一種用于中子輸運的基于MCAM-Geant4自動建模方法的轉(zhuǎn)換簡化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于中子輸運的基于MCAM-Geant4自動建模方法的轉(zhuǎn)換簡化方法，根據(jù)基本體特征，根據(jù)查找和組合的思想，對從半空間幾何到基本體幾何的轉(zhuǎn)換進行簡化的方法。該轉(zhuǎn)換方法簡化了從半空間描述轉(zhuǎn)換為基于基本體的蒙特卡羅計算模型，從而使Geant4蒙特卡羅計算程序在轉(zhuǎn)換時提供簡化。該方法對于核輻射評估等必須利用蒙特卡羅程序的領(lǐng)域提供了使用基于基本體描述的蒙特卡羅計算程序的簡便方法，具有重要的科學研究與工程應(yīng)用價值。
【專利說明】-種用于中子輸運的基于MCAM-Geant4自動建模方法的轉(zhuǎn) 換簡化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于中子輸運的基于MCAM_Geant4自動建模方法的轉(zhuǎn)換簡化方 法，屬于輻射輸運計算領(lǐng)域，是一種從半空間描述轉(zhuǎn)化為基于基本體描述的計算模型中的 簡化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 蒙特卡羅輸運程序Geant4是使用蒙特卡羅方法通過計算機模擬粒子運動進而模 擬粒子輸運過程的技術(shù)。該技術(shù)是在核輻射防護、反應(yīng)堆物理、高能物理領(lǐng)域有廣泛的應(yīng) 用。這種計算程序從每個粒子運行的角度對真實場景進行模擬，在計算的過程中需要知道 粒子運行路徑中與哪些物體發(fā)生了碰撞，碰撞后飛行進入下一個粒子的位置等等。為了能 夠快速判斷粒子的位置，傳統(tǒng)的蒙特卡羅輸運程序使用了半空間方法描述所模擬場景的幾 何。但是隨著計算幾何技術(shù)的發(fā)展，為了直觀地表示物體的幾何，Geant4使用基于基本體 的表達方式來表示幾何。半空間幾何和基本體幾何的區(qū)別如圖1.所示，二者主要在表達方 式上有區(qū)別，如圖1所示。
[0003] 但是單純使用文本對場景進行建模的效率是十分低下的，但現(xiàn)在已經(jīng)有了成熟的 從CAD模型建立基于半空間幾何的蒙卡模型的軟件MCAM-Geant4。這個軟件大大提升了蒙 特卡羅模擬的效率，但它直接將模型轉(zhuǎn)換后的半空間描述方式的每一個半空間描述為一個 基本體。這種方法比較簡單，直接將半空間描述的模型轉(zhuǎn)換為一個個的單獨的基本體，但 是增加了基本體的數(shù)量，造成了基本體的冗余，降低了計算速度，增加了計算時的內(nèi)存開銷 等。
[0004] 由于蒙特卡羅方法中，在判斷粒子與幾何體的相對位置時需要比較粒子和組成幾 何體的所有表面的位置，所以幾何體的組成越簡單，計算速度越快，所以在這種情況下，基 本體的數(shù)量對幾何描述的實用程度有密切的關(guān)系。本發(fā)明提出的基本體幾何精簡方法對實 現(xiàn)CAD模型到蒙卡模型的有效轉(zhuǎn)換具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種用于中子輸運的基于 MCAM-Geant4自動建模方法的轉(zhuǎn)換簡化方法，采用查找和組合思想，盡可能的查找半空間直 到形成一個完整的基本體，或基于半空間盡可能的組合為一個基本體，已達到減少基本體， 提高建模質(zhì)量，減少相同精度下模型模擬時間。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案：一種基于MCAM_Geant4自動建模方法的轉(zhuǎn)換簡化方法，由輸 入模塊，查找模塊、組合模塊、輸出模塊共四個模塊組成；輸入模塊輸入半空間描述的模型， 送至查找模塊進行查找；查找模塊根據(jù)輸入的半空間描述的模型查找能否構(gòu)成為一個完整 的基本體，如果不能傳遞數(shù)據(jù)給組合模塊；組合模塊根據(jù)輸入的半空間描述的模型查找能 否使用盡可能多的半空間構(gòu)成一個基本體，并在剩余的半空間中繼續(xù)描述；最后查找模塊 構(gòu)成的基本體、組合模塊組成的基本體，統(tǒng)一送至輸出模塊，進行輸出；
