增加可选性能埋点并完成物性效率评估

docs/后端求解逻辑与效率优化调研.md

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 # SystemSimulationApp 后端求解逻辑与效率优化调研（通俗版）
 
-> 调研基线：2026-08-12（System XML v3 迁移后），依据当前仓库代码、配置、说明文档与测试。
-> 本文所称“主求解路径”是当前前端实际调用的 System XML 流式接口；固定 TestModel 和 Test MQL 接口另行说明。文中没有把静态代码分析冒充 CPU、内存实测。
+> 调研基线：2026-08-15（System XML v3 迁移后），依据当前仓库代码、配置、说明文档、测试与阶段埋点。
+> 本文所称“主求解路径”是当前前端实际调用的 System XML 流式接口；固定 TestModel 和 Test MQL 接口另行说明。机器相关的实测结果单独见[仿真性能评估 2026-08-15](仿真性能评估-2026-08-15.md)。
 
 ## 0. 三分钟读懂
 
@@ -74,7 +74,7 @@
 1. **[已实现] 当前主内核是“半显式 ODE + RHS 内代数闭合”。** 动态组件只把储能状态交给 ODE 积分器；每次计算导数前，系统先传播信号、刷新热力状态、求压力/流量代数网络、传播变容边界、迭代 stream 焓并更新机械加速度。它不是通用 DAE 求解器，也不等价于完整 Modelica `inStream/actualStream` 语义（`README.md:18-20`、`app/simulation/README.md:174-195`）。
 2. **[已实现] 当前前端主链路是 System XML 流式仿真。** 浏览器生成 XML，经 `POST /api/system-xml/simulate-stream` 发送；后端以 NDJSON 返回心跳与进度，最后在一个 JSON 行中返回完整结果。不是 WebSocket 或标准 SSE。
 3. **[已实现] XML v3 的 `sampleStep` 是输出采样间隔，不是固定积分步长。** 内部的 `max_step`（XML 为 `maxStep`）才是自适应积分步长上限；`BDF/Radau/LSODA/RK45/RK23/DOP853` 均受支持。流式运行因总是提供取消检查，会使用 SciPy 低层求解器逐个已接受步推进。
-4. **[已实现] 每次 RHS 的完整闭合至少调用 2 次、存在外部容积传播时最多调用 3 次压力流量求解。** 积分结束后，每个输出采样点又执行一次完整闭合并提取全部公开结果。这是当前最明确的单任务重复工作来源。
+4. **[已实现] 每次完整闭合先调用 1 次压力流量求解，再执行最多 25 轮 `stream → pressure-flow` 固定点。** 因而每次闭合至少 2 次、理论上最多 26 次压力求解；本次代表算例平均为 2.00～2.30 次。积分结束后，每个输出采样点又执行一次完整闭合并提取结果。
 5. **[已实现] 代数求解已有因果化快路径。** 压力流量求解器预编译相等组与显式流量计划，种子残差足够小时不调用非线性优化；否则对全局未知向量调用 SciPy `least_squares`，当前未提供解析 Jacobian 或 `jac_sparsity`。
 6. **[已实现] 当前启动脚本是一个 Uvicorn worker。** 每个流式任务再创建一个无并发上限的 daemon 线程和无界队列；没有进程池、集中任务队列、CPU/内存配额或持久化作业系统。同步仿真端点还会在 `async def` 中直接执行 CPU 密集代码。
 7. **[推断] 优化应分两条线：**
@@ -205,30 +205,25 @@ stream 焓 `h_outflow` 不直接强制相等；标量信号和气动外部容积
 - 气体携带的能量按实际流向交给下游；
 - 若还有机械活塞或控制信号，它们在同一时刻也要一致。
 
-代码目前不是一次对完，而是按固定顺序做若干轮专项检查。因此一个“计算变化率”的请求会调用 **2 次压力/流量闭合**；涉及外部容积传播时会调用 **3 次**。这也是后文首要优化方向。
+代码目前不是一次对完，而是先建立初始压力解，再让 stream 焓和压力—流量相互迭代到同一个固定点。这样做是为了让当前 RHS 不依赖上一次调用留下的焓/流量历史，并保持有限差分 Jacobian 可重复。
 
