三维离散坐标辐射屏蔽计算预处理的加速方法

《Annals of Nuclear Energy》：Acceleration methods for the preprocessing of three-dimensional discrete ordinates radiation shielding calculations

　　•全核心离散坐标预处理时间得以缩短。•空间哈希技术提升了大规模模型中几何体到网格的映射速度。•分层盒裁剪算法提高了点定位查询的效率。•基于哈希的节点去重功能减少了八叉树网格的输出时间。•缓冲写入与共享内存并行化降低了预处理成本。

引言
在确定性辐射传输领域中，对离散坐标（SN）辐射屏蔽计算的高性能优化始终是一个重要且具有挑战性的课题。在这一工作流程中，预处理尤为重要，因为它能够生成辐射传输求解器所需的各项输入数据。这些任务通常包括多群截面库的构建（Hu等人，2021年）、计算网格的生成以及材料属性的映射。因此，预处理的质量和效率直接影响到整个工作流程的可行性、可靠性以及整体计算效率（Yu等人，2025年）。

图1展示了全核心SN计算的一般工作流程。在此框架下，预处理器为辐射传输求解器提供多群截面数据、计算网格、通过几何体到网格映射得到的材料属性，以及用于验证和可视化的辅助输出数据。对于具有复杂几何结构的大规模反应堆模型，预处理阶段可能需要大量的计算时间，从而成为整个计算流程中的限制因素。在这种情况下，几何体处理和数据生成已不能再被视为无关紧要的初步任务。

在SN方法中，角度变量由一组有限的积分方向和权重来表示。由此产生的与方向相关的传输方程随后会在空间上离散化并加以求解。在本文报告的验证计算中，ThorSNIPE采用了基于单元的有限差分方案，并结合了迎风方向的空间扫描技术。这种空间处理方式是特定于求解器的选择，并非SN角度离散化的固有组成部分；连续有限元法和间断伽辽金法也可以与SN方法相结合使用（Guo等人，2022年；Zong等人，2023年）。本研究并不比较这些不同的空间处理方案，而是着重于在开始传输求解之前加快几何体到网格的映射速度、节点去重以及网格输出的速度。由于优化后的预处理器与基准预处理器生成的网格几何结构、材料及源项分配以及求解器输入接口均相同，所以所提出的加速方法既不依赖于也不改变后续的空间离散化或传输求解过程。

在将预处理与求解器及后处理相结合的集成工作流程中，这种成本会反复出现。因此，包括代码迭代、几何体校准以及模型验证在内的常规工作也会随之变慢。针对后续模块的调试和参数研究可能还需要重复整个预处理流程，这限制了快速的设计和分析迭代速度。尽管存在这样的实际负担，但近期关于确定性传输代码的研究仍然主要集中在传输扫描、加速方案以及混合并行实现等方面。对于预处理性能的系统性讨论则相对较少。

相关传输系统的发展也表明，虽然通常并非以预处理效率作为主要目标，但人们仍从多个不同方向对它进行了改进。在Marvin系统中，重点在于模块化代码架构以及用于屏蔽分析的三维SN传输功能，而预处理则被纳入到整体的计算框架之中（Zhang和Li，2021年）。ARES也采用了类似的系统级设计思路，用于屏蔽分析和反应堆物理应用，其中几何体处理和输入准备功能都被整合到了更广泛的代码结构中（Chen等人，2017年）。ATTILA和SNAM 2.1则从不同的角度来解决这个问题。ATTILA证明了基于CAD的离散坐标建模在屏蔽剂量率计算中的适用性（Youssef等人，2013年），而SNAM 2.1则是专门为自动化基于CAD的SN分析模型准备而开发的，这表明在工程应用中，几何体转换长期以来一直被认为是一个实际难题（Long等人，2010年）。近期的发展则更倾向于注重计算加速。在Denovo（Evans等人，2010年）和NECP-Hydra（Wang等人，2020年）等代码中，人们引入了KBA型策略来提高传输扫描的效率。随着大规模应用的不断扩展，高性能计算以及混合MPI/OpenMP并行化技术的日益普及，这一趋势愈发明显（Yu等人，2025年；Zhang和Zhang，2024年）。在ThorSNIPE代码中，通过多线程网格扫描并行化技术已经实现了可靠的屏蔽计算（Zong等人，2023年）。这为大规模传输分析提供了实用的基础，但也使得工作流程中其余的效率低下问题更加突出。其中，预处理阶段至今尚未得到同等程度的优化。尽管其必要性早已被认识到，但专门致力于提高其计算效率的努力却相对有限。