[0007] 輸入模塊，讀取MCAM_Geant4模塊中讀取半空間描述的模型數(shù)據(jù)，根據(jù)幾何構(gòu)造 器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后送到組合模塊中；
[0008] 查找模塊，根據(jù)讀取到的半空間模型數(shù)據(jù)進行查找；
[0009] 讀取平面半空間，得到其法向量，平面上一點，方向等幾何數(shù)據(jù)；讀取圓柱半空間， 得到其軸向法向量，軸線上一點，半徑，內(nèi)外半空間指示等幾何數(shù)據(jù)；讀取圓錐空間，得到其 軸向法向量，頂點，圓錐與軸線夾角，內(nèi)外半空間指示等幾何數(shù)據(jù)；讀取球半空間，得到球心 點，半徑，內(nèi)外半空間等幾何數(shù)據(jù)；讀取圓環(huán)半空間，得到軸線向量，軸心點，軸向大半徑，小 半徑，內(nèi)外半空間等幾何數(shù)據(jù)；
[0010] 判斷一個實體下面的所有半空間是否能夠組合成一個基本體，對于實體，判斷是 否有八個半空間，且對于這八個半空間對應(yīng)的八個面中存在兩個面平行并垂直與其它面， 存在其余六個面兩兩平行，兩兩平面成120°角度；同時半空間的正負方向符合六棱柱體 的方向，平行的兩個面對應(yīng)的兩個半空間交集不為空；據(jù)此構(gòu)建六棱柱體；
[0011] 判斷是否有且僅有六個半空間，且六個半空間對應(yīng)的六個面存在兩個面平行并垂 直與其余四個面，剩余的四個面兩兩垂直兩兩平行；同時半空間的正負方向符合長方體的 方向，平行的兩個面對應(yīng)的兩個半空間交集不為空；據(jù)此構(gòu)建長方體；
[0012] 判斷是否有且僅有三個半空間，且三個半空間對應(yīng)的三個面有兩個平面一個圓柱 面；兩個平面平行并垂直圓柱面；三個半空間的交集不為空；據(jù)此構(gòu)建圓柱體；
[0013] 判斷是否有且僅有兩個半空間,對應(yīng)的兩個面是平面和圓錐面；平面垂直圓錐面； 兩個半空間的交集不為空；據(jù)此構(gòu)建圓錐體；
[0014] 組合模塊，根據(jù)讀取到的半空間模型數(shù)據(jù)，根據(jù)優(yōu)先級進行組合；主要優(yōu)先級原則 是優(yōu)先組合為含較多半空間的基本體；輸入數(shù)據(jù)為得到進行查找，但得不到基本體的半空 間描述的模型；輸出為基本體集合；
[0015]f)對于第一優(yōu)先級六棱柱，遍歷所有半空間a，進行判斷：
[0016]i.首先搜索幾何體中與之垂直或平行或成120°的平面，如果有這樣的半空間b， 判斷找到的半空間與a包圍成的空間是否包含原幾何體，如果包含，那么以b作為將代替a 的六棱柱的另一個面，當前的平面集合A= {a,b};
[0017]ii.繼續(xù)在幾何體中其它半空間，新的半空間需要與集合A中最多一個半空間平 行且與其他的半空間垂直，并且與這些半空間一起交出的空間能夠包含原幾何體，找到后 將新的半空間加入集合A，最后集合A的半空間的基礎(chǔ)上補齊的六棱柱可以成為在基本體 表達式中代替這些半空間的基本體，從而使最終生成的基本體表達式減少了新找到半空間 數(shù)量的基本體；
[0018]g)對于第二優(yōu)先級長方體，搜索幾何體中與之構(gòu)成長方體的半空間，補齊缺少的 面形成長方體，這樣能夠減少找到面數(shù)量的基本體；
[0019]i.首先搜索幾何體中與之垂直或平行或成90°的平面，如果有這樣的半空間b， 判斷找到的半空間與a包圍成的空間是否包含原幾何體，如果包含，那么以b作為將代替a 的六棱柱的另一個面，當前的平面集合A= {a,b};
