù)據(jù)庫控制文件、重做日志文件及歸檔文件，當(dāng)數(shù)據(jù)庫損壞時復(fù)制相應(yīng)正確文件替換故障文件恢復(fù)數(shù)據(jù)庫，提高數(shù)據(jù)庫可用性。介紹了日志文件、內(nèi)存配置及表空間，提高數(shù)據(jù)庫性能。按照CMMI-3“軟件能力成熟度模型三級”標(biāo)準(zhǔn)完成系統(tǒng)測試。經(jīng)由第三方測試認(rèn)證：測試過程符合CMMI-3過程規(guī)范，測試指標(biāo)達到測試基準(zhǔn)要求。