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

将自动化仿真工作流与三维可视化相结合，用于元宇宙中的虚拟实验。工作流是由一系列工具构成的链条，用于定义工具间的数据流动。在许多虚拟实验中，研究人员需要手动连接多个仿真和处理工具，这种方式可扩展性差，且阻碍了实验的可重复性。

工作流程能够解决这一问题，因为它们具有抽象性、自动化、可扩展性、可移植性、可共享性和可引用性。工作流程允许将现有的模拟代码和处理步骤封装成可在用户友好的界面中使用的工具。这些工具随后可以相互连接并重新配置，而无需手动编写定制的自动化脚本。

这些工具还可以共享，减少了学习新界面的需求，使研究人员能够专注于配置模拟和解释结果。本方案演示了本地容器化工作流管理器的部署。在此配置中，最终用户以前端方式与三维可视化平台进行交互。

工作流的链接以轻量级 Python 扩展的形式提供，该扩展通过向工作流管理器发出 API 调用来启动仿真并接收结果，所有操作均在可视化平台内部完成。此处介绍的系统本质上具有通用性，几乎可应用于任何涉及仿真和处理步骤的场景。在本案例研究中，采用了聚变能发电站背景下的一个简单中子学仿真。

在聚变反应堆中，氘和氚发生聚变反应，产生能量和中子。氘是氢的天然同位素，而氚则必须由反应堆利用聚变事件中产生的中子自行生成。为了模拟所产生的中子，需使用蒙特卡罗模拟程序，该程序追踪中子在反应堆中的运动过程，并在中子穿过材料时随机模拟其与材料的相互作用。

作为一项对比性指标，需计算一个称为氚增殖比的关键性能参数，该参数提供了中子相互作用产生的氚与反应中消耗的氚的比值。模拟采用基于球形托卡马克形状的简单CAD几何结构，用以建模包层围绕等离子体容器所产生的氚量，并输出生成的中子轨迹数据集。开始本实验方案前，假设容器引擎和三维可视化平台均已安装，并已将项目仓库克隆至本地计算机。

使用提供的 shell 脚本启动工作流管理器服务器，该脚本利用容器引擎部署一个可移植的实例。系统运行后，访问本地 Web 界面以创建管理员用户账户并登录。进入用户偏好设置以生成唯一的 API 密钥。

此密钥在3D可视化平台调用工作流管理器时进行身份验证。接下来，通过导航到扩展文件夹中的相关文件来配置3D可视化平台。将API密钥添加到该配置文件中。

确保此私钥安全，切勿将其提交至公共代码仓库。接下来，通过进入扩展菜单，点击设置图标，并添加从克隆仓库中获取的扩展文件夹的本地路径，以配置3D可视化平台。最后，启用该扩展。

可以选择自动加载选项，以便在重新启动时自动启用。要运行任何单一工具，必须首先将输入文件上传到该服务。创建一个新的历史记录并为其命名。

历史记录可作为每组工具或工作流程运行的独立工作区。单击“上传”按钮，从仓库中的示例文件选择所需的CAD几何图形和配置数据集，然后单击“开始”。

输入结果将显示在屏幕右侧的“历史”面板中。在左侧面板中找到所需的蒙特卡洛模拟工具并点击。从当前历史记录中选择相关的输入数据集，然后点击“执行”运行该工具。

输出状态将从橙色（表示正在处理）变为绿色（表示已完成）。灰色用于突出显示待处理的步骤，红色用于表示失败的步骤。首次运行可能需要更长时间，因为需要下载该工具的容器镜像。

后续运行速度应更快。工具运行完成后，可查看模拟结果。在历史面板中点击氚增殖比数据集以展开查看。

这显示了由中子模拟计算出的比值及其相关的统计误差。当工具在工作流中使用时更为实用，因为工作流允许在一次调用中执行多个工具，并自动控制工具间的数据流动。要复制之前的数据分析流程，请点击“工作流”，然后创建并命名一个新的工作流。

通过点击工具将它们导入到工具面板中。然后添加两个数据集作为输入，并为其命名。当所有工具和输入都放置在画布上后，通过点击并拖动，将上一步的输出连接到下一步的输入，从而将它们连接起来，定义数据的流动流程。

使用右上角的图标保存工作流程。工作流程的运行方式与单个工具基本相同。转到顶部工具栏中的“工作流程”标签，然后点击新工作流程上的运行图标。

选择相应的输入数据集，然后点击运行工作流。这将执行之前手动运行的所有步骤，并将中间输出保存到历史记录中。可以通过检查输出文件或在界面中显示氚增殖比来验证运行结果。

要从3D可视化平台运行工作流，必须首先将输出文件转换为兼容的3D格式。创建一个与之前类似但包含额外步骤的工作流，包括轨迹格式转换为USD，以及通过中间步骤将CAD格式转换为USD。

保存此工作流程。打开 3D Metaverse 平台。已启用的扩展应可在视口中使用。

将其停靠到一侧。单击“获取工作流”以从已连接的实例中拉取可用工作流列表。选择新创建的包含转换为 USD 步骤的工作流，然后单击“获取输入”。

将显示为此工作流定义的输入。为每个输入选择标准的 CAD 几何文件和配置文件，然后点击运行工作流。

工作流程完成后，扩展程序的信息窗口中将显示一条通知。点击文件管理器中的“刷新”以查看已完成的工作流程实例列表，并选择当前实例。

再次刷新以获取文件列表。选择要查看的文件，然后点击“拉取文件”。3D 文件将加载到主视口中，基于文本的文件将在信息窗口中显示。

一次成功的模拟运行将生成氚增殖比输出结果。由于该过程采用小样本量以提高计算速度，属于随机过程，因此使用仓库中提供的标准配置时，期望值应约为 0.76，方差为 ±0.01。增加配置输入文件中的批次数量和粒子数量可减小该波动，但会延长运行时间。

一次成功的运行还会生成一组转换后的可视化文件、CAD 几何结构以及中子轨迹，每种文件均采用与 3D 可视化平台兼容的格式。这些文件可下载后在外部查看器中检查，或直接导入 3D 可视化平台。该方法展示了领域专家研究人员如何将仿真工具集成到自动化工作流中，以开展 3D 虚拟实验。

该方法支持FAIR数据原则，运行历史记录可捕获完整的来源元数据，工具被打包在版本控制的容器中，从而使分析流程既可重复又可共享。尽管工作流管理器本身可在标准硬件上本地运行，但利用3D虚拟化平台的完整光线追踪引擎则需要兼容的高性能RTX显卡。