一种平均矩独立重要性指标及其拒绝抽样方法

在矩独立重要性分析过程中,重要性指标往往用于衡量结构系统输出不确定性向输入变量不确定性的逆向分配问题。假设输入参数的方差可以减缩一定比例因子,那么矩独立重要性指标可以定义为该缩减因子的函数。同时,假设输入参数的方差缩减因子为一随机变量,那么可以取矩独立重要性指标函数的均值定义一个新的平均矩独立重要性指标。由于使用Sobol方法计算平均矩独立重要性指标的模型需要循环抽样,计算量很高,故引入拒绝抽样（RS）方法,通过重复利用矩独立重要性分析中的一组输入输出样本,就可以额外计算得到矩独立指标函数和平均矩独立重要性指标,这大大节约了计算成本。本文所提指标函数及平均指标的有效性和RS方法的准确性、高效性通过数值和工程算例得以验证。      

一种新的矩独立重要性测度分析方法及高效算法

为了更加合理地分析输入随机变量对结构系统失效概率的影响,提出了一种新的矩独立重要性测度分析方法。传统的重要性测度指标只能估计输入随机变量在固定点时对结构系统输出响应的影响,而所提新指标能够充分反映输入随机变量在其分布区域的所有缩减区间上变化时对结构系统输出响应的平均影响程度,更加符合工程实际。为了求解新指标,给出了2种算法:传统的双层重复抽样蒙特卡罗（DLRS MC）方法和自适应超球重要抽样（ARBIS）方法。双层重复抽样蒙特卡罗方法计算结果可以作为对比参照解,但求解效率较低,计算量很大;自适应超球重要抽样方法在满足新指标求解精度的前提下,计算效率得到很大提高。应用数值算例和工程算例证明了所提新指标的意义和所提新算法的高效性。      

基于改进遗传算法的移动机器人路径规划

路径规划是实现移动机器人自主导航的关键技术。针对常规路径规划算法求解的路径长度非最短以及在前后两次规划过程中规划路径不连贯的问题,提出一种基于改进遗传算法的帧间关联平稳路径规划方法。首先,结合随机和定向两种搜索方式生成候选路径;然后,在常规遗传操作算子中引入插入算子和删除算子,并将规划路径的连贯性考虑进适应度函数中来计算每条候选路径的适应度值;最后,输出适应度值最高的路径作为当前最优路径。仿真结果表明了所提方法的正确性和可行性。实验结果表明,所提方法与A*算法和常规遗传算法相比,移动机器人行驶路径长度分别减少了3.05%和1.85%;行驶过程中的最大偏航角变化量分别减少了38.02%和32.43%,转角绝对值之和分别减少了23.97%和19.94%,所提方法能规划出更优的路径,并显著提高移动机器人的行驶效率和平稳性。      

红外低轨星座突发任务多重策略调度方法

面向红外低轨星座的突发任务规划与资源调度问题,结合红外低轨星座的空间与时间分布特性,提出一种基于多重策略的红外低轨星座任务应急调度方法。所提方法结合红外低轨星座的设计特点,从星座全球分布的均匀性、结构的对称性及星座内卫星运动的周期性分析作为输入,提出一种以地理分区为长期值守分组策略与事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略相结合的多重策略。在所提策略指导下完成任务分组,开展工作窗口调度。经仿真分析可得:所提策略可有效应对不同区域的目标触发,并实时完成分组及工作窗口规划调度,较好解决了任务突发情况下的系统响应,由于采用优先分组的策略,降低了全局优化的复杂度,具有创新性,且具备较好的应用价值。      

基于矩阵逆特征值法的结构动力学设计

结构刚度矩阵和质量矩阵是关于设计参数的函数,而且事实上一般是非线性函数.结构动力学设计通常要求结构具有指定的动力特性,结构动力学设计问题可以归纳为一类含设计参数的广义逆特征值问题.首先给出了结构动力学设计问题的数学描述以及相应的求解准则和方法,然后,利用矩阵逆特征值问题的特点,将原来对整体矩阵的计算转化为对特定的局部矩阵的计算,整体矩阵与局部矩阵之间的数学和物理性质有明确的对应关系,既大大降低了计算量,又能保证计算精度.算例证明了本文方法良好的性能.     

