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基于Wasserstein距离测度的非精确概率模型修正方法

杨乐昌 韩东旭 王丕东

杨乐昌, 韩东旭, 王丕东. 基于Wasserstein距离测度的非精确概率模型修正方法[J]. 机械工程学报, 2022, 58(24): 300-311. doi: 10.3901/JME.2022.24.300
引用本文: 杨乐昌, 韩东旭, 王丕东. 基于Wasserstein距离测度的非精确概率模型修正方法[J]. 机械工程学报, 2022, 58(24): 300-311. doi: 10.3901/JME.2022.24.300
YANG Lechang, HAN Dongxu, WANG Pidong. Imprecise Probabilistic Model Updating Using A Wasserstein Distance-based Uncertainty Quantification Metric[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2022, 58(24): 300-311. doi: 10.3901/JME.2022.24.300
Citation: YANG Lechang, HAN Dongxu, WANG Pidong. Imprecise Probabilistic Model Updating Using A Wasserstein Distance-based Uncertainty Quantification Metric[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2022, 58(24): 300-311. doi: 10.3901/JME.2022.24.300

基于Wasserstein距离测度的非精确概率模型修正方法

doi: 10.3901/JME.2022.24.300
基金项目: 

国家重点研发计划 2021YFB3401500

国家自然科学基金 52005032

国家自然科学基金 72271025

航空科学基金 2018ZC74001

详细信息
    作者简介:

    韩东旭,女,1999年出生,博士研究生。主要研究方向为非精确概率可靠性,不确定性量化。E-mail:h18611579799@163.com

    王丕东,男,1987年出生,博士,讲师。主要研究方向为系统工程与可靠性等。E-mail:pidongwang@ustb.edu.cn

    通讯作者:

    杨乐昌(通信作者),男,1987年出生,博士,副教授,硕士研究生导师。主要研究方向为机械可靠性建模与分析、不确定性量化方法等。E-mail:yanglechang@ustb.edu.cn

  • 中图分类号: TH122

Imprecise Probabilistic Model Updating Using A Wasserstein Distance-based Uncertainty Quantification Metric

  • 摘要: 复杂物理系统的数学代理模型往往包含多类不确定性因素。在实际工程问题如机械系统可靠性优化设计中,可结合系统响应的部分实测数据,校准模型关键参数取值,修正模型结构,提高代理模型的保真性。但对于具有混合不确定性的非精确概率模型,传统基于欧式距离的模型修正方法并不适用。针对这一问题,提出一种基于Wasserstein距离测度的模型修正方法,该方法基于Wasserstein距离测度构建核函数,利用p维参数空间中Wasserstein距离的几何性质以量化不同概率分布之间的差异,相较于现有模型修正方法,可校准模型的高阶超参数,显著降低模型结构及参数不确定性。针对工程实际需求,进一步采用近似贝叶斯推理与切片分割技术以降低计算成本。通过受迫振动钢板本构参数校核问题与NASA Langley多学科不确定性量化问题验证了本方法在静力学与动力学等实际工程问题中的有效性。

     

    复杂物理系统的数学代理模型往往包含多类不确定性因素。在实际工程问题如机械系统可靠性优化设计中,可结合系统响应的部分实测数据,校准模型关键参数取值,修正模型结构,提高代理模型的保真性。但对于具有混合不确定性的非精确概率模型,传统基于欧式距离的模型修正方法并不适用。针对这一问题,提出一种基于Wasserstein距离测度的模型修正方法,该方法基于Wasserstein距离测度构建核函数,利用p维参数空间中Wasserstein距离的几何性质以量化不同概率分布之间的差异,相较于现有模型修正方法,可校准模型的高阶超参数,显著降低模型结构及参数不确定性。针对工程实际需求,进一步采用近似贝叶斯推理与切片分割技术以降低计算成本。通过受迫振动钢板本构参数校核问题与NASA Langley多学科不确定性量化问题验证了本方法在静力学与动力学等实际工程问题中的有效性。
  • 图  W距离的直观描述

    图  基于W距离测度的非精确概率模型修正方法流程图

    图  受迫振动钢板

    图  弹性模量先验样本与后验样本示意图

    图  后验边缘分布直方图

    图  剪切模量中间迭代样本示意图

    图  后验结果与真值比较图

    W距离后验  距离后验  真值  先验

    图  NASA不确定性量化挑战问题任务框架

    图  试验观测样本散点图

    图  10  基于近似贝叶斯推理与W距离测度的非精确概率模型修正后验直方图

    图  11  基于近似贝叶斯推理与W距离测度的非精确概率模型修正后验联合概率密度函数等高线图

    图  12  基于W距离测度修正后模型预测概率盒图

    图  13  近似贝叶斯推理不同更新方法求解后验比较

    normal核  四分位数水平  W距离后验  先验  真值

    表  1  因素水平表

    尺寸参数 长/mm 宽/mm 高/mm
    数值 600 120 3
    本构参数 剪切模量/GPa 弹性模量/GPa 质量密度/(kg·m−3)
    数值 83 210 7 860
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    表  2  认知不确定性建模

