# 仿真后端

`app.simulation` 是 SystemSimulationApp 的仿真子包，用于承接模型定义、系统装配、数值求解和结果导出。

目标不是逐行翻译源模型，而是建立可运行、可测试、可导出，并能与 OpenModelica 或 AMESim baseline 对比的 Python 仿真框架。

当前包含两条模型线：`Testmodel` 已有可运行的 ODE 近似和 OpenModelica 对比能力；`test_mql` 已形成 132 状态气动机械总闭包，正在按 AMESim baseline 做数值校准。

## 当前目录

- `core/`: 元件基类、端口、状态、介质、方程和元数据协议。
- `solvers/`: ODE、压力流量代数方程和 stream 求解。
- `components/experimental/`: 用于验证元件开发规范的临时组件库。
- `components/experimental/storage/`: 气瓶和贮箱等储能元件。
- `components/experimental/flow/`: 对外注册的阻性管道和孔板等流动元件。
- `components/experimental/junctions/`: 三通等连接节点。
- `components/amesim/`: AMESim 气动、信号和机械组件原语。
- `systems/`: 通用仿真网络与 XML 驱动系统装配。
- `examples/testmodel/`: 固定 TestModel、专用闭合逻辑、基线运行入口，以及 test_mql 当前迁移过程中的系统装配和诊断脚本。
- `examples/test_mql/`: AMESim `test_mql` 的前端调用运行入口。
- `reporting/`: CSV、SVG、运行报告、Modelica 对比结果、AMESim 结果读取和诊断报告导出。
- `registry.py`: 从已启用库清单受控发现、校验和实例化组件。
- `paths.py`: 项目、运行产物、基准和 Modelica 参考结果路径。

稳定基准存放在 `tests/baselines/simulation/`，实际运行产物默认写入被 Git 忽略的
`app/data/simulation-runs/`。新增或修改元件时，先阅读 `components/example.md`。
需要把运行产物写到仓库外时，可以设置 `SIMULATIONAPP_DATA_DIR` 环境变量。

FastAPI 的 `GET /api/components/catalog` 会把注册表转换成前端组件目录。ReactFlow
启动时自动读取该接口；接口暂时不可用时使用内置的同结构兜底定义。

临时组件库的声明入口是 `components/experimental/library.py`。公开模型必须在
模型类中声明 `MODEL_TYPE / MODEL_VERSION / PORTS / PARAMETERS /
RESULT_VARIABLES / DISPLAY / create()`，再把类路径加入库清单。完整规范参见
[`组件模型建模规范 v1`](../../docs/component-model-authoring-spec-v1.md)和
[`组件库分类、发现与读取规范 v1`](../../docs/component-library-spec-v1.md)。

当前关键文件：

- `core/medium.py`: 温度相关的理想气体近似介质 `IdealGasMedium`
- `core/peng_robinson.py`: `test_mql` 使用的氦气 Peng-Robinson 物性
- `systems/network.py`: `SimulationNetwork`，负责组件注册、连接拓扑和状态向量拼装
- `solvers/solver.py`: `integrate_ode()`，优先走 `SciPy solve_ivp`，缺依赖时回退到内置 RK4，并支持 `t_start == t_stop` 的零时长返回
- `examples/testmodel/dynamic_pipe.py`: TestModel 专用单阻容管道近似，入口压降 + 出口直连内容腔
- `components/experimental/junctions/tee.py`: 三通的最小 stream 混合 helper
- `examples/testmodel/system.py`: `Testmodel` 的系统装配壳与外部运行入口
- `examples/testmodel/closure.py`: `Testmodel` 当前专用的闭合、初始化投影、分支求解与端口回写
- `examples/testmodel/test_mql.py`: `test_mql` 系统装配、132 状态总闭包和关键输出映射
- `examples/testmodel/test_mql_closure.py`: `test_mql` 气动网络 closure、snapshot、流量计算和端口写回
- `reporting/testmodel_outputs.py`: `Testmodel` 的 CSV/SVG/对比摘要导出
- `reporting/amesim_results.py`: AMESim 结果读取入口
- `examples/testmodel/run_test_mql_full_state_comparison.py`: `test_mql` 短时域 AMESim comparison 和诊断入口
- `examples/testmodel/run_test_mql.py`: test_mql 基线运行与程序化执行入口
- `tests/`: 当前组件契约、XML、通用系统、AMESim 迁移和结果导出测试

