基于折扣高斯粒子滤波器的桥梁可靠性动态预测

桥梁健康监测(BHM)系统在长期运营中积累了大量信息,如何利用这些信息动态预测结构可靠性已成为BHM领域的关键科学问题之一.为合理预测桥梁的动态可靠性,应用BHM系统日常监测的极值应力数据,建立带有最优折扣因子的动态线性模型,结合高斯粒子滤波器给出折扣高斯粒子滤波器预测算法,分别对日常监测极值应力的一步向前预测分布参数和状态变量后验分布参数进行修正预测,并基于此,采用一次二阶矩(FOSM)方法预测桥梁的动态可靠性,结合桥梁实测数据对所提方法进行了验证分析,为桥梁预防性养护维修决策提供理论基础.     

桥梁时变可靠度指标的改进粒子滤波预测算法

基于健康监测时间序列数据,提出了桥梁动态可靠度指标的改进粒子滤波预测方法.首先,利用监测极值数据建立动态模型,将其作为粒子滤波算法的状态方程和监测方程;然后,采用贝叶斯动态线性模型(BDLM)为粒子滤波器提供随时间更新的动态建议分布,以解决传统粒子滤波算法的样本退化问题,同时增加了粒子滤波算法的鲁棒性及自适应性;进而利用改进的粒子滤波算法(IPF),结合极值监测数据实现结构极值的动态预测,并结合一次二阶矩(FOSM)可靠性方法,实现桥梁结构可靠度指标的动态预测;最后通过在役桥梁工程实例与设计试验对所提模型和方法的合理性与有效性进行验证.     

基于贝叶斯傅里叶动态模型的桥梁极值应力预测

研究了基于健康监测应力数据的桥梁极值应力动态预测.考虑到监测应力的周期性、随机性和动态性等特点,首先初次建立了桥梁监测极值应力的傅里叶动态非线性模型(Fourier Dynamic Nonlinear Model,FDNM),结合Taylor级数展开技术,将FDNM近似转化为傅里叶动态线性模型(Fourier Dynamic Linear Model,FDLM);然后采用贝叶斯方法,基于动态监测极值应力数据,建立了无先验信息的贝叶斯傅里叶动态线性模型(Bayesian Fourier Dynamic Linear Model:BFDLM),进而对监测极值应力的一步向前预测分布参数和后验应力状态分布参数进行了预测分析;最后通过实际桥梁监测极值应力数据对本文所建模型和方法的合理性及适用性进行了验证分析,结果表明本文所建BFDLM能够反映桥梁极值应力的周期性、随机性以及动态性等特点.研究成果将为桥梁监测极值应力预测提供理论基础和应用方法.     

应用BDLM的桥梁非均匀极值应力动态预测

为动态预测桥梁结构的非均匀极值应力信息，采用桥梁监测系统的极值应力数据，建立非均匀极值应力的贝叶斯动态线性模型. 考虑到BDLM初始状态概率分布的多样性，引入K-L信息测度来选择最优分布函数，并采用折扣因子、单一贝叶斯因子和累积贝叶斯因子对BDLM进行监控，实现极值应力分布参数的一步向前预测. 最后通过工程实例验证了所建模型和方法的合理性.     

桥梁极值应力的贝叶斯动态耦合线性预测

基于含有趋势性和随机性的监测极值应力时间序列数据,进行了桥梁极值应力的贝叶斯动态耦合线性预测。将历史监测耦合极值应力数据解耦,建立解耦极值应力的动态耦合线性模型(DCLM),并将其分解为有限个动态线性模型(DLMs)。基于动态监测的解耦极值应力数据,结合贝叶斯方法,进行动态耦合线性模型的概率递推,进而实现桥梁解耦极值应力的动态预测,并将预测的解耦极值应力进行相加,即可实现桥梁极值应力的动态预测。最后,通过在役桥梁的含有随机性和趋势性的监测极值应力数据,利用ARIMA(auto-regressive integrated moving average)模型,验证了所提方法的合理性与有效性。     

电力系统动态状态估计算法研究

为了提高电力系统动态状态估计的估计精度和收敛速度,引入一种解决非线性滤波问题的新型粒子滤波算法——混合卡尔曼粒子滤波器(Mixed Kalman Particle Filter,MKPF)。该算法采用扩展卡尔曼滤波器(EKF)与无迹卡尔曼滤波器(UKF)混合作为建议分布,得到一种更接近真实分布的近似表达式。仿真算例将MKPF与EKF和UKF进行了对比,比较结果证明在电力系统受到扰动之后,MKPF算法能够快速地收敛于真实值,且具有比EKF与UKF更高的估计精度和稳定性,达到了在线准确估计的要求。     

