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无约束优化一阶算法的几类加速技巧

计算数学 2024年第2期46卷 213-231页

作者：陈永鑫韩德仁 LMIB 北京航空航天大学数学科学学院北京100080

求解无约束优化问题的一阶算法具有迭代简单、存储量小的优点,在求解大规模问题时具有一定的优势.为提升其收敛速度,近些年发展出了多种加速技巧.本文以最一般的求解无约束优化的梯度法为切入点,介绍常见的加速梯度法的技巧与策略,并进... 详细信息

求解无约束优化问题的一阶算法具有迭代简单、存储量小的优点,在求解大规模问题时具有一定的优势.为提升其收敛速度,近些年发展出了多种加速技巧.本文以最一般的求解无约束优化的梯度法为切入点,介绍常见的加速梯度法的技巧与策略,并进一步介绍这些加速技巧在邻近点算法、复合优化问题和随机优化问题中的表现形式.另外,本文还总结了一些其它仅用一阶信息就取得加速效果的策略和特殊问题中出现的加速方法.

关键词：无约束优化一阶算法加速技巧

带高斯核的支持向量数据描述问题的高效积极集法

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计算机应用 2024年

作者：张奇业曾心蕊北京航空航天大学数学科学学院

针对积极集法求解支持向量数据描述(SVDD)问题时，在大规模数据场景下每次迭代计算量大、效率低的问题，设计了一种带高斯核的SVDD问题的高效积极集法(ASM-SVDD)。首先，利用SVDD对偶模型约束条件特殊性，每次迭代求解一个降维的等式约... 详细信息

针对积极集法求解支持向量数据描述(SVDD)问题时，在大规模数据场景下每次迭代计算量大、效率低的问题，设计了一种带高斯核的SVDD问题的高效积极集法(ASM-SVDD)。首先，利用SVDD对偶模型约束条件特殊性，每次迭代求解一个降维的等式约束问题。其次，通过矩阵操作实现积极集的更新，每次更新计算只与当前支持向量及单个样本点有关，极大降低计算量。另外，由于ASM-SVDD算法是传统积极集法的一种变体，应用积极集法理论得到该算法的有限终止性。最后，基于仿真和真实数据集，验证ASM-SVDD算法性能。结果表明随训练轮次增加，ASM-SVDD算法可以有效提升模型性能。与求解SVDD的快速增量算法FISVDD相比，ASM-SVDD算法在典型的低维高样本数据集shuttle上训练得到的目标函数值可减小25.9%，对支持向量的识别能力可提高10.0%。同时，该算法在不同数据集上的F1分数相比FISVDD均能提高，在超大规模数据集criteo上可提高0.07%。可见，ASM-SVDD算法在可以进行异常值检测的同时，训练得到的超球体更稳定，且对测试样本的判断准确率也更高，适用于大规模数据场景下的异常值检测。

关键词：支持向量数据描述二次规划积极集法异常值检测有限终止性

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基于预设性能的飞机全电刹车系统滑模控制

北京航空航天大学学报 2024年第1期50卷 260-267页

作者：谢明军段京奇马文冉贾玉红北京航空航天大学北京100191 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

针对飞机全电防滑刹车系统具有较强的非线性特征,以及机电作动器(EMA)中存在的干扰不利于系统稳定性,提出一种有限时间预设性能反演滑模控制方法。在合理简化的基础上,建立含滑移率子系统和EMA子系统的飞机全电防滑刹车系统的数学模型,... 详细信息

针对飞机全电防滑刹车系统具有较强的非线性特征,以及机电作动器(EMA)中存在的干扰不利于系统稳定性,提出一种有限时间预设性能反演滑模控制方法。在合理简化的基础上,建立含滑移率子系统和EMA子系统的飞机全电防滑刹车系统的数学模型,并引入有限时间预设性能函数;利用预设性能反演控制方法设计滑移率控制器,获得参考刹车压力控制率,保证滑移率跟踪误差在有限时间内收敛到预设范围内;为跟踪参考刹车压力,利用非奇异终端滑模控制方法设计EMA控制器,针对EMA中存在的干扰,设计扩张状态观测器估计,并在控制器中进行补偿,提高控制器的鲁棒性和控制精度;通过干跑道和冰跑道2种情况下的数值仿真验证所提方法控制效果。

关键词：防滑刹车系统有限时间预设性能扩张状态观测器机电作动器滑移率

GNSS-I/MR河流边界及水位测量理论与仿真

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北京航空航天大学学报 2024年第6期50卷 1877-1887页

作者：王峰杨鹏瑜杨东凯北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191 北京航空航天大学国际创新学院杭州311115

