最小二乘支持向量回归机在可靠性分析中的应用(英文)

经典的响应面方法作为回归方法来模拟可靠性设计中的状态变量和基本变量之间的函数关系,用以解决直接数值模拟方法计算量大的问题。这类算法已经成功解决了一些隐式功能函数的可靠性分析问题,但它依据的"经验风险最小"原则影响了它的使用范围。基于"结构风险最小化"的支持向量回归机方法具有良好的小样本学习性能和泛化能立,比传统的回归方法具有优越性。但支持向量回归机方法对大样本的可靠性问题在时间和空间上开销巨大。为了克服这一不足,本文将最小二乘支持向量回归机引入到可靠性分析中。算例结果表明:基于最小二乘支持向量回归机的可靠性方法计算得到结果精度较高,在计算耗时上远小于支持向量回归机的可靠性方法,因此在工程应用上具有一定价值。     

全局灵敏度分析的支持向量机方法

结构全局灵敏度分析中存在隐式极限状态函数和高计算量困难问题,提出支持向量机和蒙特卡洛方法相结合的一种新的全局可靠性灵敏度分析方法。该方法采用支持向量机拟合输入变量与输出响应之间的关系,同时采用均匀映射得到更多数量的失效样本以获得高精度的代理模型,故仅需少量样本即可将隐式极限状态函数显式表达,与直接蒙特卡罗方法相比,可显著提高计算效率。数值算例和工程算例表明所提方法具有一定的工程应用价值。     

基于Kriging模型梯度解析解的改进一次二阶矩方法

改进一次二阶矩（AFOSM）法是一种基于功能函数梯度的结构可靠性分析方法，鉴于其对隐式函数的梯度较难求解，提出了一种基于Kriging模型梯度解析解的AFOSM方法，利用Kriging代理模型的解析表达式推导得到功能函数对输入变量的梯度解析解，为AFOSM中设计点的确定提供高精度的梯度信息。通过Kriging与AFOSM的结合，很好地解决了基于有限元模型的隐式情况下梯度计算量相当大、可靠性分析难的问题。数值与工程算例验证了所提Kriging梯度解析解的较高精确性，同时验证了所提基于Kriging解析解的AFOSM结构可靠性分析方法的正确性与较高精度。     

基于最小二乘支持向量回归的混沌时间序列预测研究

研究利用最小二乘支持向量机预测混沌时间序列。混沌时间序列预测是典型的小样本学习问题,基于结构风险最小化原理的支持向量机方法,克服了神经网络易于陷入局部极值点等缺点,能够获得全局最优解。最小二乘支持向量机是一种在二次损失函数下采用等式约束求解问题的一种支持向量机,在保留支持向量机优点的同时使计算量大大减少。对典型混沌时间序列的预测结果表明,最小二乘支持向量机回归预测方法具有良好的泛化推广性能,预测精度高,适合于复杂非线性时问序列建模预测。     

随机结构响应量置信区间的一种求解方法

基于经典的可靠性分析方法和非正态变量向正态变量的等价变换,提出了随机结构响应量置信区间估计的一种迭代方法,该方法可用于复杂响应量函数或隐式响应量函数的置信区间分析。在采用有精确解的算例验证了所提方法的有效性后,将所提方法用于2个工程实例,对10杆结构中的位移函数和某型飞机翼身连接接头模型中的响应面函数进行了置信区间估计,所提方法的计算结果与数值模拟方法计算结果的对照表明:所提方法计算工作量小且计算精度高。     

基于支持向量机的发动机性能衰退指标分类和预测

基于支持向量机几何距离建立表征发动机性能衰退程度的指标,并基于相空间重构理论对该指标进行多步预测,表明回归支持向量机结果优于神经网络预测结果。利用主元分析、核主元分析方法对发动机性能特征量约简并提取其主元,得到核主元分析的分类效果更好。利用交叉验证的方法优化分类支持向量机和核函数中相关参数,给出发动机性能衰退指标曲线。通过建立统计量的方法分析发动机性能变化,确定性能变化关键点。所得结论对做好发动机维护保养工作,延长发动机使用寿命具有一定的指导意义。     

