GUI-LHADDAS：面向局地尺度高分辨率大气弥散与剂量评估系统的图形用户界面

《SoftwareX》：GUI-LHADDAS: A graphical user interface for the local-scale high-resolution atmospheric dispersion and dose assessment system

　　

： 局地尺度高分辨率大气弥散与剂量评估系统（LHADDAS）是一种用于核设施及城市环境中放射性物质大气弥散与伽马射线剂量评估的建筑解析模拟计算工具。研究人员开发了LHADDAS的图形用户界面（GUI-LHADDAS），这是一个跨平台桌面应用程序。GUI-LHADDAS基于Electron框架构建，将输入准备、模拟执行和三维（3D）地理空间可视化集成于单一工作流程中。该应用程序利用CesiumJS提供基于交互式地图的环境，在此环境中，大气弥散分布和剂量率分布与地理空间中的三维结构一同可视化。一个示例性案例表明，GUI-LHADDAS能够实现对复杂物理现象的直观可视化解读，包括羽流在结构间隙间的输运以及建筑物伽马射线屏蔽效应所产生的剂量率阴影。这些现象难以通过传统的基于文本的模拟输出来理解。LHADDAS的使用此前因其工作流程依赖命令行操作而仅限于专业人员。GUI-LHADDAS克服了这一障碍，将LHADDAS的实际应用范围拓展至应急响应规划、核安全评估及教育活动。

论文解读文章：

一、研究背景与问题提出

在核设施意外释放放射性物质或城市环境中发生蓄意放射性扩散的应急响应场景中，可靠评估放射性物质大气弥散与伽马射线剂量至关重要。传统上广泛使用的简单弥散模型，如烟团模型和高斯烟羽模型，在局地尺度（即释放点周围数公里范围内）存在根本性局限：建筑物及其他结构会产生复杂的湍流流动，导致空气中放射性物质呈现高度非均匀分布，这类现象无法被简单模型充分表征。剂量评估同样面临挑战，建筑物对伽马射线具有屏蔽效应，若不考虑屏蔽作用则无法获得准确的剂量率分布。

为应对上述挑战，日本原子能机构（JAEA）开发了局地尺度高分辨率大气弥散与剂量评估系统（LHADDAS）。该系统由三个代码组成：基于大涡模拟的局地尺度高分辨率大气弥散模型（LOHDIM-LES）、基于格子玻尔兹曼方法的城市实时弥散模型（CityLBM）以及基于晶格剂量响应函数的模拟代码（SIBYL）。其中，LOHDIM-LES用于核设施安全评估等详细的预事件与后事件分析，CityLBM运行于GPU超级计算机，旨在实现城市弥散的实时分析。两个弥散模型单独使用，仅LOHDIM-LES与SIBYL耦合，因此GUI-LHADDAS支持LOHDIM-LES和SIBYL。

LOHDIM-LES与SIBYL的组合能够实现大气弥散与剂量评估的集成模拟。LOHDIM-LES显式解析建筑诱导湍流，计算放射性物质的弥散与干沉降；SIBYL读取LOHDIM-LES在各输出时刻写入的时均空气浓度和地表沉降量，计算地面剂量率分布，同时考虑云照射与地面照射以及建筑物对伽马射线的屏蔽效应。尽管LHADDAS具备上述能力，但LOHDIM-LES和SIBYL均为基于Fortran的命令行程序，采用专有的文本输入输出格式，模拟结果以文本文件提供，且无内置可视化功能。此外，LOHDIM-LES的输出文件需手动移至SIBYL的输入目录并重命名。这些因素导致使用这些代码需要具备计算科学和辐射工程领域的丰富专业知识，构成了政府机构和私营组织应急响应人员实际采用的实际障碍。现有应急响应系统如RASCAL、HotSpot、ARGOS、JRODOS等虽提供图形用户界面，但在局地尺度上存在物理局限性，或采用参数化经验方法处理建筑效应，或未考虑建筑物的伽马射线屏蔽效应。为克服这些障碍，使非计算科学专业的应急响应人员能够利用LHADDAS，研究人员开发了GUI-LHADDAS。