## 当前阶段进度

这一阶段原先有 4 件重点工作，现在的状态如下：

1. `mytee1` 的 stream/焓传播语义：已完成当前阶段收紧
   现在如果只有一条支路发生倒流，下游来流焓统一按 `tank.h` 处理，不再临时借另一条支路的焓来凑。
2. 下游初始化/约束处理：已完成当前阶段收口
   之前是“直接改对象状态再开始积分”，现在已经收成显式的 `consistent_initial_state_vector()` 初始化入口。当前这一步会在不改下游总质量、总内能的前提下，把几段直接相连的体积拉回同一个连接压力。
3. 自动校验：已完成当前阶段首版
   已经补了标准库 `unittest` 回归测试，先把初始化投影是否守恒、是否污染原始状态，以及 4 个主变量的提交基线锁住。
4. 更严格介质模型：已完成当前阶段首版
   已经从固定 `cp/cv` 的理想气体近似，推进到随温度变化的空气近似，并接上了内能反解和初始化求根。

如果只看结果，可以把这一阶段理解成：

- 连接器语义：首轮收紧已完成
- 初始化入口：首轮收口已完成
- 基线验证：首轮保护已完成
- 介质精化：首轮近似已完成

## 当前阶段收口

上一轮 `N0-N3` 已全部完成首版，当前可以简单理解为：

1. `N0`：系统层里最明显的流向/焓判断已经继续下沉到组件 helper。
2. `N1`：模型参数和运行参数已经收口到配置对象。
3. `N2`：运行接口已经分成“准备请求”和“执行请求”两层。
4. `N3`：结果导出和命令行报告格式化已经统一收口到 `reporting/`。

这一轮结束后，项目已经不缺“能不能跑”的能力，下一步更重要的是把后续开发最容易卡住的地方先处理掉。

## 本次推送更新

本次推送已经把上一轮建议里的 `M2-M5` 推进到下面这个状态：

1. `M2`：已完成当前阶段首版
   - 已把 `Testmodel` 的专用闭合、初始化投影、分支入口流量求解、下游支路出口流量闭合、端口状态回写，从 `examples/testmodel/system.py` 拆到 `examples/testmodel/closure.py`
   - `TestModelSystem` 现在主要承担组件装配、网络注册和对闭合器的委托，不再继续堆积系统级手写细节

2. `M3`：已完成当前阶段首版
   - 已给两条支路入口流量固定点求解、下游公共压力投影补了显式诊断
   - 诊断内容至少包含 `converged / iterations / residual`
   - 已支持严格模式；内部求解不收敛时可以直接抛错，而不是静默返回最后一个近似值
   - `run_testmodel()` 的结构化结果和 `testmodel_run_report.txt` 已能带出最后一次内部闭合求解诊断

3. `M4`：已完成当前阶段首版
   - 自动测试已不再只盯最终主变量结果
   - 现在已经覆盖：
     - 改支路参数后，初始支路入口流量是否按预期变化
     - 更偏激配置下，初始化和内部闭合是否仍然收敛
     - 有无 Modelica 参考两种运行路径下，程序接口与产物行为是否一致

4. `M5`：已启动
   - 当前已经明确选择优先走“更容易扩展”的方向，而不是先追求更贴近 Modelica
   - 已完成第一步：把闭合器内部原来大量写死的 `upper/lower` 双支路逻辑，收成可复用的 `BranchClosureComponents / BranchClosureState` 结构
   - 当前已继续推进到 `G1-G5` 的首轮兼容层改造：`snapshot` 已提供通用分支集合，系统层结果生成已拆成“通用键生成 + 旧键别名派生”两层，报告层已开始优先消费通用分支键，旧导出列名仍通过兼容映射保留，兼容测试已显式保护分支顺序和旧导出语义

