文摘

本章提出了一种可靠性研究离岸夹克结构强调非传统建模的特点。首先,随机集模型是制定建模的随机波浪在海洋的网站。然后,一件夹克结构进行推覆分析确定临界波方向和关键结构元素。这是基于终极基础抗剪强度。选中的概率模型采用的重要结构中指定的成员和波浪方向是最弱的方向结构保守的安全分析。P-box格式处理波高的模型用于数值分析。将模型应用于找到夹克的失败概率结构的边界。这波的传播模型的研究结果的不确定性区间分析和蒙特卡洛模拟。结果相比,在上下文的信息内容和数值精度。此外,失效概率界限比较与传统概率的方法。

1。介绍

可靠估计极值波高是一个重要的先决条件的沿海和海上结构物的设计(1,2]。许多研究人员和他们所采用的评估方法已经总结了穆尔和El-Shaarawi [3],Goda [4],古埃德Soares [5张,和林6]。这些涵盖了广泛的统计模型拟合测量数据的海洋参数,像对数正态7),威布尔(8),广义伽马(9),和β(10概率分布模型。除了这些,峰值超过阈值(锅)方法被认为是相当强大的建模的极限波高(11- - - - - -15)(曹张,2015)。但是锅法的主要问题是选择一个合适的阈值,问题,目前许多研究人员调查16]。由于阈值是用来确定一个特定群体的数据命名为“极端,”长期极端值的预测并不可靠。一个通用的方法选择仍然缺乏精确的阈值。回顾总结了传统统计方法依赖的假设并不适合处理这种不确定性。因此,本研究探讨了非传统模型作为一种替代方法建模的极限波高。

离岸结构的分析和设计,包括考虑波浪的决定性的负载。波加载的现实建模尤为重要,以确保足够的性能可靠的这些结构(17,18]。不幸的是,有大波动负荷的变化。波高、波加载,这是一个主要因素被认为是时变和不同气候条件下可以明显不同19]。这些变化可能是由于各种因素如interseasonal变化,年际变化和年代际变化(20.]。这已经注意到许多气候学家在最近一段时间(21- - - - - -24]。这些变化的影响在海洋应用中也提到在25]。

与此同时,它是意识到工程安全评价都可能涉及到各种类型的不确定性模型。在实际问题中,不同形式的模型可能需要在同一个系统26]。这需要新开发的建模能够将不同类型的信息。这些模型是随机集建模之一,这是一种不精确概率(韦利1990)。随机集,或有时被称为P-box,扩展传统的概率理论允许间隔或套概率(27]。不仅可以表示与未知参数分布,但也与未知分布模式或未知参数的依赖。使用P-box显示显著的优势在许多工程案例研究调查之前的研究者们28- - - - - -30.]。计算技术与结构分析的不精确概率也同时被开发出来。Ferson和唐纳德31日)已经开发出一种正式的概率范围分析,便于计算。其他类似的方法可以从Berleant [32]。这被证明是非常有用的在工程设计工作33]。这些方法的算法主要是属于区间算术或蒙特卡洛模拟。

本研究的重点是探讨在波高不确定性建模及其在海洋工程中的应用。在这项研究中,测量时间序列数据,从一个浮标位于美国的西海岸,是选定的极端值建模。首先分析了原始数据的参数模型来估计极端形式。峰值超过阈值(锅)方法应用于不同的数据集。考虑信息的不确定性,使用的非平稳泊松过程点的特征出现的极端。帕累托的稳定家庭用于极端值建模是研究从几个统计的观点来获得一个可行的阈值范围。随机集理论强调制定极端的不精确概率模型通过使用一组阈值。所构造的不确定性模型然后介绍代表极端波高。本研究的重点是调查处理不精确概率信息并显示不精确概率可以为处理不完备信息在工程分析提供了一个框架。因此,这种不确定性模型的处理是通过可靠性分析与考虑一些不确定性的力学性能。最后的结论是强调。

