ViroCon：海洋结构极值计算软件

SoftwareX 9（2019）95ViroCon：使用环境等高线法计算多变量极值的软件安德烈亚斯F。Haselsteinera，b，Jannik Lehmkuhla，Tobias Papea，Kai-Lukas Windmeiera，Klaus-Dieter Thobena，ba不来梅大学，生产工程系-bForWindar t i cl e i nf o文章历史记录：接收日期：2018年7月20日收到修订版，2018年10月25日接受，2019年保留字：海洋结构物概率设计极值统计a b st ra ct环境等值线法被研究人员和从业人员用来定义环境条件的这些极端条件然后用于设计或分析海洋结构。在这里，我们提出了一个名为ViroCon的软件，它实现了不同的环境轮廓方法。ViroCon分为两个包装。一个软件包专用于统计计算，另一个软件包拥有易于使用的图形用户界面。我们希望ViroCon将通过提供一个易于使用和可扩展的软件来计算极端环境条件，帮助研究海洋结构的研究人员更好地追求有关结构可靠性的研究问题©2019作者由爱思唯尔公司出版这是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软件包viroconcom：1.1.8，软件包viroconweb：1.0.8用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2018_116法律代码许可证MIT使用git的代码版本控制系统使用的软件代码语言、工具和服务Python、HTML、CSS、JavaScript、GitHub、Travis CI、Coveralls编译要求、操作环境依赖性Linux、Mac OS、Windows如果有开发人员文档/手册包viroconcom的链接：https://virocon-organization.github.io/viroconcom，包viroconweb：https://virocon-organization.github.io/viroconweb问题支持电子邮件virocon@uni-bremen.de1. 动机和意义环境等值线法是一种基于有效波高和风速等变量的联合概率描述来定义多变量极值的方法该方法现在，环境等高线法被广泛用于确定海上风力涡轮机、船舶和波浪能转换器等海洋结构物的极端环境载荷在过去的10年里，对该方法的各种定义通讯作者：不来梅大学，生产工程学院-机械和过程工程，集成产品开发研究所（BIK），Badgasteiner Straße 1，D-28359，不来梅，德国。电子邮件地址：a. uni-bremen.de（A.F. Haselsteiner）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.01.003环境等值线法可以理解为一类不同的特定环境等值线法的总称。这些具体的方法是例如逆一阶可靠性方法（IFORM）[3]、逆二阶可靠性方法（ISORM）[4]、Huseby等人的基于超平面的轮廓方法。[5]和最高密度等高线法（HDC法）[6]。环境等值线法在工程实践和学术研究中有着广泛的应用学术研究人员在分析结构时经常使用环境等高线法。在过去的二十年里，风力涡轮机设计及其结构分析成为一个大的研究领域，许多作者在他们的工作中使用环境等高线法[8同样，研究人员致力于船舶的结构分析[13]，波能转换器2352-7110/©2019作者。由爱思唯尔公司出版这是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/softx96A.F. Haselsteiner，J.Lehmkuhl，T.Pape等人/SoftwareX 9（2019）95图1.一、 ViroCon的软件架构使用统一建模语言（UML [ 7 ]）可视化。为了简单起见，只显示了最重要的包和类[14，15]、用于石油和天然气生产的浮式结构物[16环境等值线法是一种公认的确定极端环境荷载的方法，在各种工程指南和标准中得到推荐[21因此，它有潜在的应用，每当一个研究项目需要一个合理的方式来定义这样的负载。在许多研究项目中，环境等值线法是需要作为前提的，但不是研究的核心然而，研究人员需要首先将环境等高线法的统计概念转化为机器可读的步骤，然后编写软件。目前，据作者所知，没有公开提供的软件包，支持多种环境等高线方法。作者知道环境轮廓法的两个开源实现：（i）WEC设计响应图中逆一阶可靠性方法的Python实现[24]和（ii）最高密度轮廓法的Matlab实现[25]。