增加可选性能埋点并完成物性效率评估

docs/仿真性能评估-2026-08-15.md

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+# SystemSimulationApp 仿真性能评估（2026-08-15）
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+> 代码基线：`model-development@6a06489`，随后只加入本报告所述的可选埋点和基准工具。
+> 本次评估的是前端流式接口实际使用的 System XML 求解路径；所有时间均为本机实测，不代表其他机器的绝对性能。
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+## 1. 结论
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+1. **压力—流量闭合是当前首要热点。** 深度审计中，三个气动短算例有 71%～85% 的计时落在 `PressureFlowSolver.solve()` 的包含时间内。它同时包含残差组装及其触发的物性调用，不能与物性时间相加。
+2. **物性调用存在很高的完全相同输入重复率。** 按每次代数闭合重置精确输入影子集合后，空气链路、空气分支和氦气阶跃的重复率分别为 91.2%、96.5% 和 82.3%。空气公式很便宜，不能只凭重复率加缓存；Peng–Robinson 氦气更值得优化。
+3. **现有两项氦气 LRU 精确缓存有效。** 冷缓存审计中，`properties_from_mU` 命中率 95.5%，`temperature_from_pressure_enthalpy` 命中率 78.6%；21 次配对端到端测试中，暖缓存比每次清空缓存快约 7.9%。这些缓存已经存在于评估基线，本次没有新增或改变缓存算法。
+4. **长仿真的时间主要花在积分阶段。** 10 s 氦气均压算例耗时约 10.6～11.5 s，其中标准埋点测得积分占 90.5%，初始化约 4.2%，逐采样点后处理约 5.0%。
+5. **结果 JSON 暂不是这些算例的首要矛盾。** 四个短算例的最终 NDJSON 结果约 29～59 KiB，编码中位数约 0.4～1.2 ms；501 个采样点的长算例约 507 KiB，编码约 18.5 ms。
+6. **首次仿真有明显冷启动。** 新 Python 进程第一次短算例约 0.71 s，预热后同类算例约 0.06～0.13 s。剖析表明首次进入 SciPy 求解路径的惰性导入占了主要差额；这是服务首请求延迟，不是稳态吞吐。
+7. **用户提供的 demo XML 尚不能形成完整性能样本。** 它仍在 `0.000175 s` 左右因 `Initial guess is outside of provided bounds` 失败；深度埋点确认错误发生在压力—流量闭合。本批只记录失败路径，没有顺带改变求解器容错行为。
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+## 2. 埋点实现与污染控制
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+性能开关由进程启动环境变量 `SIMULATIONAPP_PROFILE` 决定：
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+| 模式 | 用途 | 记录内容 | 适合场景 |
+| --- | --- | --- | --- |
+| `off` | 正常运行，默认值 | 不在响应中加入性能数据；装饰器在模块加载时直接返回原函数 | 正式仿真和最终性能对比 |
+| `standard` | 低开销阶段统计 | XML 校验、网络编译、系统构造、初始化、积分、后处理、结果组装 | 日常定位“大阶段” |
+| `audit` | 深度审计 | 再展开 RHS、代数闭合、压力流量、stream、刷新、导数和物性内核 | 短算例诊断、调用频率与缓存评估 |
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+一次运行使用一个 `ContextVar` 隔离的 `PerformanceTrace`，不会把不同仿真任务的阶段计数混在一起。成功或失败的求解结果在 profiling 模式下都会把快照放入 `diagnostics.performance`。主要字段为：
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+- 阶段：`calls`、`inclusiveNs`、`selfNs`、`maxNs`、`errors`；
+- 物性：上述时间字段，以及介质、操作、缓存查询/命中/未命中；
+- audit 专有：闭合内精确输入唯一数/重复数、逆解迭代总数/最大值/收敛与未收敛次数；
+- `propertyOutermostNs`：只累计最外层物性调用，避免把嵌套 PR 内核时间重复相加。
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+标准模式只保留低频的大阶段计时。21 次氦气阶跃配对运行中，标准模式相对关闭模式的中位开销为 1.9%；四个短算例分开校准为 0.5%～2.9%。audit 会逐次生成精确指纹并计时，短算例可慢到约 2.5～5 倍，因此 audit 数据用于定位和计数，最终优化收益必须回到 `off` 模式复测。
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+将当前代码的 `off` 模式与备份提交 `6a06489` 同时运行 21 次氦气阶跃，墙钟中位数差为约 0.3%，处于本机噪声范围。也就是说，默认关闭时没有观察到稳定的热路径退化。