## 下一阶段接手建议

如果继续往前推进，建议按下面顺序做，而不是再零散补功能：

1. `G1`：已完成当前阶段首轮兼容接入
   - `TestModelSnapshot` 已新增 `branches` 集合
   - 每个分支当前至少带 `name / pipe / inlet_flow / outlet_flow / inlet_h / inlet_flow_diagnostics`
   - `pipe_upper / pipe_lower / branch_inlet_flows / branch_outlet_flows` 目前仍保留为兼容属性，供旧调用方继续使用

2. `G2`：已完成当前阶段首轮内部迁移
   - `evaluate_solution()` 已改成从 `snapshot.branches` 读取数据，再通过显式分支名映射写回当前旧列名
   - `rhs()` 里的分支导数计算已改成通过通用 helper 按分支循环生成，再按当前状态向量顺序拼回
   - 当前外部导出列名仍保持兼容：
     - `mypipe.p`
     - `mypipe1.p`
     - `branch_upper.in/out`
     - `branch_lower.in/out`

3. `G3`：已完成当前阶段首轮兼容测试
   - 当前测试已经显式保护：
     - `branches` 顺序是否稳定
     - `snapshot` 新字段和兼容字段是否一致
     - 旧导出列名是否仍映射到正确分支语义
     - 参数变化后 `upper/lower` 的名字和顺序是否不会被打乱

4. `G4`：已完成当前阶段首轮兼容拆层
   - `evaluate_solution()` 现在会同时产出：
     - 通用分支键：`branch.<branch_name>.p/in/out`
     - 旧兼容键：`mypipe.p`、`mypipe1.p`、`branch_upper.*`、`branch_lower.*`
   - 报告层当前已开始优先读取通用分支键，旧键只作为兼容后备
   - 当前已经把“内部统一表达”和“旧接口兼容导出”拆成两层，但还没有把所有报告/导出逻辑都迁干净

5. `G5`：已完成当前阶段首轮兼容收口
   - `evaluate_solution()` 当前会先生成通用分支键，再统一派生旧兼容键
   - 报告层当前已支持“通用键优先、旧键兼容后备”
   - 当前已经把系统层和 reporting 层的主要旧专名读取入口收口到少量 helper 上，后续继续迁移不会再到处散改

6. `P1`：下一阶段建议从这里接手
   当前更合适的下一步，不是继续深挖内核通用化，而是切回结果导向主线：
   - 定义一份稳定的外部输入参数 schema
   - 明确这些结构化参数如何映射到 `TestModelConfig / TestModelRunConfig`
   - 建立“结构化参数 -> 仿真执行 -> 结果产物/摘要”的稳定接口
   这样可以直接服务后续文档解析、网页入口和报告生成，而不是继续在 `Testmodel` 内部做边际收益越来越低的抽象整理

7. `P2`：在 `P1` 完成后，再推进文档解析或报告生成链路
   更现实的顺序应是：
   - 先把结构化输入跑通
   - 再把结果摘要/产物组织成更接近最终产品的输出包
   - 最后再接 Word 解析或页面入口

