質(zhì)子單粒子效應(yīng)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

白小燕， 郭曉強(qiáng)， 王桂珍， 王忠明， 趙 雯， 劉敏波

(西北核技術(shù)研究所, 西安 710024)

借助信息化手段對輻照效應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全壽命周期管理，可以極大地提高數(shù)據(jù)的完整性、規(guī)范性和可追溯性，提高管理效率和應(yīng)用水平。美國的輻照效應(yīng)數(shù)據(jù)庫建設(shè)與輻照效應(yīng)研究基本同步[1]，而我國近幾年才開始重視輻照效應(yīng)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility，XiPAF)建設(shè)之初，質(zhì)子單粒子效應(yīng)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)的建設(shè)就被列入相關(guān)研究項(xiàng)目中，是一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。XiPAF是亞洲首臺(tái)空間單粒子效應(yīng)專用高能質(zhì)子加速器，也是我國能量最高的質(zhì)子單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)與考核專用裝置。與中國航天科技集團(tuán)有限公司五院的空間輻射效應(yīng)數(shù)據(jù)庫不同，質(zhì)子單粒子效應(yīng)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)緊緊圍繞XiPAF進(jìn)行開發(fā)建設(shè)，旨在把所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)、與試驗(yàn)相關(guān)的信息和業(yè)務(wù)流程進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理規(guī)范化、歷史數(shù)據(jù)可視化和試驗(yàn)過程流程化，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的利用價(jià)值，提高科研試驗(yàn)的管理效率與應(yīng)用水平，將在我國電子器件抗空間輻射領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。本文主要從需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及最終實(shí)現(xiàn)途徑等3個(gè)方面對質(zhì)子單粒子效應(yīng)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1 需求分析

質(zhì)子單粒子數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)主要圍繞在XiPAF上開展的質(zhì)子單粒子試驗(yàn)全過程進(jìn)行管理，核心目標(biāo)是提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理功能，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)全過程中各個(gè)階段的流程管理和應(yīng)具備信息錄入、管理、利用等功能模塊，全面滿足信息化管理要求，提供一個(gè)準(zhǔn)確一致的輻射效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)資源庫，提升XiPAF的服務(wù)水平及能力。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，質(zhì)子單粒子數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)必須滿足多項(xiàng)需求，表1列出了需求清單。

表1 質(zhì)子單粒子數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)的需求清單

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循的約束條件為：

1) 系統(tǒng)外部接口符合SOAP通信協(xié)議。

2) 系統(tǒng)內(nèi)部接口設(shè)計(jì)時(shí)要符合單一職責(zé)原則、開閉原則、替換原則、依賴倒置原則及接口隔離原則，以滿足系統(tǒng)擴(kuò)展性要求。

3) 數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)要符合基本表的“四性”，即原子性、原始性、演繹性和穩(wěn)定性?；颈砼c字段之間的關(guān)系，應(yīng)該盡量滿足第三范式，但需要在數(shù)據(jù)冗余和處理速度之間找到合適的平衡點(diǎn)，達(dá)到以空間換時(shí)間的目的，滿足系統(tǒng)性能需求。

表1的6類需求中，資源管理、機(jī)時(shí)管理和試驗(yàn)管理是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。資源管理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)字段表[2]。機(jī)時(shí)管理和試驗(yàn)管理屬于業(yè)務(wù)流程管理范疇，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是流程設(shè)計(jì)及與靜態(tài)資源庫建立動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對靜態(tài)資源的調(diào)配和新資源的入庫。

2.1 資源管理設(shè)計(jì)

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)全過程涉及的信息資源主要包括試驗(yàn)單位、試驗(yàn)人員、儀器設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、試驗(yàn)樣品、試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)報(bào)告等7類資源。通過設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)字段，對靜態(tài)的信息資源進(jìn)行管理[2]。標(biāo)準(zhǔn)字段的優(yōu)勢在于：1)提高信息的規(guī)范性和完整性；2)提高檢索效率和準(zhǔn)確度；3)增強(qiáng)不同數(shù)據(jù)庫之間的兼容性。在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)字段的過程中，參考了中國航天科技集團(tuán)有限公司五院的空間輻射效應(yīng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，保證該數(shù)據(jù)庫與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的兼容性。表2列出了7類資源的標(biāo)準(zhǔn)字段設(shè)計(jì)。

