Система обработки экспериментальных данных с больших пузырьковых камер на базе автоматов HPD в ИФВЭ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ СНИМКОВ

С ВПК НА АВТОМАТАХ НРЪ.

§ I. Основные концепции обработки снимков с ПК.

§ 2. Система обработки снимков с камеры "Мирабель" на основе нръ в ИФВЭ, ее особенности и принципы построения.

Глава П. МЕТОДИКА И ОРГАНИЗАЦИЯ МАССОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

В СИСТЕМЕ НРЪ.

§ I. Анализ первых результатов обработки на нр2> снимков с БОК.

§ 2. Совершенствование процедуры предварительных измерений.

§ 3. Управление процессом массовых измерений снимков с ВПК на автомате нръ.

§ 4. Надежность системы нръ; комплекс контрольных и диагностических программ.

§ 5. Распознавание изображений на снимках.

Глава Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

СИСТЕМЫ нръ.

§ I. Влияние качества работы трекового детектора сканирующего автомата на точностные характеристики измерительной системы.

§ 2. Учет особенностей координатной системы автомата црЪ*

§ 3. Точностные характеристики системы ир2) при обработке снимков с камеры "Мирабель".

§ 4. Точностные характеристики системы нр2> при обработке снимков с камеры ВЕВС.

§ 5. Некоторые физические результаты, полученные в экспериментах на камере "Мирабель" и характеризующие прецизионность системы НРЪ

Глава 1У. РАЗВИТИЕ И МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ

§ I. Программное обеспечение системы обработки снимков с ПК на основе нр2> в рамках унифицированного математического обеспечения сканирующих автоматов

ИФВЭ.

§ 2. Диалоговые средства системы hpz>.

§ 3. Использование нръ в обработке снимков с ETC.

Для фундаментальных исследований в области физики высоких энергий на современном этапе характерно существенное усложнение как физических установок, так и соответствующих систем обработки экспериментальных данных. Пузырьковые камеры (Ж) относятся к основным детекторам, используемым при изучении свойств элементарных частиц. Прибор имеет следующие достоинства: обладает полной геометрией, высокими точностными характеристиками, обеспечивает получение детальной информации о топологии событий и позволяет в любое время вернуться к исходной информации эксперимента. Методике Ж физика обязана открытием большей части резонансных состояний и такому выдающемуся результату, как открытию нейтрального тока в слабых взаимодействиях. Значителен вклад этой методики в изучение инклюзивных и полуинклюзивных процессов.

Новые проблемы, выдвигаемые развитием физики, требуют проведения экспериментов при все возрастающих энергиях и роста статистической обеспеченности физических результатов. Одновременно с вводом в строй нового поколения ускорителей (У-70 ИФВЭ, Серпухов; СЕ£л/% Женева; Батавия) были созданы большие пузырьковые камеры (ЕЖ) ("Мирабель", "Гаргамель", "Скат", ВЕВС, 15-футовая), что в свою очередь потребовало принципиальных изменений в подходе к разработке и построению систем анализа экспериментальной информации.

В последние годы усилился интерес к исследованию редких процессов, в том числе связанных с образованием очарованных частиц, что привад о к созданию гибридных установок, сочетающих в себе преимущества методик как пузырьковых камер, так и электронных экспериментов (например, Европейский гибридный спектрометр (ЕГС),При этом в качестве вершинного детектора гибридных спектрометров используются сравнительно небольшие по объему быстроциклирующие ПК.

Можно отметить следующие основные проблемы, которые возникают при обработке данных в современных экспериментах на пузырьковых камерах:

1. Необходимость комплексного подхода к решению проблемы обработки, всесторонне учитывающего особенности эксперимента и измерительной аппаратуры, возможности вычислительной базы и перспективы развития систем обработки.

Для решения этой проблемы необходимо создание единого коллектива лвдей разных спещальностей, который способен осуществить анализ и решение стоящих перед ним задач. Требуется введение оценок по трудности и принципиальной разрешимости тех или иных проблем, нахождение сбалансированных решений, смежных между элементами комплекса задач.

2. Обработка огромного потока информации (порядка 10^-10^ бит на эксперимент) требует создания высокопроизводительных систем, способных в разумное время обеспечить обработку данных эксперимента. Анализ информации любого современного эксперимента можно сравнить по своей сложности с автоматизированным производственным процессом, в котором на первое место встают вопросы разработки оптимальной технологии, надежности, организации и обеспечения средствами для постоянного совершенствования.