进化神经网络响应面法在结构可靠性中应用

针对传统可靠性分析方法的缺点,研究了网络拓扑结构和权值自适应调整的进化神经网络响应面,以用于实现隐式功能函数的全局映射。给出了基于遗传算法的神经网络响应面的构建步骤和样本点的选取方法。用训练好的神经网络代替可靠性分析中的有限元计算,大大提高了计算效率。通过工程实例与蒙特卡罗法、传统响应面法进行了对比分析,证明了该方法的有效性和实用性,为大型复杂结构的可靠性分析提供了一条高效的途径。     

相关向量机及其在故障诊断与预测中的应用

相关向量机(RVM)是一种基于稀疏Bayesian学习理论的新型机器学习方法,具有概率式输出、稀疏性强、参数设置简单、核函数选择灵活等优点,克服了人工神经网络(ANN)和支持向量机(SVM)等典型机器学习方法的诸多固有缺陷。文章从模型选择与优化、模型计算效率和模型鲁棒性改进3个方面综述了RVM的理论研究进展;总结了RVM在故障诊断与预测中的应用研究现状;分析指出了当前研究中存在的问题,并讨论了基于RVM的故障诊断与预测技术的研究方向。     

基于SVR的航空发动机抗性能退化容错研究

涡轮风扇发动机工作环境复杂,长期工作在高温、高压状态下,使得发动机不断老化、性能衰退,由性能退化导致的航空发动机可靠性降低问题不容忽视.采用支持向量回归方法SVR对测量参数进行估计,获得发动机性能退化模型;应用支持向量机的非线性回归的核函数变换法,对特征空间优化获得最优分类面,同时基于Mann-Kendall算法对发动机性能退化参数进行评估.结果表明:该方法能有效地评估分析发动机性能退化趋势和衰退程度.     

基于支持向量机回归的电力负荷预测研究

不同于传统的基于经验风险最小化的回归方法,支持向量机回归方法基于结构风险最小化准则.与神经网络相比,该方法在解决学习精度和推广性之间的矛盾方面有明显的优势.本文以城市电力负荷预测为应用背景,对比研究了基于统计学习理论的支持向量机回归方法和神经网络方法.预测结果显示支持向量机可能是一种非常有前景的预测工具,其预测精度明显好于神经网络.     

基于SVR及阴影信息的SAR目标方位角估计

目标成像方位估计是合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）自动目标识别中一个重要的预处理过程。提出一种基于支持向量回归机（support vector machine for regression,SVR）并结合SAR目标阴影信息的方位角估计方法。首先通过长直边拟合法与脊波变换法对目标图像进行方位的粗估计．再由SVR完成精确估计。利用“运动与静止目标的获取与识别”（moving and stationary target acquisition and recognition, MSTAR）项目组提供的实测数据所做实验表明,此方法可以有效估计SAR目标方位角,精度高、泛化能力强．特别是在水平成像方位附近利用了目标的阴影信息,明显提高了相应区间的方位角估计精度。     

基于当量概率密度函数的模糊可靠性分析方法

实际工程中,结构系统的属性以及所受外载荷常常具有随机性和模糊性的特点。对于功能函数中含有模糊分布参数(FDP)的随机变量问题,如何准确且简便地评估其可靠性,是十分重要的。依据随机性和模糊性的基本概念,提出了当量概率密度函数的模糊可靠性分析方法。以FDP的隶属函数为基础,构造FDP的先验分布,应用Bayes理论,得到含有FDP随机变量的当量概率密度函数,并推导出具有常用隶属函数的FDP随机变量的数学期望和方差。这样就把含有FDP的随机变量处理成常规随机变量,进而可以应用传统的可靠性方法来分析结构的可靠性。本文所提方法解决了功能函数中含有多个FDP的随机变量时,模糊概率计算困难的问题。最后通过算例,与常用的模糊概率的可靠性分析方法进行比较,来验证本文算法的有效性。     

Reliability analysis based on a novel density estimation method for structures with correlations

Estimating the Probability Density Function (PDF) of the performance function is a direct way for structural reliability analysis,and the failure probability can be easily obtained by integration in the failure domain.However,efficiently estimating the PDF is still an urgent problem to be solved.The existing fractional moment based maximum entropy has provided a very advanced method for the PDF estimation,whereas the main shortcoming is that it limits the application of the reliability analysis method only to structures with independent inputs.While in fact,structures with correlated inputs always exist in engineering,thus this paper improves the maximum entropy method,and applies the Unscented Transformation (UT) technique to compute the frac tional moments of the performance function for structures with correlations,which is a very efficient moment estimation method for models with any inputs.The proposed method can precisely estimate the probability distributions of performance functions for structures with correlations.Besides,the number of function evaluations of the proposed method in reliability analysis,which is determined by UT,is really small.Several examples are employed to illustrate the accuracy and advantages of the proposed method.     

