Совершенствование информационных систем для онлайн и офлайн обработки данных экспериментальных установок комплекса NICA

Совершенствование информационных систем для онлайн и офлайн обработки данных экспериментальных установок комплекса NICA*

К. В. Герценбергер1, И. А. Филозова2, И. Н. Александров2,
Е. И. Александров2, А. А. Мошкин1, М. А. Минеев2, А. В. Яковлев2,
Г. В. Шестакова2, Д. И. Пряхина2, А. И. Чеботов1

1Лаборатория физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина ОИЯИ
2Лаборатория информационных технологий ОИЯИ

Столкновения тяжёлых ионов высоких энергий предоставляют уникальные возможности для исследования свойств ядерной материи при экстремальных условиях. Согласно принятой программе Объединенного института ядерных исследований одной из приоритетных задач на следующие годы является создание ускорительно-накопительного комплекса NICA для исследования столкновений тяжёлых ионов с высокой светимостью при энергиях взаимодействия в системе центра масс 4 − 11 ГэВ (для ионов золота). Коллайдер NICA, создаваемый на базе существующего сверхпроводящего Нуклотрона ОИЯИ, является важным научно-значимым объектом и входит в список крупнейших научных мегапроектов России.

Сбор, хранение, обработка и анализ экспериментальных данных являются неотъемлемой частью современных экспериментов физики высоких энергий, в которых за это отвечают системы сбора и обработки данных, информационные системы и базы данных. Эти задачи приобретают особое значение в экспериментах мегапроекта NICA в связи с высокой скоростью набора и большой множественностью событий при столкновениях тяжёлых ионов, поэтому крайне актуальной становится автоматизация рассматриваемых процессов на комплексе NICA.

В рамках данного проекта выполняются работы по разработке и развитию автоматизированных информационных систем (АИС), обеспечивающих хранение, организацию удобного, прозрачного доступа и управление данными на протяжении жизненного цикла научных исследований мегапроекта NICA. Как показало проведенное исследование об использовании подобных систем в различных физических центрах, в частности в экспериментах на Большом адронном коллайдере в CERN, такие системы задействуются во всех крупных физических экспериментах по столкновению частиц, однако существующие решения сильно зависят от специфики выполняемого эксперимента и являются их неотделимой частью. В связи с этим для мегапроекта NICA в рамках гранта РФФИ разрабатываются новые информационные системы специфичные экспериментам проекта NICA с учётом хорошо зарекомендовавших себя, современных решений.

Конечной целью данной работы является повышение эффективности сбора, обработки и анализа данных, обеспечение членов коллаборации требуемыми информационными сервисами. В рамках достижения заявленной цели ведется разработка новых информационных систем, предназначенных для онлайн и офлайн обработки данных экспериментов проекта NICA, представленных ниже.

  1. Информационная система для учёта геометрии детекторов (геометрическая база данных) предназначена для хранения и обработки информации о составе и структуре детекторов, используемых в сеансах работы экспериментов и физических анализах смоделированных и экспериментальных данных. Также данная система направлена на предоставление информации о геометрии установки для онлайн мониторинга и офлайн визуализации событий экспериментов.
  2. База данных состояний систем направлена на хранение, обработку и возможность использования различных параметров работы и режимов устройств и детекторов эксперимента в алгоритмах реконструкции и анализа событий столкновения частиц.
  3. Система онлайн журналирования предоставляет членам коллаборации возможность записывать во время сеанса эксперимента данные о происходящих событиях, состоянии систем, условий работы детекторов. В дальнейшем данные журнала используются при анализе событий столкновения частиц, поэтому обеспечение корректного многопользовательского доступа к электронному журналу имеет важное значение при реализации методов обработки данных в экспериментах физики высоких энергий.
  4. Конфигурационная информационная система служит для хранения и предоставления данных о конфигурации подсистем эксперимента при сборе данных с детекторов в онлайн режиме. Система хранит различные конфигурационные данные, в том числе, необходимые для установки детекторов в рабочий режим, такие как, например, рабочее напряжение на детекторах, программируемые параметры электроники, конфигурацию детекторов, задачи, которые должны стартовать, а также параметры этих задач.
  5. Система метаданных физических событий обеспечивает управление информацией об уникальном номере событий, сохраняет ссылки на происходящие в эксперименте события, сработавшие при онлайн обработке триггеры, перечень восстановленных частиц и другую информацию, необходимую для удобного поиска событий требуемых для физического анализа.

В ходе работ первого года по гранту реализована новая информационная система для работы с геометрией детекторов эксперимента BM@N на NICA, базирующаяся на созданной геометрической базе данных и предназначенная для хранения, обработки и управления информацией о геометрической модели детекторов. Разработанная геометрическая информационная система предоставляет централизованное хранилище геометрий установки BM@N и набор удобных инструментов для управления данными о геометрических модулях и программных сборках различных версий установки в виде комбинации этих модулей и вспомогательных файлов, содержащих описание магнитного поля, используемых материалов детекторов и среды. Сама геометрия отдельных детекторов хранится в файлах в специализированном формате среды CERN ROOT, а в базе данных, помимо прочего, содержатся ссылки на соответствующие файлы. Одним из важных хранимых параметров является матрица преобразования, с помощью которой можно задавать смещение и поворот детекторов в установке без изменения исходной геометрии в файлах, что активно используется при проектировании и выравнивании геометрии установки. Также ключевым элементом является описание ревизии геометрических модулей, с помощью которого инициализируются объекты геометрии установки.

