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多项式混沌展开的浅海水声环境参数敏感度分析

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应用声学 2021年第3期40卷 422-432页

作者：张鹏吴立新胡治国张雪冬中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

水下声场是海洋环境参数的非线性函数,因此环境参数的不确定性必然会引起水下声场预测的不确定性,从而导致与声场预测相关的声呐探测和水声通信等设备性能的下降。该文将Sobol敏感度指数的计算与多项式混沌展开方法相结合,将敏感度指数... 详细信息

水下声场是海洋环境参数的非线性函数,因此环境参数的不确定性必然会引起水下声场预测的不确定性,从而导致与声场预测相关的声呐探测和水声通信等设备性能的下降。该文将Sobol敏感度指数的计算与多项式混沌展开方法相结合,将敏感度指数表达为环境条件的函数,利用Q范数约束的双曲截断方案来减少多项式项数,有效地分析了设定的“浅海负梯度温跃层”信道中8个环境参数及其交互效应对水下声传播的影响。结果表明,沉积层声速是低频远距离声场不确定性分布的最主要贡献参数,同时对于下发下收的情况,声源深度的影响程度随着声源频率增加而逐渐增大。最后应用射线理论从海底反射的角度解释了各个环境因素影响程度差异的具体原因。该文的研究对水声通信和探测系统在浅海不确定环境下的性能预报研究具有重要的参考意义。

关键词：不确定性传播环境敏感度分析多项式混沌展开传播损失

A novel stochastic collocation method for uncertainty propagation in complex mechanical systems

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2015年第2期58卷 47-54页

作者： QI WuChao TIAN SuMei QIU ZhiPing Faculty of Aerospace Engineering Shenyang Aerospace University Institute of Solid Mechanics Beijing University of Aeronautics and Astronautics

This paper presents a novel stochastic collocation method based on the equivalent weak form of multivariate function integral to quantify and manage uncertainties in complex mechanical systems. The proposed method, which combines the advantages of the response surface method and the traditional stochastic collocation method, only sets integral points at the guide lines of the response surface. The statistics, in an engineering problem with many uncertain parameters, are then transformed into a linear combination of simple functions' statistics. Furthermore, the issue of determining a simple method to solve the weight-factor sets is discussed in detail. The weight-factor sets of two commonly used probabilistic distribution types are given in table form. Studies on the computational accuracy and efforts show that a good balance in computer capacity is achieved at present. It should be noted that it's a non-gradient and non-intrusive algorithm with strong portability. For the sake of validating the procedure, three numerical examples concerning a mathematical function with analytical expression, structural design of a straight wing, and flutter analysis of a composite wing are used to show the effectiveness of the guided stochastic collocation method.

关键词：不确定性传播复杂机械系统随机配点法多元函数统计数据不确定参数计算机能力

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高精度激光三角测量表面缺陷检测

高精度激光三角测量表面缺陷检测

作者： AMEDOME MIN-DIANEY Kodjo 长春理工大学

学位级别：硕士

测量技术在科学研究和工业生产中具有着重要意义,其中表面测量技术广泛用于形貌检测、三维重建、产品质量控制等领域。本论文对基于激光三角法的高精度表面缺陷检测技术进行了改进。首先,本文介绍了激光三角法,然后,设计了测量系统结构... 详细信息

测量技术在科学研究和工业生产中具有着重要意义,其中表面测量技术广泛用于形貌检测、三维重建、产品质量控制等领域。本论文对基于激光三角法的高精度表面缺陷检测技术进行了改进。首先,本文介绍了激光三角法,然后,设计了测量系统结构并对系统标定进行了论述。系统采用安装在直线导轨上的半导体激光器作为扫描物体表面的光源。在扫描过程中拍摄序列图像,物体表面上被激光扫描的所有点的三维坐标可以通过激光三角法计算得到。获得的点云图经过降噪和滤波处理,滤波后的各点坐标拟合成三维曲面,从拟合获得的曲面可以识别表面缺陷,并测量缺陷参数。最后,本论文对测量过程中的误差进行了分析。