这种失衡所带来的后果在预处理环节表现得最为明显。对于三维全核心SN传输计算而言，大量的计算成本往往集中在两项任务上，即几何体到网格的映射以及可视化数据的导出。在映射过程中，需要通过大量的点在区域内的分类查询，将实体几何模型投影到离散网格上。当采用全局线性扫描时，计算复杂度会按照ONmesh×Mzone的规律增长。这种增长趋势可能会限制那些需要对组件级几何精度有较高要求的全核心分析的可行性。为了减少传输单元的数量，人们常常采用自适应网格细化技术，包括基于树的离散化方法（Liu等人，2023年）。然而，这类方法并不能从根本上消除映射瓶颈，而且由于单元尺寸的不均匀性以及明显的层次依赖关系，还可能在数据索引、遍历和验证方面带来额外的复杂性（Holke等人，2021年）。因此，尽管在并行求解器中已证明这些方法的有效性（Teunissen和Keppens，2019年），但在这类网格上实现高效且可扩展的几何体映射仍然是一项挑战。为了解决在大面积且几何结构复杂的区域上进行可扩展映射的问题，本研究提出了一种基于规则背景网格构建的空间哈希处理流程。该设计将查询加速与目标网格的拓扑结构分离，从而为高精度预处理中的材料属性分配提供了一种可靠且高效的机制。

其次，对于大规模网格而言，输出阶段的格式化I/O操作所带来的计算成本也不容忽视。高频、细粒度的写入操作本身就效率较低，而在并行执行环境或共享文件系统中，其带来的延迟问题还会进一步加剧。这一瓶颈增加了整个工作流程的完成时间。因此，要提高预处理效率，就需要采取双重策略，既要解决几何体映射的可扩展性问题，又要解决基于文本的输出所带来的固有开销问题。虽然针对辐射传输求解器的并行加速技术已经得到了广泛研究，但鉴于预处理在全核心SN计算中的关键作用，对其优化方面的研究却相对较少。

为填补这一空白，本研究在ThorSNIPE代码中实现了一种优化的预处理架构，该架构旨在同时提升几何体映射效率和输出吞吐量。通过整合统一的空间哈希技术和局部轴对齐边界框裁剪功能，改进了几何体查询流程。这样一来，全局线性搜索就被局部的候选项检索所取代，映射成本也得以有效降低，且不再与几何区域的总数直接相关。此外，还引入了一种分块缓冲写入机制，用于汇总输出数据，从而减少格式化写入操作的频率。这样一来，格式化I/O操作中的系统调用开销便大幅降低，同时仍能保持与标准VTK Legacy ASCII文件的兼容性，以便快速进行验证。

为了评估所提出方法的有效性和通用性，我们在包括Winfrith Iron 88、HBR-2和MSRE在内的典型三维基准测试案例上对该方法进行了测试。通过将优化后的预处理结果与原始实现得到的求解器结果及可视化输出进行比较，验证了该预处理程序的正确性。

本文的结构如下：第2节详细介绍了所提出的预处理优化框架，重点阐述了空间哈希处理流程。该流程涵盖了网格构建、区域注册以及结合哈希查找和AABB裁剪功能的统一查询流程。第2节还介绍了I/O优化策略以及在ThorSNIPE代码中的并行实现方式。第3节通过针对多个基准问题的数值实验，包括Winfrith Iron 88基准测试、HBR-2基准测试以及MSRE基准测试，来验证该方法的有效性和通用性。最后，第4节总结了主要研究成果，并提出了未来研究的方向。

理论和方法
ThorSNIPE预处理模块的主要任务是将用户定义的连续几何形状和材料参数转换为SN传输求解器所需的离散数据结构。虽然标准工作流程能够成功处理输入解析和截面处理等基础任务，但对于大规模反应堆模型而言，几何体到网格的映射以及格式化数据导出这两个阶段却成为了严重的计算瓶颈。为了解决这些问题……

结果与讨论
我们利用三个基准问题——Winfrith Iron 88、HBR-2和MSRE，对所提出的优化方法进行了评估。这些案例涵盖了从简单的层状屏蔽结构到拥有数千个区域和庞大网格的全核心模型。Iron 88案例采用了简单的几何结构，用于测试点定位查询功能并确定基本的规模变化规律。HBR-2案例则采用了多层八叉树网格，除了进行几何体映射外，还考验了节点去重和可视化输出功能。

结论
我们在ThorSNIPE代码中为三维离散坐标屏蔽计算开发了一种优化的预处理框架。该方法针对基准工作流程中的两个主要瓶颈进行了优化：几何体到网格映射过程中的暴力点定位查询，以及多层八叉树网格输出过程中的二次方级节点去重问题。对于点定位查询，我们采用了结合分层AABB裁剪的空间哈希技术；在节点去重方面，则采用了相同的哈希策略……

利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。

余英奇|黄云|何欣|程茂松|戴志民