基于Web平台中可视化编辑器的空间辐射效应仿真方法

技术领域

本发明属于计算机技术领域，更进一步涉及计算机模拟仿真技术领域中的一种基于万维网Web(World Wide Web)平台中可视化编辑器的空间辐射效应仿真方法。本发明提供一个具有三维可视化效果的空间辐射效应仿真平台，该平台可用于以图形化的方式编辑空间辐射效应仿真模型，提供可视化数据到仿真数据的转换。

背景技术

在航天工程中，因为空间辐射效应对航天器的严重危害，世界各国都会对航天器的抗辐射性能进行试验。目前，试验方法主要包括地面模拟和计算机仿真两种，其中地面模拟存在成本高和受地面环境限制等缺点。而计算机仿真虽然可以克服这些缺点，但是目前通过计算机进行空间辐射仿真主要依赖于手工构造文本形式的仿真模型，这种方式存在模型编辑过程抽象、效率低等问题。因此，基于Web技术提供图形化的空间辐射效应仿真模型编辑，能够有效地提高模型编辑的效率和直观性。

兰州大学在其申请的专利文献“一种基于GPU硬件加速的散裂靶可视化辅助系统及方法”(公开号：CN104978462A，申请号：201510412102.9，申请日：2015年07月10日)中公开了一种基于GPU硬件加速的散裂靶可视化辅助系统及方法。该专利申请公开的系统包括一套基于微软基础类库MFC(Microsoft Foundation Classes)和OpenCascade框架开发的蒙特卡洛粒子输运计算程序MCNP(Monte Carlo N Particle Transport Code)辅助建模软件、基于GPU硬件加速运算的颗粒流输运模拟计算及结果可视化系统、基于GPU硬件加速运算的高能蒙卡计算及结果可视化系统。但是，该系统仍然存在的不足之处是，辅助建模软件缺乏跨平台性和易扩展性。且该系统主要面向散裂靶模拟，并不适用于空间辐射效应仿真。该专利申请公开的方法的步骤包括：用户在辅助建模软件中编辑模型；将编辑完成的模型保存为STEP中性文件；通过转换算法将STEP文件转换为MCNP的输入文件；基于GPU加速进行模拟计算；最后基于GPU加速对模拟结果进行可视化。该方法实现了可视化的辅助建模、颗粒流运输模拟计算及结果可视化、高能蒙卡计算及结果可视化，能够有效提高用户在建模和分析数据时的效率。但是，该方法仍然存在的不足之处是，仿真模型数据完全来源于STEP中性文件转换，这种方式难以满足空间辐射效应仿真中对大量非几何模型参数的需求。

北京理工大学在其申请的专利文献“一种蒙特卡洛粒子输运计算程序的预处理方法及处理器”(公开号：CN110517350A，申请号：201910755639.3，申请日：2019年08月15日)中公开了一种蒙特卡洛粒子输运计算程序的预处理方法及处理器。该专利申请公开的预处理方法的步骤包括：获取待处理产品的CAD模型；对CAD模型进行预处理操作，得到适用于MCNP的目标几何模型；对目标几何模型进行空间分解，得到半空间转换元的组合；根据Brep与CSG的转换关系，将半空间转换元的组合转换为MCNP半空间几何模型。但是，该方法仍然存在的不足之处是，预处理的部分只针对几何模型而不包含空间辐射效应仿真中所需的各类仿真参数。该专利申请公开的处理器包括：用于对CAD模型进行预处理操作，得到适用于MCNP的目标几何模型的第一处理模块；用于对目标几何模型进行空间分解，得到半空间转换元集合的第二处理模块；用于根据边界表示法Brep与构造体素几何表示法CSG的转换关系，将半空间转换元的集合转换为MCNP半空间几何模型的第三处理模块。该处理器存在的不足之处是，由于该处理器只能做转换操作，不能进行编辑操作，运用到空间辐射效应仿真时，不满足空间辐射效应仿真对几何数据和仿真数据的编辑需求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于Web平台中可视化编辑器的空间辐射效应仿真方法，旨在解决辅助建模软件缺乏跨平台性和易扩展性和预处理的部分只针对几何模型而不包含空间辐射效应仿真中所需的各类仿真参数的问题。

实现本发明目的的思路是，在Web平台中架搭建可视化编辑器，在可视化编辑器中加载几何模型中性文件，对几何模型进行编辑，将编辑数据转换为参数文件并和几何模型中性文件一同上传至服务器，仿真微服务从服务器中下载参数文件和几何模型中性文件，生成空间辐射效应仿真所需的仿真输入文件，并调用空间辐射效应仿真软件和仿真输入文件进行空间辐射效应仿真，最终将可靠的结果数据保存到数据库中。

