Replace Python numerical kernels with native C execution

native/README.md

@@ -0,0 +1,76 @@
+# C 数值后端
+
+后端 Python 校验 XML、检查连接、生成系统专用 C 并编译；独立 EXE 执行完整数值循环。原生运行不调用 Python。当前发布构建支持 Windows x64。
+
+## 启用网页后端
+
+当前默认使用 `native`。也可在启动后端的 PowerShell 中显式设置：
+
+```powershell
+$env:SIMULATION_NUMERIC_ENGINE = 'native'
+$env:SIMULATION_NATIVE_CC = 'F:/Projects/mingw64/bin/gcc.exe'
+$env:SUNDIALS_ROOT = 'F:/Anaconda/Library'
+.venv-win/Scripts/python.exe -m uvicorn app.main:app --host 127.0.0.1 --port 8000
+```
+
+沿用 `/api/system-xml/simulate` 与 `/api/system-xml/simulate-stream`。`native` 遇到不支持的组件或方法时报告错误，不静默切换。旧 Python 后端已退役，显式选择 `python` 会报错。
+
+`bat/start-backend.bat`、`bat/start-backend.sh` 及其 `start-all` 上层入口默认设置 `native`，保留明确指定的环境变量覆盖。直接通过 uvicorn 启动也使用相同的默认选择。启动日志显示所选内核；C 模式只检查工具链与 XML Schema，不再预热 SciPy 积分/代数求解器。工具链检查失败会记录启动诊断，编辑器仍可使用，提交仿真时会明确报错，不会自动调用 Python 数值后端。
+
+通用诊断包含 `stateCount`、`sampleCount`。`pressureFlow`、`stream` 属于 Python 后端的可选诊断；C 后端不报告未计算的方程残差，网页仅在该值存在时显示它。
+
+原生运行库已在本机 GCC 8.1 / SUNDIALS 7.4.0 验证。构建需要对应 C 头文件、导入库和 DLL，单纯安装 Python 包不能代替这些文件。构建器根据环境变量或当前 Python 基础环境查找 SUNDIALS，根据环境变量或 PATH 查找 GCC。
+
+## 独立生成与运行
+
+```powershell
+.venv-win/Scripts/python.exe -m app.simulation.native_codegen tests/data/native-skill-test.xml --output-dir test/native-v1/example-run --runs 3 --solve-only
+```
+
+输入支持 XML，或带普通算术表达式的工程 JSON。JSON 普通数字已经是 SI 值；算术表达式按编辑器所选单位换算，例如 `3.14*10**2/4 mm2` 转为 `0.0000785 m2`。较复杂的表达式应先在网页导出 XML。CLI 不执行任意 Python/JavaScript 表达式。
+
+输出目录包含 `input.xml`、`model-manifest.json`、`program/`、预热和各次运行结果，以及 `summary.json`。`program/` 包含 EXE、生成的模型 C/头文件、SUNDIALS DLL 和依赖声明，可以复制整目录独立运行：
+
+```powershell
+test/native-v1/example-run/program/model.exe --method RK45 --start 0 --stop 10 --sample-step 0.02 --max-step 0.001 --rtol 1e-6 --output test/native-v1/standalone-result.json
+```
+
+EXE 不需要 Python、SciPy、XML 或原工程文件。DLL 需要与 EXE 一同保留。默认运行设置是 RK45、0–10 s、最大步长 0.001 s；按需要传入运行选项。
+
+`--solve-only` 关闭轨迹采样，只输出最终状态与诊断。`solveSeconds` 是程序内部数值求解墙钟时间，包含求解必需的 RHS 和事件定位，排除模型初始化、结果投影和文件写入；`processWallSeconds` 另含进程启动与结果处理。预热一次后报告三次求解的中位数。
+
+## 能力与限制
+
+- 已实现当前注册的 27 类组件：22 类 Amesim 公开组件（含空气、氦气两种介质定义）和 5 类实验组件。完整清单及验证说明见 [组件覆盖记录](../docs/other/C内核组件库覆盖记录.md)。介质定义在编译期选择对应的 C 物性函数。
