将自动化仿真工作流与3D可视化集成以实现元宇宙中的虚拟实验

摘要

本文介绍了一种通用的、符合FAIR原则的方法，适用于领域专家研究人员将模拟和数据处理工具集成到三维虚拟实验的自动化工作流中。以中子学为例，展示了如何建立本地Galaxy实例，封装OpenMC和文件转换工具，从Omniverse启动工作流，并对转换后的三维输出结果进行可视化。

摘要

在许多虚拟实验中，通常会结合使用多种软件包，涉及不同类型的模拟、预处理与后处理工具，以及用于可视化实验结果的工具。目前整合这些工具的典型方法是手动操作，针对每个应用领域定制专门的解决方案，这种方法可扩展性差，且阻碍了成果的共享与可重复性。

本方案演示了本地容器化工作流系统的部署与使用。按照本方案操作，用户将使用 Docker 启动一个本地 Galaxy 实例，创建并运行一个 OpenMC 中子学模拟工作流，将输出结果通过一系列格式转换工具进行处理，并将最终结果加载到 ParaView 和 NVIDIA Omniverse 中进行可视化。这种容器化部署方式可在满足第 1 节所述硬件要求的任何设备上实现结果的可重复性和可移植性。

系统运行后，工作流程可针对新的输入数据重新运行，而无需手动重新配置；只需少量工作即可将额外的模拟代码封装为新工具；工具可在多个工作流程和应用领域中重复使用。该方法支持可发现、可访问、可互操作、可重用（FAIR）的数据原则：运行历史记录完整地保存了来源元数据；工作流程可导出为可移植文件，并可在 Galaxy 实例之间直接共享；工具则被打包在版本控制的容器中，可发布至公共仓库。通过 Galaxy 的 Pulsar 系统，将本架构扩展至高性能计算（HPC）或云资源是一种自然的延伸。

本方法通过一个聚变中子学案例研究进行演示。使用 OpenMC 在直接加速几何蒙特卡罗（DAGMC）计算机辅助设计（CAD）几何结构中模拟中子输运过程，得到氚增殖比（TBR）结果和中子轨迹数据集。随后将仿真工作流连接至 NVIDIA Omniverse 作为元宇宙平台，用于调用与可视化。

引言

工业元宇宙融合了数字世界与物理世界，以支持工程系统的设计、仿真以及协作式三维可视化。它通常由众多相互连接的组件数字孪生体构成，从而提供整体系统的视图。波音（Boeing）、宝马（BMW）、亚马逊（Amazon）等许多大型组织正在采用多种方法构建元宇宙¹。目前已有系统被开发并投入使用，用于支持多链条的仿真与处理工具。然而，这些实例通常要么针对特定应用领域定制²，要么属于商业解决方案^3,4，存在对专有系统的依赖性。一些用于构建数字孪生体的开源替代方案已被用于创建部分系统，例如具有内置仿真功能的 Python Flask。但这些方案仍被配置为定制化的代码模块，仅执行与特定模型相关的具体任务⁵。在本实验方案的背景下，元宇宙平台（NVIDIA Omniverse）作为三维可视化和工作流交互的前端：在工作流运行完成后，仿真结果将被加载到共享场景中，并可在同一环境中触发新的运行。这与实时数字孪生系统不同，后者通过实时传感器数据流持续更新模型；本文演示的方法支持批量工作流的执行以及运行后对结果的探索。然而，该方法的设计方式为未来研究奠定了基础，可将更多系统集成至元宇宙平台，从而实现以工作流引擎作为计算后端的数字孪生体构建。

工作流程可....

方案

注意：本地工作流引擎的设置、工作流构建、工作流启动以及可视化输出的概览见 图 1、图 2、图 3、图 4、图 5、图 6、图 7 和 图 8。运行本方案所需的仓库文件见补充文件 1。

1. 设置

1. 要求
   注意：本方法已在 Ubuntu 最新的长期支持（LTS）版本 22.04.1 LTS 上测试通过。其他版本的 Ubuntu 或其他发行版可能也可运行，但本文未进行测试。该方法同样适用于 Windows 系统，需使用 Windows Subsystem for Linux（WSL）作为 Docker 的后端。
   1. Windows 用户：请下载并设置 WSL，因为这是运行 Docker 的必要条件。
   2. 下载 Docker，然后通过运行....