此外，作者知道两个闭源实现：（iii）所有这些实现都集中在单个特定的环境轮廓方法上（当基于对不规则区域的定义对方法进行分类时在这里，我们介绍了软件（MultivariateDistribution）和关于计算的环境轮廓的信息（IFormContour、ISormContour和HighestDensityContour）。 软件包viroconweb包含三个主要的软件包：用于呈现静态网站的info，用于处理网络应用程序用户的user和用于与环境轮廓计算相关的所有内容的contour。2.2. 软件功能虽然软件开发人员可以以各种方式使用viroconcom，但我们围绕两个工作流程设计了viroconweb的用户界面用户的主要工作流程是从上传包含测量数据的csv文件开始（图1）。2）的情况。这些测量数据首先被存储，然后用于拟合概率模型。该模型也被存储，并可用作计算环境轮廓的输入。如果用户计算环境轮廓，则首先保存所得到的轮廓然后，用户可以下载描述轮廓的报告，或者下载保存轮廓坐标的csv文件另一种工作流程是直接定义概率模型（而不是将其拟合到测量数据）。然后，该概率模型可以用作计算环境轮廓的输入。ViroCon提供了条件建模方法（CMA）[30]来定义多变量分布。多元分布可以通过对单个变量使用正态分布、对数正态分布和威布尔分布，并通过用相关函数对变量之间的相关结构进行建模来建立。可用的依赖函数是3参数指数函数，f（x）=c0+c c1exp（xc2）和三参数幂函数f（x）=c0+2. 软件描述ViroCon是用Python 3.6编写的它分为两个主要的软件包，一个 称 为 viroconcom ， 它 实 现 了 统 计 计 算 程 序 ， 一 个 称 为viroconweb，它提供了一个易于使用的基于浏览器的图形用户界面。2.1. 软件构架软件包viroconcom执行统计计算，而软件包viroconweb是一个Django Web应用程序[28]，它导入viroconcom以访问其统计方法（图10）。①的人。软件包viroconcom包含主要类Fit、MultivariateDistribution、IFormContour、ISormContour和HighestDensityContour。这些类保存包c1x 2。这些模型元素允许用户构建广泛的其中包括DNVGL权威推荐规程DNV-RP-C205[22]中目前推荐的有效波高和谱峰周期的二元模型以及有效波高和风速的二元模型。Viroconcom的方法是针对n维实现的，然而Viroconweb的可视化仅限于四维。将模型拟合到测量数据是基于最大似然估计。目前的版本为用户提供了计算环境等值线的基础上，逆一阶可靠性方法，逆二阶可靠性方法和最高密度等值线方法（表1）。然而，在viroconweb轮廓可用。2.3. 软件评估通过计算与Vanem和Bitner-Gregersen [31]、Haselsteiner等人[32]中提出的类似环境等高线，对实施的环境等高线方法进行了评估[6]美国A.F. Haselsteiner，J.Lehmkuhl，T.Pape等人/SoftwareX 9（2019）9597× ≈×= × × =×图二. Viroconweb的 软 件 功 能 可 视 化 为 流 程 图 ， 其 示 出 了 计 算 环 境 轮 廓的 主 要 步 骤 。用户可以从上传测量数据开始（开始1），也可以直接定义概率模型（开始2）。表1实施了环境等高线方法。IFORM =逆一阶可靠性方法等高线，ISORM =逆二阶可靠性方法等高线，HDC =最高密度等高线。[6]第四届中国国际汽车工业展览会viroconcom × × ×viroconweb ×[14]李和。这些等值线是以有效波高（Hs）和零上升周期（Tz）为变量的概率模型为基础的该模型为了评估，见图4。一个环境轮廓的基础上的逆一阶可靠性方法（IFORM）计算与viroconcom的类IFormContour。我们计算了重现期为25年和50年的环境等值线。因此，重复概率为α 1/（25 365。25 24/6）2. 74 10−5和α1/（50365 2524/ 6）1 .一、3710-5我们报告最大值沿等值线的有效波高和零上升期（表2）。这两个值并不代表一个单一的海况，因为Hs的最大值出现在一个不同的海况比Tz的最大值。使用viroconcom计算的值与Vanem和Bitner-Gregersen [31]、Haselsteiner等人[6]以及Chai和Leira [4]的结果相当（表2）。总之，在我们在文献中发现精确值的每种情况下（10个中的5个，表2），文献结果与病毒共存结果之间的偏差远小于1%。3. 说明性实例3.1. 通过导入viroconcom计算轮廓viroconcom包被设计成一个可导入的Python包，用户可以导入它来访问它的方法。清单1给出了一个示例，用户可以如何导入Fit和IFormContour类，首先将分布拟合到一些样本数据，然后计算环境等高线。