Введение к работе
Актуальность проблемы. Современное научное исследовании характеризуется усложнением проводимых экспериментов и увеличением объема анализируемой и обрабатываемой информации. Известно, что для проведения уникальных экспериментов в области ядерной физики, физики высоких и сверхвысоких энергий многие страны объединили свои финансовые и людские ресурсы ввиду сложности создания самих физических установок (ускорители, детекторы и др.) и большого объема анализируемой и обрабатываемой информации. Анализ и обработка экспериментальной информации, получаемой на этих уникальных установках, требуют использования прецизионных измерительных систем, средств автоматизации и широкого применения вычислительной техники. Проблемы проведения исследования именно таких экспериментов дали толчок развитию самой вычислительной техники: усовершенствование архитектуры для повышения производительности и быстродействия каналов обмана электронно - вычислительных машин (ЭВМ), применение сложных программ в модульном исполнении, реализация'распределенной системы обработки на ЭВМ, а также режимов обработки в реальном масштабе времени и т.п. Автоматизация-и компьютеризация научных исследований и экспериментов продолжает оставаться актуальной проблемой и на сегодняшний день, являясь движущей силой научно-технического прогресса. Дальнейшее развитие науки в большой степени связано с компьютеризацией и внедрением ноьых информационных технологий на всех стадиях проведения эксперимента и деятельности самого исследователя. Поэтому разработка и создание измерительно-вычислительных систем и комплексов является актуальной проблемой при проведении исследований в физике высоких и сверхвысоких энергий, ядерной физике и в прикладных областях физики. Решению этой проблемы в Институте физики высоких энергий HAH РК посвящена представляемая диссертационная работа.
Цель диссертационной работы - разработка и создание автоматизированных проблемно-ориентированных измерительно-вычислительных систем и комплексов для получения важных фундаментальных научных результатов с большой статистической обеспеченностью и достоверностью в ходе проведения экспериментов по физике высоких и сверхвысоких энергий и физике по-
лупроводникоэ в Институте Физики Высоких Энергий Национальной Академии Наук Республики Казахстан (ИФВЭ HAH РК). На зашиту взносятся:
1. Концепция построения и методология системно-
структурного проектирования измерительно-вычислительных сис
тем и комплексов для оОработки экспериментальной информации.
2. Разработка и создание проблемно-ориентированных изме-
рительнп-вычислигзльных систем для автоматизации процессов
просмотра, измерения и первичной обработки данных с трековых
установ-.к и рентгеноэмульсионных камер (РЭК) .
3. Разработка и создание проблемно-ориентированного
измерительно-вычислительного комплекса для комплексной. авто
матизации экспериментов по исследованию полупроводниковых
материалов и структур (Ш-ІС) .
-
Разработка и создание многомашинного вычислительного комплекса л локальных вычислительных сетей ЭВМ с целью завершения технологического цикла анализа, внедрения новых информационных технологий и повышения эффективности обработки ?кс-периыснталыюй информации.
-
Концепция и структура организации функционально- ориентированного программного обеспечения автоматизированных измерительно-вычислительных систем и комплексов.
-
Организация обработки акспсриментальной информации мноі'Оі/а^'Нннсм вычислительном комплексе с иврархической структурой построения и в локальнзй вычислительной сети ЭВМ.
Ч. Исследование и анализ качественных параметров и метрологических характеристик измерительно-вычислиаельных систе* и комплексов с целью оптимизации их структуры и оценки достоверности получаемых реэультатов в процессе измерения и первичной обработки экспериментальной информации.
Научная новизна и значимость работы заключается ъ том, что впервые в Республике Казахстан разработаны и созданы автоматизированные проблемно-ориентированные измерительно- вычислительные системы и комплексы для измерения и обработкі ядерлс-физической информации, решившие проблему проводениі экспериментов в области физики высоких энергий, ядерной физики, космических лучей и физики полупроводников на новом высоком качественном уровне и обеспечившие большую статистику ! достоверность научных результатов. При этой:
-
предложена методика системного анализа процесса экспериментальных исследований и на ее основе разработана концепция и методология проектирования измерительно- вычислительных систем и комплексов для обработки экспериментальной информации»
-
впервые с использованием предложенной методики на основе имитационных моделей проведено исследование измерительно-вычислительных систем для измерения и первичной обработки фотоснимков ядерных взаимодействий;
-
разработана оригинальная архитектура и осуществлена реализация измерительно-вычислительных систем и многомашинного вычислительного комплекса для измерения и обработки трековой информации, отличающиеся составом разнородных ЭВМ, про-смотрово-изиерительной аппаратуры и интерфейсами;
-
разработаны и созданы оригинальные по своей архитектуре и практической.реализации аппаратно-программные средства измерительно-вычислительных систем и комплексов для измерения, сбрра и первичной обработки данных с трековых и рентге-ноэмульсионных камер;
-
разработана архитектура и создан оригинальный ыетодо-и объекто-ориентированный измерительно-вычислительный комплекс, обеспечивший комплексную автоматизацию проведения экспериментов по исследованию полупроводниковых материалов и структур;
-
разработаны и созданы новые уникальные унифицированные интерфейсы параллельно-последовательного обмена, обработки импульсных сигналов и модули в стандарте КАМАК;
-
предложена модель обобщенной физической характеристики и определена рациональная структура размещения экспериментальных данных на накопителях ЭВМ;
-
разработана архитектура локальных вычислительных сетей на основе ЕС-ЭВМ, микро-мини-ЭВМ, персональных компьютеров и рабочих .станций с выходом в международную сеть с использованием существующей телекоммуникации и спутниковой связи»
9) разработана структура функционально-распределенной
системы обработки ядерно-физической информации на основе мно
гомашинного вычислительного комплекса и локальной вычисли-^
тйльной сети.