关键词：表面测量激光三角测量缺陷检测最小二乘最佳拟合不确定性传播

基于多边凸集模型的结构不确定性分析方法研究

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基于多边凸集模型的结构不确定性分析方法研究

作者：谢凌湖南大学

学位级别：硕士

实际工程问题中不乏不确定性因素的存在,结构不确定性分析技术为解决这类问题提供了一个有效途径,这就使得结构不确定性分析方法的研究成为工程结构可靠性验证、优化设计以及成本控制等项目的关键环节之一。非概率凸集理论是近年来处理... 详细信息

实际工程问题中不乏不确定性因素的存在,结构不确定性分析技术为解决这类问题提供了一个有效途径,这就使得结构不确定性分析方法的研究成为工程结构可靠性验证、优化设计以及成本控制等项目的关键环节之一。非概率凸集理论是近年来处理结构不确定性分析问题的常用方法,其实现了在参数信息较稀缺的情况下对结构不确定性的有效度量。然而,现有非概率凸集建模方法往往缺乏了对参数样本信息分组化、多样化等分布特征的考虑,且如何构造合理紧凑的多边凸集并将其简洁解析表述,如何有效解决区间大不确定性问题仍然是目前的难点所在。为此,本文在传统区间模型基础上通过引入主成分分析以及聚类分析构造了PCA(Principal component analysis)区间模型、多边凸集模型以及聚类多边凸集模型,并基于该三种非概率凸模型分别讨论了相应的不确定性建模及传播方法。另外,将构造的多边凸集模型引入结构可靠性分析领域,并提出了基于多边凸集模型的结构非概率可靠性指标。本文的主要研究内容可分为如下三个方面:(1)基于主成分分析提出一种新的结构不确定性建模及传播方法。首先通过对不确定性参数整体信息作主成分分析,获取相互正交化的特征向量方向。然后经过简单的线性变换将原不确定参数数据转化至特性向量方向上,并求得参数在新坐标空间下的上下界。最后根据新的边缘区间和不确定性建模坐标系建立PCA区间模型,实现对结构参数不确定性度量。结合序列二次规划算法,实现结构不确定性响应的求解。该模型能较为紧凑的包络所有样本数据,且在完成不确定性建模的同时能较好地处理掉不确定参数间的相关性。(2)研究了基于多边凸集模型与聚类多边凸集模型的结构不确定性建模及传播方法。针对参数样本信息分布复杂多样化,通过利用传统区间模型与PCA区间模型之间的重合域,构造非概率多边凸集模型实现对参数不确定性信息更为合理有效的度量。对于线性或非线性程度不高的结构系统,可直接结合经典单纯形优化算法求解不确定性传播等问题。此外,该多边凸集模型便于简洁解析表述,其不仅保留了PCA区间模型能消除掉参数间相关性这一优点,而且其不确定域更为紧凑合理,传播结果也更为准确。针对区间大不确定性问题,通过引入聚类分析,提出了聚类多边凸集建模方法。该方法首先根据样本分组化分布特性,将参数样本数据划分为若干个子类簇;然后在每个子类簇中构造子-多边凸集模型,实现对每个子类簇的不确定性信息有效度量;最后结合所有子类中的子-多边凸集模型,构造聚类多边凸集模型,实现区间大不确定性建模。对于结构系统非线性程度较高的情况,可结合线性泰勒近似与经典单纯形优化算法分别求解每个子类簇的响应,最后通过对所有子类簇响应上下界的比较,获得全局响应区间。在该模型中,参数不确定域内无任何样本点的空白区能够得到有效缩减。且根据初始参数数据不同的分布特性,分别就多边凸集分离、多边凸集相交以及区间大不确定性三种不同情形展开了讨论。(3)发展了基于多边凸集模型的结构非概率可靠性分析方法。基于本文提出的多边凸集模型,研究了结构非概率可靠性分析方法,并提出了相应的非概率可靠性指标。首先通过经典HL-RF迭代方法,获取失效面的MPP(Most probable point)点,并将失效面在MPP点处泰勒线性近似;其次结合单纯形优化算法求取多边凸集模型的极值点,也即多边凸集模型不确定域均匀向外拓展时与近似失效面的第一个交点,并求取多边凸集模型中心点与极值点之间的二范数;再次构造中心点与极值点间的方向向量,则可较易获取该方向向量与近似面的交点,且该交点与中心点之间的二范数也可获得;最后通过简单的二范数之比,提出了基于多边凸集模型的非概率可靠性指标。该指标为一无量纲量,且讨论了其处于三种不同取值范围下的结构可靠性程度。

