OpenSees的機器學習時代即將來臨？——Python版OpenSees小白漫游指南
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1. Introduction
在土木工程領域，一談到地震工程的模擬，很多人第一個想到的就是開源軟件OpenSees。
OpenSees，全稱“The Open System for Earthquake Engineering Simulation”，是在美國PEER（Pacific Earthquake Engineering Research Center）的贊助下，由土木工程領域的殿堂級名校加州大學伯克利分校開發。
與經典的商業有限元軟件ABAQUS和ANSYS相比，OpenSees最大的優勢在于其開源性，其社區中，有著一批充滿活力的開發者，支持著OpenSees不斷進步，目前，在土木工程學術界的國內外主流期刊上，均有大量基于OpenSees的研究。
2. Problems for OpenSees Rookies
與經典商業有限元軟件相比，OpenSees對于小白而言，是相對不友好的。軟件由C++語言編寫，但調用卻是Tcl腳本語言。
Tcl腳本語言是一種工具命令語言（Tool Command Language），雖然在百度百科的介紹中，這是一款極為強大的編程語言，但對于土木工程領域的學生而言，卻是一款陌生的編程語言，這無形中增加了OpenSees的學習難度。
根據國外TIOBE網站的2021年1月的編程語言排行，第一至第五分別是C，Java，Python，C++，C#，而Tcl語言的榜單排名僅為第99名左右，編程語言的“熱度”較低。
| 編程語言 |
排名 |
| C |
1 |
| Java |
2 |
| Python |
3 |
| C++ | 4 |
| C# |
5 |
圖1
當下已有了一些OpenSees的GUI解決方案，譬如OpenseesPL，GiD+Opensees等。然而，這些GUI解決方案有的是為專門的問題開發，通用性較差，另外一些又基于收費的建模平臺，對于一般囊中羞澀的小白而言，友好程度較低。
圖2
3. OpenSees of Python and Coding Environment
在上述背景下，Python版的OpenSees，即OpenSeesPy應運而生。OpenSeesPy是OpenSees的Python第三方包，由俄勒岡州立大學的Minjie Zhu教授開發，并在持續不斷地更新中，最新一期的版本是OpenSeesPy 3.2.2.9，于2021年1月28日更新。
與野生的Python第三方庫不同的是，OpenSeesPy已得到了加州大學伯克利分校官網的認可，目前已作為原生Tcl語言的替換版本，可在OpenSees的官網（https://opensees.berkeley.edu/）上查詢到。
OpenSeesPy支持幾乎所有的Python3.0語言。同時，由于是近些年新開發的Python包，其在線文檔的可讀性較原生Tcl語言有了質的飛躍，對于小白的友好程度大大提升。
圖3
為何OpenSeesPy的出現預示著OpenSees機器學習時代的來臨呢？
原因就在于，OpenSeesPy幾乎可以無縫銜接Python所有的機器學習或深度學習的Python包，例如Tensorflow，Pytorch。由OpenSees計算出的數據，利用Python自帶的轉換工具，可方便快捷地轉換為Tensorflow和Pytorch模型訓練所需的張量型數據。
圖4
編程環境的搭建對于小白而言也是一個較大的攔路虎，所幸的是，對于小白而言，Python編程環境有一個極為方便的“萬金油”搭建方式，即ANACONDA編程環境。
ANACONDA是一個開源版本的Python。對于小白而言，其最突出的優勢在于“一鍵安裝”，不用過多地極為復雜的系統環境變量的配置。對于第三方包，ANACONDA的優勢則更為突出，往往簡單地利用conda install 或 pip install命令即可成功安裝，很少出現包與包之間不兼容的問題。
ANACONDA中的Python版本可以基于虛擬環境安裝，即，每個虛擬環境都可以安裝完全不同的Python版本，譬如虛擬環境1中安裝Python 2.7而同時在虛擬環境中安裝Python 3.8，不同的虛擬環境相互不會影響。
OpenSeesPy目前支持的最高Python版本是Python3.8，編程環境搭建的一般流程為：
· 安裝ANACONDA
→在ANACONDA中創建虛擬環境
→在虛擬環境中安裝Python3.8或其他可行版本
→安裝OpenSeesPy
→安裝其他所需的科學分析包
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