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+## 3. 测试方法
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+环境：Windows 11、Python 3.12.3、SciPy 1.18.0、64 位 Intel 处理器。仓库没有 PyInstaller/Nuitka 等可执行文件构建链，本次直接使用项目实际启动后端的 `.venv-win` 解释器。把同一 Python 代码再包成单文件只会混入解包和启动成本，不会使这里的求解内核更接近生产路径。
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+基准工具入口：
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+```powershell
+.venv-win\Scripts\python.exe -m app.simulation.benchmark_performance `
+  --mode audit --warmups 1 --runs 3 `
+  --factory "helium_step=tests.test_amesim_pnvo001_signal_xml:high_pressure_helium_step_project" `
+  --output app/data/performance-evaluations/helium-step.json
+```
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+工具默认传入取消检查回调，从而走与前端流式仿真相同的低层逐步积分路径。它记录墙钟、进程 CPU、最终 NDJSON 编码、输入 SHA-256 和完整性能快照。原始 JSON 写入被 Git 忽略的 `app/data/performance-evaluations/`，避免把机器相关的大量样本提交到仓库。
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+本次代表算例：
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+| 算例 | 内容 | 暖机后 `off` 墙钟中位数 | 重复次数 |
+| --- | --- | ---: | ---: |
+| `air_chain` | 空气气缸—节流孔—管路—储罐 | 62.4 ms | 9 |
+| `air_branched` | 空气分支网络 | 130.3 ms | 9 |
+| `helium_step` | 高压 PR 氦气、信号阶跃阀 | 65.2 ms | 9 |
+| `mechanical_contact` | MECMAS21/LSTP00A 弹性接触 | 33.0 ms | 9 |
+| `helium_long` | 10 s PR 氦气均压、501 个输出点 | 10.63 s | 1 |
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+短算例先暖机 2 次再测 9 次；缓存 A/B 使用两个同时启动的独立进程各暖机 5 次、测量 21 次，以尽量抵消瞬时系统负载。长算例只测 1 次，因此它只用于判断数量级与阶段占比。
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+## 4. 深度阶段结果
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+下表时间是 audit 中位数，会包含审计自身开销；调用数和相对热点比绝对时间更可靠。
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+| 算例 | RHS | 完整闭合 | 压力流量求解 | 压力流量包含时间占 audit 总时间 | 物性调用 | 闭合内精确重复率 |
+| --- | ---: | ---: | ---: | ---: | ---: | ---: |
+| `air_chain` | 33 | 37 | 74 | 77.0% | 4,265 | 91.2% |
+| `air_branched` | 23 | 26 | 56 | 84.6% | 7,378 | 96.5% |
+| `helium_step` | 79 | 102 | 235 | 71.2% | 11,121 | 82.3% |
+| `mechanical_contact` | 74 | 78 | 156 | 29.5% | 0 | 不适用 |
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+当前热流耦合不是旧文档所写的固定 2～3 次压力求解。每次闭合先做 1 次压力求解，然后最多执行 25 轮 `stream → pressure-flow` 固定点；也就是说理论上最多 26 次。本次四个算例的平均压力求解次数/闭合分别为 2.00、2.15、2.30 和 2.00。优化时应编译依赖/脏标记并减少不必要的全网 pass，但不能直接删除第二轮，否则会重新引入求值历史依赖并破坏有限差分 Jacobian。
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+## 5. 物性调用与缓存结果
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+氦气阶跃的冷缓存 audit 代表运行：
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+| 操作 | 调用 | 命中/未命中 | 命中率 | 真实逆解次数 | 平均迭代 | 最大迭代 | 未收敛 |