-`GenericFluidSystem._close_current_state()` 的实际顺序见 `app/simulation/systems/generic.py:258-290`：
+`GenericFluidSystem._close_current_state()` 的实际顺序见 `app/simulation/systems/generic.py`：
 
 | 顺序 | 操作 | 目的 |
 | ---: | --- | --- |
 | 1 | `SignalResolver.solve(time)` | 更新时间信号源并从 output 传播到 input |
-| 2 | 刷新动态组件热力端口 | 由当前 `m/U/V` 恢复压力、温度、焓等 |
-| 3 | 第一次 `PressureFlowSolver.solve()` | 闭合当前压力、流量、机械端口代数关系 |
-| 4 | `PneumaticVolumeResolver.solve()` | 沿气动连接传播外部 `volume/volume_flow` |
-| 5 | 若发生容积传播，再刷新热力状态并第二次求压力/流量 | 让变容边界进入气室状态关系 |
-| 6 | `StreamResolver.solve()` | 按实际流向迭代传播/混合 `h_outflow` |
-| 7 | 无条件再次求压力/流量 | 让依赖 stream/温度的构成关系重新闭合 |
-| 8 | 更新机械约束加速度 | 为机械状态导数准备 `a` |
+| 2 | 传播机械 `x/v` 等值关系 | 把当前机械状态同步到刚性连接端口 |
+| 3 | `PneumaticVolumeResolver.solve()` | 沿气动连接传播外部 `volume/volume_flow` |
+| 4 | 刷新动态组件热力端口 | 由当前 `m/U/V` 和最新体积恢复压力、温度、焓 |
+| 5 | 第一次 `PressureFlowSolver.solve()` | 建立本轮热流固定点的初始压力和流量 |
+| 6 | 最多 25 轮 `StreamResolver.solve()` 后再求压力流量 | 让焓、温度引用和构成流量同时收敛；按流量变化判停 |
+| 7 | 更新机械约束加速度 | 为机械状态导数准备 `a` |
 
-随后 `rhs()` 才收集各动态组件的导数（`app/simulation/systems/generic.py:298-301`）。
+随后 `rhs()` 才收集各动态组件的导数。
 
-因此：
+因此每次闭合至少有 **2 次**、最多有 **26 次**压力流量求解。外部容积传播会影响初始热力状态，但不再用“有没有容积传播”直接决定固定次数。stream 自身仍有相对容差 `1e-9` 和最多 100 次内部迭代；外层热流固定点最多 25 轮，两层上限不能混为一个数。
 
-- 无外部容积传播时，每次闭合固定有 **2 次**压力流量求解；
-- 有外部容积传播时固定有 **3 次**；
-- stream 默认相对容差 `1e-9`、最多 100 次迭代，每轮复制端口焓并扫描组件/端口（`app/simulation/solvers/stream.py:29-119`）。
-
-**[发现]** 这套固定顺序没有按模型实际能力裁剪。例如没有信号、没有外部容积源或 stream 不反向影响构成关系的网络，仍经过对应全网 pass。是否能安全删去某一 pass 必须由依赖关系和回归测试决定，不能只凭某个算例结果不变。
+**[发现]** 这套顺序仍没有按模型实际能力完全裁剪。例如没有信号、没有外部容积源或 stream 不反向影响构成关系的网络，仍经过对应全网 pass。是否能安全删去某一 pass 必须由依赖关系、脏标记和回归测试决定，不能只凭某个算例结果不变。
 
 ## 6. 初始化、积分参数与推进方式
 
@@ -256,7 +251,7 @@ stream 焓 `h_outflow` 不直接强制相等；标量信号和气动外部容积
 | `sampleStep`（内部 `sample_step`） | 默认 `0.1 s` | 仅生成输出 `t_eval` 采样网格；工程 JSON 仍暂名 `simulation.step` |
 | `maxStep`（内部 `max_step`） | 默认 `0.005 s` | 自适应求解器内部已接受步的上限 |
 | `method` | 默认 `BDF` | BDF、Radau、LSODA、RK45、RK23、DOP853 |
-| `rtol` | 通用 XML 路径硬编码 `1e-5` | 外层 ODE 相对误差；用户不可配置 |
+| `rtol` | 通用 XML 路径硬编码 `1e-6` | 外层 ODE 相对误差；用户不可配置 |
 | `atol` | `SolveIVPConfig` 标量默认 `1e-8` | 同时用于不同量纲的全部状态；用户不可配置 |
 | `first_step` | 默认 `None` | 交给 SciPy；用户不可配置 |
 | 代数残差容差 | `1e-7` | 压力流量快速路径/接受标准 |
@@ -331,9 +326,9 @@ STEP0、UD00 等信号源提供离散事件时刻。积分器先推进到事件
 - stream 最大迭代数；
 - 停止状态及部分错误上下文。
 
