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超强激光科学卓越创新简报

(第八百零五期)

2026年7月31日

上海光机所在激光尾场加速器智能分布式控制系统研制方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室联合中国科学院近代物理研究所和兰州大学，在激光尾场加速器（LWFA）全流程智能分布式控制系统研发方面取得关键性工程突破。研究团队依托国家重大科研仪器设备“新一代超强超短激光综合实验装置”，完成一套基于EPICS（实验物理及工业控制系统）架构的分布式控制系统全套搭建，并顺利通过束流实验验证。该系统可兼容现场硬件设备实时调控、高速图像数据流传输、多维度实验数据一体化存储管理等全链条功能，实现LWFA实验全流程自动化、智能化闭环管控。相关成果以“Design and implementation of a control system for the laser wakefield accelerator at the Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics”为题发表在High Power Laser Science and Engineering上。

随着LWFA技术快速迭代，紧凑型等离子体加速器逐步走向稳定化、自动化实验阶段，但现有装置运行高度依赖人工手动调参，多相机海量束诊图像传输存在带宽与时延瓶颈，时序同步、异构数据存储、远程协同监控等配套支撑系统存在明显短板，难以支撑人工智能（AI）驱动的全自动闭环优化实验。针对该痛点，研究团队基于EPICS分布式控制框架，完成软硬件一体化完整控制系统开发，构建分层式硬件架构、四层模块化软件体系，创新集成RoCEv2高速图像传输、MySQL+InfluxDB+MinIO混合存储、双模式可视化界面与全链路电子实验日志模块。

系统实测结果显示，自研RoCEv2传输方案大幅降低网络抖动与CPU协议栈开销，时延中位数仅为传统TCP方案的1/10；整套系统可统一管控36台多型号诊断相机、激光、真空、气体靶、束流截面探测器全子系统；混合存储架构单次实验可稳定存储4TB图像数据且长期运行零丢失，支持上万条EPICS过程变量（PV）微秒级时序存储与秒级检索；Phoebus本地客户端协同Vue3网页远程双可视化方案，可实现本地精细设备调控、跨场地远程实时观测，配套分级报警、硬件安全联锁机制保障装置长期可靠运行，定制化电子日志实现实验参数、图像、报警信息全流程溯源关联。

该系统打通LWFA实验设备控制、信号采集、数据存储、状态监测与实验归档全业务链路，同时预留标准化AI数据交互接口，可支撑无人值守式智能闭环 LWFA 实验运行。相较于传统分立测控方案，本系统在实时响应性能、平台拓展能力、异地协同操作等方面优势显著，整套通用架构具备良好移植性，可广泛推广应用于拍瓦级超强激光、同步辐射光源等各类大科学实验装置。

相关工作得到中国科学院战略性先导专项、国家自然科学基金、中国科学院基础研究青年科学家项目、新基石科学基金会科学探索奖等多项基金支持。

图1 分布式控制系统的设计框架：(a) 硬件分层架构；(b) 软件分层架构；(c) 用户态远程直接内存访问（RDMA）传输框架

图2 (a) RDMA与TCP传输时延对比；(b) 现场设备控制界面（部分）；(c) Web数据存储可视化与电子日志界面（部分）

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