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专利号: 2024117502634
申请人: 长沙理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-29
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种桥梁支座位移在线概率预测方法,其特征在于:包括如下步骤:步骤一:以标准高斯过程模型为基准概率预测模型:yn=f(xn)+εn,其中εn为噪声项,为方差,f为训练函数,训练函数f服从均值为0、协方差为k的高斯过程先验分布: 其中θ为协方差k所依赖的超参数与 组成的超参数集合;

假设给定训练函数f与方差 后,主梁温度输入向量为X时,概率预测模型的支座位移输出向量为y;

步骤二:获得主梁温度历史监测数据 及支座位移历史监测数据 根据引入一组伪点 其中 ui=f(zi),M<N,M为伪点数量,N为样本数量;定义:伪点P的训练函数值集合 历史监测数据的训练函数值集合剩余训练函数值集合f≠u=f‑u;

根据u与f、f≠u之间的关系,采用乘积规则得到训练函数f的真实先验分布 关于u的展开式,并根据 得到训练函数f的近似先验分布p(f|θ)关于u的展开式,根据p(f|θ)和输出向量y的原始似然函数得到训练函数f和输出向量y的近似联合分布p(f,y|θ)关于u的展开式;

定义u在输出向量y条件下的真实先验分布为p(u|y,θ),根据p(u|y,θ)以及u与f、f≠u的关系,采用乘积规则得到训练函数f在输出向量y条件下的真实后验分布p(f|y,θ)关于u的展开式,并根据p(f|y,θ)得到训练函数f的近似后验分布q(f|θ)关于u的展开式;

步骤三:定义输出向量y的边际似然函数为p(y|θ),根据近似后验分布q(f|θ)以及近似联合分布p(y,f|θ),构造对数边际似然函数logp(y|θ)下界;定义近似后验分布q(f|θ)与真实后验分布p(f|y,θ)之间的KL散度,根据对数边际似然函数logp(y|θ)和KL散度的差值,按变分推断原理构造变分自由能界 作为logp(y|θ)的下界,得到 关于u的表达式;

根据 选择不同的伪点P,采用数值迭代法对u进行迭代,让近似后验分布q(f|θ)逼近真实后验分布p(f|y,θ)使 最大化,得到最优变分自由能界 和最优近似后验分布qvfe(f|θ);

步骤四:根据 得到θ值,根据qvfe(f|θ)和θ值得到f的具体表达式和 的具体值,将二者代入步骤一中,得到基准概率预测模型的具体表达式;

步骤五:获得主梁温度的新监测数据和支座位移的新监测数据,将新监测数据与步骤二中旧的历史监测数据 组成新历史监测数据 根据 按步骤二的方法引入新的伪点Pnew及Pnew的训练函数值集合unew;根据旧的真实后验分布p(f|y,θ),利用贝叶斯定理推导新真实后验分布p(f|y,ynew,θnew);

定义训练函数f的新近似后验分布为qnew(f|θnew),定义新近似后验分布qnew(f|θnew)与新真实后验分布p(f|y,ynew,θnew)之间的新KL散度,根据新KL散度按变分推断原理构造新变分自由能界 根据u与unew的关系,推导新变分自由能界关于u、unew的表达式;

根据 选择多个不同的伪点Pnew,采用数值迭代法对unew进行迭代计算,让新近似后验分布qnew(f|θnew)逼近新真实后验分布p(f|y,ynew,θnew)使 最大化,得到新最优变分自由能界 和新最优近似后验分布qnew,vfe(unew|θnew);

步骤六:根据 得到θnew值,根据qnew,vfe(unew|θnew)和θnew值得到f新的具体表达式和方差 新的具体值,将二者代入步骤一中得到基准概率预测模型新的具体表达式。

2.如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤二中,训练函数f的真实先验分布 关于u的展开式采用乘积规则按式(2.1)得到:式中:p(u|θ)为u的先验分布;p(f|u,θ)为f在u条件下的先验分布;p(f≠u|f,u,θ)为f≠u在f、u条件下的先验分布;

其中,p(u|θ)按式(2.2)确定:

式中:Kuu为u与u之间的协方差矩阵;

其中,p(f|u,θ)按式(2.3)确定:

式中:Kfu为f和u之间的协方差矩阵;Kff为f与f之间的协方差矩阵;Kuf为u和f之间的协方差矩阵; 为Kuu的逆矩阵。

3.如权利要求2所述的方法,其特征在于:步骤二中,训练函数f的近似先验分布p(f|θ)关于u的展开式按式(2.4)得到:p(f|θ)=p(u|θ)q(f|u,θ)p(f≠u|u,θ) (2.4)式中:q(f|u,θ)为f在u条件下的近似后验分布,为p(f|u,θ)的近似;p(f≠u|u,θ)为先验分布p(f≠u|f,u,θ)的简化。

