ShakerMaker：一个简化地震地面运动模拟的开源Python框架

软件X 17（2022）100911原始软件出版物ShakerMaker：一个简化地震地面运动模拟的框架何塞·A作者：Abella， Jorge G. F. Crempienb，c，Matías Recabarrenaa智利安第斯大学，应用工程和科学学院，蒙斯。Álvaro del Portillo 12.455，Las Condes，圣地亚哥，7620001，智利b智利天主教大学工程学院结构和岩土工程系，Av. Vicuña Mackenna 4860，天气-圣地亚哥，智利cCentro de Investigación para la Gestión Integrada de Desastres Naturales（CIGIDEN），智利圣地亚哥ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2020年收到修订版，2021年8月3日接受，2021年保留字：地震SSI区域缩减法a b st ra ctShakerMaker是一个开源Python框架，它简化了合成宽带地震图的生成，通过地震破裂的有限断层运动学表示，使用地壳的一维分层模型和它的目的是使工程地震学和地震工程社区更接近，通过迎合这两个学科的地震模拟需求。该框架的一个特定目标是提供一种简单的方法来产生高保真地震运动，用于域缩减方法，通过使用新的专用文件格式简化多尺度地震和地震工程问题的物理精确有限元模拟的设置ShakerMaker其软件架构强调简单性、可扩展性和性能，允许用户使用简短的脚本指定复杂的仿真场景。消息传递接口用于实现从简单的单处理器机器到HPC集群的可伸缩性。©2021由Elsevier B.V.发布这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-20-00086法律代码许可证MIT许可证（MIT）使用git的代码版本控制系统软件代码语言、工具和服务使用Python 3、Fortran 77/90编译要求，操作环境依赖python3，MPI，f2py，h5py，mpi4py，numpy，scipy，matplotlib如果可用，链接到开发人员文档/手册https://shakermaker.readthedocs.io问题支持电子邮件jaabell@miuandes.cl1. 动机和意义ShakerMaker旨在通过满足两个用户群体的需求来弥合工程地震 学 和 地 震 工 程 学 之 间 的 差 距 。 对 于 地 震 学 家 来 说 ，ShakerMaker提供了一种简单的方法来生成和探索1-D分层地质地壳模型上的地面运动，该模型由运动破裂模型产生。工程师将受益于能够∗通讯作者。电子邮件地址：jaabell@uandes.cl（José A. Abell）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2021.100911使用地震学家设计的地面运动生成方法，合成由不同地震场景产生的真实的、基于物理的地面运动波形。ShakerMaker设计的一个主要目标是简化产生足够地震波运动的过程用于与域缩减方法（DRM）一起使用[1，2]。DRM用于模拟受到地壳波传播产生的地面运动影响的土壤-结构系统的动力响应ShakerMaker允许地震波传播的区域尺度三维模拟与局部尺度2352-7110/©2021由Elsevier B. V.出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx何塞·A Jorge G.F. Abell Crempien和Matías Recabarren软件X 17（2022）1009112Fig. 1.（左）使用DRM进行多尺度地震传播模拟的FEM网格。（右）表示传播主要发生在DRM局部尺度域内部的动作，不丢失细节。在工程和地震学应用中采用DRM被认为是提高数值地面运动模拟物理保真度的关键因素[3]。有两个问题阻碍了DRM在工程中的广泛应用，并在一定程度上阻碍了在地震学中的广泛应用：首先，DRM的性质要求处理具有复杂元数据的大型数据集（很容易在10 GB的数据中），其次，DRM数据集只能通过使用地震学工具的专门数值模拟来生成。目前，还没有设计用于轻松生成这些数据集的计算机程序，也没有方便有效地读取和写入此类大型数据集的标准数据格式。