关键词：多边凸集模型不确定性聚类分析 PCA区间模型不确定性传播结构可靠性

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混合动力汽车不确定性能量管理策略研究

混合动力汽车不确定性能量管理策略研究

作者：张圣达湖南大学

学位级别：硕士

混合动力汽车技术是解决当前能源短缺和环境污染问题的有效途径,在能量管理策略的辅助下,充分挖掘混合动力汽车的燃油经济性是一个非常重要的课题,因此能量管理策略在混合动力汽车的仿真与设计中有重大意义。以往的研究都以确定性系统... 详细信息

混合动力汽车技术是解决当前能源短缺和环境污染问题的有效途径,在能量管理策略的辅助下,充分挖掘混合动力汽车的燃油经济性是一个非常重要的课题,因此能量管理策略在混合动力汽车的仿真与设计中有重大意义。以往的研究都以确定性系统参量模型为基础,没有考虑实际工况中系统参量的不确定性,如滚动阻力系数等。为此,本文通过对混合动力汽车系统的不确定性建模以及不确定性传播,将不确定性分析方法引入能量管理策略研究中,提出了基于实时优化的不确定性能量管理策略与基于全局优化的不确定性能量管理策略,提高了混合动力汽车的燃油经济性与系统鲁棒性。开展研究工作具体如下:(1)完成了混合动力客车系统建模及不确定性传播分析,可快速有效地获得车辆需求功率的不确定性。首先以某燃料电池混合动力客车为研究对象,建立其面向能量管理的仿真模型。其次分析客车系统不确定性来源并完成其不确定性建模。最后利用基于点估计和最大熵原理的不确定性传播方法快速获取给定工况下各时刻需求功率的不确定性,并通过蒙特卡洛法验证了其准确性和高效性。(2)发展了基于实时优化的不确定性能量管理策略,进一步挖掘了混合动力汽车的燃油经济性。在实现混合动力客车功率跟随能量管理策略后研究了基于等效燃油消耗最小理论(Equivalent Consumption Minimization Strategy,ECMS)的策略并实现其在混合动力汽车上的应用。通过蒙特卡洛模拟方法,在各控制时刻进行不确定性需求功率样本的生成、模拟和ECMS求解,并对求解结果进行统计分析获得最终的能量分配结果。仿真结果表明,基于实时优化的不确定性能量管理策略燃油经济性要优于功率跟随策略。(3)发展了基于全局优化的不确定性能量管理策略,提高了能量管理策略的实际应用能力。首先实现了动态规划在混合动力汽车能量管理中的应用。然后将需求功率不确定性传播结果引入,一方面结合动态规划求解的最优能量分配结果与不确定性传播结果,制定基于规则的不确定性分配方法,为车辆在实际行驶过程中实际需求功率偏离理论需求功率时提供了有效解决方案,提高了能量管理策略的实际应用能力。另一方面在理论研究中通过蒙特卡洛模拟,生成多组符合不确定性需求功率概率分布的随机模拟工况,通过动态规划分别求解各个随机模拟工况的全局最优能量分配,并对结果进行统计分析。仿真结果表明,其燃油经济性略高于基于实时优化的不确定性能量管理策略和功率跟随策略。

关键词：混合动力汽车能量管理策略不确定性传播等效燃油最小策略动态规划蒙特卡洛模拟

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基于扩展卡尔曼滤波的多机器人协作定位

基于扩展卡尔曼滤波的多机器人协作定位

作者：于宝庆大连理工大学

学位级别：硕士

随着移动机器人学及其应用技术的不断发展，单个机器人的有限能力已不能满足完成复杂任务的要求，因而多机器人协作技术成为当前该领域的研究热点之一。多机器人协作定位是提高多机器人系统自主能力的关键。虽然关于多机器人协作定位方... 详细信息