用户可以可视化计算出的拟合图3.第三章。左 ：使用viroconcom类拟合（使用最大似然估计）拟合样本的Weibull分布。右：通过调用scipy的[29]函数stats.probplot生成的分位数-分位数图评估模型拟合的质量。98A.F. Haselsteiner，J.Lehmkuhl，T.Pape等人/SoftwareX 9（2019）95（图3）和环境轮廓（图。4），例如使用流行的包matplotlib[32]。3.2. 使用viroconweb的图形用户界面计算轮廓该软件包viroconweb旨在提供一个易于使用的图形用户界面，以适应测量数据的概率模型，然后计算环境轮廓。我们实现了视图，显示用户概述他们所有的测量数据，概率模型和环境轮廓。在给出概率模型概述的视图中，用户可以点击相应的符号来计算IFORM轮廓或最高密度轮廓（图10）。 5）。如果用户点击这些符号之一，他们将看到一个视图，其中他们必须输入环境轮廓的设置，例如环境状态的重现期或持续时间经过确认通过设置，用户将被呈现一个视图，该视图示出了计算的环境轮廓，并且提供了下载报告和下载极端环境设计条件（轮廓的坐标;图1）的可能性。6）。4. 影响由于环境等值线法是一种广泛使用的确定极端环境负荷的方法，这些方法的精心设计的实施可能产生广泛的影响。该方法在权威的工程指南和标准中被推荐，如国际岩土工程技术委员会[21]和DNVGL [22，23]。它用于海上风力涡轮机[8- 12 ]、船舶[ 13 ]、波能转换器[ 14，15 ]、石油和天然气浮式结构的设计和分析。A.F. Haselsteiner，J.Lehmkuhl，T.Pape等人/SoftwareX 9（2019）9599图五. 关于用户“max_mustermann”可以访问的所有概率模型的概述。该屏幕由viroconweb软件包生成，为用户提供了与其他用户共享概率模型见图6。 Viroconweb的环境轮廓的输出。用户“max_mustermann”看到他计算的环境轮廓。有关等高线和用于计算等高线的概率模型的所有信息都汇总在报告中。用户可以下载此报告或下载ASCII文件形式的极端环境设计条件（等高线生产[16因此，从事海洋结构物工作的学术研究人员和从业人员都是该软件的潜在用户。ViroCon可以帮助研究人员，谁追求有关海洋结构的设计和分析的研究问题。使用viroconweb软件包，研究人员可以从测量文件开始，以简单，快速和可重复的方式结束一组极端环境这样，研究人员可以定义设计条件，比他们自己实现拟合和轮廓方法更快，此外，研究人员可以很容易地复制同行在其研究中使用的设计条件（如果两者均使用ViroCon中实施的标准方法）。这样，在极端环境载荷下对海洋结构物的研究可以获得可重复性和可比性。我们预计ViroCon影响的另一个研究领域是比较不同环境轮廓方法或探索环境轮廓方法的特性的研究。此类研究例如Leira[33]、Huseby等人[5]、Jonathan等人[34]、Vanem [35-37 ]、Eckert-Gallup和Martin [ 38 ]、Haselsteiner等人的出版物[6，39]，Chai and Leira [4]，Gramstad100A.F. Haselsteiner，J.Lehmkuhl，T.Pape等人/SoftwareX 9（2019）95表2评价已实施的环境等高线方法。沿计算和公布的环境等高线的最大值进行比较。α=重复概率，IFORM=逆一阶可靠性方法，ISORM=逆二阶可靠性方法，HDC=最高密度等高线。α方法源最大Hs[m]最大Tz[s]1 .一、37×10−5IFORM[6]美国伴随病毒15.2315.23a13.9613.95aISORM[6]美国伴随病毒约17.35a约14.89aHDC法[6]美国伴随病毒16.7916.79a14.6414.62a二、74×10−5IFORM[三十一]伴随病毒14.6214.62约13.5bISORM[4]美国伴随病毒约16.8b约14.7bHDC法伴随病毒16.1814.36a可以通过运行viroconcomb根据公布的数字估计。[18][19] ViroCon可用作重要方法的公认实现，并可扩展以包括用于拟合分布和计算环境轮廓的更多方法。5. 结论在这里，我们介绍了一个名为ViroCon的软件，它实现了将多变量分布拟合到测量数据的方法以及基于该分布计算环境轮廓的方法。环境等值线是一种合理的方法来定义对应于一个给定的重现期的多元极值。我们将ViroCon结构化为具有两个主要软件包，viroconcom用于统计计算，而vi-roconweb用于易于使用的图形用户界面。由于有关海洋结构物设计和分析的广泛研究问题需要合理定义环境条件的极值，我们预计ViroCon将被许多研究人员使用致谢A.F.H. 谢 谢 F 。 