因此，提供一个简单的工 具来生成 DRM 兼容 的运动和 一个易于 使用的数 据格式是ShakerMaker的设计目标，旨在帮助在这方面。图1（左）显示了用于执行DRM分析的典型有限元网格。域的内部以深橙色表示局部尺度，显示离散化细化，旨在处理偏离区域模型的特征。使用较大尺度模型计算的波场用作输入，并作为DRM边界处的力施加。我们在图中显示的力学模型。1由单层组成的有限元，包围局部尺度模型，蓝色和红色点对应于有限元节点，需要使用区域尺度模拟计算和存储所有运动。 我们还显示在图。图1（右）是由地震波场引起的典型位移场，以变形网格表示。我们建议将数据和元数据存储在具有特定格式的HDF5[10]数据集中，这里称为H5DRM。该文件格式旨在允许DRM运动数据集的高效、高性能存储、访问和交换。ShakerMaker提供了模拟区域尺度地震波传播的方法（对于一维分层地壳模型的特定情况），并生成适当的H5DRM数据集，这些数据集随后可用作局部尺度模拟程序的输入。ShakerMaker的核心是使用在一个分层的半无限介质中。f-k方法被设计用于计算一维层状地壳模型的波传播，利用由于该简化而产生的物理和数学对称性，以及傅立叶空间中的计算（在时间和空间中，因此是这种方法及其局限性是很好理解的，有记录的，经广泛验证和验证[12，13]。地震源可以使用UCSB宽带模拟方法[14-16 ]以及自定义点源和有限断层规范生成地震工程界采用H5DRM格式进行DRM数据存储和交换，将促进DRM作为一种模拟方法的使用，并加强与地震学家在开发高保真工程模拟方面的合作。DRM已经被实现为在著名的工程仿真框架OpenSees中使用H5DRM [17]。此功能现在可在GitHub上的OpenSees主开发存储库中使用，并将在该程序的下一版本的可执行 文 件 中 使 用 。 本 文 中 的 所 有 示 例 都 使 用 ShakerMaker 、H5DRM格式和OpenSees生成除了ShakerMaker为DRM分析所设想的独特功能外，该代码足够通用，能够在用于其他应用，如边界元法（BEM）或基于有限差分的模拟器，一维非线性现场响应分析程序（如Shake或DeepSoil）和更常规的固定基础分析。其模块化设计允许用户扩展其能力，以产生其他格式的输出2. 软件描述ShakerMaker作为一个Python框架呈现给用户用户编写一个简短的脚本，具体说明区域地壳模型、地震情景和记录台站的位置 ， 即 模 型 空 间 上 模 拟 地 面 运 动 的 地 点 。 图 2 说 明 了ShakerMaker中使用的坐标系，其中x坐标指向北，y坐标指向东，z坐标完成三坐标指向正向下，形成右手坐标系。我们还展示了断层面角度的定义，由参数定义，如：（i）走向，是从x（正北），（ii）倾角，它是断层面与地表的夹角，以及（iii）倾角，从断层走向顺时针测量，对于正倾角（正断层）为正向下。地壳结构是通过给每一层指定厚度和力学性质来确定的，并假定地壳的横向无限定厚分层，以半空间层为顶点（通过将其厚度设置为零来表示）。除厚度外，每层还由其P波和S波速度（VP和VS）以及P波和S波品质因子（QP和QS）定义[18]。外壳在代码中由CrustModel类表示。为方便起见，何塞·A Jorge G.F. Abell Crempien和Matías Recabarren软件X 17（2022）1009113图二. (left ShakerMaker中使用的坐标系：z> 0为向下，x> 0为北，y> 0为东。（右）断层几何学定义：走向测量从北向顺时针方向倾斜。提供了已知基准和位置的模型，ShakerMaker[19].FaultSource由PointSource对象组成，这些对象由它们在全局坐标中的位置、断层面角度及其源时间函数指定。源时间函数，在的滑动率，可以指定完成源characterization。几个断层在Shaker中表示MakerbyFaultSource父类的子类。工厂类可用于创建由子故障构成的复杂故障，或者通过读取已知的故障规范格式来创建。该功能可以通过标准网格代码进行补充，以生成逼真的断层3D表面，例如南加州地震中心（SCEC）社区断层模型（CFM）[20]所指定的表面。模拟地面运动的台站可以在这个坐标系中任意放置，z值为正，但需要注意的是，震源和接收器不能放置在同一地壳深度（ShakerMaker内部会自动处理这个注意事项，但用户应该注意这一点）。 