本发明的步骤包括如下：

(1)利用建模软件，设计用户仿真所需的空间辐射效应仿真几何模型，并导出该几何模型的中性文件；

(2)用户在Web平台中上传空间辐射效应仿真几何模型的中性文件；

(3)Web平台将空间辐射效应仿真几何模型的中性文件转换为obj文件；

(4)构建可视化编辑器：

根据空间辐射效应仿真需求构建一个包含可视化部分、工具栏、参数设置栏、模型列表四部分的可视化编译器；

(5)编辑几何模型：

(5a)在可视化编辑器中加载obj文件；

(5b)为空间辐射效应几何模型中的每个分层模块都添加仿真所需的材料、栅元重要性参数；

(5c)根据几何模型的边界，为空间辐射效应几何模型添加外部立方体包围壳，并在包围壳上填写仿真所需的材料、栅元重要性参数；

(5d)在可视化编辑器中添加辐射源，通过拖拽或填写方式指定该辐射源的位置、辐射方向，并为该辐射源添加能谱、时间、粒子权重参数；

(5e)在空间辐射效应几何模型表面指定位置添加空间辐射效应探测点，设置仿真所需的探测半径；

(5f)根据空间辐射效应仿真需求，在可视化编辑器中填写粒子类型、计数类型、总粒子数参数；

(6)转换编辑数据：

用户确认编辑完成后，可视化编辑器将空间辐射效应几何模型中的图形数据和添加的材料数据及辐射源数据存储到参数文件中；

(7)发送待仿真消息：

将参数文件上传至服务器中，Web平台将空间辐射效应仿真类型、空间辐射效应仿真文件名及文件地址填写到待仿真消息中并发送该消息；

(8)生成空间辐射效应仿真所需的仿真输入文件：

(8a)微服务接收到仿真消息后，从服务器中下载消息内容中的空间辐射效应仿真文件和参数文件；

(8b)判断空间辐射效应仿真文件的类型，若为仿真输入文件，则执行步骤(9)，若为空间辐射效应几何模型的中性文件，则执行步骤(8c)；

(8c)从空间辐射效应几何模型的中性文件中提取几何模型的栅元信息和曲面信息，结合几何模型的栅元信息和曲面信息与参数文件生成仿真输入文件；

(9)生成空间辐射效应仿真结果文件：

(9a)微服务调用空间辐射效应仿真软件和仿真输入文件进行空间辐射效应仿真，将仿真结果存储到结果文件中；

(9b)微服务将结果文件上传至服务器中；

(9c)微服务将结果文件名称及结果文件地址填写到仿真完成消息中并发送该消息；

(10)Web平台接收到仿真完成信息后，从服务器中读取消息内容中的结果文件；

(11)判断结果文件中是否含有致命错误，若是，则执行步骤(13)，否则，执行步骤(12)；

(12)判断结果文件中计算结果的相对误差是否小于0.05，若是，则判定计算结果是可靠的执行步骤(14)，否则，执行步骤(13)；

(13)对仿真输入文件进行校验：

用户根据空间辐射效应仿真需求对仿真输入文件进行手动修改后上传校验后的仿真输入文件，发送待仿真消息执行步骤(8)；

(14)将仿真流程相关文件和数据保存到数据库中。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，本发明中生成空间辐射效应仿真所需的仿真输入文件，是在基于云计算、微服务、通讯协议搭建的Web平台上实现仿真参数设置到输入文件转换的过程，克服了现有技术中辅助建模软件缺乏跨平台性和易扩展性的缺陷。

第二，本发明中的编辑几何模型，是在可视化编辑器中添加辐射源、外部立方体包围壳、探测点，并添加空间辐射效应仿真所需的仿真参数，克服了现有技术中辅助建模软件预处理的部分只针对几何模型，不包含空间辐射效应仿真中所需的各类仿真参数的缺陷。