二、研究内容与结论

研究人员开发了GUI-LHADDAS，这是一个基于Electron框架构建的跨平台桌面应用程序，将LOHDIM-LES和SIBYL的输入准备、模拟执行和交互式可视化步骤集成于单一环境。通过统一这些工作流程，GUI-LHADDAS支持对耦合大气弥散与剂量评估结果进行快速直观的解读，适用于应急准备和情景分析。该应用程序在Windows 11、macOS Sequoia 15.3和Ubuntu 24.04上完成全流程测试，以MIT许可证通过GitHub公开提供，包含源代码、各支持平台的预构建应用包和用户手册。

GUI-LHADDAS遵循Electron的双进程模型，包含渲染进程和主进程，通过进程间通信交互。渲染进程采用React/TypeScript实现，提供由地图面板、地图控制面板和模拟控制面板三个面板组成的用户界面。地图面板使用CesiumJS在三维地理空间环境中渲染模拟结果。主进程采用Node.js实现，包含文件输入输出管理器和进程控制器，分别处理文件操作和管理LOHDIM-LES与SIBYL的执行。GUI-LHADDAS仅通过文件与两个代码交换数据，将用户输入的值写入LOHDIM-LES和SIBYL的参数输入文件，运行代码，并读取输出文件进行显示。地图瓦片来自两个数据源：日本地理空间信息局提供的GSI Maps和全球开放地图数据库OpenStreetMap。

模拟控制面板包含五个标签页：设置、LOHDIM-LES输入、SIBYL输入、计算和可视化。输入参数按基本和高级设置分层组织，输入时检查各参数类型及单元索引范围，无效输入触发警告，有助于防止生成被模拟代码拒绝的输入文件。计算标签页控制LOHDIM-LES和SIBYL的执行，每个代码可独立启用或禁用，执行期间显示输出时刻数量及进度条。可视化标签页控制地图面板中模拟结果的渲染，可选择显示大气浓度、地表沉降量和剂量率三种量之一，色标可设为对数或线性，显示范围可通过滑块设置，时间滑块选择显示的输出时刻，切片功能沿x、y或z轴显示截面以揭示内部羽流结构。

示例案例采用俄克拉荷马城中心商务区的建筑几何，计算域为1120 m×1120 m×452 m，包含280×280×70个单元，水平网格间距4 m，垂直网格间距在200 m高度以下为4 m、以上拉伸。非稳态流场和羽流计算200 s，空气浓度和沉降量每40 s平均并写入。演示假设以1 Bq s?1的速率从地面单元连续释放13?Cs。在AMD Ryzen 9 7950X桌面PC上，LOHDIM-LES（串行版本，单核）计算200 s模拟时间耗时92分钟，SIBYL（OpenMP，16线程）对五个输出时刻各运行一次共耗时112分钟，而GUI本身显示一个输出时刻的三维浓度场耗时小于2秒。

可视化示例展示了LOHDIM-LES计算的放射性羽流弥散三维浓度分布，以彩色编码体素场叠加在地图和建筑几何上，x轴切片揭示内部羽流结构。SIBYL计算的地面剂量率分布以二维彩色图渲染，高剂量率区域从释放点向下风向扩展，高层建筑后方出现明显的低剂量率区域，即伽马射线屏蔽效应产生的剂量率阴影。将鼠标悬停在地图面板上可显示对应网格单元的剂量率。

三、关键技术方法

研究人员采用以下主要技术方法：基于Electron框架构建跨平台桌面应用，采用双进程模型架构，渲染进程使用React/TypeScript实现用户界面，主进程使用Node.js实现文件输入输出管理和进程控制；利用CesiumJS开源JavaScript库实现三维地理空间可视化；集成LOHDIM-LES（基于大涡模拟的局地尺度高分辨率大气弥散模型，串行版本）和SIBYL（基于晶格剂量响应函数的剂量评估代码，版本2.5.1）两个外部模拟代码，仅通过文件进行数据交换；地图瓦片采用GSI Maps和OpenStreetMap两个数据源。示例案例使用俄克拉荷马城中心商务区建筑几何，来源于Joint Urban 2003大气弥散现场实验。