Station类在ShakerMaker中对接收器站进行建 模 ， 而 Factory 类 可 以 处 理 复 杂 的接 收 器 设 置 ，例 如carbohydrate和polar array，以及对这项工作至关重要的DRM域几何。ShakerMaker不强制使用特定的单位系统，因此单位一致性取决于代码的用户。全球坐标和地壳属性应该在相同的单位集，角度以度为单位，最后滑动率函数定义输出地震图的单位例如，全局属性可以以千米和秒为单位，而滑动率函数以cm/s为单位指定，输出速度地震图以cm/s为单位。2.1. 软件架构和功能图3显示了框架类模型，其中Shak-erMaker类是控制流程的类，并被认为是要模拟的ShakerMaker模型需要通过Crust-Model类来指定地壳，通过FaultModel类和由一个或多个PointSource对象组成的模型以及一个或多个Station对象，其中运动被注册以用于存储。该架构基于类重写定义了三个主要扩展点StationList ： 该 类 的 对 象 必 须 传 递 给 包 含 电 台 列 表 的ShakerMaker对象的构造函数。它可以被扩展以表示更复杂的站点布局，例如表示DRM模型布局的派生类DRMBoxSourceTimeFunction：表示任何断层中每个PointSource对象使用的滑动率函数。StationListWriter：定义目的地和计算得到的地面运动结果的格式每个车站都有储存。实现这个抽象类的某个类的对象作为参数传递给ShakerMaker.run方法，该方法负责调用初始化所需的方法，然后在计算每个站的数据时写入数据。该框架包括用于写入HDF5文件的类，包括通用格式和DRM模型的特定格式。此外，这个writer类还接收一个额外的函数参数，可用于在存储之前对地震图轨迹进行后处理。最后一个功能的典型用例包括将速度轨迹转换为加速度或位移和过滤结果。创建一个python脚本来指定每个组件模型，然后执行。对于可伸缩性，脚本可以在并行模式下（使用MPI）执行，并在执行之前调用mpirun，并且不需要特别考虑或更改脚本。f-k方法是并行的，因此可扩展性仅受并行计算故障站对的可用硬件和问题的大小的3. 说明性实例3.1. 计算格林清单1中的示例展示了如何使用一个非常短的python脚本从一个点源计算Green···何塞·A Jorge G.F. Abell Crempien和Matías Recabarren软件X 17（2022）10091145913图三. ShakerMaker上主要组件的UML类图。图四、 格林函数计算的例子在3.1节。使用ShakerMaker。代码首先从ShakerMaker库导入所有必要的函数。在第8行，导入了一个预打包的1-D地壳模型。第3行在全局坐标系中的给定点处创建点源如图2所示，其中断层位于坐标系的原点，深度为1 km。该脚本还指定断层面几何图形。在7号线上，接收站位于东1公里和北1公里处。模型在第10行被实例化。第11到14行设置了有关f-k在第15行上，执行模型，并且第18行上对ZENTPlot的调用生成图4所示的图，图4示出了格林函数的清单1：（code/example1_simple.py）计算简单点源的格林函数。代码行号在右边距。对于边界元法分析或有限断层源反演有用的格林函数可以使用这个例子通过将它们附加到站列表或源断层来在不同的位置和深度添加更多的站和源来生成。 如果用户需要加速度或位移响应，用户可以添加接受后处理函数的StationListWriter。可以在写入之前应用的tion（transform_function最终的结果。 多个模型可以创建和运行-独立地在单个脚本中用于参数研究和其他需要改变模拟条件的应用。十三点二。DRM节点处的地震动计算23这是一个展示如何生成DRM的最小示例使用ShakerMaker进行4种兼容运动，并验证6生成的运动在DRM分析中是有用的案例研究我们图7中所示。 5左，其中一个网站被放置在10公里以东和10距离一公里处的走滑断层以北8公里。罢工-10滑动断层使用在清单2的第19实例化了单层地壳模型，清单2的第22到25行。然后，设置DRM盒，14最大分辨频率为10 Hz，对应于图14。5从shakeremakerimportshakeremakerer从我的记忆中。cm_library.LOHimportSCEC_LOH_1来自shakerrmarmPOINTSOURCEEIIMPORTPOINTSOURCEEFROMSHAKERMAKER. 如果您是我们的客户，请联系我们。statatonimprtstaton从我的记忆中。