[发明专利]一种基于特征长度的蒙特卡罗粒子输运快速几何处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及核科学中蒙特卡罗粒子输运数值模拟技术领域，尤其涉及一种基于特征长度的蒙特卡罗粒子输运快速几何处理方法。

背景技术

蒙特卡罗粒子输运是一种基于统计学理论的随机模拟方法。该方法从粒子输运的物理模型出发，直接模拟粒子在求解域中的运动过程，通过对大量粒子运动过程的统计平均，计算宏观物理量。该方法具有模拟准确、几何适应性好的优点，广泛应用于核物理和医学物理等领域。

蒙特卡罗粒子输运的模拟过程可抽象为粒子按照一定的物理规律在一些几何体中随机运动，这些几何体具有不同的形状，由不同的材料构成。模拟过程中需要频繁进行各种耗时的几何处理，例如：

(1)查找粒子所在的几何体，即将粒子视为空间中的一个点，找到包含该点的几何体，需要对几何体进行粒子的包含检测；

(2)查找粒子运动时首次遇到的几何体边界，并计算粒子到该边界的距离。即将粒子的运动视为空间中的一条射线，找到射线首次相交的几何体边界并计算射线到交点的距离，需要对几何体进行射线的相交检测。

针对单个几何体的各种几何处理在计算机图形学中有成熟算法，如果几何体的外形复杂，还可使用几何体的轴向包围盒进行加速，即使用包含几何体的长方体快速排除不满足条件的几何体。例如，由于轴向包围盒占据的空间包含了几何体占据的空间，如果粒子不在轴向包围盒中，则也不会在几何体中；同理，如果射线不与轴向包围盒相交，则也不会与几何体相交。轴向包围盒的生成和检测在计算机图形学中同样有成熟的算法。

蒙特卡罗粒子输运的几何模型中包含多个几何体，传统的几何处理方法直接遍历模型中的所有N个几何体，时间复杂度为O(N)，耗时较多。

一类几何处理的加速方法是三维空间划分，即使用平面将几何模型所在三维空间不断划分成为子空间，这类方法包括k维树、八叉数、空间网格等。当划分平面穿过几何体时，几何体同时属于划分后的每个子空间，每个子空间都需要复制一份该几何体或它的索引。该类方法的缺点是如果几何体数目会较多并且排列的非常紧密，每次划分时划分平面都会穿过大量的几何体，导致需要复制大量的几何体，即使是只复制其索引号，也会占用较多的存储空间。并且虽然该类方法的时间复杂度为O(LogN)，但由于大量的复制操作，使得实际的复杂度为O(LogAN)，其中A为每个几何体的平均复制次数，增加了几何处理的时间。

另一类几何处理的加速方法是层次包围盒，即将几何模型不断划分成子模型，并保存每个子模型的轴向包围盒。该方法中几何体只属于唯一的子模型，不存在两个模型同时拥有一个几何体的情况。但该方法需要保存大量轴向包围盒，而保存一个轴向包围盒需要保存6个浮点数参数，占用的存储空间较多。

目前，大规模的精细数值模拟已成为核能系统模拟的趋势，几何模型中会包含百万个甚至千万个几何体，上述方法无论从几何处理效率和存储空间占用的角度考虑都存在缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于特征长度的蒙特卡罗粒子输运快速几何处理方法，既能进行快速的几何处理又无需直接保存轴向包围盒数据，减少存储空间；每次划分都将几何体划分到一个子模型中，不存在两个模型同时拥有一个几何体的情况，避免了几何体的复制。

为此，本发明提供了一种基于特征长度的蒙特卡罗粒子输运快速几何处理方法，包括以下步骤：建立划分方案，将几何模型不断划分成子模型；使用建立的划分方案找到满足检测要求的几何体，其特征在于，所述建立划分方案包括：

(1)初始化几何模型，包括以下子步骤：(11)计算几何模型中每个几何体的轴向包围盒、特征点、特征长度；其中，几何体的特征点为轴向包围盒的中心点，三个坐标轴方向上的特征长度分别为轴向包围盒在这三个方向上的长度；(12)计算并保存几何模型的轴向包围盒和三个坐标轴方向上的特征长度；其中，几何模型的轴向包围盒包含模型中所有几何体的轴向包围盒，三个坐标轴方向上的特征长度分别为几何模型中几何体在该方向特征长度的最大值，

(2)将几何模型划分为子模型，包括以下子步骤：(21)选择几何模型的划分方向，并将几何模型中的几何体按特征点在划分方向上的位置进行排序；(22)选择中间两个几何体的特征点连线的中点作为划分位置，将前一半几何体划分为左子模型，其它几何体划分为右子模型；计算每个子模型的轴向包围盒和在划分方向上的特征长度；(23)保存本次划分的划分方向、划分位置以及每个子模型在划分方向上的特征长度，以及

(3)针对划分出的每个子模型，递归地重复上述将几何模型划分为子模型的过程，直到划分出的几何模型包含的几何体数目小于预设值为止。