Полученные в диссертационной работе результаты развивают
теоретические и практические аспекты методологии создания вычислительных счетей и комплексов для свора и обработки экспериментальной информации, которые имеет прикладное значение для рациональной организации и проектирования автоматизированных систем научных исследований различного назначения. Практическая ценность. В результате разработок и исследований по создание гроблемио-ориентированных измерительно- вычислительных систем и комплексов была решена проблема обработки экспериментальной информации в ИФВЭ HAH РК для проведения исследований в области физики высоких энергий, космических лучей и физики полупроводников. Применение этих систем и комплексов для проведения исследований в институте позволило получить ряц иозых научных физических результатов, ииающи* фундаментальное и прикладное значение, в частности:
1. Созданные измерительно-вычислительные системы и комп
лексы использовались и продолжают использоваться для прове
дения исследований по анализу и обработке ядерных взаимодей
ствий с различных трековых установок при импульсе от 10 дс
200 Гэв/с.
-
Созданный проблемно-ориентированный измерительно-вычислительный хомплекс на основе иикро-мини-ЭВМ использовался для исследования фотоэлектрических и оптических характеристик нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней, шумов и переходных процессов полупроводниковых материалов и структур. '
-
Автоматизированная система сбора данных (АС-РЭК] используется для проведения исследований в области космических лучей, в частности для анализа и обработки данных с рент-ген~эиул»сиониых камер.
-
Концепция и методология создания многомашинных вычислительных сисіем и комплексов для автоматизации научных исследований представляет определенный интерес и имеет практическое значение для набольших центров ядерно-физического направления.
-
По разработанной концепции и методологии был создаї ряд евтоызгиэированных систем в прикладных областях исследо ваний. В частности, были созданы и внедрены автоматизирован дач система для исследования мелкошпурового бурения в Инсти туте горного дела HAH РК и система для отработки технологи:
получения скелетного катализатора в Институте оргкатализа и электрохимии HAH РК.
Т. С помощью созданных измерительно-вычислительных систем и комплексов Сыли проанализированы и обработаны сотни тысяч ядерных взаимодействий с пузырьковых камер "Мирабель", "Людмила", двухметровой пузырьковой камеры Европейского центра исследований (ЦЕРН,Женева) , двухметровой пропановой камеры Объединенного института ядерных исследований (ОИЯК,г.Дубна), а также с искровых спектрометров СКМ-200. РИСК, ГИБС и др. и около миллионов событий с установки БИС-2, экспонированных на крупнейших ускорителях в России и за рубежом. Это позволило Институту физики высоких -энергий НАН РК участвовать во всесоюзных и международных сотрудничествах и внести свой вклад в изучение физики элементарных частиц и получить важные научные фундаментальные результаты.
В целом, разработанные и созданные проблемно-ориентированные измерительно-вычислительные системы и комплексы позволили обеспечить качественно высокий' методический уровень проведения физических экспериментов и интенсифицировать сами научные исследования.
Основные научные результаты были внедрены в Институтах физики высоких энергий, ядерной физики, физико-техническом институте НАН РК, Казахском национальном государственном университете им. Аль-Фараби (г. Алмати) , в НИИ прикладной физики НПО "ОРИОН" (г. Москва) и других организациях.
Апробация работы. Основные результаты разработок и исследований, отраженные а диссертационной работе, обсуждались и докладывались на Всесоюзных, Международных и Республиканских конференциях, совещаниях, симпозиумах, сколах и семинарах:
на совещаниях по автоматизации в ядерной физике и смежных областях (Киев-1976, Алма-Ата-1978, Душанбе-1980, Новосм-бирск-1981, 1982 гг., Тбилиси-1984, Протвино (Моск. обл.) -1986, Ташкент-1988, Ужгород-1990 гг.)>
на всесоюзных школах по автоматизации научных исследований (Тбилиси-1978, Горький-1982, Алма-Ата-1984 гг.)?
на всесоюзных и международных симпозиумах по модульным измерительно-вычислительным системам и сетям {Вильнюс-1987, Новосибирск-1989, Дубна (Моск. обл.)-1991 гг.);
— на междунлродной дколе-сеыинаре по автоматизации научных исследований в ядерной физике и астрофизике (г.Сочи-1992г.), на международном семинаре НД10 по компьютерным сетям (г.Алыа-ты-1995г.), а также семинарах Лаборатории вычислительной техники и автоматизации , Института теоретической и экспериментальной физики (г.Москва), Института прикладной физики РМ1 (г.Нижние Новгород), И4ВЭ и ФТИ НАН РК (г.Алматы).
Результаты исследований по физике, полученные с использованием разработанных и созданных автоматизированных систем и вычислительных комплексов, докладывались на международных конференциях и симпозиумах по физике элементарных частиц и космических лучей (.Чомдон-1974, Мюнхеь-1975, Пловдив-1977, Ванкувер-19?9 и др.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 53 работы, в то« числе да г монографии. Общее количество составляет 101 статьи и докладов, s том числе по физическим результатам - 26 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, вести глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации содержит 372 страницы, в том числе 70 рисунков и 14 тлОл:т, и список литературы иэ 229 наименований. Содержание работы.