STATIIMP ORTSTATINLISTFOMSAKERMAKER。到我的办公室去。plotingimportZENTPlot#从预打包的crustal模型crust=SCEC_LOH_1（）#创建源代码z= 1.0#震源深度（km）s，d，r= 0.，45.，0的情况。#断层面角度（度）source=PointSource（[0，0，z]，[s，d，r]）fault=FaultSource（[source]，metadata={“namme“：“source“}）#创建录音站x0，y0 = 1.，1.#站点位置s=Station（[x0，y0，0]，i“namme“：“你的房子“，“filter_results“：真 的，“filter_parameters“：{“fmax“：10. }}）sta tions=Stat ionList（[s]，metadata=s.metadata）#创建模型，设置参数并运行model=shakermaker。ShakerMaker（crust，fault，车站）151617181920212223242526272829莫德湖2016年01月01日@上午10时30分（30何塞·A Jorge G.F. Abell Crempien和Matías Recabarren软件X 17（2022）1009115图五. （左）第3.2节示例的ShakerMaker几何设置，（右）第3.2节示例的OpenSees DRM模型特写，突出显示了重要的域区域以及局部域中的局部机械特性就在32到35行创建新的H5DRM写入器以存储第38行中的运动，该文件在模拟期间创建和写入在第41行的ShakerMaker模型的实例化中，所有组件都放在一起。模型执行调用发生在第42到47行，其中还传递了模拟的运行时参数。图6 显示 了DRM 运动 ，存 储在执 行示例脚 本期间 创建的H5DRM文件中，应用于局部比例有限元模型时。顶行显示当DRM框内的属性与区域尺度模型的属性匹配时，不同时间的局部尺度模型响应最下面一行的结果显示了同一时间的响应与上面的一行一样，但是现在模型“盆地”内的传播特性已经降低。图图7显示了（左）未改变内部域情况下局部场地域中心顶部的地面响应事实上，地面运动跟踪图。 7匹配意味着来自ShakerMaker的运动有效地震波传播运动，它们被正确地存储在HDF5数据集和OpenSees中的DRM实现图7所示的运动差异现在可以解释为来自DRM域内部的局部尺度特性的变化，这是该方法的要点1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647清单2：（code/example2_drm.py）使用ShakerMaker计算运动，以便使用DRM进行分析，并将其存储为H5 DRM格式。代码行号在右边距。4. 影响Soil–structure interaction research will greatly benefit fromthe通过非线性上地壳条件的波传播方面还知之甚少，可以通过使用具有先进本构建模功能的DRM和FEM软件（如OpenSees）获得更深入的了解。与H5 DRM格式交换运动和/或与ShakerMaker开发新运动将使探索关键民用基础设施对象（例如，核电站、桥梁等）的性能变得更加容易。具有很高的物理保真度。此外，该框架还可被地震学界用作正演模型，反演强震数据以约束不同区域的局部一维地壳结构模型，约束点源和有限断层运动破裂模型的震源过程，并开发特定区域的地震危险性模型。这些方面需要回答有关断层地震破裂的物理过程的科学问题，并了解区域地壳性质的地质条件。最后，H5DRM文件格式旨在促进不同研究之间的地震动场景交换从shakeremakerimportshakeremakerer从我的记忆中。CrustModelimportCrustModelfromshakeramaker.POINTSOURCEEIIMPORTPOINTSOURCEEFROMSHAKERMAKER. 如果您是我们的客户，请联系我们。stf_extensionsimportBrunefromshak e r m a kermar。slw_extensionsimportDRMHDF5StationListWrr从我的记忆中。sl_extensionsimp ortDRMBox#断层机制几何φ，θ，λ=0。，90。，0.#走向、倾角、倾角zsrc = 1.0#震源深度为1 km#源时间函数t0，f0= 0.