频响函数概率模型驱动的结构系统识别不确定性量化与传播机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51778203
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    59.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0806.工程建造与服役
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

As a classical model reflecting the input-output relationship in the frequency domain, Frequency Response Functions (FRFs) play a fundamental role in system identification. Unfortunately, its applicability is widely affected by uncertainty. This project aims to quantify uncertainty, understand uncertainty and reduce uncertainty by accommodating measurement noise and modeling errors. This project deeply investigates three issues including statistical inference for FRFs, uncertainty quantification for system identification and uncertainty propagation law of system identification, thereby building an uncertainty analysis framework for system identification driven by the probabilistic model of FRFs in the complex domain. The main contents are shown as follows: (1) The project is expected to prove probability density transformation of random vector in the complex domain so as to reduce the dimension of integration for the statistical inference problem of FRFs, based on which the probability density function of FRFs can be achieved by Gaussian integration algorithm. (2) The Bayesian system identification approach driven by the probabilistic model of FRFs will be proposed by properly considering the correlation and variation among different prediction errors. Also, efficient algorithms will be developed to obtain the optimal values of the model parameters as well as their uncertainties. (3) The project will analytically derive functional relationship between uncertainties and different driving factors to reveal the uncertainty propagation law of measurement noise. Analytical formulas will also be developed to calculate the evidence of different theoretical models employing asymptotic analysis, which is then utilized to obtain the probability of selecting different model classes. On the basis of uncertainty analysis, the project aims to provide solid foundations for guiding structural dynamic testing and model selection, and it is also expected to present more precise dynamic analysis, which is of theoretical significance and practical values in real applications.
作为描述系统输入-输出关系的经典模型,频响函数是系统识别的重要基础,然而其工程适用性受不确定性的制约。项目以考虑测试和建模随机性为突破口,以量化不确定性、认识不确定性和抑制不确定性为目标,以频响函数概率模型推断、特征参数不确定度量化和不确定性传播机理分析为主线,从基础理论、数值模拟和试验三方面,对频响函数概率模型驱动的系统识别不确定性分析方法展开研究:(1)推导复数域随机向量概率密度转换原理实现频响函数概率模型积分降维,引入高斯积分方法实现快速求解;(2)基于频响函数概率模型构建考虑预测误差相关性和方差变异性的贝叶斯系统识别方法,开发新算法提高不确定性量化运算效率;(3)建立参数不确定性与测试随机性之间的近似显式函数关系,推导表征模型精度的证据表达式量化建模随机性。通过探索随机性起源、传播和累积,项目旨在为动力测试及系统建模提供指导,为提高动力分析精度提供依据,具有较大的理论和实用价值。

结项摘要

频响函数作为描述系统输入-输出关系的经典模型,是系统识别和结构健康监测的重要基础,然而其工程应用受到不确定性的制约。项目充分利用贝叶斯在不确定性度量方面优势,以考虑测试和建模随机性为突破口,对频响函数概率模型推断,系统识别不确定度量化与不确定性传播机理分析三个层次的基础理论、算法和计算机实现展开深入研究,主要工作包括:(i)推导出了复数域随机向量概率密度转换原理,实现多元相关频响函数概率模型积分降维,并应用高斯数值积分和稀疏网格算法快速推断出频响函数概率分布;(ii)基于频响函数概率模型构建考虑预测误差相关性的贝叶斯随机系统识别框架,引入代数算法、向量化算法和并行算法大幅度提高了参数不确定性量化计算效率;(iii)建立了表征动力测试随机源对特征参数识别不确定性贡献的近似显式函数关系,计算表征建模随机性的证据表达式,剖析测试和建模随机性的传播机理;(iv)将贝叶斯随机系统识别不确定性量化算法拓展应用于基于超声导波测试的无损检测,求解结构物理参数和损伤参数的后验不确定性;(v)采用数值模拟和实验模型振动测试验证了频响函数概率模型的鲁棒性及系统识别不确定性分析方法的准确性。以上研究工作通过揭示随机性的起源和传递规律,达到量化不确定性、认识不确定性和抑制不确定性的目标,为改善动力测试条件及其优化数学模型提供理论依据,为提高工程结构动力测试和结构监测的分析精度提供科学基础,具有较大的理论意义和工程实用价值。本项目在国内外著名期刊发表论文17篇,其中国际权威期刊论文13篇。此外,依托本项目授权中国发明专利1项,培养毕业博士研究生2人及硕士研究生5人。

项目成果

期刊论文数量(17)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Statistical modeling for fast Fourier transform coefficients of operational vibration measurements with non-Gaussianity using complex-valued t distribution
使用复值 t 分布对非高斯运行振动测量的快速傅里叶变换系数进行统计建模
  • DOI:
    10.1016/j.ymssp.2019.06.006
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Mechanical Systems and Signal Processing
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Yan Wang-Ji;Yang Long;Yang Xia;Ren Wei-Xin
  • 通讯作者:
    Ren Wei-Xin
A unified scheme to solving arbitrary complex-valued ratio distribution with application to statistical inference for raw frequency response functions and transmissibility functions
解决任意复值比率分布的统一方案,应用于原始频率响应函数和传递函数的统计推断
  • DOI:
    10.1016/j.ymssp.2020.106886
  • 发表时间:
    2020-11
  • 期刊:
    Mechanical Systems and Signal Processing
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Yan Wang-Ji;Zhao Meng-Yun;Beer Michael;Ren Wei-Xin;Chronopoulos Dimitrios
  • 通讯作者:
    Chronopoulos Dimitrios
基于响应功率谱传递比的桥梁结构工作模态参数识别方法
  • DOI:
    10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.11.007
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    中国公路学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    孙倩;颜王吉;任伟新
  • 通讯作者:
    任伟新
基于贝叶斯功率谱变量分离方法的实桥模态参数识别
  • DOI:
    10.6052/j.issn.1000-4750.2018.11.0604
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    工程力学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    秦超;颜王吉;孙倩;任伟新
  • 通讯作者:
    任伟新
Transmissibility-based system identification for structural health Monitoring: Fundamentals, approaches, and applications
基于传递性的结构健康监测系统识别:基础知识、方法和应用
  • DOI:
    10.1016/j.ymssp.2018.06.053
  • 发表时间:
    2019-02
  • 期刊:
    Mechanical Systems and Signal Processing
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Yan Wang-Ji;Zhao Meng-Yun;Sun Qian;Ren Wei-Xin
  • 通讯作者:
    Ren Wei-Xin

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其他文献

基于响应传递比的桥梁结构工作模态参数识别
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    工程力学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    孙倩;颜王吉;任伟新
  • 通讯作者:
    任伟新
结构系统识别不确定性分析的Bayes方法及其进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    应用数学与力学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    颜王吉;曹诗泽;任伟新
  • 通讯作者:
    任伟新
基于模态参数灵敏度的损伤方程组求解正则化方法研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    计算力学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    孙健敏;李丹;颜王吉
  • 通讯作者:
    颜王吉
桥梁结构动力特性不确定性的全局灵敏度分析的解析方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    振动工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    万华平;任伟新;颜王吉
  • 通讯作者:
    颜王吉
Statistical damage identification of structures based on element modal strain energy sensitivity
基于单元模态应变能敏感性的结构统计损伤识别
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Zhongnan Daxue Xuebao (Ziran Kexue Ban)/Journal of Central South University (Science and Technology)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    颜王吉;黄天立;任伟新
  • 通讯作者:
    任伟新

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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