3. Обеспечение высокой достоверности и качества результатов обработки экспериментальных данных.

Решение указанной проблемы требует самого тщательного ана лиза по выявлению и учету всех основных факторов и параметров, влияющих на достоверность и качество обработки экспериментальных данных. Любое недопонимание и упущение в этих вопросах может сводить на нет усилия большого коллектива.

4. Обеспечение мобильности системы обработки данных.

Ясно, что создаваемая дорогостоящая система обработки будет использоваться для разных экспериментов и камер. Поэтому необходимо предусмотреть быструю модернизацию системы к изменяющимся условиям. Требуются критерии и оценки модернизаций и новых алгоритмов, чтобы правильно и оптимально решать стоящие перед разработчиками задачи.

5. Оптимальное распределение функций обработки данных в системе мевду человеком, ЭВМ и измерительными устройствами. Сложность создания полностью автоматических систем обработки на современном этапе при все возрастающей сложности событий и, как правило, ограниченные ресурсы разработчиков, требуют включения человека в процесс обработки. Доля участия человека зависит от характера фильмовой информации, задач эксперимента и должна специально определяться для каждого конкретного случая.

Целью настоящей работы является решение принципиальных проблем создания высокопроизводительной системы обработки снимков с ЕПК и гибридных установок на основе автомата нр>х> , разработка и практическая реализация методики массовых измерений.

Подобная система обработки для ЕПК на основе нръ была впервые создана в СССР. Она запущена в эксплуатацию в начале 1975 года, обеспечив обработку высокостатистических К*р, К~р и рр-экспериментов при 32 ГэВ/с на камере "Мирабель". Запуск аналогичной системы в центре ядерных исследований в Сакле

Франция), имевшем богатый опыт использования нръ при обработке данных с классических пузырьковых камер, произведен на год позднее. В 1978 году система нръ ИФВЭ была в течение трех месяцев адаптирована для обработки снимков с камеры BEBO в К^р-эксперименте при 70 ГэВ/с. В 1982 году система нръ была адаптирована для обработки снимков с камер &свс и hole&c, входящих в состав ЕГО. Система нръ в экспериментах на ЕГО используется в основном для решения методических задач (поиск редких событий, калибровка ЕГО и т.п.).

Создание и запуск в эксплуатацию системы нръ повысило производительность измерительно-вычислительного комплекса ИФВЭ в 3-4 раза и довело ее до -100 тысяч событий (~450 тысяч проекций) в год. Потенциально при условии полной загрузки система нръ ИФВЭ в состоянии обработать до 400 тысяч событий в год.

Использование системы дало возможность в сравнительно сжатые сроки завершить несколько крупных экспериментов с суммарной статистикой в 2 млн. снимков. Большая часть экспериментов проведена в рамках международного сотрудничества с участием институтов СССР, Франции, ГДР, CE£/v и его стран-участниц. Вклад СССР в обработку экспериментальных данных в сотрудничестве был наиболее весомым и составил в среднем

Структура диссертяттртг. Диссертация состоит из четырех глав и заключения.

В первой главе дан анализ основных концепций обработки снимков с пузырьковых камер для различных измерительных систем. Рассмотрены особенности экспериментов, проводимых на камере "Мирабель". Описана общая блок-схема системы обработки снимков с ВПК на основе автоматов нръ , которая была разработана и реализована в ИФВЭ. Обоснован выбор структуры системы и сформулированы основные принципы ее построения.

Во второй главе основное внимание уделено методике и организации массовых измерений в системе /ур2>. Описаны методика и средства анализа процесса массовых измерений, разработанные для проведения исследования качества работы такой сложной измерительной системы, как нръ. Обосновывается многоэтапность в совершенствовании системы после запуска. Приведен анализ работы системы, на основе которого определены первоочередные задачи по доведению программно-математического обеспечения и системы в целом до уровня эффективного использования. Большое место отведено методике совершенствования процедур предварительных измерений и управления процессом массовых измерений, разработке новых алгоритмов распознавания изображений на снимках, мероприятиям по повышению надежности системы

В третьей главе подробно проанализированы все основные факторы и параметры, влияющие на точностные характеристики системы автоматизированной обработки снимков. Разработана и реализована модель описания координатной системы измерительного устройства, с помощью которой в процессе рабочих измерений компенсируются температурно-зависимые систематические погрешности автомата. Приведены исследования точностных характеристик системы нрз) при измерении снимков в экспериментах на камерах "Мирабель" и ВЕВС.

