Sequential Monte Carlo Method Toward Online RUL Assessment with Applications

Online assessment of remaining useful life(RUL) of a system or device has been widely studied for performance reliability, production safety, system conditional maintenance, and decision in remanufacturing engineering. However,there is no consistency framework to solve the RUL recursive estimation for the complex degenerate systems/device.In this paper, state space model(SSM) with Bayesian online estimation expounded from Markov chain Monte Carlo(MCMC) to Sequential Monte Carlo(SMC) algorithm is presented in order to derive the optimal Bayesian estimation.In the context of nonlinear & non-Gaussian dynamic systems, SMC(also named particle filter, PF) is quite capable of performing filtering and RUL assessment recursively. The underlying deterioration of a system/device is seen as a stochastic process with continuous, nonreversible degrading. The state of the deterioration tendency is filtered and predicted with updating observations through the SMC procedure. The corresponding remaining useful life of the system/device is estimated based on the state degradation and a predefined threshold of the failure with two-sided criterion. The paper presents an application on a milling machine for cutter tool RUL assessment by applying the above proposed methodology. The example shows the promising results and the effectiveness of SSM and SMC online assessment of RUL.

基于Monte-Carlo方法的自抗扰控制系统优化设计

针对一类含有不确定性的状态可测的单变量非线性对象,应用Monte-Carlo方法,研究自抗扰控制系统扩张状态观测器的优化设计问题,并对自抗扰控制系统的性能鲁棒性进行定量研究.仿真结果证明利用Monte-Carlo试验对自抗扰控制系统优化的方法不仅计算简便、可操作性强,而且还进一步提高了系统的性能鲁棒性和适应性.

地基承载力上限分析中的Monte Carlo搜索技术

Greco提出的临界滑裂面搜寻的Monte Carlo搜索技术具有原理简单、适应性强、搜索性能好及容易编程实现等优点,目前该类方法已在边坡稳定的优化计算中有许多成功的应用。为能够在多块体上限法求解地基极限承载力的优化计算中应用Monte Carlo搜索技术,基于上限法相容速度场的要求及地基承载力问题的特点,对Monte Carlo搜索技术实现中的目标函数、几何约束条件、初始破坏面的产生以及收敛准则等重新进行了设置。由于Monte Carlo搜索技术随机性的特点,某一次的搜索优化往往存在陷入局部极值的危险,为解决这一不足,采取了随机设置多次初始破坏面分别进行搜索优化的办法,计算表明,优化效果很好。通过对实际问题的计算以及对比发现,Monte Carlo搜索技术在此处多块体上限法求解地基承载力问题中的优化应用是相当成功的。此外,由于此处的优化是以破坏面上的节点为对象的,因此,不但可以方便地考虑三角形块体的优化,而且也可以方便地考虑四边形块体的优化问题,其适用性更强。

基于BP神经网-络Monte Carlo法的结构可靠性分析

提出通过人工神经网络拟合极限状态函数的方法来解决结构可靠性问题。根据多层神经网络映射存在定理,对于任何在闭区间内的一个连续函数都可以用含有一个隐含层的BP网络来逼近。应用此定理,通过人工神经网络拟合极限状态方程,借助神经网络的函数映射关系产生大量的极限状态函数值,作为下一步的分析数据。此过程并不像MonteCarlo法对每一点都做确定性计算,因而达到减少计算工作量的目的。该方法仅采用Monte Carlo法随机抽样的思路,对大范围的数据进行概率分析,通过概率分析得到极限状态函数值的均值和标准差,以便求得结构系统的可靠性指标,进行结构系统可靠性分析。

MIMO非线性系统状态估计的递推Monte-Carlo方法研究

递推蒙特·卡洛 (Monte-Carlo,MC)方法是基于系统状态和观测值概率分布的估计方法。本文首先讨论了SISO非线性系统状态估计中递推 MC方法的应用 ,在此基础上将上述状态估计方法推广到 MIMO非线性系统 ,并提出了两种不同的估计方案。仿真研究表明 ,这两种方案都可以得到较好的状态估计结果。不过 ,随机抽样数目对递推 MC估计方法的状态估计精度会产生较大影响 ,限制了该方法的进一步应用 ;本文对随机抽样数目对状态估计结果的影响进行了讨论。

布朗扩散系数对胶体分形粒子簇扩散控制聚集动力学影响的Monte Carlo模拟

使用表征粒子簇结构的几何形状因子 ,通过对扩散控制聚集过程的模拟 ,从微观或介观层次研究了粒子簇结构对粒子簇增长速率和速率常数的影响规律 ,并与实验结果进行了对比分析 .