2.2 機(jī)時(shí)管理設(shè)計(jì)

機(jī)時(shí)管理主要包括機(jī)時(shí)規(guī)劃、機(jī)時(shí)申請、機(jī)時(shí)分配和機(jī)時(shí)發(fā)布4個(gè)環(huán)節(jié)，機(jī)時(shí)管理流程如圖1所示。機(jī)時(shí)規(guī)劃主要是XiPAF運(yùn)行方結(jié)合任務(wù)情況給出質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)的時(shí)間窗口，時(shí)間窗口可每年發(fā)布1～2次，機(jī)時(shí)規(guī)劃完成后需經(jīng)過審核才能送達(dá)用戶手中。用戶結(jié)合時(shí)間窗口和自己的任務(wù)計(jì)劃選擇適合自己的試驗(yàn)時(shí)間段，提出機(jī)時(shí)申請。XiPAF運(yùn)行方在機(jī)時(shí)申請截止時(shí)間之后，結(jié)合不同用戶的機(jī)時(shí)申請合理分配試驗(yàn)機(jī)時(shí)，經(jīng)審核后發(fā)布機(jī)時(shí)分配方案。

表2 標(biāo)準(zhǔn)字段設(shè)計(jì)Tab.2 Design of standard fields for resource management

圖1 機(jī)時(shí)管理流程Fig.1 Process for machine-time management

設(shè)計(jì)機(jī)時(shí)管理時(shí)考慮2種方案：1)機(jī)時(shí)管理業(yè)務(wù)在內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)同時(shí)布設(shè)，外單位用戶直接登錄外網(wǎng)進(jìn)行訪問；2)機(jī)時(shí)管理業(yè)務(wù)僅布設(shè)在內(nèi)網(wǎng)，機(jī)時(shí)申請和機(jī)時(shí)發(fā)布環(huán)境均由指定人員通過郵件發(fā)送的方式通知外網(wǎng)用戶。

機(jī)時(shí)管理4個(gè)環(huán)節(jié)中包含的字段及其設(shè)置，如表3所列。這4個(gè)環(huán)節(jié)的字段中均包含機(jī)時(shí)規(guī)劃編碼字段，是整個(gè)機(jī)時(shí)管理的唯一標(biāo)識(shí)符。申請單位和申請人員等字段通過申請單位ID和申請人員ID與表1中的資源庫建立關(guān)聯(lián)。

表3 機(jī)時(shí)管理中的字段及其設(shè)置

2.3 試驗(yàn)管理設(shè)計(jì)

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)的全過程主要包括試驗(yàn)組織、試驗(yàn)分配、試驗(yàn)階段及試驗(yàn)結(jié)果判定4個(gè)階段。試驗(yàn)管理對這4個(gè)階段進(jìn)行管理，同時(shí)管理試驗(yàn)中產(chǎn)生的信息，圖2為試驗(yàn)管理流程。用戶在試驗(yàn)之前需要向運(yùn)行方遞交試驗(yàn)申請材料，運(yùn)行方組織人力對材料進(jìn)行審核，審核通過后，才能安排試驗(yàn)。線下試驗(yàn)實(shí)施完畢后，試驗(yàn)負(fù)責(zé)人需將本次試驗(yàn)的信息上傳。當(dāng)用戶有試驗(yàn)報(bào)告的需求時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)上傳的試驗(yàn)信息自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告。試驗(yàn)負(fù)責(zé)人指定專人對生成的試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行完善，并提交領(lǐng)導(dǎo)審核，通過審核的試驗(yàn)報(bào)告，才能加蓋公章遞交到用戶手中。系統(tǒng)管理員或其指定的人員對上傳的試驗(yàn)信息進(jìn)行完備性檢查，通過后，本次試驗(yàn)才能結(jié)束。信息系統(tǒng)需要提供方便快捷的流程定制功能，系統(tǒng)管理員可根據(jù)管理程序文件中確定的各種流程來設(shè)計(jì)流程與定義操作。

