兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (6): 1942-1953.doi: 10.12382/bgxb.2023.0072
收稿日期:
2023-02-10
上线日期:
2023-08-14
通讯作者:
GAO Hua, SHAN Chunlai*(), LIU Jun, ZHANG Fanfan, LIU Pengke
Received:
2023-02-10
Online:
2023-08-14
摘要:
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。
中图分类号:
高华, 单春来, 刘军, 张凡凡, 刘朋科. 基于频次与极值外推综合的载荷外推总体方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(6): 1942-1953.
GAO Hua, SHAN Chunlai, LIU Jun, ZHANG Fanfan, LIU Pengke. Overall Load Extrapolation Method Based on Frequency and Extreme Value Extrapolation[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(6): 1942-1953.
图9 基于雨流矩阵及核密度估计的非参数频次外推时序信号(局部)
Fig.9 Nonparametric frequency extrapolation of time-series signals based on rain flow matrix and kernel density estimation (partial)
类别 | 均值 | 标准差 | 前20个极大值 | 前20个极小值 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
最大值 | 均值 | 中位数 | 最小值 | 均值 | 中位数 | |||
外推前 | 10.0884 | 0.0111 | 10.1288 | 10.1227 | 10.1214 | 10.0533 | 10.0574 | 10.0574 |
方法1 | 10.0888 | 0.0111 | 10.1267 | 10.1202 | 10.1193 | 10.0504 | 10.0585 | 10.0594 |
方法2 | 10.0884 | 0.011 | 10.1277 | 10.1268 | 10.1277 | 10.0546 | 10.055 | 10.0546 |
方法3 | 10.0886 | 0.011 | 10.1285 | 10.126 | 10.126 | 10.0495 | 10.055 | 10.0555 |
表1 3种频次外推前后统计对比
Table 1 Statistical comparison before and after frequency extrapolation by 3 methodsmm
类别 | 均值 | 标准差 | 前20个极大值 | 前20个极小值 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
最大值 | 均值 | 中位数 | 最小值 | 均值 | 中位数 | |||
外推前 | 10.0884 | 0.0111 | 10.1288 | 10.1227 | 10.1214 | 10.0533 | 10.0574 | 10.0574 |
方法1 | 10.0888 | 0.0111 | 10.1267 | 10.1202 | 10.1193 | 10.0504 | 10.0585 | 10.0594 |
方法2 | 10.0884 | 0.011 | 10.1277 | 10.1268 | 10.1277 | 10.0546 | 10.055 | 10.0546 |
方法3 | 10.0886 | 0.011 | 10.1285 | 10.126 | 10.126 | 10.0495 | 10.055 | 10.0555 |
n | 最大值 | 均值 | 标准差 |
---|---|---|---|
1000 | 3.0768 | -0.1356 | 2.3830 |
3000 | 1.6686 | 0.2764 | 2.1118 |
5000 | -0.81 | 0.1148 | 1.2565 |
表2 不同数据量下外推前后概率密度差值统计(方法3)
Table 2 Probability density difference statistics before and after extrapolation under different data volumes (Method 3)
n | 最大值 | 均值 | 标准差 |
---|---|---|---|
1000 | 3.0768 | -0.1356 | 2.3830 |
3000 | 1.6686 | 0.2764 | 2.1118 |
5000 | -0.81 | 0.1148 | 1.2565 |
外推方法 | 关键因素 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|
方法1 | 核函数的选择,最优带宽确定 | 与样本的分布类型无关,任意形状载荷谱的有效估计 | 需要大量样本数据,核函数和带宽选择是有影响的 |
方法2 | 马尔可夫分布初始状态,状态转移矩阵 | 基本不需要调参,可兼顾载荷与时间间隔[ | 需要判断是否马氏收敛,求解马尔可夫初始状态繁琐 |
方法3 | 最小样本长度 | 操作简单、外推方便 | 样本长度需要校验 |
表3 3种外推方法关键因素及优缺点比较
Table 3 Comparison of key factors and advantage/disadvantage of three extrapolation methods
外推方法 | 关键因素 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|---|
方法1 | 核函数的选择,最优带宽确定 | 与样本的分布类型无关,任意形状载荷谱的有效估计 | 需要大量样本数据,核函数和带宽选择是有影响的 |
方法2 | 马尔可夫分布初始状态,状态转移矩阵 | 基本不需要调参,可兼顾载荷与时间间隔[ | 需要判断是否马氏收敛,求解马尔可夫初始状态繁琐 |
方法3 | 最小样本长度 | 操作简单、外推方便 | 样本长度需要校验 |
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