園區輻射監測系統歷史數據存檔系統的設計與優化

中國科學院上海應用物理研究所 徐海霞 雷 蕾 韓利峰 后 接 陳永忠 蔡 軍 黃文博

輻射監測系統（RMS：Radiation Monitoring System）是釷基熔鹽堆(TMSR：Thorium Molten Salt Reactor)的重要子系統，是保證TMSR安全運行的重要手段。加強對輻射監測系統關鍵技術研究，對提高TMSR安全運行具有重要作用。本文介紹了TMSR嘉定園區RMS歷史數據存檔系統設計及開發。分析了優化網絡、存儲系統、控制文件、重做日志文件、歸檔文件、數據庫內存及表空間，提高數據庫可靠性、可用性及檢索性能；分析了優化信號分組，提高設備信號的可維護性和管理效率。應用表明RMS歷史存檔系統滿足長期穩定運行。

釷基熔鹽堆(TMSR)核能系統項目是中科院先導科技專項之一，其戰略性目標是研發第四代裂變反應堆核能系統。RMS是反應堆儀控系統的重要子系統，實時監測反應堆工藝、尾氣、余排和電廠區域內的放射性水平，保證反應堆及人員安全；監測放射性物質對環境的影響，保障公眾輻射安全，并為反應堆工程評估提供輻射數據。目前RMS國產率較低，以嘉定園區實驗室改造為契機建設園區全網絡數字化輻射監測系統，為建設TMSR研究堆輻射監測系統解決技術難題。

歷史數據存檔系統是園區RMS的核心部分，用于存儲儀表測量數據及報警信息，為專業人員提供完整性基礎數據，用于數據檢索、統計、報表及繪制趨勢分析圖。園區RMS歷史存檔系統數據存儲量大、讀/寫性能高、可用性強、可靠性高。現有的存檔系統為GB級數據庫，以建設園區全網絡數字化輻射監測系統為契機，為TMSR研究堆RMS海量數據存檔系統解決可靠性高、可用性強及讀寫性能瓶頸。

園區RMS采用Linux操作系統、Oracle數據庫平臺、R A I D 1+0存儲系統，用CSS(Control System Studio)檢索歷史數據和繪制趨勢分析圖。其應用表明，性能優化能實現RMS存檔系統長期穩定運行，能提高運維和研究人員處理和分析數據效率，滿足RMS運行和研究需求。

1 系統設計與開發

1.1 功能需求分析

園區RMS實時監測園區放化實驗室和中子實驗樓防護屏蔽的放射水平及輻射監測設備運行，早發現隱患事故并報警，以便及時采取防止措施，提高輻射監測設備可靠性；通過連續監測園區區域內的放射性水平，當超過規定限值時，發出報警信號，保障園區工作人員的輻射安全。另外，存檔系統應滿足7×24穩定運行，存儲滿足5000點以0.1s存儲5年存儲周期，能快速檢索并繪制1年歷史數據趨勢圖。

1.2 系統架構

為了實現上述功能及性能要求，采用Linux 64位操作系統、Oracle數據庫，RAID1+0存儲系統，RMS歷史存檔系統硬件結構如圖1所示。EPICS IOC（Experimental Physics and Industrial Control System Input and Output Controller）服務器實時采集及處理儀表測量數據及設備運行狀態。數據庫服務器連接EPICS IOC服務器，采集并歸檔EPICS IOC實時數據及處理后的報警信息。查詢終端系統查詢信號，檢索數據、繪制數據趨勢分析圖，導出歷史數據。報警系統終端監視設備工況、園區放射性水平，當出現故障時報警并定位放射性超標位置、故障設備，查詢歷史報警信息，并統計歷史報警情況。存儲系統是大容量磁盤陣列，用于存儲數據庫控制文件、數據文件、重做日志文件及歸檔日志文件等核心文件。

1.3 軟件開發

采集EPICS IOC實時數據并存儲到歷史數據存檔系統。如圖2所示，將采集設備數據的配置信息存儲到Oracle數據庫，ArchiveEngine讀取數據庫的存儲config.配置信息，并通過Channel Access通信協議，采集EPICS IOC實時數據并存儲到Oracle數據庫。客戶端通過JDBC驅動，采用CSS的DataBrowser插件查詢、繪制歷史數據趨勢分析圖。