2。数据使用

在这项研究中使用的数据从国家数据浮标中心下载(NDBC)浮标46029 (http://www.ndbc.noaa.gov/;2010年11月访问),它位于哥伦比亚河以西的嘴。准确的测量位置是46岁37°8′′′N 37 124°30′′′W。水深135.3米,看圆半径是48.3公里(281码)。记录的有效波高(Hs)数据可以追溯到1984年,最近一段时间。

收集到的数据的Hs 8766年每年包含观察基于每小时记录。它清楚地表明,冬季时间从9月到4月是全年最艰难的时间。这个占主导地位的最强风暴的季节可以导致Hs显著不同于其他时间和被认为是一个不同的数据集。因此,这段时间有相应的数据总样本量5088调查的选择。更准确的分析,只有部分数据具有高度的数据完整性是本研究中提取。这对应于年01-02 02-03 03-04,- 06、07,和09-10缺失数据的百分比为2.79%,0.33%,0.94%,3.01%,2.14%,和1.10%,分别。时间序列数据可以从人物的情节1- - - - - -6。下一节将进行统计建模的极值波高记录。

3所示。锅在建模中的应用极限波高

相比传统的极端的统计模型,锅里不需要有严格的统计相似性的数据34]。只要数据是固定有一个弱依赖关系结构其参考期间,极端方法是合适的模型。在这种情况下,由于原始数据从指定的样本选择时期,冬天,时间序列数据的统计特性被认为是静止的。因此,不同人群所带来的不确定性可以基本消除。

锅前方法应用于时间序列数据,首先declustering方案执行。这包括选择合适的阈值和时间跨度将“极端事件”从原始数据(见图7)。这两个参数是与时间有关的,因为大自然的变化。选择一个合适的时间跨度广泛的价值观已经被研究人员建议(见[26,35- - - - - -37])。建议选择一个时间跨度在这样一个最优的方法这是一个最小值,从而保证持久的泊松过程的时间序列的极端。在这项研究中,强度函数建模为一个常数暗示的出现率在整个参考时间保持不变。在这里,三个被选择的测试时间极端之间的依赖关系,1天,3天,10天。此declustering中使用的阈值是4.0。如果没有分离,零时间跨度,也包括评估的依赖关系建模的影响。而增加,极端事件的数量减少,从而导致大估计返回值。这是完全相同的情况时,阈值增加。如图8分离,通过将时间跨度的极端,理论泊松模型的拟合是高度改善。原来的依赖性很高,当时间跨度并不适用。然而,合适的转向是穷人一旦时间跨度增加到10天。原因是数据的短缺的一种有效的学习方法。因此,时间跨度1天或3天泊松模型被认为是一个适当的值。在这项研究中,一个时间跨度 一天了。

选择一个合适的阈值是由帕累托分布模型的稳定性。广义帕累托分布的重要方面(加仑日)模型是通过增加阈值进行测试。极端的出现率阈值的变化总结表1。很明显,加仑日模型是高度稳定的维持在阈值的范围从2.4到6.4,除了一些小偏差为2.6和2.8。事实上,当阈值是不被认为是合适的值低于3.5。因此,3.5的下限阈值应该是必需的。

最后,检查后在这些情节,可以得出一系列的阈值对帕累托模型来说是足够的。阈值的选择的不确定性仍然存在。

4所示。提出了随机集和P-Box建模

加仑日模型被发现为一组阈值是有效的。泊松过程无法进行一定程度的判断的使用一个特定的阈值。这个不精确信息的阈值不能被消除在传统统计方法的阈值时间序列数据不一致。因此,一个值的阈值是不推荐一个精确的考虑。

与传统的统计方法,随机集可以提供一个很好的组合锅模型量化阈值的不确定性。从这个角度来看,通过随机集的优势,提出了非传统模型。不同的阈值被认为是各种信息来源。这些信息来源是由一个随机集合。这些组合的平均过程应用于概率质量的任务:

