编辑推荐：
自动建模方法基于全球GIS数据库和CSG技术，解决蒙特卡洛辐射传输模拟中的复杂几何建模难题，通过预设模块和3米网格离散化提升效率与精度，验证了其在城市核应急中的应用价值。
刘洪家|张雄|张双|李鹏|刘伟|杜林鹤|王彦斌|朱云飞|曹楠|李晓强
中国哈尔滨工程大学核科学与技术学院，核化学工程与放射化学黑龙江省重点实验室，哈尔滨 150001
摘要
城市环境中的核辐射传播路径和剂量分布受到多种因素的影响，包括建筑材料以及城市场景中建筑物的空间分布特性，这使得辐射传输问题和空间辐射分布变得非常复杂。快速构建近乎真实的城市建筑场景是进行蒙特卡洛模拟以研究城市环境中的辐射传输机制和剂量分布模式的先决条件。本研究开发了一种基于建构 solid geometry (CSG) 的自动化建模方法，该方法利用开源的全球地理信息系统 (GIS) 城市数据库来快速重建建筑物，而无需建筑物特征信息。这为研究城市建筑物对辐射的影响提供了关键的技术支持，以及建筑物空间分布模式和材料组成对城市环境中辐射传输和辐射场分布特性的影响。
引言
在城市区域，辐射粒子的传播轨迹和辐射剂量分布受到多种因素的显著影响，包括建筑物高度、楼面面积、空间分布密度和建筑材料（Kramer 等人，2013，Kramer 等人，2014）。当辐射粒子穿过城市建筑群时，它们会经历不同程度的屏蔽和散射，这不仅会减弱传输过程中的辐射剂量，还会改变粒子的原始传播方向。这大大增加了模拟模型的计算复杂性。
为了满足蒙特卡洛辐射传输计算中对大量复杂场景进行快速几何建模的需求，王欣、张凌宇等人（Wang 等人，2025，Wang 等人，2020）开发了 CAD 到蒙特卡洛建构 solid geometry (CMGC) 方法。该方法涉及将精确的 CAD 模型分解为建构 solid geometry 表示形式。在后续的优化过程中，作者解决了由于过度依赖 Open CASCADE 布尔运算而导致的原始 CMGC 工作流程的不稳定性。引入了一种新的辅助表面生成和划分策略，旨在减少布尔运算负担并提高转换成功率。该方法已成功应用于复杂工程场景中的 CAD 模型转换，包括聚变反应堆包层设计和船舶结构建造。李鹏王（Wang 等人，2024）使用 MCNP 的内部非结构化网格直接处理复杂的 CAD 模型，从而能够在不需要 CSG 转换的情况下生成复杂几何形状的辐射场。尽管计算需求增加，但这种方法在模拟复杂几何配置中的粒子传输方面显示出更高的准确性。在具有广泛复杂表面和微观结构的反应堆安全分析模型（Kuang 等人，2023，Wang 等人，2020，Wang 等人，2021，Wang 等人，2022）的背景下，手动建模的效率和几何精度较低。相比之下，自动 CAD 模型转换在这些场景中显示出显著的优势。
在城市辐射防护研究和核辐射场分布计算中，基于 CAD 的转换方法存在明显的局限性。CAD 模型中的复杂曲面常常会产生几何缺陷，如非封闭表面和悬垂边界（Wang 等人，2024）。这些缺陷可能在蒙特卡洛模拟的粒子跟踪阶段导致粒子轨迹不明确，从而可能引发致命错误并终止代码运行。随着模型复杂性的增加，布尔运算的失败概率呈指数级上升（Wang 等人，2025），然后需要大量计算资源用于几何修复和重复模型调整（Wang 等人，2024）。这种行为与快速构建可计算模型以进行辐射防护评估的需求相矛盾。现有的公开可用数据集并未提供全球每个城市的包含建筑物分布和高度信息的 CAD 模型。因此，仅基于少数城市的建筑物轮廓模型的转换方法无法满足核紧急情况下的建模时效性和全球适用性要求。
