基于包络学习和分级结构一致性机制的不平衡集成算法

集成方法是不平衡学习方法的重要分支,然而,现有不平衡集成方法均作用于原样本而没考虑样本的结构信息,因此其效能仍然有限.样本的结构信息包括局部和全局结构信息.为了解决上述问题,本文提出了一种基于深度样本包络网络(Deep Instance Envelope Network,DIEN)和分级结构一致性机制(Hierarchical Structure Consistency Mechanism,HSCM)的不平衡集成学习算法.该算法在考虑局部流形和全局结构信息的情况下,通过多层样本聚类,生成高质量的多层包络样本,从而实现类平衡化.首先,算法基于样本近邻拼接和模糊C均值聚类算法,设计DIEN来挖掘样本的结构信息,得到深度包络样本.然后,设计局部流形结构度量和全局结构分布度量来构建HSCM用于增强层间样本的分布一致性.接着,将DIEN和HSCM结合起来,构建出优化后的深度样本包络网络——DH(DIEN with HSCM).之后,将基分类器应用于包络样本.最后,设计bagging集成学习机制来融合基分类器的预测结果.文末组织了多组实验,采用了十多个公共数据集和有代表性的相关算法进行验证比较.实验结果表明,本文算法在AUC(Area Under Curve),F-measure等四个性能指标上显著最优.

高压管汇材料疲劳性能测试及P-S-N模型曲线的拟合

高压管汇作为压裂设备中的主要易损件之一,其失效危害较大。它的失效原因主要是疲劳、冲蚀、腐蚀或者材料缺陷引起的刺漏和爆裂,其中尤以疲劳失效最不可预估。目前,对于高压管汇材料的疲劳性能研究不够深入,为解决高压管汇材料疲劳寿命的准确描述问题,以某国产高压管汇材料为例,进行了一系列疲劳试验,并基于试验数据,采用多种分布模型和不同S-N模型进行拟合分析,得出综合评价拟合能力最强的P-S-N模型。结果表明,该材料在中长疲劳寿命区,Weibull三参数模型在7级应力水平下综合评价能力最好;在存活率分别为50%、90%、99%、99.9%时,指数S-N模型的拟合系数均大于0.98,拟合能力最好。得出的P-S-N模型曲线可以为高压管汇的疲劳寿命以及安全设计提供依据。

基于二阶统计特性的方向向量估计算法的DOA估计

为了减小天线阵流形误差对波达方向(DOA)估计结果的影响,以及克服基于传统盲源分离算法的DOA估计算法不能应用于少通道测向设备的不足,提出一种基于2阶统计特性的方向向量估计算法的DOA估计算法。首先,根据确定性最大似然(DML)估计算法谱函数的特征,构造关于协方差矩阵的酉约束下的优化问题;然后,通过优化该问题获得各个单信号的实际方向向量;最后,将各个单信号的实际方向向量输入到空间谱算法中实现DOA估计。由于将多信号的DOA估计转化为多个单信号的DOA估计,因此在天线阵列流形存在误差时,所提算法比传统的DOA方法具有更好的DOA估计性能。由于所提算法仅需使用协方差矩阵,因此所提算法可应用于少通道测向设备。由仿真实验结果可知,在阵列流形存在误差以及测向设备为少通道测向设备时,与传统DOA方法相比,所提算法的DOA估计的准确度、抗扰度以及分辨率更高。

热流道板真空钎焊有限元模拟与分析

采用BNi-2镍基钎料对热流道板进行真空钎焊,须根据钎焊件设定加热工艺曲线。加热工艺曲线的设定是钎焊过程最重要的环节之一,决定着钎焊的质量和效率。该文结合真空加热的特点及钎焊要求,运用Ansys有限元软件数值模拟的方法,对壁厚、体积较大的多层热流道板真空钎焊进行仿真分析,通过对比不同工艺方案及不同钎焊件的模拟结果,探究真空钎焊过程升温规律,从而调整各阶段的相关参数及制定合理的加热工艺曲线,避免了现场反复调试参数造成的资源浪费,节约了时间和成本,提高了效率。此外,通过在实际钎焊试验过程中布置热电偶对钎焊件测量温度,并与数值模拟结果对比,两者基本吻合,验证了有限元分析的准确性,能为之后其他零部件的真空钎焊提供参考。

面向流形数据的加权自然近邻密度峰值聚类算法

流形数据由一些弧线形类簇组成,其特点是同一类簇的样本间距离较大.密度峰值聚类(DPC)算法具有简单高效的特点,但应对流形数据时表现不佳. DPC算法的两种密度度量标准可能造成不同程度的信息缺失,其分配策略仅参考距离和密度,致使聚类精度不高.提出面向流形数据的加权自然近邻DPC(DPC-WNNN)算法,定义样本局部密度时,综合分析样本的局部和全局信息,引入加权的自然近邻以及逆近邻来应对高斯核或截断核的信息缺失问题.设计样本分配策略时通过引入共享近邻和共享逆近邻计算样本相似度,弥补DPC算法空间因素缺失的问题.将DPC-WNNN算法在流形数据集和真实数据集上与7种类似算法进行比较,结果表明该算法能更有效地找到类簇的中心点并准确分配样本,表现出良好的聚类性能.

