[論文レビュー] The Overview of the National Ignition Facility Distributed Computer Control System

L. Lagin, R. C. Bettenhausen+7 more|ArXiv.org|Nov 16, 2001

Laser Design and Applications参考文献 5被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、核融合実験施設としてのナショナル・イグニッション・ファシリティ（NIF）の分散型コンピュータ制御システム（ICCS）の設計およびアーキテクチャを提示する。このシステムは、192本のレーザー光ビームの同期制御を実現するための階層的でオブジェクト指向のアーキテクチャであり、CORBAベースのミドルウェアを用いて300台のフロントエンドプロセッサ（FEPs）と、レーザー、診断、インダストリアルシステムにまたがる59,000点以上の制御ポイントを統合制御する。システムはビーム整合性とショット制御に30 psの高精度タイミングを実現し、Ada95およびJavaで記述されたソフトウェアを採用。さらに、ATMネットワークを介したリアルタイム動画ストリーミングにより500台のカメラからの映像をオペレータ作業台に送信可能である。

ABSTRACT

The Integrated Computer Control System (ICCS) for the National Ignition Facility (NIF) is a layered architecture of 300 front-end processors (FEP) coordinated by supervisor subsystems including automatic beam alignment and wavefront control, laser and target diagnostics, pulse power, and shot control timed to 30 ps. FEP computers incorporate either VxWorks on PowerPC or Solaris on UltraSPARC processors that interface to over 45,000 control points attached to VME-bus or PCI-bus crates respectively. Typical devices are stepping motors, transient digitizers, calorimeters, and photodiodes. The front-end layer is divided into another segment comprised of an additional 14,000 control points for industrial controls including vacuum, argon, synthetic air, and safety interlocks implemented with Allen-Bradley programmable logic controllers (PLCs). The computer network is augmented asynchronous transfer mode (ATM) that delivers video streams from 500 sensor cameras monitoring the 192 laser beams to operator workstations. Software is based on an object-oriented framework using CORBA distribution that incorporates services for archiving, machine configuration, graphical user interface, monitoring, event logging, scripting, alert management, and access control. Software coding using a mixed language environment of Ada95 and Java is one-third complete at over 300 thousand source lines. Control system installation is currently under way for the first 8 beams, with project completion scheduled for 2008.

研究の動機と目的

• 192本のレーザー光ビームにわたる高精度な同期制御を実現する、スケーラブルでフェイルセーフな制御システムの設計。
• レーザー、診断、パルスパワー、インダストリアル制御などの多様なサブシステムを統合し、統一された分散アーキテクチャに統合すること。
• 階層的でオブジェクト指向のソフトウェアフレームワークを用いて、ビーム整合性とショット制御に30 ps未塔のタイミング精度を達成すること。
• VxWorksおよびSolarisベースのFEPとPLCを介して、59,000点以上の制御ポイントをリアルタイムで監視・制御すること。
• ATMネットワークを活用して500台のカメラから得られる高帯域幅の動画をオペレータ作業台に送信可能にする仕組みの実装。

提案手法

• 300台のフロントエンドプロセッサ（FEPs）がVxWorksまたはSolarisを搭載し、VMEまたはPCIバスを介して45,000点の制御ポイントに接続される階層的アーキテクチャを採用。
• インダストリアル制御（例：真空制御、安全インターロック）は、アレン・ブレッドリーのPLCを用いて14,000点の追加制御ポイントで管理される。
• CORBAベースのオブジェクト指向ミドルウェアフレームワークが、設定管理、ログ記録、スクリプト実行、アラート管理、GUIへのアクセスを提供する。
• 500台のカメラからのリアルタイム動画が、非同期転送方式（ATM）ネットワークを介してオペレータ作業台にストリーミング送信される。
• ソフトウェアはAda95とJavaのハイブリッド環境で実装されており、システムの1/3完了段階で30万行を超えるソースコードが実装済み。
• スーパーバイザサブシステムが、ビーム整合性制御、波面制御、診断、ショット制御を30 psの時間分解能で統合制御する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模核融合施設における192本のレーザー光ビームにわたる分散制御システムが、30 psのタイミング精度をどのように達成できるか？
• RQ2 異種の制御装置（FEP、PLC、センサー）を統合するためのアーキテクチャ的アプローチは何か？
• RQ3 500台のカメラからのリアルタイム動画を、オペレータ監視に適した形で効率的に送信・表示するにはどうすればよいか？
• RQ4 CORBAベースのミドルウェアが、スケーラブルで安全かつ拡張可能な制御サービスを実現するために果たす役割は何か？
• RQ5 Ada95とJavaのハイブリッド環境で、一貫性のあるソフトウェア工学的実践を採用した大規模制御システムをどのように開発できるか？

主な発見

• ICCSアーキテクチャは、レーザー、診断、インダストリアルサブシステムにまたがる300台のFEPと59,000点以上の制御ポイントを正常に統合制御している。
• ビーム整合性とショット制御に30 psの高精度タイミングを達成しており、これは慣性核閉じ込め融合実験にとって不可欠な要件である。
• ATMネットワークインfraを活用して、500台のカメラからのリアルタイム動画がオペレータ作業台に信頼性高く送信されている。
• CORBAベースのミドルウェアフレームワークは、分散コンポONENT間で設定管理、ログ記録、スクリプト実行、アクセス制御を堅牢にサポートしている。
• 1/3完了段階で30万行を超えるAda95およびJavaコードが実装済みであり、システム統合に向けた着実な進捗が示されている。
• 本システムは当初の8本のビーム向けに設置が進行中であり、全プロジェクトの完了は2008年予定である。