[論文レビュー] Status and Plans for the Array Control and Data Acquisition System of the Cherenkov Telescope Array

R. Mirzoyan, Matthias Fuessling+25 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2015

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、次世代の超高エネルギーγ線望遠鏡であるチェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）のアレイ制御・データ取得（ACTL）システムの設計および実装戦略を提示する。このシステムは、市販のハードウェア、ACSソフトウェアフレームワーク、および標準化されたプロトコル（例：OPC UA、White Rabbit）を活用し、多様な望遠鏡から成る分散型で多様なアレイにおいて、スケーラブルで信頼性が高く柔軟な制御およびデータ取得を実現する。主な貢献の一つは、テレスコープ監視・設定データベース（TMCDB）を介した設定と監視の統合であり、MSTおよび小型望遠鏡システムを用いたプロトタイプが検証済みである。

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) is the next-generation atmospheric Cherenkov gamma-ray observatory. CTA will consist of two installations, one in the northern, and the other in the southern hemisphere, containing tens of telescopes of different sizes. The CTA performance requirements and the inherent complexity associated with the operation, control and monitoring of such a large distributed multi-telescope array leads to new challenges in the field of the gamma-ray astronomy. The ACTL (array control and data acquisition) system will consist of the hardware and software that is necessary to control and monitor the CTA arrays, as well as to time-stamp, read-out, filter and store -at aggregated rates of few GB/s- the scientific data. The ACTL system must be flexible enough to permit the simultaneous automatic operation of multiple sub-arrays of telescopes with a minimum personnel effort on site. One of the challenges of the system is to provide a reliable integration of the control of a large and heterogeneous set of devices. Moreover, the system is required to be ready to adapt the observation schedule, on timescales of a few tens of seconds, to account for changing environmental conditions or to prioritize incoming scientific alerts from time-critical transient phenomena such as gamma ray bursts. This contribution provides a summary of the main design choices and plans for building the ACTL system.

研究の動機と目的

• 大規模で分散型かつ多様なCTA観測所の運用複雑性を管理可能なスケーラブルで信頼性が高く柔軟な制御およびデータ取得システムを設計すること。
• 一時的現象や環境変化に応じて、数秒以内に観測スケジュールをリアルタイムで再調整できること。
• 複数のサブアレイを統合的に制御することで、現場での人員作業を最小限に抑えた自動化された集中運用を実現すること。
• 装置の状態と設定の完全なトレーサビリティを確保するため、統一されたデータベース（TMCDB）を介して設定と監視データを統合すること。
• 数十台の望遠鏡をカバーするマルチギガビット/秒の高速データ取得を、正確なタイムスタンプとアレイレベルのトリガー機能を備えて実現すること。

提案手法

• 分散型制御およびデータ取得の基盤として、ALMA共通ソフトウェア（ACS）フレームワークを採用すること。
• カスタム開発を最小限に抑えるために、標準的な市販のネットワーキング（10 Gbit/sシングルモードファイバ）およびコンピューティングハードウェアを採用すること。
• 正確な時刻同期（1ナノ秒未塔）とアレイレベルのトリガーを実現するため、White Rabbit（WR）ネットワークを実装すること。
• トリガー後の個々の望遠鏡からのデータ受信および処理を、現場のデータセンター（OSDC）に設置されたカメラサーバーで行うこと。
• 制御コンponentsとデバイス間の安全でプラットフォームに依存しない通信を実現するため、OPC UAを採用すること。
• 設定管理にはMySQLを、大容量の監視データストレージのスケーラビリティを検証するため、MongoDBとCassandraを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模で分散型かつ多様なアレイ（CTAのような）を対象とした制御およびデータ取得システムは、どのように設計すればよいか？
• RQ2 信頼性が高く低遅延なデータ取得およびタイムスタンプ処理を、マルチギガビット/秒のデータレートで実現するためのアーキテクチャ的選択とプロトコル選定は何か？
• RQ3 装置のライフサイクル全体にわたり、設定と監視データを統合的かつ完全にトレーサブルに維持するにはどうすればよいか？
• RQ4 時間的に重要な一時的現象への対応を支援するため、スケジューリングおよび制御においてどの程度の自動化と応答性が達成可能か？
• RQ5 長期的な保守性とスケーラビリティを確保するため、オープンスタンダードと市販部品をどのように活用できるか？

主な発見

• ACTLシステムはACSフレームワークおよびOPC UAを用いたプロトタイピングが進行中であり、小型望遠鏡（ASTRIおよびSST-1M）およびMSTプロトタイプでの制御に成功している。
• DESY ZEUTHENに、15台のハイパフォーマンスコンピューティングノード、ファイバケーブル、シャーシスイッチを備えたテストベッドシステムが設置され、OSDC環境をエミュレートしている。
• データ転送およびシリアル化プロトコルのDAqについて、ハイパフォーマンスクラスタでベンチマークが実施されており、1台の望遠鏡あたり数GB/sの性能目標を設定している。
• MySQLを用いたTMCDBプロトタイプはMSTプロトタイプで検証済みであり、設定と監視データのトレーサブルな関連付けが可能である。
• システムは最大10^5の監視ポイントを処理できるように設計されており、大容量監視データストレージのため、MongoDBとCassandraが評価中である。
• ACTLシステムは数秒以内に動的再設定が可能であり、一時的アラートや環境条件の変化に迅速に対応できる。