如果后续继续推进，这个 README 也要一起更新，不要长期保留已经失效的路线描述。

## 当前实现了什么

当前代码已经实现：

1. `m`、`U` 作为动态元件主状态，`p`、`T`、`rho`、`u`、`h` 作为派生量。
2. `Cylinder`、`Tank`、`Pipe` 的刚性绝热容腔近似。
3. `Orifice` 的压差开方流量关系。
4. `Tee` 的简化混合焓处理。
5. `Testmodel` 的系统级拓扑映射和一版可运行的 `rhs(t, x)`。
6. 基于 `solve_ivp` 的积分入口，以及 SciPy 不可用时的 RK4 回退。
7. 温度相关空气近似介质，包括 `cp(T)`、`h(T)`、`u(T)` 以及 `u -> T` 反解。
8. 显式一致初值入口 `consistent_initial_state_vector()`，以及可迭代初始化器 `initialize_consistent_state()`。
9. Python 主变量结果导出：
   `mytank.p`、`mytank.T`、`mycylinder.p`、`mycylinder.T`
10. 贮箱温度曲线导出：
   `testmodel_tank_temperature.csv`
   `testmodel_tank_temperature.svg`
11. 基于 `ModelicaModels/Simulation/Testmodel_res.csv` 的逐时刻对比与误差摘要导出。
12. 基于 `unittest` 的自动回归测试，当前已覆盖初始化守恒、主变量基线、运行接口、内部闭合诊断、通用分支兼容层、通用结果键与旧键别名一致性，以及部分中间闭合过程行为。
13. 面向 System XML v2 的拓扑驱动仿真 MVP：压力-流量非线性闭合、stream 焓传播、动态状态自动拼装和端口结果序列。

当前没有实现：

- 通用 DAE 初始化器
- `Modelica.Media.Air.SimpleAir` 的严格复刻
- 一般高指数 DAE、事件和严格 Modelica `inStream/actualStream` 求解器

## 当前怎么运行

最小运行方式：

```bash
python -m app.simulation.examples.testmodel.run
```

如果要改模型参数或运行参数，建议直接改配置对象，而不是改源码里的默认值。例如：

```python
from app.simulation.examples.testmodel.run import (
    TestModelRunConfig,
    TestModelSamplingConfig,
    run_testmodel,
)
from app.simulation.examples.testmodel.system import (
    BranchConfig,
    CylinderConfig,
    OrificeConfig,
    PipeConfig,
    TankConfig,
    TestModelConfig,
)
from app.simulation.solvers.solver import SolveIVPConfig

run_config = TestModelRunConfig(
    model=TestModelConfig(
        cylinder=CylinderConfig(p0=30e6),
        upper_branch=BranchConfig(
            orifice=OrificeConfig(K=8e-6),
            pipe=PipeConfig(length=6.0, diameter=0.03),
        ),
        tank=TankConfig(volume=0.12),
    ),
    solver=SolveIVPConfig(t_start=0.0, t_stop=10.0, method="BDF"),
    sampling=TestModelSamplingConfig(step=0.05),
)

result = run_testmodel(run_config=run_config)
```

如果调用方想先确认“这次运行最后到底会用哪些路径、哪些采样点”，可以先准备请求，再执行：

```python
from app.simulation.examples.testmodel.run import (
    prepare_testmodel_run,
    run_prepared_testmodel,
    TestModelRunConfig,
)

prepared = prepare_testmodel_run(run_config=TestModelRunConfig())
print(prepared.output_dir)
print(prepared.t_eval)

result = run_prepared_testmodel(prepared)
print(result.artifacts.primary_csv_path)
print(result.used_modelica_reference)
```

当前脚本会：

1. 构建 `TestModelSystem`
2. 打印原始初值向量与约束一致后的初值向量
3. 运行 `0 s -> 20 s` 的仿真，默认采样间隔 `0.1 s`
4. 将结果写入 `app/data/simulation-runs/` 下本次运行专属的时间戳目录
5. 若存在 `ModelicaModels/Simulation/Testmodel_res.csv`，自动生成 Python 与 OpenModelica 对比结果

当前脚本默认不会把运行结果直接写到提交基线目录，而是会在
`app/data/simulation-runs/` 下创建一个带时间戳的子目录，例如：

- `app/data/simulation-runs/testmodel_20260512_103000_123456/`

该目录里通常会包含：

- `testmodel_primary_series.csv`
- `testmodel_tank_temperature.csv`
- `testmodel_tank_temperature.svg`
- `testmodel_run_report.txt`
- `testmodel_modelica_comparison.csv`
- `testmodel_modelica_comparison_summary.txt`

## 基线结果

当前基线对比摘要来自：
[`testmodel_modelica_comparison_summary.txt`](../../tests/baselines/simulation/testmodel/testmodel_modelica_comparison_summary.txt)