从几何构型和理论模型2个角度探究全球导航卫星系统干涉/多径反射测量(GNSS-I/MR)技术提取河流边界和测量河流水位的可行性。基于河流/河岸介电常数的差异性和河岸相对于河流存在斜度的事实,定义对河流边界敏感的反-直比和实验变化率2... 详细信息

从几何构型和理论模型2个角度探究全球导航卫星系统干涉/多径反射测量(GNSS-I/MR)技术提取河流边界和测量河流水位的可行性。基于河流/河岸介电常数的差异性和河岸相对于河流存在斜度的事实,定义对河流边界敏感的反-直比和实验变化率2个观测量。在希尔伯特变换估计的载噪比包络和相位的基础上,提出基于一元二次方程求解反-直比和线性拟合实验变化率的估计方法,以及3-阈值最大类间方差识别河流/河岸和循环拟合提取河流边界的方法。基于河流表面的实验变化率测量河流水位,通过搭建仿真平台和设计2种河流场景,仿真验证所提方法的有效性。仿真结果表明:在设定参数下,利用介电常数检测场景1和场景2河流边界的均方根误差分别为1.47 m和1.13 m;实验变化率检测场景1和场景2河流边界的均方根误差分别为0.49 m和0.35 m;场景1和场景2的测量高度和真实值的误差分别为0.09 m和0.13 m。

关键词： GNSS-IR 河流边界河流水位希尔伯特变换最大类间方差循环拟合

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面向无人驾驶车辆的行车安全场模型构建方法

北京航空航天大学学报 2024年第4期50卷 1375-1383页

作者：谢楚安任羿杨德真冯强孙博王自力北京航空航天大学可靠性与系统工程学院北京100191

针对全面系统评价无人驾驶车辆行车安全方法欠缺的问题,提出一种改进的无人驾驶车辆行车安全场模型。考虑无人驾驶车辆复杂道路因素,人工智能(AI)系统感知、决策、控制3大模块的特性对无人驾驶车辆行车安全的影响,基于胡克定律,建立动... 详细信息

针对全面系统评价无人驾驶车辆行车安全方法欠缺的问题,提出一种改进的无人驾驶车辆行车安全场模型。考虑无人驾驶车辆复杂道路因素,人工智能(AI)系统感知、决策、控制3大模块的特性对无人驾驶车辆行车安全的影响,基于胡克定律,建立动态势能场及安全行为场相结合的无人驾驶车辆行车安全场数学模型,以此表征道路上静止物体、运动物体与AI系统自身等因素造成的行车风险。结合典型行驶场景的行车安全分析验证所提模型的正确性和可用性。

关键词：无人驾驶车辆行车安全场风险行车安全评价动态势能场

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热风洞温度系统的无模型自适应级联控制

北京航空航天大学学报 2024年第5期50卷 1713-1720页

作者：陈嘉诚杨旭马渝翔李栋董素君李运华北京航空航天大学大型飞机高级人才培训班北京100191 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

热风洞能够为高温热电偶动态标定和航空发动机叶片热强度测试等应用场景提供均匀且稳定的温度场,如何对热风洞所产生的热气流进行宽温范围的温度控制是一个难点。为此,建立了热风洞燃油流量和燃烧室温度的数学模型;设计了一种内环为增... 详细信息

热风洞能够为高温热电偶动态标定和航空发动机叶片热强度测试等应用场景提供均匀且稳定的温度场,如何对热风洞所产生的热气流进行宽温范围的温度控制是一个难点。为此,建立了热风洞燃油流量和燃烧室温度的数学模型;设计了一种内环为增量式比例积分微分(PID)和外环为无模型自适应控制(MFAC)的级联控制方法,增量式PID控制器控制燃油流量,MFAC控制器控制燃烧室温度,实现了对燃烧室温度的有效控制;进行了不同目标温度的数值模拟和试验研究,并与FuzzyPID-PID级联控制方案和传统的级联PID控制方案进行了对比测试。试验结果确认了所提控制方案的可行性与优越性。

关键词：热风洞温度控制无模型自适应控制增量式比例积分微分级联控制

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基于深度强化学习的多无人车系统编队控制

力学学报 2024年第2期56卷 460-471页

作者：曾毓凌郝宇清于颖王青云北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

针对多智能体编队控制问题,研究了基于DDQN深度强化学习算法的多无人车系统的编队控制器,采用一致性控制与伴随位形相结合的方法对编队控制问题进行建模和简化.建立了基于相对距离和速度的状态空间,使得控制输入不依赖于全局信息,然后... 详细信息