Четвертая глава посвящена вопросам развития и мобильности математического обеспечения системы обработки на основе нръ .

Время жизни измерительной системы во многом определяется широтой круга задач, которые она может решать, а ее эффективное функционирование в условиях старения аппаратуры, как показывает опыт, возможно только при непрерывной модернизации процесса обработки. Поэтому, одновременно с началом пробной эксплуатации, была поставлена задача по созданию удобной технологичной основы математического обеспечения, предназначенной для совершенствования и быстрой адаптации системы к различным экспериментам. Завершающим этапом решения этой проблемы явилась разработка и реализация программного обеспечения системы обработки на основе нря в рамках унифицированного матобеспечения сканирующих автоматов ИФВЭ.

Главным инструментом отладки, анализа, модернизаций и развития системы ирх> явились созданные диалоговые средства.

Мобильность программно-математического обеспечения, высокое качество измерений, эффективность и производительность системы послужили хорошей основой для решения рада трудоемких методических задач, возникающих в практике физических экспериментов на ПК.

В заключении сформулированы основные результаты.

Материалы диссертации основаны на работах 9 выполненных в Отделе экспериментальных исследований на пузырьковых камерах ИФВЭ в соответствии с планом научных исследований в 1974 - 1983 гг. Результаты докладывались на П Всесоюзном семинаре по обработке физической информации (Ереван, 1977 г.) ^, на П Всесоюзном совещании по автоматизации научных исследований в ядерной физике (Алма-Ата, 1978 г.), на I Всесоюзном семинаре по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях (Душанбе, 1980 г.) на I мевдународной школе по автоматизации научных исследований (Цущино, 1982 г.) /ЮДЗ/^ на щ всесоюзной конференции Диалог Человек -- ЭШ "Диалог-вЗ" (Протвино, 1983 г.) /14Л

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные результаты работ, представленных в диссертации:

1. Решены принципиальные проблемы создания высокопроизводительной системы обработки снимков с ЕПК и гибридных установок на основе автомата нръ . Разработана и реализована методика массовых измерений, которая позволила увеличить производительность измерительного комплекса ИФВЭ в 3 - 4 раза.

2. Выполнен анализ комплекса (пузырьковая: камера, с системой фотографирования, просмотр и предварительные измерения, автомат НРЪ , ЭВМ, математическое обеспечение, взаимодействие коллективов людей) для съема и обработки физической информации при проведении экспериментов с использованием ЕПК. Предложена и обоснована функциональная модель системы обработки на основе декомпозиции ее структуры на части, обладающие свойствами информационной завершенности (замкнутости) и доступности для локального контроля и диагностики.

3. Разработана и создана совокупность алгоритмических, системных и организационных средств обеспечения эффективного функционирования автоматизированной системы обработки снимков с ШК. Анализ процесса обработки экспериментальных данных, взаимосвязи между всеми средствами обеспечения функционирования в системе нръ , систематизация накопленного опыта позволили сформулировать основные принципы создания высокопроизводительных и эффективных систем обработки.

4. Обоснована методика поэтапного развития и совершенствования системы обработки снимков с ЕПК, включающая в себя как использование собственных аппаратных и вычислительных возможное

- 174 тей комплекса, так и разработку дополнительных средств для целей повышения эффективности и достоверности измерительного процесса.

5. Проведены исследования точностных характеристик системы на основе анализа обработки снимков с камер "Мирабель" и ВЕВС. Разработана и реализована процедура коррекции калибровочных параметров автомата нрЪ в процессе сканирования, что повысило как производительность системы, так и достоверность и качество измерительной информации.

6. Решена задача разработки диалоговых средств с аппаратно-неинтерактивным автоматом нръ на основе использования системных возможностей обрабатывающего комплекса, что явилось качественно новым уровнем развития системы для спасения и обработки сложных и уникальных событий.

7. Разработаны и созданы контрольно-диагностические средства системы нръ с введением обратных связей и корректирующих воздействий на каждом этапе обработки, с организацией структуры многопараметрических оценок эффективности функционирования узловых элементов системы, что обеспечило высокий уровень эксплуатационной надежности и достоверность конечных физических результатов.

8. В рамках унифицированного математического обеспечения сканирующих автоматов создана и реализована система обработки снимков с ВПК на основе НРЪ . Это позволило упростить процессы адаптации системы к изменяющимся условиям эксперимента, ускорить внедрение новых алгоритмических решений, заметно повысить точность и достоверность измерительной информации.