当前四个主变量的最大误差为：

- `mytank.p`: `max_abs_error = 134.960857 Pa`, `max_rel_error = 0.006798%`
- `mytank.T`: `max_abs_error = 0.035507 K`, `max_rel_error = 0.009016%`
- `mycylinder.p`: `max_abs_error = 1391.986349 Pa`, `max_rel_error = 0.009447%`
- `mycylinder.T`: `max_abs_error = 0.009069 K`, `max_rel_error = 0.003870%`

这说明在当前基线工况下，Python 版主变量已经能较好贴近 OpenModelica 结果。

## AMESim test_mql 当前进度

`test_mql` 是从 `AmesimModels/test_mql.ame` 新增迁移的 AMESim 模型，当前只在独立路径下推进，不修改旧 `testmodel`。新增命名保持 AMESim 原始别名和 `Data_Path`，方便后续逐变量对齐。

当前已经完成：

- 解析 117 个组件、84 条 LINE 连接、直接组件接触、全局参数、仿真设置以及 AMESim 变量目录。
- 直接读取 `.ame` 包内 `test_mql_.var` 和 `test_mql_.results`；baseline 包含 1002 个时间点和 1116 个保存变量。
- 使用氦气 Peng-Robinson 物性，内部统一使用绝对压力，对外按 AMESim 表压和原始单位输出。
- 实现 `PNCH023 / PNCH012 / PNOR001 / PNVO001`，以及 `PNL0001 / PNL0002 / PNL0003 / PNL00R` 管路和 `PN3NODE2 / P4NODE2` 节点语义。
- 完成气动真实拓扑装配、canonical flow、端口写回、snapshot 和 112 状态气动 RHS。
- 实现 `PNRP17 / MECMAS21 / LSTP00A / LMECHN1 / UD00 / FORC` 当前工况可确认的机械行为，并形成 20 状态机械闭包。
- 将气动和机械部分组合成 132 状态总闭包，接入活塞体积反馈、气动力、外力、端止动和质量约束，可通过现有 solver 短时积分。
- 建立关键 `Data_Path` 序列导出、output schema、validation、AMESim 插值比较、误差排序、端点诊断和 PNCH012 RHS 项拆解。

当前确认的关键细节：

- `PNRP17` 活塞腔体积使用环形有效面积 `piston_area - rod_area`。
- `LSTP00A` 的 `gap` 观测单位是 mm，计算接触力前必须转换为 m。
- `PNCH023` 固定气室初始压力来自 `P0=153 bar` 的绝对压力；AMESim `press` 输出为相对 `101300 Pa` 的表压。
- `PNCH012` 变容腔初始压力对齐 AMESim 的 `1 bar` 绝对压力，`vol` 输出单位为 cm3，且末端体积等于基础死容积加对应活塞 `vol1`。
- `MECMAS21` 的 `x1dup / v1dup / acc1dup` 是第二机械端口观测，相对 `x1 / v1 / acc1` 为反号，不是重复同值。
- 本算例中 `MECMAS21` 的 `Fmin / Fmax / Fvisc / Ffric` 在 AMESim 结果里为零；当前只把这一工况能验证的部分写入测试，没有硬猜未激活碰撞/摩擦状态机。

当前默认 `0 -> 1e-5 s` comparison 已定位最大偏差为 `press@pn_c1_8`：初值对齐，但末值绝对误差约 `9.22849 Pa`。RHS 拆解显示边界体积功约 `0.026 W`，端口焓流约 `32722 W`，因此当前首要工作是比较 Python 的 `p4_port3_remote_chamber_to_line_flow` 与 AMESim 的 `dm1@pneumatic_69`，检查单位、符号、PNL0001 阻力和 `pnnode4_16` 节点平衡。

当前还不能宣称 `test_mql` 的 Python 时域仿真已经和 AMESim 全局一致。完整说明、运行命令和下一步校准路径见 `AmesimModels/test_mql/README.md`。

