Виртуальные тренажеры электрофизических установок (ЭФУ) используются в самых различных областях, в том числе и в ядерной физике (например, тренажеры управления энергетическими ядерными реакторами). По своей сложности ЭФУ не уступают ядерным реакторам, а по масштабам зачастую многократно их превосходят; например, известный Большой адронный коллайдер — это типичная электрофизическая установка. Задача создания тренажеров, по сути, сводится к разработке комплексов, максимально точно имитирующих работу различных компонентов ускорительной техники.
В 70-х годах на кафедре ЭФУ МИФИ предпринимались попытки создать экспериментальный практикум «Ускорительная техника» с использованием фрагментов реальных ускорителей, однако реализовать этот практикум в полном объеме по ряду причин не удалось: слишком много типов ускорителей; громоздкое оборудование; радиационная опасность; высокая мощность и сверхвысокое напряжение; уникальное, дорогостоящее оборудование; большая продолжительность экспериментов. Поэтому начиная с 80-х годов в вычислительной лаборатории кафедры начали разрабатывать и внедрять в учебный процесс специализированные компьютерные практикумы. На кафедре создана виртуальная учебно-научная среда «Электрофизика», важное место в которой занимает проект «Лаборатория электрофизических установок», состоящий пока из двух тренажеров: «Вакуумная лаборатория» и «Мощная импульсная техника».
Накопленный опыт в области математического моделирования компонентов ЭФУ позволяет реализовать полностью виртуальную лабораторию, авторизованный доступ к «установкам» которой возможен через Сеть, что позволяет повысить качество обучения студентов, а наличие подсистемы контроля знаний — оценить уровень их подготовки к зачетам и экзаменам.
Концепция лабораторий ЭФУ
На начальном этапе создания виртуальных практикумов в 80-е годы совместными усилиями физиков- экспериментаторов и физиков, занимающихся математическим моделированием, были решены вопросы имитационного моделирования, разработаны модели устройств и средства их интерактивного управления, максимально приближенные к условиям реального физического эксперимента. Однако в то время не придавалось должного значения архитектуре систем, поэтому какие-либо изменения в технологической платформе становились головной болью разработчиков — иногда существующие практикумы приходилось создавать заново. Лабораторные работы практикумов представляли собой приложения, реализованные для целого ряда операционных систем, от DOS до различных версий Windows, и, по сути, работоспособность практикумов обеспечивалась за счет того, что поздние версии Windows поддерживают работу приложений для более ранних версий — потенциал модернизации таких приложений исчерпан.
Накопленный опыт эксплуатации практикумов позволил сегодня провести полный технологический аудит программных комплексов, выполнить их детальную структуризацию и разработать единую концептуальную схему в рамках проекта виртуальной электрофизической лаборатории. Единая концептуальная схема организации лаборатории представляет собой блочно-иерархическую структуру, что позволяет добавлять и изменять отдельные блоки без изменения всей системы. Каждый программный модуль виртуальной лаборатории может быть представлен в виде взаимосвязанных функциональных блоков (рис. 1), которые по мере необходимости также могут быть модернизированы независимо друг от друга. Единственным требованием в отношении модернизации является запрет на изменение межблочных интерфейсов.
.png) |
| Рис. 1. Структура проекта виртуальной лаборатории |
Наиболее консервативными составляющими системы являются конфигурационный файл, определяющий структуру установки, и ее математическая модель, а все остальные компоненты могут быть безболезненно заменены для соответствия текущему уровню технологий и инструментальных средств разработки.
Графическая среда предоставляет следующие основные возможности:
- ввод данных – задание численных значений физических величин;
- отображение графиков — статическая или динамическая визуализация картины физического процесса с возможностью масштабирования участков и измерения значений величин, а также добавления элементов анализа зависимостей (например, нахождения максимума или минимума функции);
- отображение схемы установки — схема установки собирается в виде HTML-страницы;
- отражение подсказок и информационных материалов по лабораторной работе;
- группировки — инструментарий для разграничения вводимой информации по блокам, создания окон, вкладок и других элементов оформления.
Рабочие станции пользователей, применяемые в рамках учебно-научной среды «Электрофизика» ориентированы на два альтернативных варианта среды: OC Debian GNULinux (основной вариант) и Windows (дополнительный), поэтому разработка практикумов ведется в среде ОС Linux, в качестве среды разработки используется Anjuta, а основным языком программирования был выбран Си (для обеспечения максимального быстродействия), компилятор gcc, утилита cmake.
Интерфейс графической среды реализуется с помощью библиотеки GTK+ (GIMP Toolkit — кроссплатформенная библиотека элементов интерфейса для X Window System), что позволяет компилировать получившийся исходный код под большинство существующих ОС. Такое решение является стандартным — исходный код полученной работы публикуется под лицензией BSD или GPL. Планируется перекомпиляция разработанных и разрабатываемых приложений под Microsoft Windows.
Конфигурационный файл представляет собой XML-описания всех компонентов системы и их позиций. Для размещения компонентов в рабочем окне оно размечается виде таблицы, и для каждого компонента задаются его координаты. Также в данном описании указываются все свойства элементов, например границы вводимых значений и состояния, в которых существует каждый элемент.
Математический модуль представляет собой отдельный исполняемый файл, вызываемый как системный вызов команды, в качестве параметров которой передаются имена входного и выходного файла. Первый содержит данные, введенные пользователем во все существующие поля, а также строку состояния, по которой можно произвести выборку алгоритма расчета. После расчета данные записываются в выходной файл парами значений, которые будут являться координатами для отображения в графическом окне, причем возможно разделение по кадрам для создания анимации.