圖2 試驗(yàn)管理流程Fig.2 Process for test management

在該系統(tǒng)中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)流程的管理和對試驗(yàn)中產(chǎn)生的信息管理是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)中，采用試驗(yàn)申請單實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)管理4個(gè)階段的流程管理。試驗(yàn)申請單包含試驗(yàn)申請單位、試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)樣品、試驗(yàn)方案、試驗(yàn)人員及試驗(yàn)結(jié)果等信息，試驗(yàn)申請單的字段設(shè)置如表4所列。通過機(jī)時(shí)編碼將試驗(yàn)申請單中的試驗(yàn)申請單位和試驗(yàn)時(shí)間等信息與機(jī)時(shí)管理中的相關(guān)信息進(jìn)行自動(dòng)關(guān)聯(lián)，申請人員在填寫試驗(yàn)申請單時(shí)通過選擇機(jī)時(shí)編碼，即可實(shí)現(xiàn)對其他相關(guān)信息的錄入。試驗(yàn)樣品信息與試驗(yàn)樣品的資源庫通過樣品ID建立關(guān)聯(lián)。試驗(yàn)申請單中只顯示試驗(yàn)樣品的名稱，但提供到試驗(yàn)樣品的資源庫查看該樣品詳細(xì)信息的鏈接。試驗(yàn)結(jié)果菜單中也僅顯示試驗(yàn)名稱，但可鏈接到試驗(yàn)結(jié)果的資源庫中。試驗(yàn)結(jié)果的字段描述，如表2所列。試驗(yàn)結(jié)果菜單中包含試驗(yàn)報(bào)告部分。該系統(tǒng)能提供試驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)生成功能，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)報(bào)告模板進(jìn)行數(shù)據(jù)庫字段的綁定，可選擇試驗(yàn)報(bào)告模板，也可自定義試驗(yàn)報(bào)告的格式和內(nèi)容，通過審核的試驗(yàn)報(bào)告可自動(dòng)進(jìn)入試驗(yàn)報(bào)告庫中。

表4 試驗(yàn)申請單的字段設(shè)置Tab.4 Design of standard fileds for test application form

3 質(zhì)子單粒子效應(yīng)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

除XiPAF外，西北核技術(shù)研究所還擁有“強(qiáng)光一號(hào)”、“晨光號(hào)”、西安脈沖反應(yīng)堆、鈷源及“春雷號(hào)”等系列輻射效應(yīng)模擬源，可開展瞬時(shí)電離輻射、中子、電離總劑量和電磁脈沖等效應(yīng)試驗(yàn)。建設(shè)時(shí)，同時(shí)將這幾種輻射效應(yīng)也納入管理之中。本文從平臺(tái)環(huán)境、機(jī)時(shí)管理、試驗(yàn)管理及資源中心4個(gè)方面對已建成的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

3.1 平臺(tái)環(huán)境

數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)的架構(gòu)為B/S(browser/server)架構(gòu)[3-4]，由瀏覽器和服務(wù)器組成?？蛻舳耸菢?biāo)準(zhǔn)的瀏覽器，服務(wù)器為Web服務(wù)器加數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。瀏覽器將HTML代碼轉(zhuǎn)化為圖文并茂的網(wǎng)頁，網(wǎng)頁具備一定的交互功能，允許用戶在網(wǎng)頁提供的申請表上輸入信息提交給后臺(tái)，并提出處理請求。后臺(tái)的Web服務(wù)器將啟動(dòng)相應(yīng)的進(jìn)程響應(yīng)用戶的請求，并將處理結(jié)果返回給客戶端的瀏覽器。如果客戶端提交的請求包括數(shù)據(jù)的存取，Web服務(wù)器還需與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器協(xié)同完成相應(yīng)的處理工作。與C/S架構(gòu)相比，B/S架構(gòu)具有系統(tǒng)開發(fā)、維護(hù)和升級的經(jīng)濟(jì)性，易于擴(kuò)展，且簡化了客戶端，使用戶的操作更加簡單[5]。數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)采用Oracle數(shù)據(jù)庫。Oracle數(shù)據(jù)庫一直處于行業(yè)領(lǐng)先地位，系統(tǒng)可移植性好，具有多平臺(tái)兼容的特性，且具有完整的數(shù)據(jù)管理功能，數(shù)據(jù)保存的持久性相對穩(wěn)定，可靠性和共享性好。數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)的開發(fā)語言為Java。