[0020] ii.繼續(xù)在幾何體中其它半空間，新的半空間需要與集合A中最多一個半空間平 行且與其他的半空間垂直，并且與這些半空間一起交出的空間能夠包含原幾何體，找到后 將新的半空間加入集合A，最后集合A的半空間的基礎(chǔ)上補齊的長方體可以成為在基本體 表達式中代替這些半空間的基本體，從而使最終生成的基本體表達式減少了新找到半空間 數(shù)量的基本體；
[0021]h)對于第三優(yōu)先級圓柱面，搜索幾何體中與之構(gòu)成長方體的面，采用類似2.a的 方法，最后補齊缺少的面形成圓柱體，這樣能夠減少找到面數(shù)量的基本體；
[0022] i.首先找到圓柱體內(nèi)半空間；找到后再查找垂直于這個圓柱體的兩個平面半空 間；
[0023] ii.找到后，使用圓柱體代替找到的圓柱內(nèi)半空間和平面半空間；
[0024] i)對于第四優(yōu)先級圓錐面，搜索幾何體中與之構(gòu)成長方體的面，采用類似2.a的 方法，最后補齊缺少的面形成圓柱體，這樣能夠減少找到面數(shù)量的基本體；
[0025] i.首先找到圓錐體內(nèi)半空間；找到后再查找垂直于這個圓錐體的一個平面半空 間；找到后，使用圓錐體代替找到的圓錐體內(nèi)半空間和平面半空間；
[0026] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0027] (1)通過直接尋找基本體，將一個實體描述為一個基本體，對比其他方式中采用的 一個半空間使用一個基本體描述的方式，減少了基本體的數(shù)量；例如六棱柱，按照原來的方 法，需要使用八個布爾實體才能描述，現(xiàn)在只需要一個六棱柱實體即可，實體數(shù)量減少了七 倍；對比其他方式中采用的一個半空間使用一個基本體描述的方式，本發(fā)明減少了基本體 的數(shù)量，減少了相同精度下模型模擬時間；
[0028] (2)通過查找基本體的基本組成元素，最大可能的組合成基本體，對比其他方式中 采用的一個半空間使用一個基本體描述的方式，盡可能的減少了基本體數(shù)量；例如對于一 個六面體，主要有三個半空間兩兩垂直，就可以使用一個基本體來代替這三個半空間，基本 體從原來的六個減少到四個，效果提高了 1.5倍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1為基于半空間幾何和基于基本體的幾何的示意圖；其中左圖是基于半空間幾 何，右圖是基于基本體的幾何；
[0030] 圖2為本發(fā)明系統(tǒng)的組成框；
[0031] 圖3為圖2中查找模塊的實現(xiàn)流程圖；
[0032] 圖4為圖2中組合模塊的實現(xiàn)流程圖。

【具體實施方式】
[0033] 如圖2所示，本發(fā)明包括輸入模塊、查找模塊、組合模塊、輸出模塊等。給出每個模 塊的功能和作用及相互的連接關(guān)系。
[0034] 輸入模塊讀取已分解后的模型信息，以半空間表達形式存在；
[0035] 在得到輸入模塊傳遞的輸入后，本發(fā)明中查找模塊具體實現(xiàn)如下，并如圖3所示：
[0036] >得到半空間描述的實體列表，對于其中每一個實體進行遍歷；例如一個實體模 型，含有六個半空間面；
[0037] >查找實體列表中的每一個實體是否是一個基本體；根據(jù)權(quán)利要求1中列出的不 同幾何體的各種不同的參數(shù)，判斷是否能夠構(gòu)成一個基本幾何體，缺乏部分條件也可以構(gòu) 成一個基本體；以上面的模型為例，經(jīng)過判斷可以構(gòu)成一個長方體，則輸出為一個長方體；
[0038] 在得到查找模塊傳遞的輸入后，本發(fā)明中組合模塊具體實現(xiàn)如下，并如圖4所示：
[0039] >對于查找之后發(fā)現(xiàn)不能直接構(gòu)成一個基本幾何體的實體，采取第二種方式：組 合，盡可能將更多的半空間組成成一個柵元，以一個四面體為例，其中三個平面半空間為兩 兩垂直相交的平面半空間，最后一個是平面半空間：
[0040]a)基于優(yōu)先級，先查找有無平面；再查找有無其它平面滿足平行或垂直等能構(gòu)成 基本體的條件的平面：若有，加入其中，再繼續(xù)檢索下一個面；若無，判斷其它面；添加一個 平面半空間進行判斷；