+| --- | ---: | ---: | ---: | ---: | ---: | ---: | ---: |
+| `properties_from_mU` | 1,930 | 1,843 / 87 | 95.5% | 87 | 3.99 | 5 | 0 |
+| `temperature_from_pressure_enthalpy` | 398 | 313 / 85 | 78.6% | 85 | 5.00 | 5 | 0 |
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+暖机后以相同配置重复运行，这两项在代表快照中均为 100% 命中，说明当前精确 LRU 能跨同配置运行复用确定性轨迹。关闭埋点的端到端配对结果为：暖缓存中位数 77.05 ms，每次清空缓存为 83.69 ms；换算为暖缓存约快 7.9%。
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+audit 的自身时间排序还显示：`isentropic_density_pressure_factor` 调用 398 次，`density` 业务入口及 PR 密度内核各调用 1,198 次，PR `compressibility_roots` 调用 1,200 次。同一 `(p,T)` 周围存在“等熵因子内部求密度，随后流量公式再次求密度”的重复机会。这里应优先复用同一闭合内的精确结果或合并 API；不要用四舍五入/容差键缓存，否则会在残差函数中制造平台并影响 ODE/least-squares 的有限差分。
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+空气算例虽然精确重复率更高，但理想气体公式本身只有少量算术。对这些廉价函数增加字典查询可能比重算更慢，应先做专门 A/B，不应套用氦气结论。
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+## 6. 输出与失败样本
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+| 算例 | 最终结果大小 | NDJSON 编码中位数 |
+| --- | ---: | ---: |
+| `air_chain` | 29.2 KiB | 0.39 ms |
+| `air_branched` | 59.1 KiB | 1.21 ms |
+| `helium_step` | 55.5 KiB | 1.10 ms |
+| `mechanical_contact` | 51.4 KiB | 0.62 ms |
+| `helium_long` | 507.4 KiB | 18.48 ms |
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+用户 demo 的输入 SHA-256 为 `27048a99da0a21922d75785b760c3b5d04be3349b8aef6fbfedfd811d87ef1d5`。audit 失败运行记录到 80 次 RHS、83 次闭合、165 次压力流量求解，最后一项各有 1 次错误；这与此前定位的低压试探态越过 `least_squares` 初值边界一致。由于没有到达 10 s 终点，不能把其 1.08 s 失败耗时当作完整模型性能。
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+## 7. 后续优化顺序
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+1. **先优化压力流量执行计划。** 继续预编译组件/连接残差归属、显式赋值顺序和热流耦合脏标记；增加快路径命中率、非线性 `nfev` 累计耗时，区分“全网扫描慢”与“非线性迭代慢”。
+2. **再减少 PR 物性重复。** 复用组件当前 `(m,U,V)` 的状态恢复结果，合并等熵因子与密度读取；沿用精确键、有界容量和按仿真隔离原则。现有 LRU 已带来约 8% 的短算例收益，不应回退。
+3. **处理冷启动。** 若首请求延迟重要，可在 worker 启动时显式导入 SciPy 求解模块或运行一个极小、无业务副作用的预热模型；不要把约 0.65 s 冷启动归因到每次仿真。
+4. **长算例再看后处理复用。** 当前代表长算例的积分占 90.5%，所以积分/闭合仍优先；当采样更密或变量更多时，再评估复用已接受状态闭合、按需变量和降采样。
+5. **把 demo 数值容错作为独立修复。** 统一压力可行域与初值投影、将试探态错误转为可恢复拒步，并在闭合前刷新外部容积缓存；该改动需要单独回归，不能混入性能优化提交。
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+## 8. 本次评估边界
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+- 没有固定 CPU 亲和性或关闭后台程序，短算例绝对时间存在数毫秒波动，因此以中位数和配对实验为主。
+- audit 会显著改变廉价函数的单次耗时；不能把 audit 的物性毫秒数直接当成关闭埋点后的真实占比。
+- 当前 LRU 命中/未命中来自调用前后的全局 `cache_info()` 差值；本报告均为单任务运行。多个 audit 仿真线程同时调用同一缓存时，阶段/物性调用仍按 trace 隔离，但缓存命中差值可能交错，不能用来做并发结论。
+- 直接抛出 `HTTPException` 的校验/执行异常会结束 trace，但当前不会把快照附到错误响应；demo 属于返回 `failed` 部分结果的路径，所以本报告能够取得其失败快照。
+- 本批没有测峰值 RSS、1/2/4 并发吞吐、浏览器解析/绘图或 8/32 单元拓扑扩展曲线。
+- 没有为评估引入新的近似缓存、容差调整或求解器算法变更；所有性能结论都与数值优化改动解耦。