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# 仿真后端
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`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。
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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。
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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。
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## 当前目录
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- `core/`: 元件基类、端口、状态、介质、方程和元数据协议。
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- `solvers/`: ODE、压力流量代数方程和 stream 求解。
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- `components/experimental/`: 用于验证元件开发规范的临时组件库。
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- `components/experimental/storage/`: 气瓶和贮箱等储能元件。
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- `components/experimental/flow/`: 对外注册的阻性管道和孔板等流动元件。
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- `components/experimental/junctions/`: 三通等连接节点。
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- `components/amesim/`: AMESim 气动、信号和机械组件原语。
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- `systems/`: 通用仿真网络与 XML 驱动系统装配。
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- `examples/testmodel/`: 固定 TestModel、专用闭合逻辑和基线运行入口。
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- `examples/test_mql/`: AMESim `test_mql` 的系统装配、校准原语、诊断和运行入口。
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- `reporting/`: CSV、SVG、运行报告、Modelica 对比结果、AMESim 结果读取和诊断报告导出。
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- `registry.py`: 从已启用库清单受控发现、校验和实例化组件。
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- `paths.py`: 项目、运行产物、基准和 Modelica 参考结果路径。
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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
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`app/data/simulation-runs/`。新增或修改元件时，先阅读 `components/example.md`。
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需要把运行产物写到仓库外时，可以设置 `SIMULATIONAPP_DATA_DIR` 环境变量。
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FastAPI 的 `GET /api/components/catalog` 会把注册表转换成前端组件目录。ReactFlow
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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。
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临时组件库的声明入口是 `components/experimental/library.py`，AMESim 第一版
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公开临时库入口是 `components/amesim/library.py`。公开模型必须在
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模型类中声明 `MODEL_TYPE / MODEL_VERSION / PORTS / PARAMETERS /
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RESULT_VARIABLES / DISPLAY / create()`，再把类路径加入库清单。完整规范参见
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[`组件模型建模规范 v1`](../../docs/component-model-authoring-spec-v1.md)和
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[`组件库分类、发现与读取规范 v1`](../../docs/component-library-spec-v1.md)。
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当前关键文件：
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- `core/medium.py`: 气体介质协议 `GasMedium` 与通用理想气体实现 `IdealGasMedium`
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- `components/amesim/media/`: AMESim 零端口介质物性定义元件；具体类型确定介质，`property_model` 下拉参数选择计算方法，当前提供空气理想气体和氦气 Peng-Robinson
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- `components/amesim/gases.py`: AMESim `gi` 介质物性实例注册表；`gi=0` 固定为空气（理想气体，内置默认），`gi=1..99` 引用画布中的显式介质定义
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- `core/peng_robinson.py`: `test_mql` 与公开氦气介质共用的 Peng-Robinson 状态方程
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- `performance.py`: 默认关闭、按单次仿真隔离的阶段与物性性能埋点
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- `benchmark_performance.py`: System XML 主求解路径的可重复命令行基准工具
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- `systems/network.py`: `SimulationNetwork`，负责组件注册、连接拓扑和状态向量拼装
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- `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
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- `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
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- `components/experimental/junctions/tee.py`: 三通的最小 stream 混合 helper
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- `examples/testmodel/system.py`: `Testmodel` 的系统装配壳与外部运行入口
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- `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
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- `examples/test_mql/system.py`: `test_mql` 系统装配、132 状态总闭包和关键输出映射
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- `examples/test_mql/closure.py`: `test_mql` 气动网络 closure、snapshot、流量计算和端口写回
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- `examples/test_mql/primitives/`: 固定算例专用的 Peng-Robinson 氦气、管路和机械校准原语
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- `examples/test_mql/structural_network.py`: 固定算例专用的结构网络；不替代带端口契约校验的通用网络
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- `reporting/testmodel_outputs.py`: `Testmodel` 的 CSV/SVG/对比摘要导出
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- `reporting/amesim_results.py`: AMESim 结果读取入口
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- `examples/test_mql/run_full_state_comparison.py`: `test_mql` 短时域 AMESim comparison 和诊断入口
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- `examples/test_mql/run.py`: `test_mql` 结构运行与程序化执行入口
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- `tests/`: 当前组件契约、XML、通用系统、AMESim 迁移和结果导出测试
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## 可选性能诊断
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`SIMULATIONAPP_PROFILE` 支持 `off`（默认）、`standard` 和 `audit`。`standard`
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只统计低频的大阶段；`audit` 才展开 RHS、代数闭合、stream 和物性调用，开销也
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明显更高。最终优化收益必须在 `off` 下复测。
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```powershell
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.venv-win\Scripts\python.exe -m app.simulation.benchmark_performance `
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--mode audit --warmups 1 --runs 3 `
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--factory "helium_step=tests.test_amesim_pnvo001_signal_xml:high_pressure_helium_step_project" `
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--output app/data/performance-evaluations/helium-step.json
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```
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基准原始 JSON 默认放到已忽略的 `app/data/` 下。指标字段、实测结果和使用边界见
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[`仿真性能评估 2026-08-15`](../../docs/仿真性能评估-2026-08-15.md)。
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## 当前阶段进度
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这一阶段原先有 4 件重点工作，现在的状态如下：
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1. `mytee1` 的 stream/焓传播语义：已完成当前阶段收紧