-**[发现]** `_close_current_state()` 中局部变量 `algebraic` 会被后续 pass 覆盖；最大残差/评估统计只采集每次闭合最后一次压力求解，而 `solveCount` 才累计了全部调用。现有响应还没有外层积分 `nfev/njev/nlu`、接受/拒绝步、重启次数、分阶段墙钟时间、热物性调用数、峰值 RSS、队列深度和结果字节数。
+**[已实现]** 积分诊断已经包含分段及汇总的 `nfev/njev/nlu`、已接受步、求解器启动、状态迁移和可恢复重试数。设置 `SIMULATIONAPP_PROFILE=standard|audit` 后，响应还会加入分阶段墙钟时间；audit 进一步记录物性调用、精确重复、缓存命中和逆解迭代。
 
-因此本文可静态定位重复工作，但不能用现有诊断精确量化每个热点的时间占比。
+**[发现]** `_close_current_state()` 中局部变量 `algebraic` 会被后续 pass 覆盖；最大残差/评估统计只采集每次闭合最后一次压力求解，而 `solveCount` 才累计了全部调用。仍缺少压力快路径命中率/累计 `nfev`、峰值 RSS、任务队列深度等服务级指标。结果字节和编码时间目前由离线基准工具测量，不进入常规 API 响应。
 
 ## 9. 求解时前后端交流
 
@@ -440,11 +435,11 @@ O(组件 + 连接 + 代数结构)
 
 | 热点 | 代码证据 | 影响范围 | 判断 |
 | --- | --- | --- | --- |
-| 每次闭合固定 2～3 次压力流量求解 | `generic.py:258-290` | 每个 RHS、初始化、每个结果采样点 | [已实现] 重复 pass；真实耗时待测 |
+| 每次闭合执行 2～26 次压力流量求解 | `generic.py` 的热流固定点 | 每个 RHS、初始化、每个结果采样点 | [实测] 代表气动算例平均 2.00～2.30 次；audit 包含时间占 71%～85% |
 | stream 每轮复制/扫描并重复刷新 | `stream.py:29-119` | 每个闭合，最多 100 轮 | [已实现]；网络越大越明显 |
 | 非线性回退用全局有限差分 least-squares | `algebraic.py:927-947` | 快速路径失效时 | [已实现]；大非线性网络潜在陡增 |
 | 外层刚性积分器看不到显式稀疏 Jacobian | `solver.py:528-1009` | BDF/Radau 的每步/Newton | [已实现] |
-| 热物性重复反算 | `mediums.py:199-266` 及各动态组件 refresh | 每个 RHS/闭合 pass | [推断] 需调用计数确认 |
+| 热物性重复反算 | `mediums.py` 及各动态组件 refresh | 每个 RHS/闭合 pass | [实测] 闭合内精确重复率 82%～97%；PR 氦气缓存端到端收益约 8% |
 | 每采样点完整后处理闭合 | `generic.py:397-474` | 输出点 × 全网 | [已实现] |
 | 每个已接受步构造 dense output | `solver.py:528-914` | 流式逐步路径 | [已实现]；无跨样本/事件时可能浪费 |
 | 无界求解线程与任务结果驻留 | `main.py:491-520, 773-880` | 并发任务 | [已实现] 稳定性风险，不等于单算例变慢 |
@@ -452,7 +447,7 @@ O(组件 + 连接 + 代数结构)
 
 ## 13. 优化建议排序
 
-以下按**预期综合收益**排序；同档位优先低风险、低难度项。收益是基于调用频率与复杂度的代码推断，不是基准测试结果。“单算例”指一个模型的墙钟时间，“吞吐”指多任务服务能力。
+以下按**预期综合收益**排序；同档位优先低风险、低难度项。排序同时参考代码结构和 2026-08-15 的阶段/物性实测，但尚未覆盖大规模拓扑与多任务吞吐。“单算例”指一个模型的墙钟时间，“吞吐”指多任务服务能力。
 
 ### 13.1 先看人话版
 
@@ -460,7 +455,7 @@ O(组件 + 连接 + 代数结构)
 
 | 顺序 | 人话方案 | 为什么可能更快 | 主要风险 |
 | ---: | --- | --- | --- |
-| 1 | 少做重复“瞬时对账” | 当前每次变化率计算固定做 2～3 次压力/流量闭合，调用频率最高 | 少做一轮可能漏掉真实耦合，必须按组件依赖裁剪 |
+| 1 | 少做重复“瞬时对账” | 当前每次闭合做初始压力求解和热流固定点，实测压力流量层最热 | 少做一轮可能漏掉真实耦合，必须按组件依赖和脏标记裁剪 |
 | 2 | 先整理方程，再求解 | 合并重复未知量，把关联较弱的方程分组；大模型回退迭代时收益很高 | 连接、接触和跨域活塞会让分组出错 |
 | 3 | 给不同状态使用合适的“尺子” | 质量、内能、位置、速度量级差异很大；合理缩放可减少无效内部步 | 容差改变会影响精度和事件时刻 |
 | 4 | 相同输入不要重复查热物性 | 同一轮闭合中常以相同状态反算压力、温度等 | 缓存失效不严谨会产生错误结果 |
@@ -486,15 +481,13 @@ O(组件 + 连接 + 代数结构)
 
