火災(zāi)模擬軟件FDS場景建模環(huán)境的設(shè)計(jì)

●苗志宏，馬金強(qiáng)

(武警學(xué)院 消防工程系，河北廊坊 065000)

0 引言

FDS(Fire Dynamics Simulator)是美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)建筑火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的基于場模擬的火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件［1-2］。它采用數(shù)值方法求解一系列適用于低速流動熱驅(qū)動形的N-S方程，并以火災(zāi)時(shí)的煙氣流動和熱傳遞過程為重點(diǎn)研究對象。FDS的特點(diǎn)是針對性較強(qiáng)，可以得到比較詳細(xì)的物理量的時(shí)空分布，能精細(xì)地體現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)象。目前FDS已經(jīng)被用來解決消防領(lǐng)域中的一些實(shí)際問題，在火災(zāi)理論研究、建筑性能化設(shè)計(jì)中，常用這種方法來模擬火災(zāi)過程［3-4］。但是，F(xiàn)DS是基于控制臺的應(yīng)用程序，場景建模文件的構(gòu)建只能通過手工編輯文本文件的方式進(jìn)行，文件編輯需要熟悉FDS的文件格式和記憶大量的命令;同時(shí)，F(xiàn)DS的模擬計(jì)算結(jié)果需要使用SmokeView軟件來展現(xiàn)三維場景，它們都需要用戶回到DOS環(huán)境中使用命令形式來調(diào)用，這些對于FDS的用戶是個(gè)不小的困難，直接影響著軟件的應(yīng)用效率。因此，對FDS的場景建模環(huán)境進(jìn)行專門的研究和開發(fā)，使其擁有更強(qiáng)的功能和更高的效率，成為火災(zāi)和消防科學(xué)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)及研究人員關(guān)注的重點(diǎn)課題［5-7］。本文給出了一個(gè)Windows下基于圖形用戶界面的FDS場景建模環(huán)境的設(shè)計(jì)過程。該環(huán)境集FDS場景建模文檔編輯、FDS運(yùn)算、FDS運(yùn)算步驟輸出以及SmokeView的運(yùn)行為一身，可以使火災(zāi)模擬的效率大大提高。

1 編程環(huán)境的基本組成

火災(zāi)模擬軟件FDS編程環(huán)境的主界面如圖1所示，其組成主要部分有主框架和客戶區(qū)。在主框架中有標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄和狀態(tài)欄?？蛻魠^(qū)由3個(gè)子窗口組成，分別是工作目錄窗口、編輯窗口和運(yùn)算過程顯示窗口，其中編輯窗口可同時(shí)打開多個(gè)文檔。FDS的場景建模命令在編輯窗口中按文本文件進(jìn)行編輯，具有一般文本編輯的各種功能，并且對FDS命令的關(guān)鍵字具有語法識別功能，并按高亮顯示。工作目錄窗口按樹型目錄顯示當(dāng)前工作目錄中的所有文件，這樣FDS運(yùn)算輸出文件也顯示在其中，選中文件后雙擊鼠標(biāo)右鍵可打開文件。運(yùn)算過程顯示窗口顯示FDS運(yùn)算過程的步驟信息，這里我們將FDS原來在控制臺下的步驟顯示重定向到該窗口，并屏蔽了控制臺窗口。狀態(tài)欄中能顯示當(dāng)前運(yùn)算的信息和當(dāng)前光標(biāo)所在的行號和列號。建模環(huán)境主界面與FDS后臺運(yùn)算的連接是設(shè)計(jì)的核心部分，其運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 FDS場景建模環(huán)境主界面

圖2 FDS場景建模運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

2 FDS編程環(huán)境設(shè)計(jì)過程

FDS編程環(huán)境的主要功能包括:多文檔編輯，調(diào)用外部程序FDS，運(yùn)算過程顯示等。場景建模環(huán)境由VC++6．0平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用MFC的多文檔視圖模式進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)基本過程如下:

2．1 多窗口界面的設(shè)計(jì)

窗口界面是用戶的主要操作區(qū)域，如圖1所示?？蛻魠^(qū)中的工作目錄窗口和運(yùn)算過程顯示窗口是以浮動窗口方式設(shè)計(jì)的，初始情況下分別停靠在主窗口的左邊和下端。其主要實(shí)現(xiàn)過程是采用了Cristi Posea提供的 CSizingControlBar類和 CSizingControl-BarG 類(類聲明和實(shí)現(xiàn)文件是:sizecbar．h，sizecbar．cpp，源代碼見 http://www．codeproject．com/Articles/6/CSizingControlBar-a-resizable-control-bar)，它們是從MFC中CControlBar類繼承來的。