巴 尔 ， M.Haselsteiner 和 L. Ströer 测 试viroconweb 并提供 关键反馈 ， S 。 Rahms 审查源代码和J. - H.Ohlendorf对viroconweb的改进建议和对项目的一般支持所有作者感谢N.伯格曼角，澳-地卡斯滕斯湾Lechner，T. Meyer，F. Möller和E.Rother支持Viro-Con的alpha版本的开发这项研究没有从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何具体的资助引用[1]哈 弗 S 挪 威 北 部 波 浪 气 候 Appl Ocean Res 1985;7 （ 2 ） ： 85http ：//dx.doi.org/10.1016/0141-1187（85）90038-0.[2]哈弗S关于海浪高度和周期的联合分布。海洋工程 1987;14（5）：359-76.http：//dx.doi.org/10.1016/0029-8018（87）90050-3.[3]Winterstein SR，Ude TC，Cornell CA，Bjerager P，Haver S.极端响应的环境参数：带省略因子的逆形式第六届结构安全与可靠性国际会议论文集。一九九三年[4]Chai W ， Leira BJ. 基 于 逆 SORM 的 环 境 轮 廓 Mar Struct2018;60 ： 34-51.http://dx.doi.org/10.1016/j.marstruc.2018.03.007网站。[5]作者：Huseby AB，Vanem E，Natvig B.基于直接蒙特卡罗模拟的海洋工程环境等值线新方法。OceanEng2013;60：124-35.http://dx.doi.org/10.1016/j.oceaneng.2012.12的网站。034.[6]吴伟杰，李伟杰.从最高密度区域导出环境轮廓。海岸Eng 2017;123：42-51.http://dx.doi.org/10.1016/j.coastaleng.2017.03.002网站。[7]对象管理组。OMG统一建模语言（OMG UML），基础架构，版本2.4.1。Tech.代表，2011年，http://www.omg.org/spec/UML/2.4.1/Infrastructure/PDF。[8]曼努埃尔·萨拉尼亚松东采用环境等高线法的风力涡轮机设计载荷。太阳能工程杂志2006;128（4）：554网址：//dx.doi.org/10.1115/1.2346700网站。[9]曼努埃尔·萨拉尼亚松东根据环境等高线法评估海上风力涡轮机基于可靠性的设计载荷的准确性。国际海洋极地工程杂志2006;15（2）：132-40.[10][10]杨文辉，李文辉.海上风力涡轮机支架的强度、工程结构2015;100：332-41。http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2015.06.021网站。[11]放大图片作者：Karmakar D，Bagbanci H，Guedes Soares C.用环境等高线法预测筒式和半潜式浮式风力涡轮机的长期极端载荷J Offshore Mech ArctEng 2016;138（2）：021601 http://dx.doi.org/10.1115/1.4032099网站。[12]刘杰，刘伟.由半潜式平台支撑的大型海上风力涡轮机上的长期载荷在proc第34届风能大会。2016. http://dx.doi.org/10.2514/6.2016-1995网站。[13]Armstrong C，Chin C，Penesis I，Drobyshevski Y. 船舶对极端海况环境等值线响应的灵敏度。输入：程序第34届海洋、近海和北极工程国际会议。美国机械工程师协会（ASME）;2015，http://dx.doi.org/10.1115/OMAE2015-41680。[14]作者：Muliawan MJ，Gao Z，Moan T.应用等高线法估算两体浮式波浪能转换器系泊缆的极端响应。J Offshore Mech Arct Eng 2013;135（3）：031301http://dx.doi.org/10.1115/1.4024267网站。[15]杨文，李文.波浪能转换器的长期设计响应分析。更新能源2018;116：356http://dx.doi.org/10.1016/j.renene.2017.09.056网站。[16]放大图片作者：Jha AK，Kumar S.浮式结构物的可靠性：极限响应和载荷系数 设 计 . 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