## Testmodel 当前架构判断

如果按“组件正确 -> 网络闭合 -> 积分可跑 -> 结果对齐 -> 去近似”来看，当前大致处于：

- 组件级：已完成首版
- 系统闭合：已完成首版
- 积分入口：已完成首版
- 基线结果对齐：已具备初步能力
- 去近似：仍在进行中

所以当前最准确的说法不是“已完成移植”，而是：

`Testmodel` 已有一版可运行、可导出、可对比的 Python 近似实现。

## Testmodel 已知限制

当前最主要的限制可以直接理解成下面几条：

- 介质模型已从常 `cp/cv` 推进到温度相关空气近似，但仍不是 `Modelica.Media.Air.SimpleAir` 的严格复刻。
- 系统整体仍是 ODE 化近似，不是原始 Modelica DAE 的直接复现。
- `mytee1 -> mytank` 这一段虽然已经去掉早期的“虚拟出口导通系数”，改成了基于压力一致性的下游能量闭合，但本质上仍是工程近似。
- 通用 XML 求解链路已经支持按实际流向传播和三通混合 stream 焓，但仍是正则化 MVP，不是严格的 Modelica `inStream/actualStream` 框架。
- 当前一致初值仍是 ODE 入口处的约束投影，不等同于真正的 DAE 初始化求解。
- 当前自动校验主要锁的是 Python 提交基线，还不是稳定的 Modelica 阈值回归。
- 当前闭合器、系统层和 reporting 层虽然已经开始做“双支路结构化”，但对外结果序列、报告字段和部分导出命名仍然保留 `Testmodel` 专名兼容层，还没有完全转成通用表达。
- 当前内核已经足够支撑下一阶段“结构化参数 -> 仿真执行 -> 产物输出”的链路开发，但还没有现成的 Word 参数解析入口和正式报告生成链路。

所以，当前版本适合：

- 架构验证
- 组件接口验证
- 基线工况对比
- 结果导出与误差定位

但当前版本还不适合：

- 直接宣称与 OpenModelica 严格等价
- 作为最终工程结论的唯一依据
- 直接扩展到更复杂拓扑而不补通用连接器语义

## Testmodel 文件级现状

按代码现状逐项看：

- `core/base.py`: 正常
  只提供最小抽象层，没有明显冗余。
- `core/ports.py`: 正常
  `PortState` 目前只保留 `p`、`m_flow`、`h_outflow` 三个必要字段。
- `core/state.py`: 正常
  `VolumeState` 只负责 `[m, U]` 状态打包。
- `systems/network.py`: 正常
  负责状态向量拼装和连接摘要，不参与物理求解。
- `solvers/solver.py`: 正常
  已支持 SciPy、RK4 回退和零时长仿真。
- `components/experimental/**/*.py`: 正常
  都是当前一版近似模型，没有发现与 README 明显冲突的“未记录能力”。
- `examples/testmodel/system.py`: 是当前最重要的技术债集中区
  这里承载了下游流向切换、焓混合、压力投影等近似逻辑，后续演进应主要落在这里。
- `examples/testmodel/run.py`: 正常
  已不是“最小打印脚本”，而是当前结果导出和对比入口。
- `tests/baselines/simulation/`: 是当前稳定基线，不应该随着日常运行频繁改动。
- `app/data/simulation-runs/`: 是默认运行产物目录，不是手写源代码，也不应该提交。

## Testmodel 当前主技术债

目前最主要的技术债，可以直接理解成下面 4 件事：

1. 当前初始化虽然已经引入迭代诊断，但本质上仍是 ODE 入口近似，不是真正的 DAE 初始化器。
2. `examples/testmodel/system.py` 还是承载了太多系统级闭合和初始化逻辑，只是主要端口的手写 stream 方向判断已经搬到组件 helper 里了，装配参数本身已经基本收口到配置对象。
3. 自动校验现在主要锁的是 Python 这一版自己的基线，还不是稳定的 Modelica 阈值回归。
4. 当前空气物性已经完成首轮基线校准，但还不是 `SimpleAir` 的严格复刻。以后如果换工况，或者拿到更多 Modelica 原始结果，参数大概率还要继续调。