在这里,可行的阈值范围间隔分为14和15阈值获得这些间隔。表2显示了25年的焦点设置返回值从每个阈值和概率质量获得任务。

基于Demspter-Shafer理论,累积概率的范围可以从这些随机集(见图9)。计算模型也为50 - 100年返回值和呈现在图。可以看出,通过增加返回期间,估算值的范围变得更精确。信念函数在这种情况下显示了更大的变化比可信性函数,从而给出了一个不精确的上界的返回值。图9提出了一种综合的方式来表示加仑日中的不确定性模型。的敏感性估计返回水平值的阈值可以很容易地从情节。这也给了一个指示是否需要进一步的信息,减少不确定性的模型公式。它提供了足够的灵活性的工程决策。随机集的方法提供了一个通用的规则组合这量化统计的不确定性在锅中模型。不精确的界限可以捕捉的全部范围的选择阈值的不确定性。分析表明,使用的可能性和优势提出了非传统模型预测极端有效波高。

5。海上结构物可靠性分析:P-Box方法

在实际问题中,需要使用随机集模型在结构数值分析。这需要新发展从工程的角度不确定性信息的管理。本节提出了一种P-box离岸夹克结构可靠性的研究重点是非常规随机集的特性建模。

5.1。结构描述

一个现实的北海夹克结构取自USFOS示例模型分析(24]。结构如图10。

结构是一个8-leg夹克,设计水深110米。腿排列在一个由四个矩形网格与中央两条腿的平台。总的来说,最高海拔的维度27×54米,发射腿相距20米,底部的尺寸线是56×70米。总高度142米,水平撑5水平(见图11)。可以找到更详细的结构描述USFOS手册(38]。

5.2。静态推覆分析

夹克结构的极限强度是决定通过一个静态USFOS推覆分析。对于这个示例,波和当前被认为是唯一的外部载荷和其他环境因素被忽略。基底剪力强度可靠性分析中被认为是阻力。

一个很受重视的阶段和方向的影响波。这里,首先分析各种夹克结构波方向和阶段确定基底剪力的关键反应。调查是在所有波的方向进行全面考虑波阶段(图12)。它认为180°方向,最小的终极基础抗剪强度,发现是最临界状态和用于分析一个保守的考虑。

除了波变化的建模特点,几种不确定性与关键结构的力学性能也会考虑。基于极限强度分析平台,对角线成员海平面以下显示高度的可塑性利用基础剪切破坏前的夹克(见图13)。它表明对角成员对其他成员的重要性在整个结构的极限强度。因此,在目前的研究中,选择不确定性与制造业和腐蚀效应(减少厚度)是应用于套结构的关键要素。钢的屈服强度BS 968高强度管使用对数正态分布来描述变异系数为0.05 ~ 0.08贝克(1969)。厚度与腐蚀效果的不确定性建模在正态分布变异系数为0.17。这是基于一个实验研究[24]。详细的总结在表的数据3。

终极基础剪切阻力是由环境决定的设计荷载乘以储备强度比(RSR),这被定义为

在这个例子中,一个设计环境波加载对应的波高25米,使用16秒。2米/秒的恒流设计中还包括环境负荷。利用响应面方法近似这种反应价值,而屈服强度和厚度作为输入(39]。选择交叉项的二次多项式计算秩和之间的近似关系: 的屈服强度是在单位10⁸N /毫米²;厚度是在单位10⁻²m。选择适当的模型可以检查剩余阴谋(见图14)。

响应可以近似基底剪力(4)与波高和当前的形式(40] 在哪里电流和速度吗,,是常数。作为当前被认为是固定的速度,当前速度相关的因素可以被视为常数。这些常数的确定可以通过曲线拟合过程(图15)。这给响应的近似方程基底剪力 在哪里响应基底剪力与MN单位;是单位的波高米。波的周期是被16秒的假设一致的分析。然而,我们应该意识到,还有很多其他的方法可以用来预测极端波浪载荷(41- - - - - -49]。例如,NewWave概要文件(50)将最可能的形状的大型线性波峰高度。

曲线拟合的质量检查通过调查真实之间的残差和安装的。残情节呈现在图16。可以看出,残差可以遵循一个非常严格的正态分布。方差通常很小,表明拟合模型的方程。然而,我们应该意识到这个配方中包含的错误不仅包含错误的(3),但是同样的错误(5)。两个方程近似负荷和强度包含错误。本文的讨论在以后的部分必须提前意识到这个错误传播方案。

最后,性能函数可以表示为:

因此,最终的基底剪力失效概率可以通过给予 。作为概率模型和P-box模型存在于系统,失效概率调查可能涉及区间概率分析。这可能被视为一个通用输入区间的映射失效概率: 在哪里 。在这种情况下的主要区别是,上下边界值不精确(P-box方法)来决定。

P-box特点是一个混合的情况下,指定概率不确定数量的界限与底层随机性,不知道细节。假设和不减少的功能映射是实线吗到和 对所有 。让表示所有不减少的函数的集合F从实数这样 。当函数和限制一个不严密地已知的概率分布,模型,对指定的函数,称为“盒子”概率或不精确概率分布(Ferson 1998)。这意味着,如果为一个随机变量概率是一个“盒子”的分布概率是未知的,除了在“盒子”,然后呢是一个下界吗这是(不知道)概率随机变量小于。同样的,是一个上限相同的概率。从一个较低的概率测度为一个随机变量,一个可以计算上界和下界上使用以下(分布函数27]:

如图17,左边是概率的上界和下界分位数(也就是说,值)。正确的绑定是概率的下界和上界分位数。

因此,结果不能简单地基于区间分析计算。P-box模型获得的波高的部分4离散形式。最后的计算结果可能由算术P-box结构讨论了塔克的工作和Ferson [51]。区间分析找到失效概率进行绑定 对应于每个离散15间隔 P-box。相等的概率分配给结果 系统中没有考虑依赖。结果然后通过分组间隔在堆叠P-box(图15反应18)。

的最大和最小值P-box,对应于1.12×10⁻¹¹和2.77×10⁻⁸失效概率,可以代表一个信封。这基本上是一个约束的失效概率,同时在一个指定的波高概率精确形式。一般的聚合配方的信封在这种情况下可以表示为

应该注意的是,这种聚合规则并不总是正确映射函数是否发生了变化。或者,可以计算失效概率边界间隔蒙特卡罗方法。这个过程是基于重复计算一系列的概率函数在有界P-box地区。很有效的P-box模型,建立了一些参数的不确定性,例如,均值或方差,但在P-box并不可行由随机集模型。然而,蒙特卡罗模拟的帮助仍然可以由参数模型配件有界函数。这里,三个典型概率分布函数,γ,对数正态,和威布尔利用。虽然这些分布可能是有争议的,他们需要评估的性能函数通过蒙特卡洛模拟。失败的概率获得这些参数模型具有可比性。这些都是总结表4。获得的结果与蒙特卡罗模拟结果有很好的一致性区间分析的计算。一般比较这两种方法在近似边界也见图19。良好的协议结果进一步证明了提出P-box方法的适用性。

随机集的方法提出了本研究提供了一个通用的描述规则量化统计的不确定性与锅相关模型。不精确的界限可以充分反映极端值的不确定性建模的范围(52]。这些建议的可能性和优势使用随机集模型不确定性信息管理在近海工程。

6。结论

在这项研究中,一组非传统型随机模型,建立了考虑非平稳的预测极限波高。介绍了随机集结合一组阈值估计,使得阈值的不确定性。非传统模型的适用性研究针对概率界限的返回值。这是合理的离岸结构可靠性分析的研究是由使用不同的波高的模型。非平稳的影响在极限波高分布调查失效概率范围是通过在结构分析计算程序。主要结论如下。(我)P-box模型具有显著的优势,超过传统的概率。它提供了一个方便的和综合的方式来表示非平稳的分布模型。估计范围的回报水平被发现有足够的保守主义相比,估计从传统的概率模型。(2)P-box模型的传播执行在一个区间分析和蒙特卡罗模拟进行结构分析。可靠性分析的结果也是P-box格式表示。与传统的概率方法相比,P-box失效概率给出了一个更灵活的回答而某些非平稳的效果显示不精确的边界。这为工程师们提供了更多的信息,使决策尤其是对现有结构暴露在一个变化的环境。我们所知,海洋工程中的不确定性信息的问题是通过随机集理论实现的。此外,案例分析的结果显示其好处在可靠性工程实际应用。许多其他应用程序相关的可靠性和不确定性分析,而不是只能在未来进行近海工程应用研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。