基于机器学习降雨动态时空特征识别山丘区小流域洪水预报方法研究

山丘区洪水产汇流速度快,破坏力强,预报难度大。如何进一步提高山丘区洪水预报的准确性和预见期,是当前亟待解决的主要问题。针对该问题,本文基于机器学习技术,创新性地提出了一种洪水预报的新方法。该方法通过识别与当前降雨动态时空特征最相似的历史降雨洪水过程,“借古喻今”进行洪水预报。结果表明,在人为影响小、流域面积在600 km^(2)左右的山丘区小流域,该方法预报洪峰流量平均误差为8.33%,洪量平均误差为14.27%,峰现时间平均误差1 h,均达到了洪水预报精度要求。区别于传统的洪水预报方法,该方法从整场降雨发展趋势的角度上预报山洪,更有针对性,为山丘区小流域洪水预报提供了新思路,为“三道防线”数据深度挖掘,防洪“四预”智能化水平提升提供有力技术支撑。

基于流形学习算法的降雨数据时空分布特征提取及重构

【目的】掌握精细化的降雨时空分布特征,对于城市洪涝风险管理水平的提高具有重要的意义。我国近十几年降雨监测站网密集且数据精细程度高,但时间序列较短;历史降雨资料时间序列长,但是精细程度低。【方法】为了更有效地利用历史降雨资料,将流形学习算法引入到历史降雨资料重构中,从高分辨率降雨资料中,提取降雨的时空分别特征,基于该特征,将历史逐6 h的降雨空间数据重构为逐1 h的降雨数据,以满足城市洪涝风险分析的要求。【结果】结果表明,该方法重构数据高值区与实测值的平均误差在15%以内,低值区在20%以内,比传统插值处理的数据高值区误差降低了45%~85%,低值区降低了10%~40%。【结论】利用流形学习算法重构的历史空间降雨数据符合各地区降雨时空分布特征,可提高降雨空间数据颗粒度,实现降雨时空分布精细化特征的有效、合理的提取和总结。

基于GT-PowerDOE的柴油机性能优化

为研究进排气门正时角度和进气歧管长度对于柴油机综合性能的影响,利用发动机仿真软件GT-Power对某款国产柴油发电机的柴油机部分进行建模,并基于台架实验验证其模型准确性。在额定转速为1500 r/min、负载为90%的工况下,应用实验设计(design of experiments,DOE)工具,以发动机进排气门正时角度和进气歧管长度作为自变量,柴油机功率、比油耗和碳烟(soot)排放率为因变量,进行了最大功率、最小比油耗和最低碳烟排放量的多目标优化。结果表明:适当缩短进气歧管长度可以提高发动机进气压力和进气效率,提高发动机动力性和燃油经济性,增大气门重叠角可以有效降低气缸的泵气损失,提升柴油机做功效率,同时降低气缸内温度,从而降低碳烟的排放率。最终,各个目标值分别实现了1.3%、1.0%和2.6%的优化。

一种基于流形的机械臂动作构型知识压缩表达方法

针对在机械臂分拣任务中,存在物体形状各异、大小不一、训练神经网络成本过高的问题,提出一种基于流形空间的机械臂快速分拣方法。通过自主设计的一款简易实验装置模拟代替机械臂进行实验。对高维数据进行压缩,结合三维快速凸包求解算法,对体积大小不同的同类物体的流形空间进行分割,以凸包形式将稳定性较高的点集包裹起来。实验结果表明,体积大小不同的同类物体的高稳定流形子空间是一致的。该方法可以通过对一种物体的流形子结构进行尺度放缩,得到不同大小的同类物体的高稳定分拣区域,用于生成高效、可靠的机械臂分拣任务中的6D位姿构型,以提高分拣作业的工作效率。