9. Решена задача обеспечения мобильности системы нръ для обработки данных с различных экспериментов и разных камер. Сис

- 175 тема НРЪ была базовой при обработке следующих экспериментов: serp Е-043, SERP Е-078, seßp E-I33, S££P Е-077, E-I22 на камере "Мирабель"; СЕ£л> т -027 на камере ВЕВС. Система НРЪ успешно использовалась дан решения методических задач в экспериментах CER/v МА-016 (камера ¿ES с), CE£/V/V/)-22 и Сем //4-гЗ (камера RCßC ), CEW/M'Z7 (камера V0LE6C)t Проблемы обработки снимков с ШК на автоматах нръ впервые в мире успешно решены в ИФВЭ для камеры "Мирабель".

В результате созданной и внедренной методики производительность измерительно-вычислительного комплекса ИФВЭ составляет

100 тысяч событий ( 450 тысяч проекций) с ВПК в год. Потенциально, при условии полной загрузки, система нръ ИФВЭ в состоянии обработать до 400 тысяч событий в год.

Система эксплуатируется с 1975 года. За этот период она обеспечила проведение таких высокостатистических экспериментов как К+р, К"р, рр при 32 ГэВ/с с камеры "Мирабель" и К+р при 70 ГэВ/с с камеры ВЕВС. Все они проводились в рамках широкого международного сотрудничества с участием лабораторий из СССР, Франции, ЦЕРНа, Бельгии, Голландии, Италии, ФРГ, Австрии. В этих экспериментах получено около 2,7 млн.снимков, из которых около 1,8 млн. (65$) обработано в ИФВЭ.

Сформулированные принципы разработки, создания и поддержания автоматизированного измерительного комплекса на базе НРЪ , обладающего развитыми средствами диалога, диагностики и мобильной перестройки на новые задачи, имеют принципиальное значение для построения любой другой сложной системы обработки данных.

Создание в ИФВЭ высокопроизводительной системы обработки снимков на базе автоматов НРЪ явилось успешным решением крупной научно-технической задачи, без выполнения которой было бы невозможно проведение широкой программы исследований в области физи

- 176 ки элементарных частиц при высоких энергиях методикой больших пузырьковых камер.

Созданный в ИФВЭ измерительновычислительный комплекс, в котором системаНР2> является одной из базовых в измерениях, отмечен в 1984 году премией Совета Министров СССР в области науки и техники.

В заключение автор выражает благодарность Дирекции ИФВЭ в лице профессора Я.Д.Соловьева, профессора В.А.Ярбы, доктора физико-математических наук Н.Е.Тюрина за предоставленную возможность проведения данной работы.

Автор признателен начальнику ОЭИ ПК профессору П.В.Шляпникову за постоянное внимание, поддержку и помощь в работе.

Автор искренне благодарен доктору физико-математических наук А.М.Моисееву, кандидатам физико-математических наук Е.А.Слободюку и В.В.Аммосову за плодотворные обсуждения, доброжелательную критику и ценные советы.

Автор выражает особую признательность всем сотрудникам лаборатории математического обеспечения измерительных систем и прежде всего Брызгалову В.В., Гуменюку С.А., Хромовой Г.Н., вклад которых в работу трудно переоценить.

Автор благодарен сотруднику ОЭИ ПК Рыбину A.M., сотрудникам ОЭА Максимову Г.М., Воеводину В.П., Зайцеву Л.Ф., Щербакову Е.Д., сотрудникам ОМВТ Жильченкову В.Д., Федотову Д.П., сотрудникам

МРТИ|Кузьмину В.Ф.|, Кнорину Э.А., всем коллегам, принимавшим участие в разработке системы///ф в ИФВЭ, за помощь и поддержку.

1. Боровиков A.A., Брызгалов B.B., Гуменюк С.А., Рыбин A.M., Хромова Г.Н. Первые результаты обработки снимков с камеры "Мирабель" на автоматах нръ в К+р-эксперименте при

2. ГэВ/с. Препринт ИФВЭ 77-15, Серпухов, 1977.

3. Боровиков A.A., Брызгалов В.В., Воеводин В.П., Гуменюк С.А., Зайцев Л.Ф., Рыбин A.M., Хромова Г.Н. Программа для анализа данных системы нръ . Препринт ИФВЭ 77-56, Серпухов, 1977.