4.如权利要求3所述的方法,其特征在于:训练函数f和输出向量y的近似联合分布p(y,f|θ)按式(2.5)得到:式中: 为原始似然函数;

将式(2.4)代入式(2.5)中,近似联合分布p(y,f|θ)关于u的展开式按式(2.6)得到:p(y,f|θ)=p(y|f,θ)p(f≠u|u,θ)p(u|θ) (2.6)式中,p(y|f,θ)为y在f条件下的先验分布。

5.如权利要求4所述的方法,其特征在于:步骤二中,训练函数f在输出向量y条件下的真实后验分布p(f|y,θ)关于u的展开式按式(2.7)得到:p(f|y,θ)=p(u|y,θ)p(f≠u|y,u,θ) (2.7)式中,p(u|y,θ)为u在y条件下的先验分布;p(f≠u|y,u,θ)为f≠u在u、y条件下的先验分布;

训练函数f的近似后验分布q(f|θ)关于u的展开式按式(2.8)得到:q(f|θ)=q(u|θ)p(f≠u|u,θ) (2.8)式中:q(u|θ)为u的后验分布。

6.如权利要求5所述的方法,其特征在于:步骤三中,对数边际似然函数logp(y|θ)的下界按式(3.1)构造:式中:logp(y|θ)为y的对数边际似然函数; 为依赖于q(f|θ)的变分自由能界;

其中,变分自由能界 按式(3.2)确定:

式中:KL[q(f|θ)||p(f|y,θ)]为q(f|θ)与p(f|y,θ)之间的KL散度;p(f|y,θ)为f在y条件下的真实后验分布;

将式(2.6)、(2.8)代入式(3.1)中, 关于u的表达式按式(3.3)得到:式中:fn=f(xn)为xn处的隐函数值; 为消除项。

7.如权利要求6所述的方法,其特征在于:步骤三中,最优变分自由能界Fvfe(θ)和最优近似后验分布qvfe(f|θ)分别按式(3.4)、(3.5)确定:式中:I为单位矩阵;trace(·)为正则化跟踪项。

8.如权利要求7所述的方法,其特征在于:步骤五中,新真实后验分布p(f|y,ynew,θnew)按式(5.1)得到:式中:qnew(f|θnew)为获取新监测数据后f的新近似后验分布;p(f|y,ynew,θnew)为获取新监测数据后f的新真实后验分布; 为依赖于超参数θnew的标准化常量;p(f|θnew)为获取新监测数据后f的新真实先验分布;p(y|f)获取新监测数据后给定f下新数据中旧输出向量y的条件分布;p(ynew|f)为获取新监测数据后给定f下新数据中新输出向量ynew的条件分布;

其中,p(y|f)按式(5.2)得到:

式中: 为依赖于超参数θ的标准化常量;qvfe(f|θ)为获取新监测数据前f的最优近似后验分布; 为获取新监测数据前f的真实先验分布。

9.如权利要求8所述的方法,其特征在于:

步骤五中,新变分自由能界 按式(5.3)得到:

式中:logp(ynew|y,θnew)为新输出向量ynew在旧输出向量y条件下的对数边际似然函数;

KL[qnew(f|θnew)||p(f|y,ynew,θnew)]为qnew(f|θnew)与p(f|y,ynew,θnew)之间的新KL散度;

其中,KL[qnew(f|θnew)||p(f|y,ynew,θnew)]按式(5.4)得到:式中:p(f≠u,new|unew,θnew)为剩余训练函数值f≠u,new的先验分布;qnew(unew|θnew)为新伪点Pnew的训练函数值集合unew的后验分布;p(unew|θnew)为unew的先验分布;f≠u,new=fnew‑unew;fnew为新历史监数据的训练函数值集合;

其中,q(f|θ)按式(5.5)确定:

式中: 和 分别为正态分布的均值和方差;

其中,新近似后验分布qnew(f|θnew)关于u的展开式按式(5.6)得到:qnew(f|θnew)=qnew(unew|θnew)p(f≠u,new|unew,θnew)(5.6)式中:qnew(unew|θnew)为unew的后验分布。

10.如权利要求9所述的方法,其特征在于:步骤五中,新最优近似后验分布qnew,vfe(f|θnew)和新最优变分自由能界 分别按式(5.7)、(5.8)得到:式中:pnew(unew|θnew)为新伪点Pnew的训练函数值集合unew的先验分布;

Kfu,new为f与unew之间的协方差矩阵,Kuu,new为u和unew之间的协方差矩阵; 为Kuu,new的逆矩阵;