Design and Implementation of a Microservice-Architecture Master Control System for AIMS

技術要約：AIMSのためのマイクロサービス・アーキテクチャに基づくマスター制御システムの設計と実装

問題提起
AIMS（赤外線による太陽磁場精密測定システム）望遠鏡は、中間赤外線（8–14 µm）帯域におけるゼーマン分裂を通じて太陽磁場を直接測定するように設計された、太陽物理学における重要な進歩を象徴するものである。しかし、その運用環境と技術的複雑さは、マスター制御システム（MCS）に対して特有の課題を突きつけている。西施騰山（Saishiteng Mountain）の標高4000メートルを超える遠隔の高地に位置するAIMSは、常駐スタッフを配置できないため、自律的な運用が求められる。さらに、本システムは、複数の研究所によって開発された異種混合のコンポーネント（駆動システム、FTIR分光計など）や、多様なハードウェア・インターフェース（シリアル、Ethernet、CANバス、独自のプロトコル）を統合している。既存の望遠鏡制御フレームワーク（例：INDI、RTS2、ASCOM）や観測所固有のシステムは、歴史的に局所的な機能的結合に焦点を当てており、マウント、光学系、検出器、および環境要因を統合できるフルチェーンの協調制御システムを確立することには至っていない。その結果、既存のソリューションは、AIMSが求める異種ハードウェアの統合、漸進的な自律性の進化、および複雑な中間赤外線観測ワークフローへの対応において困難に直面している。

手法
著者らは、3つの核となる柱（新しい自動化分類、3層のシステムフレームワーク、およびマイクロサービス・ソフトウェア・アーキテクチャ）に基づいた、新しいMCSの包括的な設計と実装を提案している。

1. 自動化分類（L0–L5）： SAE J3016自動運転基準に着想を得て、著者らは明確な境界と測定可能な基準（例：人間による介入頻度、環境認識、決定範囲、故障復旧）を持つ6段階の分類システム（L0からL5）を定義した。このフレームワークにより、高レベルの自律性（L5）に向けて設計されたシステムが、段階的な開発プロセスにおいて低レベルの自律性で動作することが可能となる。
2. 3層システムフレームワーク： アーキテクチャは以下の3層に分割される：
   • デバイス制御層： 望遠鏡制御システム（TCS）、観測装置制御システム（ICS）、および観測制御システム（OCS）を介して、ハードウェアと直接インターフェースを行う。
   • 自律性支援層： 通信（CCS）、電力モニタリング（PMS）、環境認識（EPS）、ユーザー・インタラクション（OIS）、およびモデル進化（MES）のサブシステムを通じて、意思決定のコンテキストを提供する。
   • 中央意思決定層： 中央意思決定システム（CDS）は、すべてのサブシステムからの情報を統合し、インテリジェントなスケジューリング、リスク評価、および協調的なコマンド発行を行う。
3. マイクロサービス・ソフトウェア・アーキテクチャ： 疎結合、高凝集、および異種技術スタックの統合というニーズに対処するため、システムはマイクロサービス・アーキテクチャを利用している。各サブシステムは、独自のデータベースと状態監視を持ち、軽量で構造化されたTCP/IPプロトコル（CCS）を介して通信する。このプロトコルには、完全性検証（SHA-512）のための必須フィールドが含まれ、大きなペイロードのためのセグメンテーションをサポートしている。
4. 主要な実現技術： システムは、自律運用のための特定のアルゴリズムを実装している：
   • 自動指向/追尾： 太陽位置計算にVSOP87理論を用い、インストゥルメンタル軸誤差を補正するために複合モデル（球面調和関数フィッティング + 固定天域モデル）を使用する。閉ループ・ガイディングには、太陽円盤の重心に対するPID制御を用いる。
   • 自動フォーカス： 大気揺らぎの影響下でも最適な焦点を見出すために、「ラッキーフレーム」選択（10 ms未満の短時間露光）と、パワースペクトル比分析およびガウスフィッティングを組み合わせている。
   • 環境適応型観測： 太陽円盤をターゲットとした自動露出（フレームレートの低下を避けるために円盤を分離）、全天カメラとパイラノメーターを用いた雲検知、および安全なシャットダウンや調整をトリガーするための電力/熱モニタリングを統合している。

結果と検証
提案されたMCSアーキテクチャと技術は、進行的な自動化レベルを持つ3つの望遠鏡において検証された：

• AIMS (L1)： 2024年4月以降、AIMSは安定したL1運用（自動指向、追尾、および単純なタスクを備えた基本的な自動化）を達成している。本システムは複雑なFTIR観測モード（6つの異なるモード）を自動化することに成功し、オンサイト人員を7〜8名から2名へと削減し、1日あたりのデータセット数を1〜2セットから7〜8セットへと増加させた。
• 文泉太陽磁場望遠鏡 (WenQuan Solar Magnetic Field Telescope) (L2)： 本望遠鏡は2023年2月以降、3年以上にわたりL2の部分自動化状態で安定して運用されている。これは、定期的なオペレーターによる監視のみを必要とする、自動パラメータ調整を伴う事前プログラムされた観測シーケンスを実行する。
• 太陽全円盤マルチレイヤー磁力計 (SFMM) (L2/L3)： 2023年10月以降、SFMMは日常的なL2運用を維持している。さらに、L3の条件付き自律機能（例：雲に基づく観測停止、バッテリー評価を伴うUPSトリガーの自律シャットダウン）が実装され、専用のテストを通じて検証されているが、標準化されたプロトコルのため、現時点では日常業務には適用されていない。

意義と主張
本論文は、提案されたMCSアーキテクチャが、進行的な望遠鏡自動化のためのマイクロサービスベースのアーキテクチャの実現可能性と安定性を実証していると主張している。L0–L5の分類を採用することで、著者らはシステム能力とアップグレードパスを定義するための実用的なリファレンスを提供し、従来の分類に見られた曖昧さを解消している。3層フレームワークは、複数の研究所からの異種コンポーネントを正常に統合し、疎結合と継続的な統合を実現している。特定の実現技術（指向補正、スペクトル比オートフォーカス、および環境適応戦略）の実装は、過酷で遠隔の高地環境においても自律運用が可能であることを証明している。著者らは、このアーキテクチャが、リアルタイムの戦略最適化、そして最終的にはAI駆動の科学的発見を含む、より高いレベルの自律性（L3–L5）への将来の進化に向けた強固な基盤を提供するものであると結論付けている。