圖1 歷史存檔系統架構

圖2 歷史數據庫存檔系統數據流

歷史數據存檔系統的表結構關系如圖3所示，共12張表，分別是采集引擎表(SMPL_ENG)、通道組表(CHAN_GRP)、采集模式表(SMPL_MODE)、通道表(CHANNEL)、報警級別表(SEVERITY)、報警狀態表(STATUS)、采樣表(SAMPLE)、歸檔版本表(ARCHIVE_SCHEMA)、采樣數組表（ARRAY_VAL）、元數據預留表（RETENT）、數值報警設定表(NUM_METADATA)、枚舉通道表(ENUM_METADATA)。歸檔模式表(ARCHIVE_SCHEMA)記錄歸檔信息的修改情況，有利于管理調式過程引起的通道信息修改；SMPL_MODE表規定了周期掃描(scan)和實時監測數值更新(monitor)兩種數據采集方式；根據SMPL_MODE表的采集模式，channel表規定了每個通道的數據采集方式（SMPL_MODE_ID）、采集周期（SMPL_PER）及采集閾值設定(SMPL_VAL)等詳細采集信息，每個通道（CHANNEL）分別對應EPICS IOCs中的一個變量（PV）和SMPL_ENG表中的一個引擎，最后將采集數據存儲到采樣表(SAMPLE)和ARRAY_VAL表。通道組表（CHAN_GRP）對所有PV變量（通道）進行分組，每個通道（CHANNEL）對應一個通道組，可以按功能、設備、采集方式、系統等多種方式對PV變量進行分組，有助于調試與運維過程增加、刪除、修改及診斷故障PV變量，每個通道組對應一個引擎，當PV變量大及采集頻率高時，將PV變量的數據采集分散到不同的采集引擎，有效降低單個引擎的采集壓力，避免數據丟失。

RMS平臺有49套輻射監測設備，每套設備有測量信號較多。為了提高設備信號可管理性和可維護性，設計數據庫時設有通道分組表CHAN_GRP，用于對設備分組管理。園區RMS設備按功能分為10組，分別是環境γ監測儀（MRP-JH）、區域γ監測儀（MRPJQ）、放射性氣溶膠監測儀（MRP-JF）、放射性碘監測儀（MRPJI）、放射性惰性氣體監測儀（MRP-JD）、放射性廢液監測儀（MRP-JP）、工藝輻射監測（MRP-JG）、區域中子監測（MRPJN）、劑量計讀取儀（MRP-ZQ）和全身污染監測儀（MRPJB）。每組設備的監測信號分為一個通道組。設備分組有益于快速定位、查找設備信號，提高數據檢索性能及設備信號管理效率。其次，通過信號分組可以快速定位、查找故障信號，如圖4所示，當出現設備信號故障時，對應Archive Engine Group界面上connnected出現紅色連接數，單擊connnected對應group快速定位故障信號，提高RMS系統可維護性。

圖3 存檔系統表結構

圖4 信號分組優化

數據庫查詢采用CSS-DataBrowser插件，查詢測量信號及其歷史數據，處理數據及繪制趨勢分析圖。數據趨勢圖含顯示實時輻射水平的實時數據，從存檔系統讀取的歷史數據。支持數據導出、多種計算分析及同一時段繪制多個信號，提高存檔系統可應用性。圖5所示是歷史數據檢索。

2 歷史數據庫系統性能優化

2.1 可靠性優化

為了提高存檔系統可靠性，對數據庫核心文件：控制文件、重做日志文件、數據文件采用多物理硬盤多路徑冗余方法，對網絡采用冗余網絡。

控制文件采用三個不同路徑存儲到不同磁盤，將控制文件分別存儲到存儲系統和數據庫服務器，其中，數據庫服務器通過不同路徑存儲到不同磁盤。這樣任意兩個控制文件丟失、損壞或存儲介質損壞導致控制文件毀滅，直接復制好的控制文件就能恢復數據庫。

圖5 歷史數據檢索

數據文件是數據庫主體，存儲實際數據。為了保障數據完整性，避免數據丟失，在物理存儲介質結構上采用RAID1+0模式。RAID1+0模式提供了200%的速度和單磁盤損壞的數據安全性，并且當同時損壞的磁盤不在同一Raid1中，保證數據安全性。邏輯結構多路徑存儲歸檔日志，數據文件丟失或損壞，通過歸檔日志快速恢復。

