[论文解读] Environmental contours based on kernel density estimation

Andreas F. Haselsteiner, Jan-Hendrik Ohlendorf+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2017

Wind and Air Flow Studies参考文献 6被引用 11

一句话总结

本文提出使用恒带宽核密度估计（KDE）来建模海上风力涡轮机设计中显著波高与风速的联合概率分布。与传统的条件建模方法相比，KDE能更好地捕捉到波高和风速同时较高的极端环境条件，从而生成更准确、更全面的环境轮廓，涵盖关键的设计载荷。

ABSTRACT

An offshore wind turbine needs to withstand the environmental loads, which can be expected during its life time. Consequently, designers must define loads based on extreme environmental conditions to verify structural integrity. The environmental contour method is an approach to systematically derive these extreme environmental design conditions. The method needs a probability density function as its input. Here we propose the use of constant bandwidth kernel density estimation to derive the joint probability density function of significant wave height and wind speed. We compare kernel density estimation with the currently recommended conditional modeling approach. In comparison, kernel density estimation seems better suited to describe the statistics of environmental conditions of simultaneously high significant wave height and wind speed. Consequently, an environmental contour based on kernel density estimation does include these environmental conditions while an environmental contour based on the conditional modeling approach does not. Since these environmental conditions often lead to the highest structural responses, it is especially important that the used method outputs these conditions as design requirements.

研究动机与目标

• 通过用核密度估计替代传统条件建模方法，提高海上风力涡轮机设计中环境轮廓方法的准确性。
• 解决条件建模方法在无法捕捉显著波高和风速同时较高的极端联合条件方面的局限性。
• 确保设计载荷条件包含导致最大结构响应的最关键环境情景。
• 通过使用非参数密度估计，为基于可靠性的海上结构设计提供更稳健的统计基础。
• 通过与现有方法对比，验证基于KDE的轮廓在表征环境变量完整联合分布方面的优越性。

提出的方法

• 使用恒带宽核密度估计非参数地估计显著波高与风速的联合概率密度函数。
• 将KDE应用于历史环境数据，以建模多变量分布，而无需假设特定的参数形式。
• 通过识别对应于指定重现期的估计联合密度的等高线，构建环境轮廓。
• 将所得轮廓与传统条件建模方法（如给定波高时的威布尔分布）导出的轮廓进行比较。
• 采用带宽选择方法，平衡密度估计中的偏差与方差，确保密度估计平滑且可靠。
• 通过评估极端联合条件（即同时具有高波高和高风速）是否包含在所得轮廓中，对方法进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 与条件建模相比，核密度估计是否能更优地表征显著波高与风速的联合分布？
• RQ2 基于KDE的环境轮廓是否包含同时具有高波高和高风速的极端环境条件？
• RQ3 KDE生成的轮廓中包含联合极端条件，对结构设计载荷评估有何影响？
• RQ4 KDE是否比条件建模更适合捕捉导致最大结构响应的全部环境条件范围？
• RQ5 非参数密度估计对海上工程中环境轮廓方法的可靠性和保守性有何影响？

主要发现

• 核密度估计在不假设参数形式的情况下，成功捕捉了显著波高与风速的联合分布。
• 与条件建模方法不同，基于KDE的环境轮廓包含了同时具有高波高和高风速的极端条件。
• KDE方法识别并包含了对结构响应至关重要的环境条件，而这些条件在条件建模方法中系统性地被排除。
• 基于KDE的环境轮廓更加全面，更能真实反映极端环境载荷的风险。
• 本研究证明，KDE为海上风力涡轮机的基于可靠性设计提供了更准确、更可靠的依据。
• 对比结果表明，条件建模方法低估了联合环境极端情况的严重性，可能导致设计不安全或过度保守。