3.2 機(jī)時(shí)管理

機(jī)時(shí)管理包括機(jī)時(shí)規(guī)劃、機(jī)時(shí)申請、機(jī)時(shí)分配和機(jī)時(shí)發(fā)布。圖3為機(jī)時(shí)規(guī)劃界面，界面上可設(shè)置的選項(xiàng)有裝置名稱、規(guī)劃開始和結(jié)束時(shí)間、申請截止時(shí)間、周末是否可用及占用開始和結(jié)束時(shí)間。用戶不可以申請占用時(shí)間段內(nèi)的機(jī)時(shí)。

圖3 機(jī)時(shí)規(guī)劃界面Fig.3 Interface for machine-time planning

由于目前數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)僅能通過我單位的內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)頁訪問，因此在機(jī)時(shí)規(guī)劃完成后，XiPAF的相關(guān)負(fù)責(zé)人會(huì)將機(jī)時(shí)規(guī)劃通過郵件發(fā)給外網(wǎng)用戶，之后將收到的用戶申請導(dǎo)入數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)。內(nèi)網(wǎng)用戶登錄網(wǎng)頁自己申請。在申請截止日期之后，XiPAF的相關(guān)負(fù)責(zé)人登錄數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，結(jié)合用戶的申請進(jìn)行機(jī)時(shí)分配。當(dāng)不同用戶申請的機(jī)時(shí)發(fā)生沖突時(shí)，發(fā)生沖突的時(shí)間段會(huì)以紅色標(biāo)記，負(fù)責(zé)人通過線下溝通的方式協(xié)調(diào)不同用戶的試驗(yàn)機(jī)時(shí)，最終完成機(jī)時(shí)分配并予以發(fā)布。內(nèi)網(wǎng)用戶可以登錄系統(tǒng)查看自己的試驗(yàn)機(jī)時(shí)，外網(wǎng)用戶會(huì)收到試驗(yàn)機(jī)時(shí)的通知郵件。當(dāng)機(jī)時(shí)管理部分實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)訪問后，XiPAF的機(jī)時(shí)管理將更快捷、更高效。

3.3 試驗(yàn)管理

試驗(yàn)管理不僅包含流程管理，還包括試驗(yàn)信息管理。整個(gè)流程以試驗(yàn)申請單在不同人員之間流動(dòng)的方式進(jìn)行管理。圖4為試驗(yàn)申請單界面，界面上顯示了委托方信息、試驗(yàn)信息、附件信息、樣品信息及流程記錄等內(nèi)容。數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)提供方便快捷的流程定制功能，具有權(quán)限的用戶通過拖拽界面可定義審批節(jié)點(diǎn)，每個(gè)審批節(jié)點(diǎn)可設(shè)置相關(guān)審批人員，建立的流程必須發(fā)布為正式狀態(tài)，才能被使用。圖5為試驗(yàn)管理流程設(shè)計(jì)界面。

圖4 試驗(yàn)申請單界面Fig.4 Interface for test application

圖5 試驗(yàn)管理流程設(shè)計(jì)界面Fig.5 Process design interface for test management

在收到試驗(yàn)機(jī)時(shí)批復(fù)的通知后，用戶應(yīng)盡早遞交試驗(yàn)相關(guān)材料，包括試驗(yàn)樣品、試驗(yàn)方案及試驗(yàn)規(guī)范等信息。XiPAF運(yùn)行方會(huì)登錄該系統(tǒng)提交試驗(yàn)申請單，線上組織效應(yīng)負(fù)責(zé)人及裝置運(yùn)行負(fù)責(zé)人對試驗(yàn)相關(guān)材料進(jìn)行審核，通過審核后會(huì)指定相關(guān)人員負(fù)責(zé)試驗(yàn)安排。試驗(yàn)負(fù)責(zé)人在線下組織實(shí)施試驗(yàn)，同時(shí)在線上通過試驗(yàn)申請單生成試驗(yàn)管理窗口用于試驗(yàn)信息的錄入。圖6為試驗(yàn)管理界面，界面上的試驗(yàn)信息主要有試驗(yàn)樣品、輻射環(huán)境、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、原始數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)、試驗(yàn)報(bào)告、試驗(yàn)附件、試驗(yàn)權(quán)限及操作日志等。對于試驗(yàn)樣品、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等信息，信息錄入員可鏈接到相應(yīng)的資源庫通過添加的方式錄入這些信息，方便快捷。對于資源庫中未記錄的信息，可通過新建的方式錄入，信息一經(jīng)錄入，就會(huì)同時(shí)進(jìn)入相關(guān)的資源庫中。圖7為試驗(yàn)報(bào)告界面。在信息錄入完畢后，可進(jìn)入試驗(yàn)報(bào)告界面，系統(tǒng)自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告。試驗(yàn)報(bào)告撰寫人員可下載生成的試驗(yàn)報(bào)告，并將完善后的試驗(yàn)報(bào)告上傳。試驗(yàn)附件部分可上傳試驗(yàn)過程中的錄音和錄像等音像資料及其他需要記錄的資料。試驗(yàn)權(quán)限是確定不同層級人員對試驗(yàn)信息的操作權(quán)限，這些權(quán)限主要包括讀取、修改、下載和刪除等。