    参数 不确定性模型 认知不确定性建模
    E 弹性模量$ E\sim N\left({\mu }_{E}, {\sigma }_{E}^{2}\right) $ $ {{{\theta }} }_{1}={\mu }_{E}\sim U\left[180, 230\right] $
    均值${\mu _E} \in \left[ {180, 230} \right]$ $ {{{\theta }} }_{2}={\sigma }_{E}^{2}\sim U\left[0, 10\right] $
    方差$\sigma _E^2 \in \left[ {0, 10} \right]$
    G 剪切模量$ G\sim N\left({\mu }_{G}, {\sigma }_{E}^{2}\right) $ $ {{{\theta }} }_{3}={\mu }_{G}\sim U\left[60, 100\right] $
    均值${\mu _G} \in \left[ {60, 100} \right]$ $ {{{\theta }} }_{4}={\sigma }_{G}^{2}\sim U\left[0, 10\right] $
    方差$\sigma _G^2 \in \left[ {0, 10} \right]$
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    表  3  设定认知不确定性参数的名义值

    不确定性参数 名义值
    $ E\sim N\left({\mu }_{E}, {\sigma }_{E}^{2}\right) $ ${\mu _{_E}} = 200.5, \sigma _E^2 = 2.0$
    $ G\sim N\left({\mu }_{G}, {\sigma }_{G}^{2}\right) $ ${\mu _G} = 81.4, \sigma _G^2 = 1.5$
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    表  4  后验结果与真值比较数据

    参数 真值/GPa W距离极大似然估计/GPa W距离修正95%置信区间 E距离极大似然估计/GPa E距离修正95%置信区间
    ${\mu _E}$ 200.5 200.261 1 [200.257 5, 200.264 7] 200.302 2 [200.298 3, 200.306 0]
    $\sigma _E^2$ 2.0 2.078 1 [2.064 5, 2.091 8]
    ${\mu _G}$ 81.4 81.567 7 [81.565 2, 81.570 1] 81.553 6 [81.550 5, 81.556 8]
    $\sigma _G^2$ 1.5 1.408 8 [1.402 8, 1.414 9]
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    表  5  认知不确定性建模

    参数 类别 不确定性模型 认知不确定性建模
    ${p_1}$ 单峰Beta分布,${\mu _1} \in \left[ {0.6, 0.8} \right], \sigma _1^2 \in \left[ {0.02, 0.04} \right]$ ${{{\theta }} _1} = {\mu _1}, {{{\theta }} _2} = \sigma _1^2$
    ${p_2}$ 常数,${p_2} \in \left[ {0.0, 1.0} \right]$ ${{{\theta }} _3} = {p_2}$
    ${p_3}$ 均匀分布,$ {p}_{3}\sim U\left(0.0, 1.0\right) $ -
    ${p_4}, {p_5}$ 二元正态分布,${\mu _i} \in \left[ { - 5.0, 5.0} \right], \sigma _i^2 \in \left[ {0.002\;5, 4.0} \right], \rho \in \left[ { - 1.0, 1.0} \right], i = 4, 5$ ${{{\theta }} _4} = {\mu _4}, {{{\theta }} _5} = {\mu _5}, {{{\theta }} _6} = \sigma _4^2, {{{\theta }} _7} = \sigma _5^2, {{{\theta }} _8} = \rho $
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    表  6  不同近似贝叶斯推理结果比较

    修正参数 95%置信区间 极大似然估计 真值
    分位数 E距离 W距离 分位数 E距离 W距离
    ${{{\theta }} _1}$ [0.702 2, 0.709 1] [0.700 6, 0.702 9] [0.683 4, 0.684 4] 0.705 7 0.701 8 0.683 9 0.636 4
    ${{{\theta }} _2}$ [0.027 5, 0.028 2] [0.029 9, 0.030 6] [0.031 9, 0.032 3] 0.027 9 0.030 2 0.032 1 0.035 6
    ${{{\theta }} _3}$ [0.431 5, 0.474 4] [0.451 1, 0.485 2] [0.297 0, 0.330 8] 0.452 9 0.468 1 0.313 9 1
    ${{{\theta }} _4}$ [0.601 5, 0.953 4] [−0.177 8, 0.189 2] [−3.703 6, −3.547 8] 0.777 5 0.005 7 −3.625 7 4
    ${{{\theta }} _5}$ [−0.760 7, −0.457 2] [1.685 1, 1.986 3] [−3.771 4, −3.621 4] −0.609 0 1.835 7 −3.696 4 −1.5
    ${{{\theta }} _6}$ [1.779 7, 1.923 7] [1.772 8, 1.914 4] [1.819 6, 1.946 5] 1.851 7 1.843 6 1.883 0 0.04
    ${{{\theta }} _7}$ [1.959 8, 2.115 1] [1.777 4, 1.921 3] [1.110 9, 1.253 1] 2.037 5 1.849 3 1.182 0 0.36
    ${{{\theta }} _8}$ [−0.095 8, −0.026 5] [−0.009 1, 0.059 8] [0.128 6, 0.195 6] −0.061 1 0.025 4 0.162 1 0.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-22
  • 修回日期:  2022-09-05
  • 网络出版日期:  2024-03-07
  • 刊出日期:  2022-12-20

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