四、研究结果

软件架构方面： GUI-LHADDAS基于Electron框架构建，遵循双进程模型，渲染进程提供三个面板的用户界面，主进程管理文件操作和模拟代码执行，与两个模拟代码仅通过文件交换数据，完整工作流程已在Windows 11、macOS Sequoia 15.3和Ubuntu 24.04上测试。

软件功能方面： 地图面板提供三维地理空间视图，支持旋转、平移和缩放，计算域、计算网格和建筑数据从输入文件读取并在地图上渲染，模拟后大气浓度、地表沉降量和地面剂量率可叠加为彩色等值线。地图控制面板将计算网格配准到地理地图上，用户指定释放点的经纬度后该点被分配到释放单元，网格按水平间距放置在地图上，提供地图对齐功能消除显示偏移，界面语言可在日语和英语间切换。模拟控制面板包含五个标签页，输入参数分层组织并带验证机制，计算标签页可独立控制两个代码的执行，可视化标签页提供多种渲染控制功能。

示例案例方面： 示例采用俄克拉荷马城中心商务区建筑几何，假设以1 Bq s?1速率连续释放13?Cs。LOHDIM-LES计算的羽流三维浓度分布以彩色编码体素场渲染，x轴切片揭示内部羽流结构，可追踪羽流在街道峡谷间的输运。SIBYL计算的地面剂量率分布显示高剂量率区域从释放点向下风向扩展，高层建筑后方出现低剂量率区域，即伽马射线屏蔽效应产生的剂量率阴影，悬停光标可显示对应网格单元的剂量率值。

五、讨论与结论

讨论部分： GUI-LHADDAS支持使用LHADDAS系统性地探索多样化释放情景，涉及释放点、源项或气象条件变化的敏感性分析可重复执行而无需繁琐编辑输入文件，可支持核设施假想释放的预事件后果估算、城市区域蓄意放射性扩散的应急规划以及实际事件的后事件分析。直观界面和三维可视化功能使GUI-LHADDAS成为核应急响应培训和大学教学的教育工具。LOHDIM-LES和SIBYL代码的物理有效性已在多项研究中得到验证，但使用这些高分辨率模拟代码进行实际研究需要大量时间处理输入输出文件编辑、代码间数据传输和结果可视化等外围任务，GUI-LHADDAS将这些操作整合到单一集成环境中，内置输入参数检查有助于防止数据输入错误。多个机构已表示有兴趣采用LHADDAS，但专业知识要求造成的有限可用性一直是实际部署的主要障碍，GUI-LHADDAS克服了这一障碍，使政府机构、核运营方和应急响应规划人员能够在较少依赖计算科学专家的情况下研究多样化释放情景，为Windows、macOS和Linux提供预构建包进一步促进了软件在组织内的部署。

结论部分： 研究人员提出了GUI-LHADDAS，这是一个为LHADDAS提供集成图形环境的跨平台桌面应用程序。通过将LOHDIM-LES和SIBYL代码的输入准备、模拟执行和三维可视化统一到单一工作流程中，GUI-LHADDAS将LHADDAS的实际应用范围从计算专家拓展至政府机构、核运营方和应急响应规划人员。示例案例展示了GUI-LHADDAS的可视化能力，清晰呈现了羽流在结构间隙间的输运和伽马射线屏蔽产生的剂量率阴影，这些现象难以从传统基于文本的模拟输出中识别。未来工作将包括支持LOHDIM-LES并行版本、拓展核应急准备应用及整合至应急响应培训项目。作为一个开源项目，GUI-LHADDAS欢迎社区贡献，包括功能扩展和新领域应用。