混合退火粒子滤波在MIMOOFDM信道估计中的应用

MIMO-OFDM系统信道估计是接收机进行信号相干解调的关键。针对MIMO-OFDM系统面临的非高斯噪声信道环境,结合改进的混合退火建议分布,将混合退火粒子滤波改进算法用于对MIMO-OFDM系统进行信道估计。在建立系统状态空间模型和分析混合退火建议分布基础上,将模糊推理系统用于动态产生退火参数,得到混合退火粒子滤波改进算法;将其用于对MIMO-OFDM系统进行信道估计,并对信道估计误码率、归一化均方误差和算法复杂度进行了仿真分析。仿真结果表明,与扩展卡尔曼滤波、粒子滤波、混合退火粒子滤波算法相比,混合退火粒子滤波改进算法在非高斯噪声信道环境下能够有效降低系统误码率;同时,可用较少的采样粒子获得较好的系统性能。     

基于形态学和高斯滤波器的混合Rk滤波器

提出了一种基于形态学和高斯滤波器的混合Rk滤波器．滤波过程仍然采用两步法．与传统方法的不同之处在于第一步．主轮廓分别采用形态学闭滤波器和高斯低通滤波器进行滤波，将得到的顶包络线向高斯中线移动两者的均值之差距离，然后将高斯中线处于形态学顶包络线之下的部分用形态学顶包络线的对应部分代替，得到最终的修正中线．该滤波器可更为有效地抑制深谷的影响，具有算法简单，易于实现的优点．     

公路隧道交通量预测的粒子群高斯过程耦合模型

交通量的预测对公路隧道运营期通风系统的节能降耗具有重大意义,将新型小样本学习机器高斯过程引入隧道交通量预测,提出了一种组合核函数,用以改善单一核函数高斯过程的泛化性能,在网络训练过程中采用粒子群优化算法,自动搜寻泛化性能最好的高斯过程超参数,形成粒子群高斯过程耦合算法,并编写了相应的计算程序.对某公路隧道交通量进行了预测,结果表明:组合核函数高斯过程最大预测相对误差仅为4.41%,平均相对误差为1.96%;两种单一核函数高斯过程最大预测相对误差均为6.68%,平均相对误差分别为2.7%和2.67%;粒子群高斯过程耦合模型可以高精度地用于隧道交通量预测,且组合核函数可以提高单一核函数的泛化性能,并为其他类似工程提供借鉴.     

基于自适应高斯混合模型的图像稳定方法

提出了一种基于自适应高斯混合模型(Gaussian mixture model)的运动滤波器的图像稳定方法.首先采用多分辨力金字塔技术,通过特征跟踪进行运动估计;然后分析前n帧图像的统计特征,求取GMM参数;最后利用GMM运动滤波器对运动参数进行滤波,输出稳定的图像序列.实验结果表明,该方法对于图像的不规则运动的参数补偿是有效的,并且可以实现实时处理.     

桥梁监测数据的动态线性建模与可靠性预测

引入贝叶斯动态线性模型(BDLM),建立桥梁监测应力的状态方程和观测方程,并利用贝叶斯因子监控监测应力.通过监测应力和应力状态的先验信息,对监测应力的状态参数进行贝叶斯后验概率推断,并不断进行"概率预测-修正"递推运算,获得最优监测应力的状态概率估计来预测桥梁的应力.基于贝叶斯动态修正的应力概率模型,建立桥梁结构可靠性的预测公式.最后,通过实例验证了本文所建模型的合理性和适用性.     

水下机器人执行器的高斯粒子滤波故障诊断方法

针对智能水下机器人的执行器故障,提出了基于高斯粒子滤波的故障诊断方法.引入控制力(矩)损失参数表示故障,根据6自由度空间运动方程建立执行器故障模型;运用改进的高斯粒子滤波器对参数和运动状态进行联合估计;使用修正的贝叶斯算法检测故障,采用滑动窗口法估计故障的幅值;进行仿真实验并与真实海洋实验数据测试验证.结果表明,该方法能够快速检测故障,且故障幅值的估计精度较高.     