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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。
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2. 下游初始化/约束处理：已完成当前阶段收口
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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。
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3. 自动校验：已完成当前阶段首版
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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。
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4. 更严格介质模型：已完成当前阶段首版
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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。
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如果只看结果，可以把这一阶段理解成：
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- 连接器语义：首轮收紧已完成
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- 初始化入口：首轮收口已完成
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- 基线验证：首轮保护已完成
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- 介质精化：首轮近似已完成
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## 当前阶段收口
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上一轮 `N0-N3` 已全部完成首版，当前可以简单理解为：
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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。
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2. `N1`：模型参数和运行参数已经收口到配置对象。
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3. `N2`：运行接口已经分成“准备请求”和“执行请求”两层。
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4. `N3`：结果导出和命令行报告格式化已经统一收口到 `reporting/`。
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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。
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## 本次推送更新
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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：
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1. `M2`：已完成当前阶段首版
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- 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`
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- `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
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2. `M3`：已完成当前阶段首版
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- 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
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- 诊断内容至少包含 `converged / iterations / residual`
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- 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
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- `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
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3. `M4`：已完成当前阶段首版
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- 自动测试已不再只盯最终主变量结果
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- 现在已经覆盖：
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- 改支路参数后，初始支路入口流量是否按预期变化
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- 更偏激配置下，初始化和内部闭合是否仍然收敛
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- 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
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4. `M5`：已启动
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- 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
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- 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
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- 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
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## 下一阶段接手建议
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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：
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1. `G1`：已完成当前阶段首轮兼容接入
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- `TestModelSnapshot` 已新增 `branches` 集合
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- 每个分支当前至少带 `name / pipe / inlet_flow / outlet_flow / inlet_h / inlet_flow_diagnostics`
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- `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
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2. `G2`：已完成当前阶段首轮内部迁移
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- `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
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- `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
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- 当前外部导出列名仍保持兼容：
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- `mypipe.p`
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- `mypipe1.p`
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- `branch_upper.in/out`
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- `branch_lower.in/out`
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3. `G3`：已完成当前阶段首轮兼容测试
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- 当前测试已经显式保护：
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- `branches` 顺序是否稳定
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- `snapshot` 新字段和兼容字段是否一致
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- 旧导出列名是否仍映射到正确分支语义
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- 参数变化后 `upper/lower` 的名字和顺序是否不会被打乱
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4. `G4`：已完成当前阶段首轮兼容拆层
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- `evaluate_solution()` 现在会同时产出：
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- 通用分支键：`branch.<branch_name>.p/in/out`
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- 旧兼容键：`mypipe.p`、`mypipe1.p`、`branch_upper.*`、`branch_lower.*`
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- 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
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- 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
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5. `G5`：已完成当前阶段首轮兼容收口
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- `evaluate_solution()` 当前会先生成通用分支键，再统一派生旧兼容键
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- 报告层当前已支持“通用键优先、旧键兼容后备”
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- 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
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6. `P1`：下一阶段建议从这里接手
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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：
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- 定义一份稳定的外部输入参数 schema
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- 明确这些结构化参数如何映射到 `TestModelConfig / TestModelRunConfig`
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- 建立“结构化参数 -> 仿真执行 -> 结果产物/摘要”的稳定接口
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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
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7. `P2`：在 `P1` 完成后，再推进文档解析或报告生成链路
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更现实的顺序应是：
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- 先把结构化输入跑通
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- 再把结果摘要/产物组织成更接近最终产品的输出包
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- 最后再接 Word 解析或页面入口