结果

如果使用 Git 仓库中提供的输入参数运行模拟，则应获得以下结果：

成功完成步骤 2.1.3 后，TBR 和 Tracks 输出数据集均会以绿色显示在 History 面板中，表示运行成功。使用提供的配置文件（5 批次，每批次 1,000 个粒子）得到的典型 TBR 值约为 0.76，不同运行之间的波动范围约为 ±0.01。因此，若获得的 TBR 值在 0.74–0.78 范围内，均可视为成功。该较宽的范围反映了蒙特卡洛中子学模拟的随机性；当前配置为提高运行速度而有意采用了较少的粒子数量。若增加中子数量（当前为 5 批次，每批次 1,000 个粒子），则不同运行之间的 TBR 值将更加一致。参见步骤 2.1.5 后的说明，以修改中子学工具输入文件中的设置，从而减小结果的离散程度，但计算成本将相应增加。如果在此 History 面板中出现红色数据集，请通过第 4.1 节所述的 Admin, Jobs 步骤（需要管理员.......

讨论

在本方案中存在几个关键步骤，主要涉及工作流引擎实例的初始设置，例如：添加管理员邮箱（方案步骤 1.2.2），因为这是访问工具和任务面板管理功能所必需的；正确生成用于元宇宙平台扩展的 API 密钥（方案步骤 1.5.3），并将其正确粘贴到默认值文件中；在添加工具时，需确保这些工具在重启前已添加至工具配置文件（方案步骤 4.1.6），因为这些工具在启动时加载，此处的错误在工作流日志中可能并不明显。由于在方案步骤 1.5.3 之后，default.json 文件中包含 API 密钥，因此该文件应视为机密。请确认其已包含在 .gitignore 文件中（默认已包含），切勿提交至任何公开代码仓库。如果工作流引擎的登录页面在首次访问时未在 http://localhost:8080 显示，可能仅需几分钟时间以拉取并运行容器镜像，后续启动速度将显著加快。若工具未显示，可能是工具未添加至工具配置文件，请检查该文件，并确认工具 XML 文件的格式正确。随后重启服务；工作流日志在报告此类错误时有时信息较少，而重启是最常见的解决方法。与元宇宙平台扩展相关的任何问题，几乎都源于使用了错误的 API 密钥，或本地工作流引擎实例.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Bioblend	Galaxy 项目	v1.2+	提供围绕 Galaxy REST API 的高级封装的 Python 库。在 Omniverse 扩展辅助脚本中用于列出工作流、获取输入定义并启动任务。该库会自动安装在相关 Docker 镜像中，无需在主机上单独安装。
Docker 容器	Docker	v24.0.5	容器化运行时，用于将每个仿真和后处理工具及其所有依赖项打包，确保可移植性和可重复性。
Galaxy	Galaxy 项目	v22.05	开源工作流引擎，用于编排串联的仿真和处理工具，并通过 REST API 暴露功能。
Git	Git SCM	v2+	需要使用 Git 克隆代码仓库以跟随本实验方案操作
NVIDIA RTX GPU	NVIDIA	-	用于在 Omniverse 中实现实时光线追踪渲染（第 3 节）。无 RTX 硬件的用户可完成至第 2 节的所有步骤，并使用 ParaView 进行可视化（见讨论部分）。
Omniverse	NVIDIA	Code 2022.3.3	NVIDIA 的协作式 3D 平台。通过自定义 Kit 扩展，用作工作流输出的可视化与交互前端。
ParaView	Kitware	v5.11	开源科学可视化应用程序，作为无 RTX 硬件时的备选方案，用于检查中间输出文件（.vtk/.vtp 格式）。
实验方案代码仓库	自定义	v1.0	包含 Galaxy 配置文件、所有工具 XML 封装器、运行脚本、Dockerfile、测试数据以及 Omniverse 扩展。在步骤 1.2.1 中进行克隆。关键文件也作为直接补充材料上传（见 I.2）。
Python	Python	v3.10+	OpenMC 运行脚本和 Omniverse 扩展辅助脚本所需的运行环境。已包含在相关 Docker 镜像中或随 Omniverse 下载包提供，无需在主机上单独安装。
OpenMC 蒙特卡罗程序	OpenMC	v0.13.3	开源的蒙特卡罗粒子输运代码，本研究中用于聚变中子学仿真。提供氚增殖比（TBR）和中子轨迹输出结果。
适用于 Linux 的 Windows 子系统（WSL）	Microsoft	v2	在 Windows 主机上运行 Docker 所必需（通过 PowerShell 执行 `wsl --install` 命令安装）。Linux 和 Mac 用户无需此组件。