[0041]b)根據(jù)優(yōu)先級來，判斷完平面，再判斷圓柱，圓錐；判斷可以組成一個平面半空 間；
[0042]c)盡最大可能判斷之后，得到的半空間列表轉(zhuǎn)換為一個基本體；再去判斷其它平 面半空間，最終發(fā)現(xiàn)兩兩垂直的三個平面半空間可以構(gòu)成為一個長方體的三個面；
[0043]d)繼續(xù)對剩余的面進行判斷，重復abc步驟，并判斷能否增加新的半空間到集合 中；判斷發(fā)現(xiàn)已經(jīng)遍歷所有的半空間，但不能再增加新的半空間到半空間集合中；
[0044]e)結(jié)束判斷：
[0045] 如果所有的半空間遍歷完，且所有的半空間都被處理，則結(jié)束；
[0046] 如果所有的半空間遍歷完，但存在半空間未被處理，則保存目前的基本體到輸 出列表中，刪去已經(jīng)處理過的半空間，重新處理其它半空間；
[0047] 如果不是所有的半空間都被遍歷完成，但已經(jīng)構(gòu)成完整的基本體，則保存該基 本體到輸出列表中，刪去已經(jīng)處理過的半空間，重新處理其它半空間；
[0048] 如果不是所有的半空間都被遍歷完成，且基本體不完整，繼續(xù)處理；
[0049] 根據(jù)以上判斷，上述四面體例子在判斷三個半空間構(gòu)成一個長方體后，將其加 入到輸出列表中等待輸出，并繼續(xù)處理剩余的一個平面半空間；
[0050] 在結(jié)束查找模塊和組合模塊的處理后，本發(fā)明中，輸出模塊輸出所需要的Geant4 模型文件；使用Geant4模擬代碼進行模擬；由于降低Geant4模型復雜度，減少了Geant4模 型中的實體數(shù)量，因此Geant4模擬速度提高。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于中子輸運的基于MCAM-Geant4自動建模方法的轉(zhuǎn)換簡化方法，其特征在于 包括輸入模塊、查找模塊、組合模塊和輸出模塊；其中： 輸入模塊，輸入半空間描述的模型，送至查找模塊進行查找； 查找模塊，根據(jù)輸入的半空間描述的模型查找能否構(gòu)成為一個完整的基本體，如果能 構(gòu)成一個完整的基本體，輸出到輸出模塊中；如果不能構(gòu)成為一個完整的基本體，則傳遞數(shù) 據(jù)給組合模塊；所述基本體是指長方體、圓柱體、圓錐體、六棱柱體、球體、圓環(huán)體； 組合模塊，根據(jù)查找模塊傳遞來的半空間描述的模型，查找能否使用盡可能多的半空 間組成一個基本體，并將結(jié)果輸出到輸出模塊中； 輸出模塊，將查找模塊構(gòu)成的基本體、組合模塊組成的基本體統(tǒng)一輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MCAM-Geant4自動建模方法的轉(zhuǎn)換簡化系統(tǒng)，其特征在 于：所述查找模塊具體實現(xiàn)如下： (1) 根據(jù)讀取到的半空間模型數(shù)據(jù)進行查找； 讀取平面半空間，得到平面半空間的法向量、平面上一點和方向的幾何數(shù)據(jù)；讀取圓柱 半空間，得到圓柱半空間的軸向法向量、軸線上一點、半徑、內(nèi)外半空間指示的幾何數(shù)據(jù)；讀 取圓錐空間，得到圓錐空間的軸向法向量、頂點、圓錐與軸線夾角、內(nèi)外半空間指示的幾何 數(shù)據(jù)；讀取球半空間，得到球心點，半徑，內(nèi)外半空間的幾何數(shù)據(jù)；讀取圓環(huán)半空間，得到軸 線向量，軸心點，軸向大半徑，小半徑，內(nèi)外半空間的幾何數(shù)據(jù)； 判斷一個實體下面的所有半空間是否能夠組合成一個基本體，對于實體，判斷是否有 八個半空間，且對于這八個半空間對應(yīng)的八個面中存在兩個面平行并垂直與其它面，存在 其余六個面兩兩平行，兩兩平面成120°角度；同時半空間的正負方向符合六棱柱的方向， 平行的兩個面對應(yīng)的兩個半空間交集不為空；據(jù)此構(gòu)建六棱柱； 