基于电路仿真和正态假设的小样本多试验环境下产品性能可靠性评估

针对电子产品设计验证阶段性能试验的多环境状态、小样本特点,在正态分布假设条件下,提出了基于Pspice电路仿真的性能评估方法,运用Pspice软件中的瞬态分析、Monte-Carlo分析和温度分析获得了各环境状态下的性能仿真数据,进而获得了环境因子的仿真结果;利用环境因子将多试验状态下的试验数据折算为正常状态下的性能试验数据,基于折算后性能试验数据实现了产品的性能可靠性评估。最后,以某型装备上的稳压电源为例说明了本文方法的有效性和实用性。     

Sealing reliability modeling of aviation seal based on interval uncertainty method and multidimensional response surface

Many variables affect the sealing performance, and their distribution characteristics are difficult to obtain with probabilistic methods owing to the high cost involved. Numerous problems in engineering are similar due to the appearance of small-sample parameters. In this study, the sealing reliability of an aviation seal was defined as the research object, and an interval uncertainty method and multidimensional response surface were proposed to calculate the sealing reliability.Based on this, we first analyzed the failure mechanism of the aviation seal and established a leakage rate model. Then, based on the non-probabilistic interval model, an interval uncertainty method was proposed to construct the analytical model. With reference to the limit state equation from the structural reliability theory, the multidimensional response surface was used for fast calculation.Then, we chose the single-cylinder gas steering gear used in aircraft as the case study, its sealing reliability in working and non-working statuses were calculated, and the results were verified with the actual maintenance records. By analyzing the sensitivity of some variables, we can improve the sealing reliability of the aviation seal by improving the surface roughness only if the cost allows.Finally, we consider that the method proposed in this study realizes the application of smallsample uncertainty analysis in reliability analysis, and could provide a feasible way to solve the similar problems in engineering with multidimensional and small-sample parameters.     

结构的概率-非概率混合可靠性模型

将影响结构可靠性分析的不确定性因素用概率和非概率两种方式模拟。并基于结构可靠性分析中的概率可靠性模型和非概率集合可靠性模型,提出一种新的结构可靠性分析的概率-非概率混合模型。该模型首先通过将功能函数进行非概率可靠性分析,然后将标准化区间变量空间所有区域的可靠度进行求和计算,从而给出结构的可靠度。并根据相同的不确定信息,由混合可靠性模型与概率可靠性模型得到的结果是相等的,证明了方法的有效性。最后,通过一个典型结构和一个机翼下壁加筋板与传统概率可靠性模型进行比较,表明该混合模型对于结构的分析和设计更为合理,能够更好地保证结构的安全性。     

基于响应面的系统性能可靠性优化设计方法

提出了建立基于Logistic变换的性能可靠度与关键设计参数(DDP)之间函数关系的响应面方法以及性能可靠性优化设计模型。通过试验设计、一体化仿真、Logistic变换、多项式拟合、方差分析和模型检验等步骤,来构建系统性能可靠性响应面模型。并以性能可靠度为目标,性能设计参数可行域为约束进行设计优化。针对舵机案例,以性能模型和干扰模型为基础,通过仿真及回归分析,建立了性能可靠度与关键设计参数（Ce,Kp,J）的响应面模型。建立了舵机性能可靠性设计优化模型,对关键设计参数进行了优化。     

起落架结构系统失效分析方法研究

讨论结构系统失效分析方法。以某机起落架结构系统为例进行可靠性分析,给出了:可靠度函数R(t)、失效概率函数F(t)、失效概率密度函数f(t)和失效率λ(t)曲线,并计算寿命期内的可靠度。