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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。
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## 当前实现了什么
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当前代码已经实现：
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1. `m`、`U` 作为动态元件主状态，`p`、`T`、`rho`、`u`、`h` 作为派生量。
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2. `Cylinder`、`Tank`、`Pipe` 的刚性绝热容腔近似。
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3. `Orifice` 的压差开方流量关系。
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4. `Tee` 的简化混合焓处理。
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5. `Testmodel` 的系统级拓扑映射和一版可运行的 `rhs(t, x)`。
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6. 基于 `solve_ivp` 的积分入口，以及 SciPy 不可用时的 RK4 回退。
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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。
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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()`。
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9. Python 主变量结果导出：
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`mytank.p`、`mytank.T`、`mycylinder.p`、`mycylinder.T`
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10. 贮箱温度曲线导出：
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`testmodel_tank_temperature.csv`
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`testmodel_tank_temperature.svg`
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11. 基于 `ModelicaModels/Simulation/Testmodel_res.csv` 的逐时刻对比与误差摘要导出。
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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。
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13. 面向 System XML v3 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。
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当前没有实现：
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- 通用 DAE 初始化器
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- `Modelica.Media.Air.SimpleAir` 的严格复刻
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- 一般高指数 DAE、事件和严格 Modelica `inStream/actualStream` 求解器
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## 当前怎么运行
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最小运行方式：
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```bash
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python -m app.simulation.examples.testmodel.run
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```
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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：
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```python
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from app.simulation.examples.testmodel.run import (
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TestModelRunConfig,
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TestModelSamplingConfig,
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run_testmodel,
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)
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||
from app.simulation.examples.testmodel.system import (
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||
BranchConfig,
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CylinderConfig,
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OrificeConfig,
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PipeConfig,
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TankConfig,
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TestModelConfig,
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)
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from app.simulation.solvers.solver import SolveIVPConfig
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run_config = TestModelRunConfig(
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model=TestModelConfig(
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cylinder=CylinderConfig(p0=30e6),
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upper_branch=BranchConfig(
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orifice=OrificeConfig(K=8e-6),
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pipe=PipeConfig(length=6.0, diameter=0.03),
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),
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tank=TankConfig(volume=0.12),
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),
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solver=SolveIVPConfig(t_start=0.0, t_stop=10.0, method="BDF"),
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||
sampling=TestModelSamplingConfig(step=0.05),
|
||
)
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result = run_testmodel(run_config=run_config)
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```
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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：
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```python
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from app.simulation.examples.testmodel.run import (
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prepare_testmodel_run,
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run_prepared_testmodel,
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TestModelRunConfig,
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)
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prepared = prepare_testmodel_run(run_config=TestModelRunConfig())
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print(prepared.output_dir)
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print(prepared.t_eval)
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result = run_prepared_testmodel(prepared)
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print(result.artifacts.primary_csv_path)
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print(result.used_modelica_reference)
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```
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当前脚本会：
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1. 构建 `TestModelSystem`
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2. 打印原始初值向量与约束一致后的初值向量
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3. 运行 `0 s -> 20 s` 的仿真，默认采样间隔 `0.1 s`
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4. 将结果写入 `app/data/simulation-runs/` 下本次运行专属的时间戳目录
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5. 若存在 `ModelicaModels/Simulation/Testmodel_res.csv`，自动生成 Python 与 OpenModelica 对比结果
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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
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`app/data/simulation-runs/` 下创建一个带时间戳的子目录，例如：
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- `app/data/simulation-runs/testmodel_20260512_103000_123456/`
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该目录里通常会包含：
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- `testmodel_primary_series.csv`