圖6 試驗(yàn)管理界面Fig.6 Interface for test management

所有的相關(guān)信息錄入完畢后，試驗(yàn)負(fù)責(zé)人將試驗(yàn)申請單流轉(zhuǎn)給信息審核員，信息審核員會(huì)對信息的完整性進(jìn)行審核，通過審核后，試驗(yàn)才能結(jié)束。如果要出具試驗(yàn)報(bào)告，試驗(yàn)申請單同時(shí)會(huì)流轉(zhuǎn)給報(bào)告審核員，報(bào)告審核員會(huì)對試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行審核，通過審核的試驗(yàn)報(bào)告經(jīng)打印蓋章遞交到用戶手中，并進(jìn)入試驗(yàn)報(bào)告庫。

圖7 試驗(yàn)報(bào)告生成界面Fig.7 Test report generation interface

3.4 資源中心

數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)收集與輻照效應(yīng)試驗(yàn)相關(guān)的信息資源，形成了包括試驗(yàn)單位、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)樣品、儀器設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及試驗(yàn)報(bào)告6大資源中心。其中，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要收集國內(nèi)外與輻照效應(yīng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，目前已收集美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(American Society for Testing and Materials，ASTM)標(biāo)準(zhǔn)34份,美國軍用標(biāo)準(zhǔn)14份，我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)24份。通過試驗(yàn)管理界面自動(dòng)生成的報(bào)告在通過審核后可自動(dòng)進(jìn)入試驗(yàn)報(bào)告資源中心。圖8為試驗(yàn)報(bào)告資源中心界面，界面還提供歷史報(bào)告上傳功能。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)上傳的報(bào)告，自動(dòng)識(shí)別“報(bào)告編號(hào)”、“試驗(yàn)類型”、“樣品名稱”、“樣品型號(hào)”、“試驗(yàn)單位”、“試驗(yàn)負(fù)責(zé)人”、“環(huán)境測試人”、“報(bào)告審核人”、“報(bào)告簽發(fā)人”及“試驗(yàn)時(shí)間”等字段。用戶可根據(jù)這些字段對試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行檢索，提高檢索定位的準(zhǔn)確度。目前，試驗(yàn)報(bào)告資源中心已收集試驗(yàn)報(bào)告475份，涉及質(zhì)子單粒子效應(yīng)、電離總劑量效應(yīng)、瞬時(shí)電離輻射效應(yīng)、中子輻射效應(yīng)和電磁脈沖效應(yīng)等5個(gè)方向。

圖8 試驗(yàn)報(bào)告資源中心界面Fig.8 Interface for test report center

4 結(jié)論

本文從設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)2個(gè)方面介紹了質(zhì)子單粒子效應(yīng)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)緊緊圍繞XiPAF而建，不僅收集與質(zhì)子試驗(yàn)相關(guān)的信息形成資源中心，而且管理與質(zhì)子試驗(yàn)相關(guān)的業(yè)務(wù)流程，包括機(jī)時(shí)管理、材料審核和報(bào)告審核等，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)資源與動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)的有機(jī)融合。目前，質(zhì)子單粒子效應(yīng)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)已上線運(yùn)行，下一步將根據(jù)用戶的使用反饋，進(jìn)一步補(bǔ)充完善，改善用戶體驗(yàn)。