為此，在工程FdsEditor中載入文件sizecbar．h，sizecbar．cpp，scbarg．h，scbarg．cpp，并在 stdafx．h 文件中添加文件包含指令:#include"sizecbar．h"#include"scbarg．h"。這樣就可以在主框架類CMain-Frame中添加以下3個(gè)成員對象:(1)CSizingControl-BarG m_wndLeftBar(工作目錄窗口);(2)CBottomBar m_wndBottomBar(運(yùn)算過程顯示窗口);(3)CTreeCtrl m_wndTree(工作目錄窗口中的樹狀目錄)。這里CBottomBar是CSizingControlBarG的公有派生類，在其中添加了CEdit類型的公有成員對象m_wndEdit，它是運(yùn)算過程顯示窗口中的編輯框。并在CBottom-Bar類中重寫WM_CREATE消息映射函數(shù)OnCreate()。在CMainFrame類的成員函數(shù)OnCreate()中，可調(diào)用Create函數(shù)來實(shí)現(xiàn)上面3個(gè)成員對象的創(chuàng)建和控制窗口的初始?？课恢?這里省去了代碼實(shí)現(xiàn)部分)。

2．2 關(guān)鍵字高亮編輯器設(shè)計(jì)

關(guān)鍵字高亮編輯器的設(shè)計(jì)使用了已有的類CSynEditView［8］，該類是 CRichEditorView 的派生類，既繼承了CRichEditorView類的所有功能，又具有關(guān)鍵字高亮顯示的特點(diǎn)，因此在工程中將視類CFdsEditorView設(shè)置為CSynEditView的派生類。為使FDS的建模關(guān)鍵字按高亮顯示，這里需要在CSynEdit-View類的成員函數(shù)LoadSynWord(INT nLanguage)的分支結(jié)構(gòu)switch中添加FDS建模語句的關(guān)鍵字，如＆HEAD、＆MISC等(這里省去了代碼實(shí)現(xiàn)部分)。

2．3 FDS運(yùn)算連接

建模環(huán)境主界面與FDS后臺運(yùn)算的連接是本設(shè)計(jì)的核心部分。本文建模環(huán)境中FDS運(yùn)算過程是通過建立一個(gè)線程［9］來開啟FDS運(yùn)算引擎的，主要是通過調(diào)用線程創(chuàng)建函數(shù)AfxBeginThread()來實(shí)現(xiàn)。通過主框架中運(yùn)算按鈕的響應(yīng)函數(shù)OnBuildFds5()來調(diào)用AfxBeginThread()，其調(diào)用流程如圖3所示。

圖3 FDS運(yùn)算調(diào)用流程圖

其實(shí)現(xiàn)代碼為:

void CMainFrame::OnBulidFds5()

{

//TODO:Add your command handler code here

//Step 1:讀取FDS安裝路徑//

ifstream infile("FdsPath．txt");//FDS安裝路徑已存放在 FdsPath．txt中

if(!infile)

{MessageBox("請先設(shè)置FDS的安裝路徑!");

return;}

char str［255］;

int i=0;

while(infile．get(str［i++ ］))

{}

strFdsSetupPath=str;//存放FDS安裝路徑

infile．close();

//Step 2:重新或繼續(xù)運(yùn)算選擇//

CString strStop;//存放stop文件路徑

strStop=GetFdsStopFile();

//先判斷*．stop是否存在，如果存在則刪除掉!

if(strStop!="")//有否stop文件

{DeleteFile(strStop);//刪除stop文件

UINT nRet=MessageBox("檢測到stop文件，如果要繼續(xù)上次運(yùn)算，則請?jiān)贛ISC語句里添加:RESTART=．TRUE．;選擇確定按鈕，則回到文件添加:RESTART=．TRUE．;選擇取消按鈕，則重新計(jì)算．"，"Stop 文件"，MB_OKCANCEL);

if(nRet==IDOK)

{return;}

}

//Step 3:設(shè)置運(yùn)算狀態(tài)//

BuildState=1;

SmokeviewState=FALSE;

//Step 4:獲取FDS建模文檔//

GetFdsDocPath();

//Step 5:為FDS創(chuàng)建和啟動一個(gè)線程//

if(strFdsSetupPath!="")

AfxBeginThread(FDSThreadFun，this);

}

上面代碼中分別調(diào)用了成員函數(shù)GetFdsDocPath()，GetFdsStopFile()來獲取FDS建模文檔的路徑和中斷文件(*．stop)的路徑。由于篇幅問題這里略去實(shí)現(xiàn)代碼，其方法是先獲得活動文檔類的指針，然后調(diào)用文檔類的函數(shù)GetPathName()來實(shí)現(xiàn)。

在主框架類CMainFrame中添加一個(gè)靜態(tài)成員函數(shù) FDSThreadFun()，以它作為函數(shù) AfxBeginThread中的線程的入口函數(shù)，并聲明一個(gè)全局線程句柄m_hThread。