海底管道边界条件类型及其对走管行为的影响

针对深海海底管道两端通常与井口、悬链线立管、器管收集器等相连,管道端部边界条件复杂的情况,为了探究不同的管道边界条件对走管行为的影响,将海底管道端部边界条件简化为3种类型,即类型Ⅰ两端水平力、类型Ⅱ一端水平力一端倾斜力和类型Ⅲ一端弹性边界一端水平力,建立不同边界条件下海底管道走管数值模型,对比分析不同类型边界条件下海底管道走管行为。结果表明:类型Ⅱ边界条件与类型Ⅰ相比,随着管道端部拉力倾角增加,管道轴向拉力减小,走管量也减小,管道拉力倾角从0°增至60°,最大轴向拉力减小6.73%,走管率减小50%,这意味着悬链线立管形态改变,使得作用于海底管道的拉力方向改变,相应的海底管道走管量也随之改变;类型Ⅲ与类型Ⅰ边界条件相比,类型Ⅰ边界条件下海底管道走管率为恒值,随着升降温循环次数的增加,海底管道走管量近似线性增长;类型Ⅲ边界条件下海底管道走管率受器管收集器弹性刚度影响,弹性刚度越大,第1次升降温循环走管率越大;随着升降温循环次数增加,管道走管率快速衰减,直至为0,类型Ⅲ边界条件下多次升降温循环最终走管量通常小于类型Ⅰ。3类边界条件下海底管道走管行为差异很大,可为实际工程中分析海底管道端部边界条件类型、选定合适的边界条件提供参考。

基于功率谱流形的信息几何DP-TBD算法

针对复杂杂波背景下目标信杂比起伏而导致的漏检问题,本文结合信息几何检测器的性能优势与动态规划检测前跟踪(Dynamic Programming Track Before Detect,DP-TBD)的多帧信息积累能力,提出了基于功率谱流形的信息几何DP-TBD算法.该算法利用功率谱流形与矩阵流形对偶关系,设计了功率谱信息几何检测器,将信息几何检测器的计算复杂度降低了近两个数量级.通过实测数据实验验证,功率谱DP-TBD算法可实现与矩阵DP-TBD算法相近的检测性能,并将运算时间降低为矩阵DP-TBD算法的3%~8%.此外,相较于信息几何检测器,功率谱DP-TBD可将检测信杂比(Signal-to-Clutter Ratio,SCR)提高2~3 dB.

特征与度量联合优化信息几何检测器

目前,信息几何检测器主要采用协方差矩阵特征模型,在矩阵流形上度量待检测单元数据与杂波数据间的差异,以区分目标与杂波,从而实现雷达目标检测.然而,在复杂杂波背景下,雷达回波信号信杂比低,杂波在其中占据主导地位.因此,含有目标回波的雷达回波信号与纯杂波具有统计相似性,该相似性使得二者在矩阵流形上较难区分,从而限制了信息几何检测器的性能优势.为突破特征表示所造成的性能增益限制,本文提出了基于特征与度量联合优化的信息几何检测器.首先设计了特征与度量可调的信息几何检测器灵活框架,并在此基础上基于纽曼-皮尔逊准则建立了特征与度量的联合优化模型,而后利用局部平坦假设与多层感知器,将联合优化模型中的决策变量参数化,并提出了双阶段优化求解方法.基于仿真数据与实测海杂波数据的实验结果表明,该方法检测性能优于现有信息几何检测器等典型目标检测方法,且在目标多普勒接近杂波谱峰时具有较大优势.

基于增量式等距映射同双重局部密度方法的工业过程故障检测

针对工业过程的非线性和动态性问题,提出一种基于流形学习下的增量式等距映射(IISOMAP)与双重局部密度(DLD)相结合的故障检测方法(IISOMAP-DLD).利用IISOMAP将原始数据映射到低维流形特征子空间和剩余子空间;然后,在两个子空间中分别引入双重局部密度方法构建统计量对过程进行监控;最后,将IISOMAP-DLD方法应用到田纳西-伊斯曼(TE)过程.实验结果表明,IISOMAP-DLD对比其他方法有更高的故障检测率.IISOMAP在保留数据内在特征的同时,解决了过程的非线性问题,而双重局部密度方法可消除过程的动态性.

具有潜在表示和动态图约束的多标签特征选择

针对现有嵌入式方法忽略实例相关性的潜在表示对伪标记学习的影响以及固定的图矩阵导致计算误差随迭代的加深而不断增大的问题,提出一种具有潜在表示和动态图约束的多标签特征选择方法.该方法首先利用实例相关性的潜在表示构造伪标签矩阵,并将其与线性映射和最小化伪标签与真实标签之间的Friedman范数距离相结合,从而保证伪标签与真实标签之间具有较高的相似性.其次,利用伪标签的低维流形结构构建动态图,以缓解固定图矩阵导致的随迭代深度增加计算误差的问题.在12个数据集上与7种先进方法的对比实验结果表明,该方法的整体分类性能优于现有先进方法,能较好地处理多标记特征选择问题.