基于约束可满足的深空探测任务规划方法研究

基于传统的CSP算法不能充分体现规划过程的特点,讨论了如何将规划中的动作关系映射到CSP结构中,并据此提出了一种以动作为中心的启发式变量选择策略;分析验证了该方法能够显著降低传统CSP变量搜索策略的时间复杂度,同时对于约束编码的规划问题具有一般适用性。仿真实验表明,本文提出的方法减少了约束处理中的冗余操作,有效提高了问题的求解效率,为工程应用奠定了基础。     

基于非线性模态的复杂系统动力学特性分析方法

针对非线性问题计算方法复杂和计算时间冗长一直是动力学领域的难点问题,给出了一套简单、准确、高效的非线性模态分析方法,对于常见的非线性系统（如杜芬系统、干摩擦系统和非线性材料等）均适用,具有一般性。首先,给出所提方法的基本理论与分析流程;然后,以杜芬系统为例阐述了其在非线性实模态域的应用,以干摩擦系统为例描述了其在非线性复模态域的应用,以压电系统为例展示了其在多场耦合域的应用;最后,给出了基于该理论对大型复杂非线性系统求解时的减缩方法。所提方法的核心在于建立非线性模态参数关于模态幅值的变化规律,不仅将系统的稳态响应求解问题简化为一维代数问题,极大地简化了数值计算过程,而且有助于分析、理解系统的非线性动力学行为。将所提方法与模态综合法结合,可用于高效求解大型复杂非线性系统动力学特性。      

柔性机器人避动力奇异方法的研究

对柔性机器人避动力奇异的方法进行了研究,得出当机器人第i阶模态频率与模态激振力某阶频率相等,且模态激振力比较大时,机器人就会出现动力奇异问题的结论;分析了机器人的结构参数和运动参数是影响其固有频率的因素,提出了在不改变机器人预定工作任务的情况下,对已有的机器人可以通过在其柔性臂上附加一质量块以调节机器人的固有频率,从而避免动力奇异问题的发生;同时给出了附加质量块的规划策略,并以一末杆为柔杆的空间三杆机器人为例,验证了所提方法的有效性.该方法也适用于其它一般机械系统.     

基于有限状态机的交会对接飞行任务规划方法

为实现多约束条件下载人航天器交会对接（RVD）飞行任务的快速、准确规划,提出了一种基于有限状态机（FSM）的飞行任务规划方法。通过飞行过程与有限状态机的映射关系建立图形化任务规划模型,以飞行事件为状态,以测控、光照等约束条件为输入信号,驱动有限状态机的状态转移,进行模型求解,实现交会对接飞行任务的自动规划。以中国神舟十号飞行任务中航天员手控交会对接试验为例,进行了规划验证。经对比,规划计算结果与任务实施结果一致,表明所提方法可以实现交会对接飞行任务的快速、准确规划。      

采用改进导重法的拓扑结构灰度单元过滤技术

针对二分法计算拉格朗日乘子时收敛速度较慢的问题, 提出了拉格朗日乘子计算方法, 应用于优化准则(OC)法和导重(GW)法2种密度更新方法, 并与二分法进行了对比。建立体积约束下柔度最小的拓扑优化模型;通过固体各向同性材料惩罚(SIMP)法或材料属性有理近似(RAMP)法计算单元的弹性模量;通过所提方法计算拉格朗日乘子, 并通过导重法更新单元密度;通过Heaviside投影函数减少灰度单元的数量。计算结果表明:虽然所提方法对有限元分析次数并没有显著改进, 但计算拉格朗日乘子所用CPU时间少于二分法, 且密度更新次数降低至50%以下;在2个数值算例中, 采用SIMP模型时, 导重法所得结构柔度比OC法更小, 能够得到刚度更高的结构。      

基于变尺度混沌算法的曲面品质优化

曲面品质优化是曲面重构中的常见问题，在航空航天和汽车等高端产品设计中，如果要求重构的曲面间具有高阶连续性，往往需要进行大量的优化工作。为了便捷地得到光滑的高品质曲面，提出一种基于变尺度混沌算法的曲面品质优化方法。引入可调参数，在与邻接面NURBS曲面片一阶连续条件下，可以灵活调整多个参数值对目标面进行变形操作；建立变尺度混沌优化的数学模型，计算出可调参数组的最优解，得到相对原曲面变形量最小的高品质曲面。通过案例分析验证了所提方法的鲁棒性和实用性。对优化后的曲面进行光影分析，结果表明：所提方法可以在保证曲面品质的同时，提高曲面重构的效率。     