针对多智能体编队控制问题,研究了基于DDQN深度强化学习算法的多无人车系统的编队控制器,采用一致性控制与伴随位形相结合的方法对编队控制问题进行建模和简化.建立了基于相对距离和速度的状态空间,使得控制输入不依赖于全局信息,然后设计了基于九大典型运动方向的动作空间,并设计了基于相对距离和相对速度的奖励函数,基于以上参数进行了神经网络架构的设计和网络训练与运动仿真环境的搭建,并成功训练出有效的控制器.该控制器可以直接应用于带有非完整约束的欠驱动无人车的编队任务,且控制器的网络训练只需要运动数据而不需要精确模型,是一种无模型控制方法.最后,通过大量不同场景下的运动仿真验证了控制器的有效性,包括多队形、多位置、多轨迹仿真以及时变队形、时变通讯和通讯故障等特殊情况的检验,该控制器在所有场景中均能有效完成控制任务.最后优化了编队起始阶段的策略,定义了等候条件与启动条件,有效节约了控制的能耗,利用运动仿真和对比分析验证了优化作用.

关键词：无人车一致性控制编队控制深度强化学习无模型控制

基于轻量残差复合增强收敛神经网络的粒子场计算层析成像伪影噪声抑制

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物理学报 2024年第10期73卷 162-174页

作者：施岳欧攀郑明邰含旭王玉红段若楠吴坚北京航空航天大学物理学院北京100191 北京航空航天大学仪器与光电工程学院北京100191

由于流场中的微粒分布状态能够充分表征场的特性,因此通过稀疏采样实现快速和高质量的粒子场成像始终是实验流体力学等领域高度期盼的.近年来,随着深度学习应用于粒子计算层析成像,如何提高神经网络的处理效率和质量,以消除稀疏采样所... 详细信息

由于流场中的微粒分布状态能够充分表征场的特性,因此通过稀疏采样实现快速和高质量的粒子场成像始终是实验流体力学等领域高度期盼的.近年来,随着深度学习应用于粒子计算层析成像,如何提高神经网络的处理效率和质量,以消除稀疏采样所致的粒子层析图像伪影噪声仍然是一个挑战性课题.为解决这一问题,本文提出了一种新的抑制粒子场层析成像伪影噪声和提高网络效率的神经网络方法.该方法在设计上包含了轻量化双残差下采样图像压缩和特征识别提取、快速特征收敛的上采样图像恢复,以及基于经典计算层析成像算法的优化信噪比网络输入样本集构建.对整个成像系统的模拟分析和实验测试表明,相比于经典的U-net和Resnet50网络方法,本文提出的方法不仅在输出/输入的粒子图像信噪比、重建像的残余伪影噪声(即鬼粒子占比)和有效粒子损失比方面获得了极大的改进,而且也显著提高了网络的训练效率.这对发展基于稀疏采样的快速和高质量粒子场计算层析成像提供了一个新的有效方法.

关键词：粒子场成像计算层析成像深度学习噪声抑制

基于CDM理论与SVM模型的2014-T6铝合金疲劳寿命预测

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航空学报 2024年第7期45卷 154-170页

作者：高同州贺小帆王晓雷李紫光朱振涛詹志新北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 北京宇航系统工程研究所北京100076

基于连续损伤力学(CDM)理论与支持向量机(SVM)模型,建立了一种疲劳寿命预测的新方法,旨在提高2014-T6铝合金材料疲劳寿命预测的准确性。首先,通过采用连续损伤力学模型及基于ABAQUS的UMAT子程序的二次开发,建立了一种用于预测2014-T6铝... 详细信息

基于连续损伤力学(CDM)理论与支持向量机(SVM)模型,建立了一种疲劳寿命预测的新方法,旨在提高2014-T6铝合金材料疲劳寿命预测的准确性。首先,通过采用连续损伤力学模型及基于ABAQUS的UMAT子程序的二次开发,建立了一种用于预测2014-T6铝合金疲劳寿命的损伤力学有限元数值实现方法,并提出了基于粒子群算法的材料参数的标定方法。然后,为了进一步优化预测结果,利用支持向量机模型对基于损伤力学的疲劳寿命预测结果的误差进行训练,从而修正数值预测结果。通过将损伤力学有限元的预测结果、支持向量机模型修正后的预测结果与实验结果进行对比,发现采用支持向量机模型修正后的预测结果的精度较高,验证了所提方法的适用性,为2014-T6铝合金疲劳寿命预测提供了一个有效的解决方案,有望在实际工程应用中发挥重要作用。

关键词：损伤力学支持向量机铝合金疲劳寿命预测