[論文レビュー] Designing a Magnetic Measurement Data Acquisition and Control System with Reuse in Mind: A Rotating Coil System Example

J. Nogiec, P. Akella+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2021

Distributed and Parallel Computing Systems参考文献 12被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、加速器磁石試験における磁気測定データ取得および制御システムの再利用可能なソフトウェア製品ラインアーキテクチャを提示する。コンponentsベースのフレームワークと設定可能なソフトウェアバス、標準化されたハードウェアインターフェースを用いる。このアプローチにより、モジュラーなコンポonent、スクリプトオchestration、プラグイン拡張性によって機能を分離することで、2つの異なる回転コイルシステム（LHCおよびフェルミラブ用）において高い再利用率を実証した。開発時間を短縮し、システムの保守性を向上させた。

ABSTRACT

Accelerator magnet test facilities frequently need to measure different magnets on differently equipped test stands and with different instrumentation. Designing a modular and highly reusable system that combines flexibility built-in at the architectural level as well as on the component level addresses this need. Specification of the backbone of the system, with the interfaces and dataflow for software components and core hardware modules, serves as a basis for building such a system. The design process and implementation of an extensible magnetic measurement data acquisition and control system are described, including techniques for maximizing the reuse of software. The discussion is supported by showing the application of this methodology to constructing two dissimilar systems for rotating coil measurements, both based on the same architecture and sharing core hardware modules and many software components. The first system is for production testing 10 m long cryo-assemblies containing two MQXFA quadrupole magnets for the high-luminosity upgrade of the Large Hadron Collider and the second for testing IQC conventional quadrupole magnets in support of the accelerator system at Fermilab.

研究の動機と目的

• 多様な加速器磁石試験におけるカスタムデータ取得および制御システムの開発コストと複雑さに対処すること。
• 異なる磁石タイプや試験設定間でのソフトウェア再利用率を高めることで、開発時間を短縮し、保守性を向上させること。
• 完全な再実装なしに新しい測定システムを迅速に設定できる柔軟で拡張性のあるシステムアーキテクチャを構築すること。
• LHCおよびフェルミラブの2つの実世界の回転コイルシステムを用いて、このアプローチの有効性を実証すること。

提案手法

• コンポーネントベースの開発と共通のソフトウェアバスを用いた、共通のソフトウェア製品ラインアーキテクチャの設計。
• 状態機械ベースのコンポーネントと設定可能なプロパティを備えた測定ソフトウェアフレームワークの実装により、再利用率を向上。
• Pythonスクリプトを用いて測定手順をオchestrateし、異なるシステム間でコンポーネントの振る舞いを調整。
• ハードウェアインターフェースを標準化し、汎用統合コンポーネントを用いて多様なDAQモジュール、プローブ、モーションシステムをサポート。
• 分析、品質チェック、ユーザーインターフェースコンポーネントのためのプラグインメカニズムを適用し、カスタマイズを可能にしながらもコアの再利用率を維持。
• 外部サービス（例：電子ログブック、冷却制御）との統合を、再利用可能で設定可能なインターフェースコンポーネントを介して実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハードウェアや測定手順が異なる多様な磁気測定システム間で、どのように高いレベルのソフトウェア再利用率を達成できるか？
• RQ2 完全な再実装なしに、データ取得および制御システムを柔軟に設定できるアーキテクチャパターンは何か？
• RQ3 超伝導磁石と通常磁石といった、根本的に異なるハードウェア構成を持つシステム間で、同じコアソフトウェアコンポーネントをどの程度再利用できるか？
• RQ4 スクリプトオchestrationを併用したコンポーネントベースの設計は、加速器試験施設におけるシステムの俊敏性をどのように向上させ、開発時間を短縮するか？
• RQ5 標準化されたデータフローとインターフェースモデルは、異なる測定システムファミリー間での再利用率をどのように実現するか？

主な発見

• 10 mの冷却アセンブリを搭載したLHC用と、フェルミラブの通常の四極磁石用の2つの相違する回転コイルシステム間で、同じコアソフトウェアフレームワークと80％のコンポーネントが再利用された。
• アーカイバ、アグリゲータ、データ永続化モジュールといったコアコンポーネントは、変更なしにあらゆるデータ構造を処理でき、完全な再利用が達成された。
• 分析および品質チェックコンポーネントについては、プラグインベースのカスタマイズにより部分的な再利用が実現。各システムごとに異なるアルゴリズムと品質チェック式が設定された。
• 再利用可能なコンポーネントとスクリプトを用いて、完全な自動化、リアルタイムデータ可視化、埋め込みデバッグ、自動化されたデータ品質制御を実現。
• 外部システム（例：電源装置、冷却制御）との統合は、同じ汎用インターフェースコンポーネントを用い、異なるハードウェア向けにプラグインで設定可能であった。
• 製品ラインアプローチにより開発時間が短縮され、新しいシステムの迅速な設定が可能になった。プログラミングから組み立てと設定へのパラダイムシフトが実現した。