附图说明

图1为本发明的可视化仿真流程示意图；

图2为本发明的生成仿真输入文件方法的示意图。

具体实施措施

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1对本发明的方法做进一步的描述。

步骤1，利用建模软件，设计用户仿真所需的空间辐射效应仿真几何模型，并导出该几何模型的中性文件。

步骤2，用户在Web平台中上传空间辐射效应仿真几何模型的中性文件。

步骤3，Web平台将空间辐射效应仿真几何模型的中性文件转换为obj文件：

所述将空间辐射效应仿真几何模型的中性文件转换为obj文件是采用开源工具包FreeCAD完成文件的转换。

步骤4，构建可视化编辑器：

根据空间辐射效应仿真需求，通过对现有ThreeJS的API进行简单的封装，构建出包含可视化部分、工具栏、参数设置栏、模型列表四部分的可视化编译器。

步骤5，编辑几何模型：

第一步，在可视化编辑器中加载obj文件；

第二步，为空间辐射效应几何模型中的每个分层模块都添加仿真所需的材料、栅元重要性参数；

第三步，根据几何模型的边界，为空间辐射效应几何模型添加外部立方体包围壳，并在包围壳上填写仿真所需的材料、栅元重要性参数；

第四步，在可视化编辑器中添加辐射源，通过拖拽或填写方式指定该辐射源的位置、辐射方向，并为该辐射源添加能谱、时间、粒子权重参数；

所述的辐射源是指点源、面源、体源三种类型中的任意一种；

第五步，在空间辐射效应几何模型表面指定位置添加空间辐射效应探测点，设置仿真所需的探测半径；

第六步，根据空间辐射效应仿真需求，在可视化编辑器中填写粒子类型、计数类型、总粒子数参数。

步骤6，转换编辑数据：

用户确认编辑完成后，可视化编辑器将空间辐射效应几何模型中的图形数据和添加的材料数据及辐射源数据存储到参数文件中。

步骤7，发送待仿真消息：

将参数文件上传至服务器中，Web平台将空间辐射效应仿真类型、空间辐射效应仿真文件名及文件地址填写到待仿真消息中并发送该消息。

步骤8，生成空间辐射效应仿真所需的仿真输入文件：

第一步，微服务接收到仿真消息后，从服务器中下载消息内容中的空间辐射效应仿真文件和参数文件；

第二步，判断空间辐射效应仿真文件的类型，若为仿真输入文件，则执行步骤9，若为空间辐射效应几何模型的中性文件，则执行第三步；

第三步，从空间辐射效应几何模型的中性文件中提取几何模型的栅元信息和曲面信息，结合几何模型的栅元信息和曲面信息与参数文件生成仿真输入文件。

所述的从几何模型的中性文件中提取几何模型的栅元信息和曲面信息方法如下：

第一步，读取几何模型的中性文件，从几何模型的中性文件中提取几何模型的结构信息；

第二步，根据几何模型的结构信息中包含的B-Rep实体，将几何模型划分不同的栅元；

第三步，依次遍历每个栅元中的数据，通过对比构造B-Rep实体中曲线元素，获取组成栅元基础几何体；

第四步，将基础几何体分离成曲面，求出每个曲面方程的参数，并存储为该曲面的曲面信息；

第五步，使用曲面之间的布尔运算来表示该栅元的栅元信息。

参照图2对本步骤生成空间辐射效应仿真所需的仿真输入文件的步骤做进一步的描述。

图2为本发明的生成仿真输入文件方法的示意图，MCNP的输入文件主要通过栅元卡、曲面卡、数据卡对仿真计算的几何模型和仿真参数进行描述。所述的栅元卡主要描述栅元的材料信息以及组成栅元几何说明，栅元的几何说明是由围成该栅元的曲面号以及描述曲面所定义的区域之间关系的布尔运算组成；所述的曲面卡主要描述组成栅元的所有曲面的参数信息；所述的数据卡是用来描述源、记数方式、材料等信息。本发明仿真流程中MCNP输入文件的数据来源包括IGS文件和参数文件。通过对IGS文件处理获取模型的几何信息，对应MCNP输入文件中栅元信息和曲面信息。通过对参数文件处理获取材料信息、辐射源位置信息、能谱信息、记数卡信息、粒子总数等信息，对应MCNP输入文件中数据卡信息和部分栅元卡信息。

步骤9，生成空间辐射效应仿真结果文件：

第一步，微服务调用空间辐射效应仿真软件和仿真输入文件进行空间辐射效应仿真，将仿真结果存储到结果文件中；

第二步，微服务将结果文件上传至服务器中；

第三步，微服务将结果文件名称及结果文件地址填写到仿真完成消息中并发送该消息。

步骤10，Web平台接收到仿真完成信息后，从服务器中读取消息内容中的结果文件。

步骤11，判断结果文件中是否含有致命错误，若是，则执行步骤13，否则，执行步骤12。

步骤12，判断结果文件中计算结果的相对误差是否小于0.05，若是，则判定计算结果是可靠的执行步骤14，否则，执行步骤13。

步骤13，对仿真输入文件进行校验：

用户根据空间辐射效应仿真需求对仿真输入文件进行手动修改后上传校验后的仿真输入文件，发送待仿真消息执行步骤8。

步骤14，将仿真流程相关文件和数据保存到数据库中。