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- `testmodel_tank_temperature.csv`
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- `testmodel_tank_temperature.svg`
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- `testmodel_run_report.txt`
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- `testmodel_modelica_comparison.csv`
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- `testmodel_modelica_comparison_summary.txt`
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## 基线结果
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当前基线对比摘要来自：
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[`testmodel_modelica_comparison_summary.txt`](../../tests/baselines/simulation/testmodel/testmodel_modelica_comparison_summary.txt)
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当前四个主变量的最大误差为：
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- `mytank.p`: `max_abs_error = 134.960858 Pa`, `max_rel_error = 0.006798%`
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- `mytank.T`: `max_abs_error = 0.035507 K`, `max_rel_error = 0.009016%`
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- `mycylinder.p`: `max_abs_error = 1391.986349 Pa`, `max_rel_error = 0.009447%`
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- `mycylinder.T`: `max_abs_error = 0.009069 K`, `max_rel_error = 0.003870%`
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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。
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## AMESim test_mql 当前进度
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`test_mql` 从 `AmesimModels/test_mql.ame` 迁移，并与旧 `testmodel` 保持独立。
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固定算例实现统一位于 `examples/test_mql/`，结果读取和比较能力位于
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`reporting/`；公开拖拽组件由 `components/amesim/library.py` 单独登记。
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当前已形成 112 个气动状态和 20 个机械状态的总闭包、AMESim 原生结果读取、
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`Data_Path` 输出校验及短时域 comparison。这里不再复制易过期的数值进度；
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最新对比结果、运行命令、限制和下一步校准路径以
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[`AmesimModels/test_mql/README.md`](../../AmesimModels/test_mql/README.md)
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为唯一说明。当前仍不能宣称 Python 时域仿真与 AMESim 全局一致。
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## Testmodel 当前架构判断
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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：
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- 组件级：已完成首版
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- 系统闭合：已完成首版
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- 积分入口：已完成首版
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- 基线结果对齐：已具备初步能力
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- 去近似：仍在进行中
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所以当前最准确的说法不是“已完成移植”，而是：
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`Testmodel` 已有一版可运行、可导出、可对比的 Python 近似实现。
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## Testmodel 已知限制
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当前最主要的限制可以直接理解成下面几条：
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- 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。
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- 系统整体仍是 ODE 化近似，不是原始 Modelica DAE 的直接复现。
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- `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。
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- 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。
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- 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。
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- 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。
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- 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。
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- 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。
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所以，当前版本适合：
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- 架构验证
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- 组件接口验证
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- 基线工况对比
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- 结果导出与误差定位
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但当前版本还不适合：
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- 直接宣称与 OpenModelica 严格等价
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- 作为最终工程结论的唯一依据
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- 直接扩展到更复杂拓扑而不补通用连接器语义
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## Testmodel 文件级现状
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按代码现状逐项看：
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- `core/base.py`: 正常
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只提供最小抽象层，没有明显冗余。
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- `core/ports.py`: 正常
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`PortState` 目前只保留 `p`、`m_flow`、`h_outflow` 三个必要字段。
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- `core/state.py`: 正常
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`VolumeState` 只负责 `[m, U]` 状态打包。
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- `systems/network.py`: 正常
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负责状态向量拼装和连接摘要，不参与物理求解。
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- `solvers/solver.py`: 正常
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已支持 SciPy、RK4 回退和零时长仿真。
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- `components/experimental/**/*.py`: 正常
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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”。
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- `examples/testmodel/system.py`: 是当前最重要的技术债集中区
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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。
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- `examples/testmodel/run.py`: 正常
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已不是“最小打印脚本”，而是当前结果导出和对比入口。
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- `tests/baselines/simulation/`: 是当前稳定基线，不应该随着日常运行频繁改动。
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- `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。
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## Testmodel 当前主技术债
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目前最主要的技术债，可以直接理解成下面 4 件事：
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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。
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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。
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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。
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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。
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