判斷是否有且僅有六個半空間，且六個半空間對應(yīng)的六個面存在兩個面平行并垂直與 其余四個面，剩余的四個面兩兩垂直兩兩平行；同時半空間的正負方向符合長方體的方向， 平行的兩個面對應(yīng)的兩個半空間交集不為空；據(jù)此構(gòu)建長方體； 判斷是否有且僅有三個半空間，且三個半空間對應(yīng)的三個面有兩個平面一個圓柱面； 兩個平面平行并垂直圓柱面；三個半空間的交集不為空；據(jù)此構(gòu)建圓柱體； 判斷是否有且僅有兩個半空間，對應(yīng)的兩個面是平面和圓錐面；平面垂直圓錐面；兩 個半空間的交集不為空；據(jù)此構(gòu)建圓錐體； (2) 對于不能組成一個基本體的實體，保存數(shù)據(jù)并傳遞給組合模塊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MCAM-Geant4自動建模方法的轉(zhuǎn)換簡化系統(tǒng)，其特征在 于：所述組合模塊具體實現(xiàn)如下： 根據(jù)讀取到的半空間模型數(shù)據(jù)，根據(jù)優(yōu)先級進行組合；主要優(yōu)先級原則是優(yōu)先組合為 含較多半空間的基本體；輸入數(shù)據(jù)為得到進行查找，但得不到基本體的半空間描述的模型； 輸出為基本體集合； a)對于第一優(yōu)先級六棱柱，遍歷所有半空間a，進行判斷： i. 首先搜索幾何體中與之垂直或平行或成120°的平面，如果有這樣的半空間b，判斷 找到的半空間與a包圍成的空間是否包含原幾何體，如果包含，那么以b作為將代替a的六 棱柱的另一個面，當前的平面集合A = {a, b}; ii. 繼續(xù)在幾何體中其它半空間，新的半空間需要與集合A中最多一個半空間平行且 與其他的半空間垂直，并且與這些半空間一起交出的空間能夠包含原幾何體，找到后將新 的半空間加入集合A，最后集合A的半空間的基礎(chǔ)上補齊的六棱柱可以成為在基本體表達 式中代替這些半空間的基本體，從而使最終生成的基本體表達式減少了新找到半空間數(shù)量 的基本體； b) 對于第二優(yōu)先級長方體，搜索幾何體中與之構(gòu)成長方體的半空間，補齊缺少的面形 成長方體，這樣能夠減少找到面數(shù)量的基本體； i. 首先搜索幾何體中與之垂直或平行或成90°的平面，如果有這樣的半空間b，判斷 找到的半空間與a包圍成的空間是否包含原幾何體，如果包含，那么以b作為將代替a的六 棱柱的另一個面，當前的平面集合A = {a, b}; ii. 繼續(xù)在幾何體中其它半空間，新的半空間需要與集合A中最多一個半空間平行且 與其他的半空間垂直，并且與這些半空間一起交出的空間能夠包含原幾何體，找到后將新 的半空間加入集合A，最后集合A的半空間的基礎(chǔ)上補齊的長方體可以成為在基本體表達 式中代替這些半空間的基本體，從而使最終生成的基本體表達式減少了新找到半空間數(shù)量 的基本體； c) 對于第三優(yōu)先級圓柱面，搜索幾何體中與之構(gòu)成長方體的面，采用類似a的方法，最 后補齊缺少的面形成圓柱體，這樣能夠減少找到面數(shù)量的基本體； i.首先找到圓柱體內(nèi)半空間；找到后再查找垂直于這個圓柱體的兩個平面半空間；找 到后，使用圓柱體代替找到的圓柱內(nèi)半空間和平面半空間； d) 對于第四優(yōu)先級圓錐面，搜索幾何體中與之構(gòu)成長方體的面，采用類似a的方法，最 后補齊缺少的面形成圓柱體，這樣能夠減少找到面數(shù)量的基本體； i.首先找到圓錐體內(nèi)半空間；找到后再查找垂直于這個圓錐體的一個平面半空間；找 到后，使用圓錐體代替找到的圓錐體內(nèi)半空間和平面半空間； e) 對于全部實體檢索完，輸出給輸出模塊進行輸出。
【文檔編號】G06F17/50GK104361150SQ201410570850
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】汪冬, 俞盛朋, 程夢云, 董良, 吳宜燦 申請人:中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院