基于改进粒子滤波算法的车速估计

针对基于粒子滤波算法设计的车速估计器因提议分布与实际分布不一致导致粒子退化使估计误差变大的问题,提出了一种通过修正提议分布减弱粒子退化影响的改进粒子滤波车速估计器。首先,基于车辆运动学模型和传感器特性建立系统的状态转移方程和观测方程。然后,利用传感器测量值与粒子状态值的差值设计提议分布修正项对状态转移方程进行修正,并对过程噪声做自适应处理。最后,利用CarSim-Simulink联合仿真平台在双移线工况和正弦转角输入工况下进行仿真验证。与自适应粒子滤波器相比,双移线工况下改进粒子滤波估计器产生的纵向速度估计值和侧向速度估计值的平均绝对误差分别减小了40.25%和55.71%;正弦转角输入工况下,改进粒子滤波估计器产生的纵向速度估计值和侧向速度估计值的平均绝对误差分别减小了47.00%和41.21%。     

失效非线性相关的桥梁截面可靠性Vine-Copula数据融合

为合理融合健康监测数据分析在役桥梁截面可靠性,首先应用桥梁截面多个监测点的极值应力数据,建立监测变量非线性相关的Vine-Copula模型,实现极值应力数据的融合分析;然后结合多个监测点的功能函数,进行桥梁截面失效模式非线性相关的Vine-Copula建模分析,并融合一次二阶矩(FOSM)方法,分析失效非线性相关的桥梁截面可靠性;最后进行了在役桥梁截面监测数据的验证分析.研究表明,考虑失效模式非线性相关性所得桥梁截面可靠性较不考虑失效模式相关性所得结果小,说明不考虑失效模式相关性所得结果偏保守.     

云层背景下粒子滤波目标跟踪方法研究

对粒子滤波理论及其实现方法进行了研究.通过模拟实验验证了其优于卡尔曼跟踪的性能,并结合基于双正交小波的边缘形心提取方法和粒子滤波跟踪方法,构建了其跟踪框架.通过粒子数和系统状态转移方程的恰当选择,实现了云层背景下对背景简单的点目标和存在遮挡和旋转变化情况下的大目标进行跟踪.最后通过实验分析了粒子数目和状态方程的选取对跟踪精度的影响.实验证明,结合鲁棒性的小波检测方法和具有"多峰"描述的粒子滤波算法构造成的跟踪器,在运动目标存在局部遮挡和旋转变化等情况下能够实现稳定的目标跟踪.     

智能健康住宅监护数据分析方法的研究

智能健康住宅为缓解人口老龄化的压力和优化医疗资源配置提供了重要手段。其特点是在家庭环境下提供各项生命体征参数监测,并对监护数据自动分析处理。本文提出了以时序建模为基础的分析方法。此方法由三个部分构成,包括模型辨识、模型更新、以及基于模型的预报区间确定。模型阶数基于最终预报准则确定,使得模型能更好的符合观测数据。基于自适应滤波器算法对模型参数进行在线更新,确保模型能更好的描述监护数据的动态特性。根据建模结果,作前向30步预报,确定预报区间。从而实现对监护数据中的平稳、异常值、以及状态变化三种特征模式的识别。通过应用PhysioNet中的三组数据集进行实验研究。实验结果表明此方法的预报结果准确,能实现对于智能健康住宅中连续监测获得的数据进行在线分析。     

数字滤波在钢桥应力监测信号处理中的应用

根据钢桥应力监测实际特点,利用MATLAB数字滤波工具,设计了巴特沃斯低通数字滤波器;总结了数字滤波器中各参数对钢桥应力监测信号滤波效果的影响,最后设定合理滤波参数,对钢桥应力监测信号进行数字滤波,获得了较好的效果,提高了钢桥疲劳剩余寿命评估的精度.     

混杂系统故障诊断的粒子滤波器方法

针对混杂系统故障诊断难题,在对混杂系统描述的基础上,根据混杂系统的随机滤波公式,给出了混杂系统状态估计及离散模态识别的粒子滤波算法,并将此算法扩展到混杂系统状态与参数的联合估计,最后利用修正的Bayes算法作出故障判决,实现了混杂系统的故障诊断.通过对两容水箱这个典型混杂系统的仿真实验,结果表明,此方法不仅能准确、快速地诊断出混杂系统故障,而且在故障发生时能够保持比较高的状态与参数估计精度.本方法可推广应用于混杂系统的自适应滤波、可靠性预测、容错控制等领域.