布朗扩散系数对胶体聚集粒子簇大小动态标度影响的Monte Carlo模拟研究

通过对胶体扩散控制聚集机理的MonteCarlo模拟，表明粒子簇的布朗扩散系数与其大小和形状有关，粒子簇的大小分布可被标度．在微观或介观的层次上，揭示了表征粒子簇结构的几何形状因子在扩散控制聚集过程中对动态标度和粒子簇分布的影响．

扩散控制胶体聚集的Monte Carlo模拟

本文运用ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ方法模拟了三种不同情形下扩散控制的胶体聚集过程：（ａ）胶体扩散系数与聚集数的平面方成反比；（ｂ）胶体扩散系数与聚集数成指数关系减小；（ｃ）胶体扩散系数为常数。在ａ、ｂ情形中，平均聚集数〈ｌ〉和聚集体分布反差Ｖａｒ［ｌ］都是开始随时间增加得很快，而后逐渐趋缓；对于ｃ则不同，〈ｌ〉随时间稳定增长，Ｖａｒ［ｌ］增长得越来越快。然而无论在何种情况下，粒子的聚集速度都与浓度的平方成正比。

基于FLAC^(3D)和Monte Carlo法采场稳定性分析

针对云南某矿地下矿体的采场稳定性,运用FLAC^(3D)建模并进行开挖模拟,选择标高3 556~3 571 m建立采场模型,对采场长度、宽度以及高度分别为30、14和15 m的结构参数水平进行模拟,并得出开挖区域的位移应力图和顶底板的位移监测,之后运用Monte Carlo法建立极限方程,代入Matlab进行数值模拟,得出顶底板和边帮的失效概率。采场的左边帮、右边帮的失效概率较小,而顶底板的失效概率相对较大。

自旋S=1/2号反铁磁链的量子Monte Carlo研究

在投影量子Monte Carll方法基础上,提出了一种有效地处理反铁磁自旋长链的Monte Carlo方法。用该算法计算了自旋S=1/2、链长N=32的反铁磁链的基态能。计算结果与Betsuyaku和Bonner等人的结果相符合。同时,计算了反铁磁链的基态关联函数,得出了随链长N的增加,其自旋链的长程有序消失的结论。

胶粒分形粒子簇反应控制聚集动态行为位垒影响的Monte Carlo模拟

通过对反应控制聚集过程的 Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ模拟，从微观及介观层次上探讨了胶粒间相互作用位能曲线上位垒高度的变化对胶粒分形粒子簇大小分布和动态标度函数及聚集动力学行为的影响规律．

应用Monte Carlo方法模拟爆轰产物状态方程的研究进展

应用Monte Carlo方法模拟爆轰产物状态方程,区别于建立在球形分布分子势基础上的传统爆轰产物状态方程计算方法,从原子水平上直接模拟实际炸药的爆轰产物状态方程,克服了传统方法中混合产物状态方程不精确的缺点。综述了该方法的历史背景及发展现状。对模拟中宏观量的描述、统计平均的计算、势函数的选取及边界条件进行了详尽描述。

Target reliability index for serviceability limit state of single piles

The objective is to develop an approach for the determination of the target reliability index for serviceability limit state(SLS) of single piles. This contributes to conducting the SLS reliability-based design(RBD) of piles. Based on a two-parameter,hyperbolic curve-fitting equation describing the load-settlement relation of piles, the SLS model factor is defined. Then, taking into account the uncertainties of load-settlement model, load and bearing capacity of piles, the formula for computing the SLS reliability index(βsls) is obtained using the mean value first order second moment(MVFOSM) method. Meanwhile, the limit state function for conducting the SLS reliability analysis by the Monte Carlo simulation(MCS) method is established. These two methods are finally applied to determine the SLS target reliability index. Herein, the limiting tolerable settlement(slt) is treated as a random variable. For illustration, four load test databases from South Africa are compiled again to conduct reliability analysis and present the recommended target reliability indices. The results indicate that the MVFOSM method overestimates βsls compared to that computed by the MCS method. Besides, both factor of safety(FS) and slt are key factors influencing βsls, so the combination of FS and βsls is welcome to be used for the SLS reliability analysis of piles when slt is determined. For smaller slt, pile types and soils conditions have significant influence on the SLS target reliability indices; for larger slt, slt is the major factor having influence on the SLS target reliability indices. This proves that slt is the most key parameter for the determination of the SLS target reliability index.

基于频次与极值外推综合的载荷外推总体方法

载荷外推作为载荷谱编制的重要技术手段,当前研究缺乏对于载荷外推总体方法的全面梳理、马尔可夫稳态分布的求解方法适应性不够、缺乏不同非参频次外推方法的比较与选用原则,导致不便生成高精度载荷谱以支撑装备性能设计。围绕坦克在高机动和极限工况下的载荷谱编制问题,基于某坦克行进间身管位移数据样本,分别使用基于雨流矩阵及核密度估计的非参数外推法、基于马尔可夫链蒙特卡洛(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)的信号重构法以及Metropolis-Hastings(简称MH)直接采样法进行了载荷频次外推,并针对MCMC的信号重构法提出了一种改良马尔可夫稳态分布的求解方法。应用所提出的频次-极值相结合的载荷外推总体方法对坦克身管位移进行了频次扩充与极值预测,并结合实车试验结果验证了方法的准确性。研究结果表明:改良的马尔可夫稳态分布求解方法是有效的;在样本长度足够、外推精度要求不甚高的情况下,MH直接采样法可作为一种新的频次外推方法;运用频次-极值相结合的载荷外推总体方法所得结果精度较高;形成的频次外推法选用原则对于载荷谱编制过程中的方法选择具有一定的指导意义。研究工作为装备载荷谱的高质量编制提供了成熟的技术路线和参考。