+- 管路覆盖 PNL00R、PNL0001/2/3；阀覆盖 PNOR001、固定/信号开度 PNVO001 及面积/Cv/Kv 模式；连接件覆盖 PN3NODE2、P4NODE2、LMECHN1。支持串联阻力的压力求解、节点焓混合及温度参考、刚性质量合并、兼容管路容腔的等密度状态投影。
+- MECMAS21 支持现有 Python 方程中的摩擦、风阻、柔性限位和 `stoptype=1/2/3/4`，含反弹系数与速度阈值；气腔和管路支持换热。LSTP00A 接受两种刚度模式及接触力符号模式，严格沿用当前组件方程。已有参数中尚未参与 Python 方程的物理效应不会在 C 端凭空补造，详见覆盖记录。
+- 扩展编译器上限 1024 状态、16384 输出；无连续状态的信号系统使用隐藏常量状态驱动输出。气动网络必须有压力状态锚点；独立气腔之间不能无阻力直接相连。兼容固定管路容腔是已实现的合并例外。闭合未收敛或方程欠定时明确失败，不静默回退。
+- 支持原生 RK45 与 CVODE BDF。CVODE 继续使用默认数值雅可比和稠密线性求解；本次删除不改变 C 求解器的雅可比策略。
+- 默认 `rtol=1e-6`、气体状态 `atol=1e-8`、机械状态 `atol=1e-12`。CLI 可覆盖 rtol；本版不支持自定义 atol 或 first_step。不同积分器相同局部容差不保证全局曲线误差完全相同。
+- 时间信号显式分段，塑性/反弹端挡用稠密插值定位并重启。试探 RHS 不修改已接受状态。柔性接触沿用现有分段力公式，不改变刚度或阻尼来提速。
+- 每任务独立进程，支持进度、取消及超时。进程崩溃不会作为成功返回，受控失败保留最后接受状态。
+- 编译缓存位于 `app/data/native-builds/`，校验模型、组件合同、源码、编译选项及依赖哈希。本版参数特化入 C，修改模型数值参数会重新编译；修改时间、步长、rtol、采样选项可复用 EXE。
+
+## 代码职责
+
+- `app/simulation/native_codegen/input.py`：CLI 输入适配。
+- `contracts.py`：逐组件 C 实现版本白名单，新增模型或版本不会自动视为已支持。
+- `compiler.py` / `extended.py`：能力检查、状态/输出布局、连接分组、常系数约束消元、C 生成。保留已验证的简单拓扑快速生成路径，两条路径均只运行 C 数值代码。
+- `build.py` / `runner.py`：编译缓存、依赖打包、隔离执行与结果适配。
+- `native/components/kernels.c`：空气/氦气物性、阀与管路流量、信号、摩擦接触和端挡原语。
+- `native/runtime/`：RK45、CVODE 适配、事件定位、采样与 CLI。
+- `app/simulation/backends.py` / `results.py`：共用执行入口与结果合同。
+
+执行 `.venv-win/Scripts/python.exe -m unittest tests.test_native_catalog tests.test_native_codegen tests.test_simulation_warmup` 可验证全部注册合同、空气/氦气正反向流、换热/摩擦、节点和串联闭合、刚性与管路状态合并、反弹事件、纯信号系统、缓存、独立 EXE、取消及默认 C 的 XML 接口。新增组件库对照测试需要可用的 C 工具链。
+
+## Python 保留范围
+
+- `app/main.py`、`system_xml.py`：HTTP、XML 校验与结果返回。
+- `registry.py`、`core/`、`components/`、`systems/network.py`：参数、端口、介质常量、输出与方程结构声明；不执行模型数值公式。
+- `native_codegen/`：生成系统 C、构建缓存、管理独立进程。
+- `config.py`、`sampling.py`、`results.py`：配置、进度、采样合法性和结果合同。
+- `performance.py`：Python 编排阶段计时，求解耗时读取 C 报告。
+
+`solvers/`、`systems/generic.py`、旧示例、Python 物性/流量/机械公式和物性缓存已删除。数值回归读取 `tests/data/native-python-reference.json` 的 50 个网络、112 组冻结参考状态，不需要 Python 求解器。旧算法及历史对照资料可从 Git 历史找回。
+
+测试安装：`python -m pip install -r requirements-test.txt`。当前完整数值测试要求 Windows x64、GCC 与 SUNDIALS；Linux 尚不提供 EXE 构建。