随着移动机器人学及其应用技术的不断发展，单个机器人的有限能力已不能满足完成复杂任务的要求，因而多机器人协作技术成为当前该领域的研究热点之一。多机器人协作定位是提高多机器人系统自主能力的关键。虽然关于多机器人协作定位方法的研究很多，但是已有的大多数协作定位理论和方法还都局限于仿真分析阶段，缺少在实际机器人平台上对已有理论和方法的验证与分析。本文首先概述了多机器人系统的研究现状，并阐述了多机器人协作定位的基本问题、技术特点以及发展趋势。多机器人系统的构建和多传感器信息的交互是协作定位研究的前提与基础。本文不仅对所使用的Pioneer 3机器人平台及其配备的多种传感器进行了系统的说明，还对多源信息融合、多机器人间的通信、基于ARIA的任务控制与管理，以及视觉图像的提取与处理等问题进行了分析与讨论。机器人相对位姿检测与机器人状态的估计与更新是实现多机器人协作定位的两个核心问题。为了有效解决未知环境下的多机器人协作定位问题，本文提出了一种基于扩展卡尔曼滤波算法的相对位姿估计与更新方法，并给出在理想状态下的机器人位置不确定性的传播公式。当编队中某个机器人观测到另外一个或多个机器人时，利用相对观测信息来同时更新多机器人系统中每个机器人的位姿及协方差矩阵。相互观测所获得的多源信息为系统所共享，因而与单机器人定位相比较，该方法能有效提高机器人群体的协作定位能力。以现有Pioneer 3机器人平台为基础设计并完成了多机器人协作定位的系列实验，具体包括针对匀速与变速两种不同情况下的协作定位实验。通过对实验数据的分析与讨论，特别是针对多机器人系统的定位误差传播的详细分析，验证了本文所提出的基于扩展卡尔曼滤波的多机器人协作定位算法的有效性。

关键词：多机器人协作定位扩展卡尔曼滤波不确定性传播

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复杂地质构造不确定性可视化及分析方法研究

复杂地质构造不确定性可视化及分析方法研究

作者：王浩龙电子科技大学

学位级别：硕士

不确定性广泛存在于地震勘探的各个过程中,导致地质曲面重构存在较大的不确定性。主要体现在构造解释和测井数据的稀疏性导致地质曲面构造形态的不确定性和数据的不准确性导致地质曲面的可信度不高两个方面。针对地质曲面不确定性的研... 详细信息

不确定性广泛存在于地震勘探的各个过程中,导致地质曲面重构存在较大的不确定性。主要体现在构造解释和测井数据的稀疏性导致地质曲面构造形态的不确定性和数据的不准确性导致地质曲面的可信度不高两个方面。针对地质曲面不确定性的研究目前还缺乏有效的手段,现有的研究方法是通过随机扰动的思想,生成多个地质曲面,从统计学的角度出发进行地质曲面不确定性的分析和研究。这种思路仅仅从不确定性的多解性出发开展研究,缺乏对不确定性问题本身的研究。本文从地质曲面不确定性定量分析出发,开展对不确定性传播模型和不确定性融合两个方面的研究工作,并对定量分析的结果进行可视化分析,研究地质曲面不确定性分布规律。研究具有一定的理论价值和实际应用价值。本文针对地质曲面重构中的不确定性出发,从不确定性传播和不确定性融合两个角度开展不确定性定量分析研究,并将定量分析结果进行可视化分析。主要工作和贡献如下:1.提出了一种基于扩散原理的的空间位置不确定性传播模型。针对地质曲面重构过程中插值点的空间位置不确定性,引入不确定性传播的思路。由初始种子点的不确定性出发,研究种子点的不确定性传播到插值点位置的不确定性的传播模型。利用扩散原理,将种子点视为点元,建立不确定性源点与邻近点的关系,推导出种子点向周围点传播不确定性的规律,形成地质曲面不确定性定量分析的基础模型。通过仿真分析,实验结果符合不确定性的特点,具有一定的合理性。2.提出了一种基于D-S证据理论的不确定性融合的方法。在单点不确定性传播模型的基础上,针对地质曲面重构中不确定性的多源信息融合问题,提出了基于D-S证据理论的不确定性融合定量分析方法。通过仿真分析,地质曲面不确定性分布的结果符合不确定性传播的基本规律,具有一定的合理性。3.实现了复杂地质构造不确定性的可视化分析方法。在实现复杂构造地质曲面不确定性定量分析的基础上,将不确定性大小进行可视化编码,用不同的颜色表征不确定性的大小。实现了地质曲面不确定性分布的直观表达和分析。本文针对地质曲面不确定性的分布问题,从单源不确定性传播模型及多源不确定性融合两个角度建立不确定性定量分析的方法和模型,并对定量分析结果进行可视化分析。为进一步进行不确定性分析奠定了一定的基础。

