[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

本發明涉及一種最小采樣方差粒子濾波的混凝土凍融壽命預測方法，針對標準粒子濾波存在粒子多樣性匱乏而導致的預測精度下降問題，從重采樣技術改進的角度出發，提出的混凝土凍融壽命預測方法中，引入采樣方差作為代價函數，能最大程度地降低重采樣過程中的信息損失，可有效緩解粒子多樣性匱乏現象，適用于更高維更復雜的狀態空間模型，且對比輔助粒子濾波與標準粒子濾波算法具備更高的預測精度。

技術領域

本發明屬于混凝土耐久性分析與評估領域，涉及一種最小采樣方差粒子濾波的混凝土凍融壽命預測方法。

背景技術

粒子濾波算法可通過大量的“粒子”來表征各種不確定因素下凍融損傷的劣化過程，對模型復雜度要求較低，不需要大量的訓練數據，且與合適的觀測手段相結合，可及時對預測結果進行修正?；谏鲜鰞烖c，標準粒子濾波(Particle?Filter,PF)算法已在裂紋擴展、混凝土凍融、Li電池、PEM燃料單元、渦輪葉片、飛機器執行機構系統和戰斗機引擎等領域實現了壽命預測，與傳統的可靠性壽命預測方法相比，具備更高的壽命預測精度。

雖然標準粒子濾波算法通過次優解與重采樣算法相結合，解決了退化問題且抽樣簡單，易于實現，然而它又同時引入了一個新問題，即粒子多樣性匱乏現象。粒子多樣性匱乏現象是指原有粒子群中很多粒子由于權值太小沒有“后代”，而少數幾個權值較高的粒子則有很多相同的“后代”，重采樣以后的粒子群由大量重復的粒子構成，隨著重采樣的進行，小權值的粒子將大概率的被拋棄，因此粒子群的多樣性將下降，甚至最后只剩下一個重復粒子。當迭代次數較多或粒子個數較少時，凍融壽命預測的精度將下降。

解決粒子多樣性匱乏的方法之一，是保證粒子分布在重采樣前后的一致性。理論上來說，為了保證重采樣前后的一致性，序號i的粒子的采樣次數，應等于其數學期望，即粒子數與權值的加權。然而由于采樣次數只能為整數，這就使得重采樣前后，粒子分布不可避免的產生了離散性誤差，并且隨著重采樣次數的積累，重采樣過程的信息將逐步丟失，使凍融壽命預測的后驗概率逐漸失真，最終導致凍融壽命預測的精度下降。

發明內容

為克服粒子多樣性匱乏現象，提升凍融壽命預測的精度，本發明提出一種最小采樣方差粒子濾波的混凝土凍融壽命預測方法。

本發明所采用的技術方案為：

一種最小采樣方差粒子濾波的混凝土凍融壽命預測方法，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；

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；