重做日志文件記錄了數據庫修改信息，用于數據庫故障恢復數據庫，介質損壞和用戶誤操作恢復數據。重做日志文件使用四組，每個組設有三個成員，存儲到不同磁盤。其中，1個成員存儲到存儲系統，2個成員存儲到數據庫服務器的不同路徑不同磁盤上。保障無論存儲系統或數據庫服務器任何一個物理介質或邏輯損壞，直接復制將未損壞的重做日志文件，就能恢復數據庫，提高數據庫可用性。

全網結構下，通訊接口容易發生故障，避免網絡接口單點故障引起數據庫系統宕機，對IOC服務器和數據庫服務器采用多塊冗余網卡。綁定冗余網卡提供1個對外服務IP地址，任意網卡故障，不會影響對外服務。

2.2 檢索性能優化

影響RMS數據庫性能因素較多，優化日志文件、內存、獨立表空間模式及表分區，提高歷史數據庫性能。

日志文件記錄了數據庫修改，分為ACTIVE，CURRENT及INCATIVE三個狀態。當日志文件記寫滿后，CURRENT日志組進行歸檔，成為ACTIVE狀態，同時，由狀態為INACITIVE的其中一組日志組記錄數據庫的修改活動，切換為CURRENT組；當ACTIVE日志組完成檢查點后，日志組成為INCATIVE狀態。如果日志組設置太小，頻繁切換會消耗大量資源，嚴重影響數據庫性能，但是日志組設置太大，長時間才切換一次，導致數據庫恢復時間過長，甚至造成數據大量丟失。為了既降低切換重做日志文件頻率，提高數據庫性能，又能將數據庫恢復時間降到最小，經過多次實驗，得出日志組文件設置大小為52M，4個日志組，每組3個組成員，日志組切換時間為24min，滿足行業內的黃金比。

數據庫內存分配是影響數據庫性能的最重要因素之一，直接影響CPU和IO消耗，與內存相關的故障十分棘手。因此，內存配置尤為重要，其由SGA（系統全局區域）與PGA（進程全局區）組成。其中，SGA是包含Oracle實例的數據和控制信息的共享內存結構，PGA是進程和線程專用內存。為了降低內存錯誤，保障性能優異，SGA設置為8G，sga_target為7323M，pga設置為2G，數據庫已經滿足RMS性能要求及7*24穩定運行。

RMS歷史數據存檔系統存儲輻射監測設備過程數據及報警信息。這些數據均有大量排序、索引、計算與統計，需要消耗大量I/O資源和讀、寫進程。為了避免I/O資源爭用和讀、寫進程等待，采用獨立用戶和獨立表空間。設有用戶ARCHIVE及ALARM；ARCHIVE設有表空間ARCHIVE_DAT及臨時表空間ARCHIVE_TEMP；ALARM設有表空間ALARM_DATA及臨時表空間ALARM_TEMP。ALARM用戶存儲報警信息，表空間ALARM_DATA存儲放射性水平超標及設備故障報警信息，臨時表空間ALARM_TEMP存儲ALARM排序、計算、索引等臨時信息；ARCHIVE用戶存儲輻射監測儀設備歷史數據，表空間ARCHIVE_DATA存儲輻射監測儀的歷史數據，臨時表空間ARCHIVE_TEMP用于歷史數據的檢索、排序、統計、計算及繪制歷史數據趨勢分析圖等臨時數據。

總結：對于RMS歷史數據存檔系統的設計、開發與優化。本文描述了存檔系統硬件架構、數據流、表結構、信號分組及上層應用軟件；分析了信號分組提高信號可管理性及可維護性；分析了冗余網絡、RAID1+0磁盤陣列，避免單點故障，提高數據庫可靠性；分析了多磁盤多路徑存儲數據庫控制文件、重做日志文件及歸檔文件，當數據庫損壞時復制相應正確文件替換故障文件恢復數據庫，提高數據庫可用性。介紹了日志文件、內存配置及表空間，提高數據庫性能。按照CMMI-3“軟件能力成熟度模型三級”標準完成系統測試。經由第三方測試認證：測試過程符合CMMI-3過程規范，測試指標達到測試基準要求。