关键词：不确定性传播不确定性融合曲面重构可视化

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飞行器制导控制系统不确定性量化方法

飞行器制导控制系统不确定性量化方法

作者：刘博哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

目前的飞行器制导控制系统评估方法一般仅考虑确定性情况下的方案设计,忽略了实际生活中广泛存在的各类人为无法预测的不确定性因素影响,如人员知识缺乏、系统运行环境可变性等,而正是这些不确定性因素,可能对飞行器性能造成很大影响,... 详细信息

目前的飞行器制导控制系统评估方法一般仅考虑确定性情况下的方案设计,忽略了实际生活中广泛存在的各类人为无法预测的不确定性因素影响,如人员知识缺乏、系统运行环境可变性等,而正是这些不确定性因素,可能对飞行器性能造成很大影响,甚至导致飞行器发生故障。因此,本文以含有不确定性参数的飞行器制导控制系统为研究对象进行研究。分别从参数校准、基于代理模型的不确定性传播、灵敏度分析等方面,完成不确定性量化中所需的研究方法。本文的主要研究工作如下:首先,针对常用的飞行器制导控制系统的特点和需求分析,对其在运动学和动力学六自由度建模,并通过随机参数描述方法完成飞行器中不确定性参数的范围确定。同时构建对不确定性量化的整体研究框架。并设定不确定性量化前的输出指标统计特征,为后续研究的工作奠定基础。其次,研究不确定性量化中对认知不确定性参数校准问题。针对飞行器制导控制系统中存在的混合不确定性参数,提出一种基于遗传算法的K-S参数校准方法。通过比较真实输出值与仿真输出值的累积概率密度函数,并通过遗传算法寻优过程,找到认知不确定性的最优解。从而使得仿真数学模型所描述的飞行器不确定性系统更加准确地反映真实情况。通过运载火箭算例证明该方法的合理性和有效性。然后,研究不确定性量化中的不确定性传播问题与灵敏度分析问题。针对飞行器制导控制系统中不确定性参数多、模型结构复杂、计算量庞大等特点,提出一种应用在动态系统中的多项式混沌展开方法。通过该方法能够建立代理模型,能够减少不确定性传播的计算量。同时,多项式展开方法中求解的混沌系数能够应用到基于方差分解的Sobol灵敏度系数计算过程中,定量描述不确定性参数对系统输出的影响程度。在实例中对运载火箭上升段进行了传播分析和灵敏度分析,验证所提方法的正确性和实用性。最后,开发飞行器制导控制系统的不确定性量化工具。通过需求分析与开发流程的设计,为设计工具提出步骤框架。并按照框架流程步骤,在VS2010环境下进行模块化设计。利用不确定性量化工具对运载火箭上升段进行分析,验证工具的可操作性。

关键词：制导控制系统不确定性量化参数校准不确定性传播灵敏度分析

A novel method of Newton iteration-based interval analysis for multidisciplinary systems

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2017年第9期60卷 47-62页

作者： Lei Wang Chuang Xiong RuiXing Wang XiaoJun Wang Di Wu Institute of Solid Mechanics Beihang University China Academy of Launch Vehicle Technology R&D Center

A Newton iteration-based interval uncertainty analysis method(NI-IUAM) is proposed to analyze the propagating effect of interval uncertainty in multidisciplinary systems. NI-IUAM decomposes one multidisciplinary system into single disciplines and utilizes a Newton iteration equation to obtain the upper and lower bounds of coupled state variables at each iterative step.NI-IUAM only needs to determine the bounds of uncertain parameters and does not require specific distribution formats. In this way, NI-IUAM may greatly reduce the necessity for raw data. In addition, NI-IUAM can accelerate the convergence process as a result of the super-linear convergence of Newton iteration. The applicability of the proposed method is discussed, in particular that solutions obtained in each discipline must be compatible in multidisciplinary systems. The validity and efficiency of NI-IUAM is demonstrated by both numerical and engineering examples.

关键词：牛顿迭代法区间分析多学科系统不确定性传播定性分析方法不确定参数超线性收敛