极化敏感阵列方位依赖误差校正算法

在实际应用中多种类型阵列误差同时存在,针对这种情况下阵列误差方位依赖的特点,提出了一种基于流形分离技术(manifold separation technique,MST)的改进多重信号分类(multiple signal classification,MUSIC)算法,可以有效解决多种阵列误差影响下的波达方向估计问题。利用MST获得包含阵列非理想特性的采样矩阵,从而进行精准测向;通过二维傅里叶变换求解二维空间谱,与现有MUSIC校正算法相比,减少了谱峰搜索的运算量。理论分析和仿真验证了该算法的有效性,可为实际问题的解决提供参考。

凿岩机械臂逆运动学解流形分析及优化

针对一款位姿强耦合的七自由度凿岩机械臂,提出一种基于旋量理论和微分流形理论的逆运动学求解算法。利用Paden-Kahan子问题和几何法得到该冗余机械臂的全部逆解。由于冗余关节的存在,通过末端执行器所需位姿进行求解可以得到无穷组关节逆解,其呈现出光滑流形结构,根据自运动流形的特点,将其分别映射到位置关节空间和姿态关节空间。随后根据实际作业需要,建立多目标优化泛函,对机械臂的解空间进行优化,得到优化解流形。最后针对优化解流形的一组关节逆解进行五次多项式轨迹规划。结果表明:选取的最优解使凿岩机械臂在整个定位过程中运动稳定,位姿误差较小,从而验证了逆运动学解法和优化流形的正确性。

大间距均匀阵列抗模糊DOA估计实验研究

在波达方向(DOA)估计中,当接收天线阵列的单元间距大于入射信号载波的半波长时,会出现阵列流形模糊,这对分辨真实的信号DOA带来了挑战。该文基于子阵级大间距均匀双线极化阵列,提出通过随机改变每个子阵中某个单元的极化状态,使不同子阵对应的导向矢量相互独立,从而打破大间距均匀阵列下导向矢量间的线性关系,并抑制阵列流形模糊。仿真和实验结果表明,该方法可有效去除多重信号分类(MUSIC)算法空间谱中的伪峰,实现高精度DOA估计。

时域流形特征增强在数控机床轴承故障诊断中的应用

以数控机床轴承的时域振动信号为研究对象,提出一种基于流形学习的特征增强方法。首先,将采集信号的时间序列进行相空间重构,通过计算子相空间的信息熵来构建信号在特征空间中的表示,并以流形距离作为原始信号来集中不同故障类型的度量。然后,使用等距特征映射算法求取信号在特征空间中同胚的低维流形,其结果可用于对故障类型的分类判别。经实例数据集的验证分析发现,信息熵—等距特征映射变换能够在低维特征空间表达并强化轴承时域信号的故障类型特征,可有效应用于数控机床轴承单一和复合故障场景的设备运行诊断。

基于空间光谱联合的LPP算法

针对原始的流形学习算法仅利用其光谱特征而没有利用空间信息的问题,提出了基于监督的空谱联合的局部保持投影算法(SS-LPP:Spatial-Spectral Locality Preserving Projections)。该算法首先使用加权均值滤波算法对数据集进行滤波,将空间信息与光谱信息进行融合并消除噪点的干扰,增加同类数据的相关性。然后利用标签集构造类内图和类间图,并通过其可有效提取鉴别特征和改善分类性能。在Salinas和PaviaU数据集上对该算法的有效性进行验证。实验结果表明,该算法能有效提取数据特征,并提高分类的准确性。

基于MRSDAE-KPCA结合Bi-LST的滚动轴承剩余使用寿命预测

针对现有滚动轴承剩余使用寿命预测方法在提取数据特征时没有充分考虑数据的内部分布,且在构建健康因子时还需要专家经验进行人工提取等问题,提出一种基于流形正则化堆栈去噪自编码器、核主成分分析并结合双向长短时记忆网络的滚动轴承剩余使用寿命预测方法。首先采用无监督的堆栈去噪自编码器网络对原始振动数据进行深层特征提取,并使用核主成分分析法进一步降维,以提高健康因子的指标稳定性;然后在堆栈去噪自编码器中加入流形正则化,最大程度保留编码器隐藏层内部的数据分布结构,提高模型提取数据特征的有效性。最后使用双向长短时记忆网络预测轴承的剩余使用寿命,并采用AdaMax优化算法对网络模型的超参数进行自适应寻优。分析结果表明,提出的滚动轴承剩余使用寿命预测方法具有更高的精度。