Хранимые в базе данных геометрии детекторов BM@N используются для обработки событий столкновения частиц при моделировании и анализе экспериментальных данных. Разработанная система, помимо базы данных, предоставляет набор инструментов для работы, включая интуитивный и компактный графический веб-интерфейс, а также прикладной программный интерфейс. Веб-интерфейс разработан для доступа ко всем функциям системы в зависимости от категории пользователя: добавление, утверждение, изменение, удаление, а также просмотр и поиск геометрии детекторов, описаний магнитных полей и материалов, задание геометрических модулей с матрицами преобразования и формирование из них новых версий геометрии установки BM@N. Прикладной программный интерфейс предоставляет набор ROOT-макросов для выбора и загрузки геометрии установки и ее составляющих в программное обеспечение эксперимента BmnRoot для задач моделирования, реконструкции и физического анализа данных эксперимента. Общая архитектура геометрической информационной системы эксперимента BM@N, построенной по модели взаимодействия “клиент-сервер”, представлена на рисунке 1.

Рисунок 1
Рис.1. Общая архитектура геометрической информационной системы

Во время сеансов экспериментов физики высоких энергий важное значение для понимания происходящих событий столкновения частиц имеют не только данные, собираемые с детекторов, но и записи в журналах членами коллаборации, которые описывают режимы работы различных систем и детекторов эксперимента, и сами события. Хотя бумажные журналы, в которых делаются записи о текущих параметрах эксперимента, а также о возникших проблемах в работе и предпринятых действиях, привычны и используются на сеансах с давних пор, однако они крайне неудобны при поиске нужной информации или ее использовании при дальнейшей обработке и анализе полученных данных.

Членами коллектива спроектирована и разработана информационная система онлайн журналирования эксперимента BM@N, предоставляющая операторами смен веб-интерфейс для автоматизации процесса записи во время сеансов информации, описывающей текущие параметры и режимы работы различных систем и детекторов эксперимента во время сеансов, а также различные типы произошедших событий, например, время, тип и энергию пучка частиц, магнитное поле, триггеры и другие характеристики. Авторизовавшись на веб-сайте платформы электронного журналирования, операторы могут добавлять и изменять записи журнала эксперимента. На рисунке 2 представлен реализованный веб-интерфейс системы электронного журналирования для операторов смен и членов коллаборации.

Рисунок 2
Рис.2. Веб-интерфейс оператора информационной системы журналирования

Реализованная информационная система включает разработанную базу данных для хранения журнала эксперимента, которая обеспечивает корректный многопользовательский доступ к данным, согласованность и их регулярное резервирование. Также разработан интерфейс прикладного программирования для использования данных электронного журнала другими онлайн и офлайн системам эксперимента BM@N, в том числе при оцифровке и в алгоритмах обработки и физического анализа событий столкновения частиц. Для предоставления членам коллаборации в зависимости от их роли возможности удобного просмотра, управления и поиска нужной информации в электронном журнале используется разработанный пользовательский веб-интерфейс. Система журналирования была успешно протестирована, интегрирована с другими системами эксперимента, а также реализован набор вспомогательных сервисов, таких как система единой авторизации, подписка на уведомления о событиях определенного типа и личный кабинет. В настоящее время система содержит информацию обо всех проведенных сеансах эксперимента BM@N и активно используется членами коллаборации.

На следующих этапах планируется дальнейшее развитие комплекса информационных систем и набора удобных информационных сервисов для членов коллаборации научной программы NICA, а также унификация полученных решений по автоматизации процесса сбора, хранения, обработки и анализа данных. Реализация и внедрение рассматриваемых систем, обеспечивающих хранение, организацию удобного, прозрачного доступа и управление данными на протяжении жизненного цикла научных исследований мегапроекта NICA, является необходимым этапом для успешной работы комплекса, а качественное управление данными поможет ускорить достижение научных результатов в экспериментах NICA.

Создание данных информационных систем для сбора, хранения, обработки и анализа информации экспериментов мегапроекта NICA активно использует инфраструктуру гетерогенной вычислительной платформы HybriLIT. Часть сервисов представленных информационных систем сконфигурирована и развёрнута на ресурсах этой платформы. Кроме того, обработка данных экспериментальных установок комплекса NICA, использующая разработанные АИС, а также тестирование и профилирование алгоритмов работы с разрабатываемыми информационными системами ведётся на суперкомпьютере ГОВОРУН, являющемся частью вычислительной платформы HybriLIT.

*Исследование выполняется при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-02-40125.