Наиболее эффективной оказалась реализация практикумов в виде кроссплатформенных Web-приложений на основе AJAX — вся информация, в том числе студенческие журналы выполнения лабораторных работ, в этом случае постоянно хранится на сервере, а при доступе к ресурсу через Сеть кэшируется на клиенте. Планируется развить этот подход до частного облака кафедры с динамическим выделением вычислительных ресурсов для каждого Web-приложения.
Выполняя комплекс лабораторных практикумов в виртуальной электрофизической лаборатории, студенты получают сегодня практический опыт по следующим направлениям: технология, порядок сборки и обслуживания различных подсистем и установок ЭФУ; структуры, основные характеристики устройств ЭФУ, различные режимы их работы; проектирование ЭФУ, методы их моделирования и расчета. Все разрабатываемые в рамках виртуальной лаборатории компьютерные практикумы унифицированы и включают: средства визуального построения схемы исследуемого устройства и настройки параметров элементов; стандартные элементы для построения любой схемы установки; событийную логическую модель, позволяющую не только видеть конечный результат работы устройств, но и следить за процессом в заданном масштабе времени; теоретическое введение по теме, включая используемые математические модели. Кроме того, имеется единая форма выполнения заданий и оформления отчетов: оформление индивидуальных рабочих заданий; требования к отчету; контрольные вопросы.
Лаборатория «Вакуумная техника»
Вакуумная система — непременный атрибут любого ускорителя. В рамках данной лаборатории студенты изучают различные средства откачки и измерения вакуума, методы поиска течей, разновидности поиска течи и т. п. Обычно идет работа с физическими форвакуумными насосами: разборка, промывка, сборка, подключение диффузионных насосов и т. п., причем понятно, что все эти работы раньше носили фрагментарный характер и у студента не было возможности провести весь перечень работ в комплексе. Реальные вакуумные системы ускорителей могут иметь очень большую протяженность, сложную структуру, а процедура их откачки (включая прогрев системы) может занимать несколько суток. Разработка виртуального практикума, имитирующего все компоненты процедуры откачки, а также сборку установки любой сложности и размера, позволяет значительно расширить возможности обучения. Такой практикум стал первым удачным опытом использования имитационного моделирования в учебных лабораториях ЭФУ МИФИ.
В качестве базовых используются две математические модели, описывающие форвакуумный режим откачки и высоковакуумный режим. Виртуальная лаборатория VVL-2011 (рис. 2) включает следующие модули: исполняемые, осуществляющие поддержку работы программы и представление результатов одним из доступных способов; библиотечные, предоставляющие исполняемым модулям всю необходимую дополнительную информацию и функционал. Такая структура позволяет изменять работу отдельных частей приложения, независимо от остальных частей системы, и при необходимости изменить, например, логику вычисления проводимости трубопровода достаточно изменить код в библиотеке моделей вакуумной арматуры. Однако, если необходимо внести более серьезные изменения, такие как изменение глобальных имен или списков параметров функций, то может потребоваться комплексное изменение связанных модулей.
.png) |
|
Рис. 2. Структура виртуальной вакуумной лаборатории |
.png) |
| Рис. 3. Схема установки |
.png) |
| Рис. 4. Моделирование процесса откачки |
На рис. 3 и 4 приведены основные инструментальные панели: сборка вакуумной системы и мониторинг процедуры откачки.
Лаборатория «Мощная импульсная техника»
.png) |
| Рис. 5. Сборщик схемы |
Роль мощной импульсной техники (МИТ) в электрофизике трудно переоценить — все ускорители имеют в своей конструкции ее элементы. Хотя курс МИТ всегда входил в ряд основных дисциплин, полноценный лабораторный практикум в рамках этого курса удалось разработать только недавно — размеры этих устройств, радиационная опасность, сверхвысокое напряжение (более 1 млн вольт) и большая электрическая мощность не позволяют проводить полноценное обучение студентов на натурных стендах. Виртуальный практикум дает возможность имитировать работу реальных устройств и исследовать отдельные компоненты МИТ (длинные линии, импульсные трансформаторы); подсистемы МИТ (линейные модуляторы на основе жестких и мягких коммутаторов); генераторы импульсов высокого напряжения.
.png) |
| Рис. 6. Выходные характеристики линий |
Структура инструментального пользовательского интерфейса близка к интерфейсу вакуумной лаборатории, однако имеет и ряд существенных отличий. Первая панель – конструктор (сборщик схемы) представляет принципиальную схему традиционно используемых в мощной импульсной технике устройств (рис. 5), а сборка заключается в подключении к изучаемому устройству необходимой пользователю нагрузки и в переборе ключевых параметров исследуемой схемы. Вторая панель – это имитация цифрового осциллографа, где выводятся результаты параметрического анализа исследуемой схемы при работе на выбранную нагрузку (рис. 6).
***
Представленные лабораторные работы используются при проведении практикумов по специальности «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника» с середины 80-х годов, а в 2011 году у студентов появилось уже шестое поколение этих практикумов, построенных на базе W-технологий, которые предполагается также использовать в региональных структурных подразделениях НИЯУ МИФИ в рамках распределенной корпоративной среды.
Герман Аверьянов, Валерий Будкин, Валентина Дмитриева ({ GPAveryanov, VABudkin, VVDmitriyeva }@mephi.ru) – сотрудники и преподаватели Национального исследовательского ядерного университета МИФИ (Москва).