基于爬坡方向状态划分的MCMC风电功率序列建模方法

由于电网弃风或者灵活性资源不足往往发生在风电大量发电时,故提高风电时间序列模型对大出力状态的建模-抽样精度,有助于后续的电网灵活性资源相关研究。在传统马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)法和持续与波动蒙特卡罗(PV-MC)法基础上,提出一种考虑爬坡方向状态划分的改进方法,以更准确地描述风电出力连续爬坡至大出力状态的过程。该方法以累积分布概率而不是以功率大小均匀划分状态区间,使各个状态区间的样本分布更均匀,提高了风电时间序列模型对大出力状态的建模-抽样精度。通过算例比较所提方法、MCMC法及PV-MC法生成风电功率序列与历史数据的分布特性和统计特性指标,结果表明,所提方法的拟合度较好,且能够有效解决MCMC法和PV-MC法高出力、样本偏少的问题。

Ground State, Isoelectronic Ions and Low-Lying Excited States of Lithium Atom in Strong Magnetic Field

In the framework of the variational Monte Carlo method, the ground states of the lithium atom and lithium like ions up to Z = 10 in an external strong magnetic field are evaluated. Furthermore, the two low-lying excited states , and of the lithium atom in strong magnetic field are also investigated. Simple trial wave functions for lithium are used.

有限深度海域海面电磁散射的FDTD方法研究

雷达能够探测、遥感有限深度海域的海面及附近目标,针对这一需求,采用改进的文氏海谱和Monte Carlo方法模拟有限深度海域海面,选取Debye模型计算海水介电常数,运用时域有限差分法研究了有限深度海域海面电磁散射,仿真了散射系数的角分布曲线。仿真结果表明:散射系数随散射角振荡变化,在镜反射方向处产生散射增强效应;海水深度虽然对散射系数影响较小,但是仍有规律可循,海水深度越大,散射系数越小;海面风速、入射角、风区范围对散射系数影响较大,风速越大,散射系数越小;入射角越大,散射系数越小;风区范围越大,散射系数越小。

考虑原子亚稳态的镥金属蒸发过程模拟研究

镥-177是目前全球医用同位素的研究热点之一,可使用通过电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)辅助生产和加工的镥-176经由反应堆辐照制得.金属蒸发过程是EB-PVD的重要一环,金属原子蒸气的各宏观特征量分布将直接影响后续的沉积镀膜过程.本文基于直接模拟蒙特卡罗方法,将原子亚稳态引入碰撞假设,建立了金属蒸发过程的二维和三维模型,对是否考虑镥原子亚稳态的金属蒸发过程中各宏观特征量进行分析比较,并对中心处宏观特征量随狭缝开口大小和蒸发源表面温度的变化特点进行讨论.研究结果表明,原子亚稳态会导致经过束流装置的金属原子蒸气数密度降低、运动速度和速度的离散程度上升,同时狭缝开口大小和蒸发源表面温度均会引发金属原子蒸气宏观特征量分布的变化.在二维模型基础上进行的三维模拟结果与其变化一致,本工作可为电子束金属蒸发过程的实验研究提供参考和指导.

基于蒙特卡罗方法的风电场有功出力的概率性评估

风电具有随机性和间歇性的特点,常规确定性方法已无法准确评估风电场有功出力情况。为了解决此问题,引入概率性方法对风电场出力进行评估。考虑运行、停运和降额状态,建立了风电机组的多状态故障模型。在此基础上,考虑风速的随机性、风电场尾流效应建立了风电场的可靠性模型。基于此模型,应用蒙特卡罗方法给出了风电场有功出力概率评估的方法和流程。在Matlab中编写了相关程序,并对风电场的有功出力进行了概率评估,分析了不同可靠性参数和模型参数对评估结果的影响,从中可以看出风速模型中形状参数和尺度参数对评估结果影响较大。

甘肃黄土高边坡可靠度研究

以甘肃省266个黄土自然极限状态坡为研究对象,将其按地形地貌、地层岩性等特征划分为4个亚区,对每个亚区的极限状态坡高与坡宽进行双对数线性模型回归和不同置信度下的统计分析,给出4个亚区不同置信度下坡高与坡宽的相关关系。以1 024组黄土物理力学指标统计结果作为计算参数,用Bishop法的稳定系数计算公式建立极限状态方程,利用Monte Carlo法对各亚区不同置信度下的边坡进行可靠度模拟,系统分析了坡高、坡度、参数变异性对失效概率的影响,以及失效概率与稳定系数的关系。结果表明,临洮-永靖亚区边坡坡度低于31.5,失效概率可控制在10%以下;陇东亚区、兰州-定西-会宁亚区和天水-秦安-通渭亚区在强度参数变异系数取当地平均水平,稳定系数为1.3情况下失效概率在10%以内,稳定系数为1.2情况下,失效概率多在20%以内。