為重定向控制臺下運(yùn)算步驟信息至本環(huán)境的相應(yīng)窗口中，在函數(shù)FDSThreadFun()中通過調(diào)用API函數(shù) CreatePipe()來創(chuàng)建匿名管道(Anonymous Pipes)，并將標(biāo)準(zhǔn)輸出重定向到匿名管道。然后通過API函數(shù)CreateProcess()來創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程實(shí)現(xiàn)對外部應(yīng)用軟件FDS的調(diào)用，并利用ReadFile()函數(shù)來讀取匿名管道中的運(yùn)算步驟信息。最后將運(yùn)算步驟信息重新顯示在主框架的下端窗口中。

為實(shí)現(xiàn)FDS運(yùn)算中途暫停和停止，在主框架中的工具欄增加“暫停/繼續(xù)”和“停止”兩個(gè)按鈕。FDS的暫停運(yùn)算是通過使用SuspendThread掛起該線程來實(shí)現(xiàn)的，繼續(xù)運(yùn)算是使用線程恢復(fù)函數(shù)ResumeThread來實(shí)現(xiàn)的?！皶和?繼續(xù)”的響應(yīng)函數(shù)代碼如下:

void CMainFrame::OnBulidSuspendAndContinue()

{

//TODO:Add your command handler code here

m_fdsRun=!m_fdsRun;//FDS是否處于運(yùn)算狀態(tài)

if(m_fdsRun)

{::SuspendThread(m_hThread);

m_wndToolBar．SetButtonText(11，"繼續(xù)");}

else

{::ResumeThread(m_hThread);

m_wndToolBar．SetButtonText(11，"暫停");

}}

由于FDS內(nèi)核采用大渦模擬算法，運(yùn)算時(shí)間會很長，因此在工具欄中添加了“停止”按鈕來中途停止運(yùn)算，以便下次從原來停止的地方繼續(xù)運(yùn)算。為此，在“停止”按鈕的響應(yīng)函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)了自動產(chǎn)生Stop文件的過程。

2．4 連接SmokeView

輸入的建模文檔經(jīng)過FDS運(yùn)算后，就會輸出可以在SmokeView中打開的smv文件。為啟動Smoke-View模塊并在其中同時(shí)打開smv文件，在主框架的工具欄中添加了“SmokeView”按鈕，其響應(yīng)函數(shù)如下所示:

void CMainFrame::OnBuildSmokeview()

{

//TODO:Add your command handler code here

CString strChid;

strChid=GetFdsCHIDFile();//獲得輸出文件名

strChid=strChid+"．smv";//加擴(kuò)展名 smv

if(BuildSuccess)//運(yùn)算成功

//啟動smokeview，并打開當(dāng)前的smv文件

ShellExecute(NULL，"open"，"smokeview．exe"，strChid，""，SW_SHOW);

else//啟動 smokeview

ShellExecute(NULL，"open"，"smokeview．exe"，NULL，""，SW_SHOW);

}

上面代碼中使用了API函數(shù)ShellExecute來調(diào)用外部程序SmokeView。

3 FDS編程環(huán)境的使用

下面實(shí)際運(yùn)行設(shè)計(jì)好的FDS場景建模環(huán)境，為此選用FDS5．0提供的一個(gè)例子room_fire．fds來運(yùn)行，打開文件后，進(jìn)行運(yùn)算，其最終的運(yùn)算效果圖如圖4所示。

圖4 運(yùn)算效果圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)出了Windows下的FDS場景建模環(huán)境，該環(huán)境采用類似VC++6．0開發(fā)界面風(fēng)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，使FDS場景建模文檔編輯、FDS運(yùn)算、FDS運(yùn)算步驟輸出以及SmokeView的運(yùn)行為一體。本環(huán)境屏蔽了FDS基于控制臺的參數(shù)輸入輸出過程，使FDS的建模輸入和運(yùn)算輸出展現(xiàn)在同一個(gè)圖形用戶界面中。使用本文設(shè)計(jì)的FDS場景建模環(huán)境可以大大提高火災(zāi)模擬的效率。

［1］Kevin McGrattan，Bryan Klein，Simo Hostikka，et al．Fire Dynamics Simulator(Version 5)User’s Guide［M］．US：National Institute of Standards and Technology，2009．

［2］Kevin McGrattan，Simo Hostikka，Jason Floyd，et al．Fire Dynamics Simulator(Version 5)Technical Reference Guide［M］．US：National Institute of Standards and Technology，2009．

［3］霍然．性能化建筑防火分析與設(shè)計(jì)［M］．合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，2003．

［4］李引擎．建筑防火性能化設(shè)計(jì)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005．

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［6］邵鋼，金浩，楊培中，等．可視化隧道火災(zāi)仿真系統(tǒng)開發(fā)［J］．計(jì)算機(jī)仿真，2007，24(3)：198-206．

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［9］孫鑫．VC++深入詳解［M］．修訂版．北京：電子工業(yè)出版社，2012．