基于深度强化学习的航天器多约束规避动作快速规划

航天器规避机动过程中面临多种复杂约束条件,传统基于数值优化的动作规划方法在处理相应模型和约束条件时存在初值敏感、计算时间较长等问题,难以对近距离轨道威胁做出及时反应.针对该问题,本文提出一种基于深度强化学习的航天器多约束规避动作规划方法.建立航天器六自由度非线性动力学模型以及相应姿轨机动约束条件;建立基于双延迟深度确定性策略梯度(TD3)的动作规划方法,通过TD3训练得到的神经网络在线生成满足多种约束条件的规避机动动作;构造与规划方法相适配的深度强化学习规范化训练环境,确保学习训练过程中智能体和环境的有效交互.仿真结果表明,所提方法能在预期交会时间仅数十秒的情况下快速实时生成规避动作,规划周期小于9 ms,远低于作为对比项的高斯伪谱法.     

基于核主成分分析的多输出模型确认方法

目前对于不确定性环境下多个相关的复杂计算模型进行确认的方法存在计算困难及稳定性较差的问题。针对这类复杂计算模型,提出了一种新的基于核主成分分析(KPCA)的多输出模型确认方法。该方法将核主成分分析与面积法的思想相结合,构造了一个新的易于计算且稳定性高的模型确认指标。所提方法通过核主成分分析将相关的输出变量转化为不相关的核主成分,再对每一核主成分进行模型与实验的对比,从而避免了传统多输出模型确认方法中需要求解多个输出的联合累积分布函数的困难。由于核主成分分析(PCA)方法能够有效提取分析对象的非线性成分,因此基于核主成分分析的多输出模型确认方法较基于主成分分析的模型确认方法更为稳定,这表现在相同的实验样本数据下核主成分分析的方法具有更低的出错率。另外核主成分分析通过核主成分提取,可以实现多输出模型的降维,从而降低多输出模型确认的复杂度。所提方法既可以用于一般的多输出模型的确认,也可以用于多确认点的输出模型的确认。最后通过数值算例和工程算例证明了该方法的正确性与有效性。     

基于高效搜索方法的可靠性分析改进响应面法

针对结构可靠性计算中广泛应用的响应面法计算量大、迭代效率低等问题,提出了一种基于样本点混合加权和可靠性指标变向搜索的改进响应面法。首先,在传统响应面法的权数选取策略基础上,构建一种考虑样本点与设计点距离和样本点极限状态函数值大小的混合加权方法。然后,对每次响应面迭代求解过程中,由于传统一次二阶矩方法求解效率低等问题,基于变向搜索算法,实现对每一次响应面迭代过程中设计点的有效搜索。算例表明,在一定的计算精度下,所提方法具有很好的收敛性,且大幅减少迭代次数,可以获取高精度的最大失效点和可靠性指标。      

一种多机协同打击的快速航迹规划方法

针对多架自杀式无人机对重要目标进行协同打击的问题,在飞行器运动学、飞行器碰撞、时空协同等约束条件下,提出了一种空间分层分布的协同打击策略,在满足飞行器碰撞约束的前提下,有效提高了对重要目标防御系统的抵抗能力与飞行器自身的生存率。在此基础上,进一步提出了一种空间协同的多机打击快速航迹规划方法,结合Dubins曲线,将飞行器数目增加带来的计算量指数增长的问题,转化为多项式乘积形式的计算量,实时生成满足时空协同要求的次优航迹。通过仿真实验与实际飞行试验验证了所提方法的有效性,无人机可以在生成航迹的引导下,有效到达打击目标。      

基于可能性矩的混合不确定性全局灵敏度分析

在同时包含随机不确定性和模糊不确定性结构系统中,为了分别度量随机输入变量和模糊输入变量对输出响应的统计特征的影响,提出了随机输入变量和模糊输入变量的全局灵敏度新指标。在模糊变量可能性矩定义的基础上,分析了混合不确定性下输出响应的特征。从输出响应可能性矩的角度出发,以输出响应的可能性期望为例,通过比较输出响应有条件和无条件可能性期望的概率密度函数(PDF)的平均差异,分别建立了随机输入变量和模糊输入变量关于输出响应的可能性期望的灵敏度指标。讨论了所提指标的性质,并采用Kriging代理模型来提高混合不确定性全局灵敏度指标的计算效率。最后通过算例验证了本文所提方法的准确性和高效性。