Python版OpenSees：机器学习时代的结构分析新工具

1. Introduction

简  介

在土木工程领域，一谈到地震工程的模拟，很多人第一个想到的就是开源软件OpenSees。

OpenSees，全称“The Open System for Earthquake Engineering Simulation”，是在美国PEER（Pacific Earthquake Engineering Research Center）的赞助下，由土木工程领域的殿堂级名校加州大学伯克利分校开发。

与经典的商业有限元软件ABAQUS和ANSYS相比，OpenSees最大的优势在于其开源性，其社区中，有着一批充满活力的开发者，支持着OpenSees不断进步，目前，在土木工程学术界的国内外主流期刊上，均有大量基于OpenSees的研究。

2. Problems for OpenSees Rookies

OpenSees小白的困境

与经典商业有限元软件相比，OpenSees对于小白而言，是相对不友好的。软件由C++语言编写，但调用却是Tcl脚本语言。

Tcl脚本语言是一种工具命令语言（Tool Command Language），虽然在百度百科的介绍中，这是一款极为强大的编程语言，但对于土木工程领域的学生而言，却是一款陌生的编程语言，这无形中增加了OpenSees的学习难度。

根据国外TIOBE网站的2021年1月的编程语言排行，第一至第五分别是C，Java，Python，C++，C#，而Tcl语言的榜单排名仅为第99名左右，编程语言的“热度”较低。

图1

当下已有了一些OpenSees的GUI解决方案，譬如OpenseesPL，GiD+Opensees等。然而，这些GUI解决方案有的是为专门的问题开发，通用性较差，另外一些又基于收费的建模平台，对于一般囊中羞涩的小白而言，友好程度较低。

图2

3. OpenSees of Python and Coding Environment

Python版OpenSees及其编程环境搭建

在上述背景下，Python版的OpenSees，即OpenSeesPy应运而生。OpenSeesPy是OpenSees的Python第三方包，由俄勒冈州立大学的Minjie Zhu教授开发，并在持续不断地更新中，最新一期的版本是OpenSeesPy 3.2.2.9，于2021年1月28日更新。

与野生的Python第三方库不同的是，OpenSeesPy已得到了加州大学伯克利分校官网的认可，目前已作为原生Tcl语言的替换版本，可在OpenSees的官网（https://opensees.berkeley.edu/）上查询到。

OpenSeesPy支持几乎所有的Python3.0语言。同时，由于是近些年新开发的Python包，其在线文档的可读性较原生Tcl语言有了质的飞跃，对于小白的友好程度大大提升。

图3

为何OpenSeesPy的出现预示着OpenSees机器学习时代的来临呢？

原因就在于，OpenSeesPy几乎可以无缝衔接Python所有的机器学习或深度学习的Python包，例如Tensorflow，Pytorch。由OpenSees计算出的数据，利用Python自带的转换工具，可方便快捷地转换为Tensorflow和Pytorch模型训练所需的张量型数据。

图4

编程环境的搭建对于小白而言也是一个较大的拦路虎，所幸的是，对于小白而言，Python编程环境有一个极为方便的“万金油”搭建方式，即ANACONDA编程环境。

ANACONDA是一个开源版本的Python。对于小白而言，其最突出的优势在于“一键安装”，不用过多地极为复杂的系统环境变量的配置。对于第三方包，ANACONDA的优势则更为突出，往往简单地利用conda install 或 pip install命令即可成功安装，很少出现包与包之间不兼容的问题。

ANACONDA中的Python版本可以基于虚拟环境安装，即，每个虚拟环境都可以安装完全不同的Python版本，譬如虚拟环境1中安装Python 2.7而同时在虚拟环境中安装Python 3.8，不同的虚拟环境相互不会影响。

OpenSeesPy目前支持的最高Python版本是Python3.8，编程环境搭建的一般流程为：

· 安装ANACONDA

→在ANACONDA中创建虚拟环境

→在虚拟环境中安装Python3.8或其他可行版本

→安装OpenSeesPy

→安装其他所需的科学分析包

免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删