4. Боровиков A.A., Брызгалов В.В., Горбунов П.А., Горловой М.В., Гуменюк С. А., Максимов Г.М., Хромова Г.Н. Программа подготовки выходной информации системы нръ . Препринт ИФВЭ 77-144, Серпухов, 1977.

5. Боровиков A.A., Бойцов Ü.H., Брызгалов В.и., Воеводин В.П., Воробьев А.П., Гуменюк С.А., Хройова Г.Н. Организация измерения маски для автоматов нръ ИФВЭ. Препринт ИФВЭ 78-21, Серпухов, 1978.

6. Боровиков A.A., Брызгалов В.В., Гуменюк С.А., Рыбин A.M., Хромова Г.Н. Использование автомата нръ для обработки снимков с камеры "Мирабель" в К+р-эксперименте при 32 ГэВ/с. ПТЭ,2, с.63, 1979.

7. Боровиков A.A., Брызгалов В.В., Воеводин В.П., Губаева М.М., Гуменюк С.А., Зайцев Л.Ф., Максимов Г.М., Хромова Г.Н. Методы и средства диагностики в системе обработки снимков с пузырьковых камер на нръ ИФВЭ. Препринт ИФВЭ 81-145, Серпухов, 1981.

8. Боровиков A.A., Брызгалов В.В., Воеводин В.П., Губаева М.М., Гуменюк С.А., Зайцев Л.Ф., Максимов Г.М., Хромова Г.Н. Построение процедуры рабочих измерений на механическом автомате растрового сканирования в ИФВЭ. Препринт ИФВЭ 81-147, Серпухов, 1981.

9. Боровиков A.A., Брызгалов В.В., Губаева М.М., Гуменюк С.А., Хромова Г.Н. Управление процессом массовых измерений снимков с больших пузырьковых камер на оптико-механическом автомате нръ. ПТЭ, № I, 1984, с.55.- 179

10. Боровиков A.A., Брызгалов В.В., Загурский А.Б., Хромова Г.Н. Некоторые алгоритмы распознавания гладких кривых. Тезисы доклада на I международной школе по автоматизации научных исследований. Цупдано, 1982.

11. Боровиков A.A., Гуменюк С.А., Никитин С.Г., Сиколенко В.В. Унифицированное математическое обеспечение сканирующих автоматов в ИФВЭ. Часть I. Система обработки снимков с камеры "Мирабель" на основе нръ . Препринт ИФВЭ 83-55, Серпухов, 1983.

12. Боровиков A.A., Даминов В.М., Кнорин Э.А. , Колупаев Б.А., Кузьмин В.Ф., Максимов Г.М. Устройство связи сканирующей установки нръ- 3 с ЭВМ Z£/,-I903A. Труды РТИ АН СССР, с. 14, Москва, 1974.

13. Боровиков A.A., Даминов В.М., Кнорин Э.А., Колупаев Б.А., Кузьмин В.Ф., Максимов Г.М. Организация связи сканирующей НРЪ- 3 с ЭВМ ICL -I903A. Труды РТИ АН СССР, с.25, Москва, 1974.

14. Боровиков A.A., Горбунов П.А., Карпов Е.А., Клименко C.B., Кнорин Э.А., Максимов Г.М., Мерцалов В.И. Использованиев процедуре определения оптических констант камеры "Мирабель". Препринт ИФВЭ 75-147, Серпухов, 1975.- 180

15. Боровиков A.A., Иванов A.A., Максимов Г.М., Яковлева Т.Г., Устройство управления и связи телетайпа /)Sß-33 с вычислительной машиной r<?¿-I903A. Препринт ИФВЭ 73-36, Серпухов, 1973.

16. Боровиков A.A., Воеводин В.П., Зайцев Л.Ф., Иванов A.A., Максимов Г.М. Организация работы активного дисплея в системе //Л2). Препринт ИФВЭ 73-66, Серпухов, 1973.

17. Каржавин. Автоматизация измерений по снимкам с пузырьковых камер (обзор). Препринт ОИЯИ 1552, Дубна, 1964.

18. I.V.Franck, J.Russell. Intern.Meet, on Instruments for the Evaluation of Photographs. СЕШТ6-24, p.4-11, 1958.

19. P.V.C.Hough, B.W.Powell. Nuovo Cimento, XV111, p.1184(1960). I.V.Franck, P.V.C.Hough, B.W.Powell. Nuclear Instruments and Methods, 20 (1963).

20. Proc. of the HPD Collaboration meeting held at Sacley on 27 sept. 1971, СЕЮТ DD/DHD 72-11 (1972).27