[論文レビュー] An Overview of the LIGO Control and Data Acquisition System

R. Bork, R. Abbott+2 more|ArXiv.org|Nov 9, 2001

Magnetic confinement fusion research参考文献 4被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、4kmのレーザー干渉計の腕にまたがるMIMO制御ループを管理しながら、マイクロ秒レベルの正確なデータタイムスタンプを実現する、VMEハードウェアとVxWorks OSを用いた密結合型の制御およびデータ取得システム（CDS）の設計と運用を提示する。このシステムは、1つの干渉計あたり5MB/sを超えるデータレートをサポートし、ファイバーオプティカル反射メモリネットワークを介してフロントエンドプロセッサとデータ取得システムを接続することで、リアルタイム解析とLDASおよびGDSによる長期保存を実現する。

ABSTRACT

The LIGO Control and Data system (CDS) features a tightly coupled and highly integrated control and data acquisition system. Control of the interferometers requires many Multiple Input Multiple Output (MIMO) control loops closed both locally and across the 4-kilometer interferometer arm lengths. In addition to providing the closed loop control, the control systems front end processors act as Data Collection Units (DCU) for the data acquisition system. Data collected by these front ends and the data acquisition system must be collected and time stamped to an accuracy of 1 microsecond and made available to on-line analysis tools such as the Global Diagnostics System (GDS)[1]. Data is also sent to the LIGO Data Analysis System (LDAS)[2] for long-term storage and off-line analysis. Data rates exceed 5 Mbytes per second per interferometer continuous. Connection between the various front end processors and the data acquisition system is achieved using fiber optic reflective memory networks. Both controls and data acquisition systems use VME hardware and VxWorks operating systems. This paper will present an overview of the LIGO CDS and discuss key aspects of its design.

研究の動機と目的

• LIGOの4km干渉計における複雑なMIMOフィードバックループを管理できる、高度に統合された制御およびデータ取得システムを設計すること。
• 分散型フロントエンドプロセッサ間で、1マイクロ秒未塔の正確な時間同期を確保すること。
• 制御システムとデータ取得インfraストラクチャを統合することで、リアルタイムデータ処理と長期アーカイブを可能にすること。
• 1つの干渉計あたり5MB/sを超えるデータレートを実現するため、高帯域幅かつ低遅延の通信ネットワークを活用すること。
• LIGOネットワーク全体にわたり、標準化されたVMEハードウェアとVxWorksオペレーティングシステムを用いて、制御とデータ取得機能を統合すること。

提案手法

• 4km干渉計の腕にまたがるMIMO制御ループを、局所的および跨がる形で閉じることで、レーザー干渉計を安定化させる。
• フロントエンドプロセッサをデータ収集ユニット（DCU）として使用し、同時にセンサデータの収集と制御機能を実行する。
• フロントエンドプロセッサと中央データ取得システムを接続するためのファイバーオプティカル反射メモリネットワークを導入し、低遅延かつ高帯域幅の通信を実現する。
• 収集されたすべてのデータにマイクロ秒レベルの正確なタイムスタンプを付与することで、分散コンponents間での正確な同期を可能にする。
• VMEハードウェアプラットフォームとVxWorksリアルタイムオペレーティングシステムを用いることで、決定論的性能とシステム信頼性を確保する。
• データをグローバル診断システム（GDS）のようなオンライン分析ツールおよびLIGOデータ解析システム（LDAS）によるオフライン保存にルーティングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力波検出に求められる厳密な時間制約と帯域幅要件を満たすために、どのように密結合型の制御およびデータ取得システムを設計できるか？
• RQ2 大規模干渉計において、分散型の高帯域幅データストリームにマイクロ秒レベルの正確なタイムスタンプを適用するためのアーキテクチャは何か？
• RQ3 リアルタイム安定性を損なわず、制御システムのフロントエンドが高パフォーマンスなデータ収集ユニットとしても機能できるか？
• RQ4 分散型フロントエンドプロセッサと中央データ取得システム間で、低遅延かつ信頼性の高いデータ転送を実現する通信技術は何か？
• RQ5 VMEベースのハードウェアとVxWorks OSをどのように効果的に活用することで、1つのシステムフレームワーク内でリアルタイム制御と高スルーレートデータ取得を両立できるか？

主な発見

• LIGO CDSは、4km干渉計の腕にまたがる複雑なMIMO制御ループを、密結合型の制御およびデータ取得機能を用いて正常に管理している。
• データはマイクロ秒レベルの正確さで収集およびタイムスタンプ処理されており、リアルタイム診断および長期分析の両方において正確な同期を可能にしている。
• システムは1つの干渉計あたり5MB/sを超えるデータレートをサポートしており、継続的な重力波モニタリングに向けた高スルーレート能力を示している。
• ファイバーオプティカル反射メモリネットワークは、フロントエンドプロセッサとデータ取得システム間の信頼性の高い低遅延接続を提供している。
• VMEハードウェアとVxWorks OSを用いた制御とデータ取得の統合により、干渉計の安定性に不可欠な決定論的でリアルタイムのパフォーマンスが実現されている。
• システムはデータをオンライン分析（GDS）および長期保存（LDAS）に効果的にルーティングしており、科学的分析に向けたエンドツーエンドのデータ可用性を確保している。