 ### 13.2 推荐落地顺序
 
-在改算法前先增加低侵入观测，但不把“加指标”误列为直接加速：
+低侵入阶段/物性观测、积分计数和代表算例首轮基准已经落地，但不把“加指标”误列为直接加速。下一步建议：
 
-1. 记录每个闭合 pass 的调用数、墙钟时间、代数 `nfev` 与是否命中快路径；
-2. 记录热物性调用数/迭代数、stream 迭代数；
-3. 导出外层 `nfev/njev/nlu`、接受/拒绝步、事件与重启次数；
-4. 记录状态/结果数组字节数、最终 JSON 字节、任务队列深度和进程 RSS；
-5. 用小、中、大三类基准网络定位排名 1～5 的真实占比；
-6. 先实施第 1、4、8、9 项的可回滚改造，再决定第 2、3、5 项的深度；
-7. 服务并发需求明确后并行推进第 6、7 项。
+1. 给压力流量层补快路径命中、累计非线性 `nfev` 和残差装配时间，继续拆解本次确认的首要热点；
+2. 用同一套基准对执行计划裁剪、组件级精确物性复用做 `off` 模式 A/B；
+3. 补 1/8/32 单元规模曲线、1/2/4 并发吞吐和峰值 RSS；
+4. 记录状态/结果数组字节、任务队列深度；结果 JSON 字节可继续由基准工具测量；
+5. 再决定代数分块/Jacobian、结果按需计算和进程 worker 的实施深度。
 
 每项算法改动都应继续验证质量/能量守恒、正反流、stream 混合、机械端挡、信号断点、取消部分结果和 AMESim/TestModel 基线。相关测试证据包括 `tests/test_generic_system_xml_simulation.py:244-533`、`tests/test_core_solver.py:19-508`、`tests/test_amesim_mechanical_public_components.py`。
 
@@ -516,9 +509,14 @@ O(组件 + 连接 + 代数结构)
 - 采样上限、超时、心跳和任务名义保留时长。
 - 组件参数在单次运行中静态；时间变化通过信号源等模型表达。
 
-### 推断及必须实测
+### 已有初步实测、仍需扩大样本
+
+- 压力流量闭合是当前代表气动短算例的首要热点；物性调用具有高精确重复率，现有 PR 缓存有可见端到端收益。
+- 长氦气代表算例的积分阶段占约 90.5%，后处理约 5%。
+- 上述结论仍需在更大拓扑、更多真实工程和固定硬件环境复测。
+
+### 推断及必须继续实测
 
-- 哪一类闭合 pass、热物性或 Jacobian 估计占主要墙钟时间。
 - 单个任务实际占用几个核心、SciPy/BLAS 原生线程数和多任务扩展曲线。
 - 典型/最大工程的峰值 RSS、结果 JSON 大小、浏览器内存副本和 sessionStorage 成功率。
 - 各优化的实际收益；表中排序应在观测数据出现后更新。
@@ -537,6 +535,8 @@ O(组件 + 连接 + 代数结构)
 | 气动外部容积 | `app/simulation/solvers/pneumatic_volume.py:21-93` | `PneumaticVolumeResolver` |
 | 机械因果化与事件 | `app/simulation/solvers/mechanical.py:225-627` | `MechanicalStateReducer` |
 | ODE 推进 | `app/simulation/solvers/solver.py:37-1009` | `SolveIVPConfig`、`integrate_ode()` |
+| 可选性能埋点 | `app/simulation/performance.py` | `profile_run()`、`profile_phase()`、`profile_property()` |
+| 可重复性能基准 | `app/simulation/benchmark_performance.py` | `python -m app.simulation.benchmark_performance` |
 | 前端流式协议 | `frontend/src/App.tsx` | `streamSystemSimulation()`、取消/轮询 |
 | 启动方式 | `start-backend.bat:17-21` | Uvicorn 单 worker 命令 |
 | 主路径回归测试 | `tests/test_generic_system_xml_simulation.py`、`tests/test_core_solver.py` | 通用仿真、事件、取消 |