关于使用 GIS 在蒙特卡洛代码中进行的大规模城市建筑建造的当前研究在公开文献中有记载，包括美国人类生存能力研究与发展综合计划团队（US）的技术报告 DTRA-TR-13-045（Kramer 等人，2013）和西北核技术研究所的专利发明（Wang 等人，2024）。虽然这些研究分别成功构建了美国华盛顿特区（Kramer 等人，2013）和中国西安（Wang 等人，2024）的城市场景，但这两种方法都受到低分辨率计算单元的限制。低分辨率单元会模糊建筑物细节，将内部空腔和开口视为实体墙壁会削弱真实建筑结构的表示，从而导致对建筑物屏蔽效果的过高估计（Kramer 等人，2013）。核紧急情况需要一种可以全球应用的快速城市建模方法，同时平衡重建精度和蒙特卡洛辐射传输模拟的计算效率。
为了解决上述挑战，本研究提出了一种方法，该方法可以将全球地理信息系统 (GIS) 城市建筑数据库自动转换为蒙特卡洛 CSG 输入文件，用于城市规模的建筑模型。该方法首先使用预定义的建筑物模块从开源的全球 GIS 数据库 3D-GloBFP（Che 等人，2024）中离散化建筑物位置，然后使用指定的模块组装离散化的建筑物轮廓以高效构建城市结构。该框架为评估城市建筑分布和材料属性对辐射场模式的影响提供了基础，并为核紧急情况决策提供了数据支持。
方法
在城市区域，经过数百米的快速核辐射传输后，蒙特卡洛模拟的统计不确定性超过 10%（Kramer 等人，2013，Wang 等人，2024，Wang 等人，2025）。本研究使用权重窗口方差减少技术来解决城市环境中的大规模、深度穿透问题（Liu 等人，2024）。基于各向同性点源，整个城市区域被划分为同心圆柱体和圆柱形环带。
将 GIS 城市建筑物转换为 CSG 输入文件
通过手动指定目标城市区域的几何中心和边界的纬度和经度来定义模拟区域，并将封闭区域离散化为紧密排列的 3 米 × 3 米的正方形单元。为了避免纬度和经度坐标引起的尺度失真，系统在几何中心建立了一个局部笛卡尔坐标系，并对纬度和经度尺度进行了地球曲率校正。这种校正消除了
蒙特卡洛 CSG 输入文件转换的基本设计
城市区域中的全球核辐射分布的蒙特卡洛模拟是在计算服务器平台上执行的，而所有开发、测试和城市模型转换任务都是使用表 3 中详细规定的笔记本电脑完成的。
初步数据处理不依赖于计算服务器。这包括关键步骤，如全球 GIS 城市数据集的离散化、建筑物类型的识别以及蒙特卡洛的自动化生成
城市区域中快速辐射场的蒙特卡洛模拟结果
本研究使用转换后的 CSG 输入来模拟城市快速核辐射场，以验证自动将 GIS 文件从 3D-GloBFP（Che 等人，2024）转换为 CSG 的方法。蒙特卡洛计算是在表 5 中列出的计算平台上进行的。
蒙特卡洛模拟使用了来自内爆型核装置的各向同性伽马泄漏谱作为快速辐射源项（Holmes 和 White，2013）。核装置的高度和位置
结论与展望
本研究提出了一种基于全球 GIS 城市建筑数据集的自动建模方法。该方法使用预定义的建筑物结构模块，并从开源数据库中读取 Shapefile (.shp) 格式的 GIS 文件，以快速将 GIS 数据转换为 CSG 输入文件。使用 3 米 × 3 米 × 3 米的单元分辨率可以在蒙特卡洛代码中重建真实的城市场景中的建筑物。这避免了在
CRediT 作者贡献声明
刘洪家：研究、撰写 – 原始草稿、撰写 – 审阅与编辑、方法论、验证、可视化、软件、数据管理、项目管理、形式分析、概念化。张雄：概念化、撰写 – 审阅与编辑、监督。张双：撰写 – 审阅与编辑、监督。李鹏：撰写 – 审阅与编辑、监督。刘伟：撰写 – 审阅与编辑。杜林鹤：撰写 – 审阅与编辑。王彦斌：撰写 – 审阅与
资助
本工作得到了国家自然科学基金（编号：12205065）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。
