[發明專利]一種最小采樣方差粒子濾波的混凝土凍融壽命預測方法

有效

• 申請號: 202110242641.8
• 申請日: 2021-03-05
• 公開（公告）號: CN112949184B
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發明（設計）人: 楊偉博;包永強;張健;朱昊;潘岳;趙杰;劉婷婷;余雨;毛錚
• 申請（專利權）人: 南京工程學院
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06N3/006;G06F119/04;G06F119/02;G06F119/10
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 蘇良

1.一種最小采樣方差粒子濾波的混凝土凍融壽命預測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1、以單段模式的相對動彈性模量衰減模型為基礎，構建描述多因素凍融損傷劣化規律的狀態方程及其噪聲模型；

步驟2、采用超聲波無損檢測方法，對混凝土中的超聲波聲時進行監測；通過相對動彈性模量與超聲波聲時之間的關系，構建觀測方程；同時，結合步驟1中的狀態方程，構建描述凍融劣化的狀態空間模型；

每一試件在多因素凍融循環開始前，先進行一次超聲無損檢測，采集基準聲時；

步驟3、判斷聲時檢測是否更新，以進行壽命預測；

對模型參數和粒子群進行初始化；在多因素凍融循環過程中，

若未進行超聲無損檢測，則將粒子群代入狀態方程中，生成先驗估計，再將先驗估計與粒子權值進行加權求和，獲得后驗估計，并更新粒子群，后驗估計可看作是凍融循環次數的預測值；

若進行超聲無損檢測，獲得新的聲時信號，則將t時刻粒子群代入狀態空間模型中，生成N個聲時預測值；令聲時預測值與實驗檢測值作差，假設差值滿足高斯分布，即可計算得到N個聲時預測值對應的歸一化權值；

具體包括：

對模型參數和粒子群進行初始化，此時權值N為粒子個數；

在多因素凍融循環t+1時刻，若未進行超聲無損檢測，則將t時刻粒子群代入狀態方程中，生成先驗估計再將先驗估計與粒子權值進行加權求和，如公式(5)所示，獲得后驗估計并更新迭代粒子相對動彈性模量的后驗估計可看作是凍融循環次數的預測值；

若多因素凍融循環t+1時刻進行了超聲無損檢測，獲得新的超聲波聲時T_t+1，則將t時刻粒子群代入狀態空間模型中，生成N個超聲波聲時預測值令聲時預測值與實驗檢測值T_exp作差，若差值滿足高斯分布即可計算得到N個聲時預測值對應的歸一化權值

步驟4、將粒子權值大于1/N的粒子進行復制，獲得復制粒子群，其粒子數為L；

步驟5、從原始粒子群中提取復制粒子群后，計算殘余的粒子群權值，獲得殘差粒子群，殘差粒子群由殘余的粒子群及其權值組成；

步驟6、最小方差重采樣；根據權值大小，對殘差粒子群進行排序，并利用TopRank函數從殘差粒子群中采樣出N-L個權值最大的粒子，即MSV粒子，重采樣后的粒子權值為1/N；

步驟7、預測與更新；對復制粒子群、MSV粒子群與其相應的權值進行加權求和，即可獲得凍融壽命預測值；將粒子數量為N-L的復制粒子群與數量為L的MSV粒子群相結合，使粒子數總數維持為N個，并將這兩個粒子群作為更新粒子群，同時對相對動彈性模量狀態值、損傷初速度、粒子權值及粒子個數進行更新；

步驟8、將更新粒子群作為迭代粒子群，重復步驟3至7，直至達到設定條件，停止凍融實驗與預測過程；上述過程所經歷的總時間即為混凝土凍融的剩余壽命。

2.根據權利要求1所述的最小采樣方差粒子濾波的混凝土凍融壽命預測方法，其特征在于，步驟1中，狀態方程的表達式為：

公式(1)中，E_t表示凍融循環t時刻的相對動彈性模量；C表示損傷加速度，A表示損傷初速度，二者可通過實驗擬合獲得；Δt表示t時刻與t+1時刻的時間間隔；ω_tυ1表示加性的零均值高斯白噪聲，滿足為狀態噪聲方差。

3.根據權利要求2所述的最小采樣方差粒子濾波的混凝土凍融壽命預測方法，其特征在于，步驟1中，定義基準損傷加速度C₀為常數，基準損傷初速度A₀滿足高斯分布，如公式(2)所示：

公式(2)中，mean(·)表示均值函數，Q表示凍融實驗試件個數，Var(·)表示方差函數。

4.根據權利要求2或3所述的最小采樣方差粒子濾波的混凝土凍融壽命預測方法，其特征在于，步驟2中，觀測方程的表達式為：

公式(3)中，T_t表示凍融循環t時刻的超聲波聲時，T₀表示凍融循環開始前，通過超聲法所測得的基準聲時；υ_t+1表示觀測噪聲，滿足為狀態噪聲方差，定義觀測噪聲υ_t+1為零均值高斯白噪聲；

結合公式(1)，構建狀態空間模型，如公式(4)所示：