，二、#峰值时间和转折频率stf=Brune（f0=f0，t0=t0）#创建故障（单源）source=PointSource（[0，0，zsrc]，[φ，θ，λ]，tt=0，stf=stf）fault=FaultSource（[source]，metadata={“namme“：“fault“}）#创建地壳模型，单层vp，vs，rho，Qa，Qb=6。00 0，3。50 0，2。700，10000。，10000。crust=CrustModel（1）厚度= 0crust. add_layyer（thicness，vp，vs，rho，Qa，Qb）#为最大频率fmax设计DRM盒fmax=10。#Hzdx=vs/fmax/15#DRM盒规格nx，ny，nz= 10，10，4X0=[10.，10., 0个字符]drmreceiver=DRMBox（x0，[nx，ny，nz]，[dx，dx，dx]，metadata={“name“：“example2“}）#H5DRM作者wri ter=DRMHDF5StationLit Wri ter（“motions.h5drm“）#实例化并运行模型model=shakermaker。ShakerMaker（crust，fault，drmreceiver）莫德湖2016年01月01日@上午10时30分（dt=1/（2*fmax），#时间步长nfft=2048，#时间样本的一半tb=500，#首次到达前的样本数dk=0. 1，#波数空间中的离散化何塞·A Jorge G.F. Abell Crempien和Matías Recabarren软件X 17（2022）1009116\见图6。在 不同的时间步长，当输入ShakerMaker模型产生的DRM运动时，局部尺度域的响应。在顶行中，局部尺度具有与区域尺度模型匹配的属性，而底行具有在模型“盆”内减少的属性见图7。 （左）未改变内部区域情况下，局部场地区域中心顶部的地面响应时程，以及（右）相同情况下的响应在局部尺度域中的点，具有降低的传播特性。通过充分利用HDF5格式的功能和优势，HDF5格式允许快速并行读写和文件缩小大小等功能，以及DRM情况下的特殊功能，文件大小轻松达到10个千字节5. 结论我们设计并实现了一个面向对象的Python框架，填补了土木工程和地震研究领域之间的必要空白，以高保真，高效和轻松地模拟地面运动。任意复杂度的有限断层可以用来模拟波通过一维层状地壳结构的传播最后，一个文件格式存储的方式与DRM建模兼容的运动实现和其使用证明在OpenSees有限元程序。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢Powered@NLHPC：这项研究部分得到了NLHPC（ECM-02）超级计算基础设施的支持。JC 感 谢 ANID 对 本 研 究 的 资 助 ， 智 利 授 予ANID/FONDAP/15110017 （ Centro de Investi- gación para laGestión Integrada del Riesgo de Desastres ， CIGI-DEN ） ，ANID/FONDAP/15090013 （ 安 第 斯 地 理 信 息 中 心 ， CEGA ） ，ANID/FONDECYT/11201180 （ Dynamic Rup-ture on Faults withHeterogeneous Fractional Properties），智利，美国南加州地震中心授权17247和16063。引用[1]杨文，杨文.局部区域三维地震模拟的区域缩减方法。第一部分：理论。BullSeismol Soc Am2003;93（2）：817-24.[2]作者：Yoshimura C，Bielak J，Hisada Y.局部区域三维地震模拟的区域缩减方法。 第二部分：验证和示例。Bull Seismol Soc Am 2003;93（2）：825[3]Abell JA，Orbović N，McCallen DB，Jeremic B.核电厂的地震土-结构相互作用，对3-D、3x 1- D和1-D激励响应的差异。Earthq Eng Struct Dyn 2018;47（6）：1478网址：//dx.doi.org/10.1002/eqe.3026网站。何塞·A Jorge G.F. 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