Structural health monitoring (SHM) systems are necessary to achieve smart predictive maintenance and repair planning as well as they lead to a safe operation of mechanical structures. In the context of vibration-based SHM the measured structural responses are employed to draw conclusions about the structural integrity. This usually leads to a mathematically illposed inverse problem which needs regularization. The restriction of the solution set of this inverse problem by using prior information about the damage properties is advisable to obtain meaningful solutions. Compared to the undamaged state typically only a few local stiffness changes occur while the other areas remain unchanged. This change can be described by a sparse damage parameter vector. Such a sparse vector can be identified by employing $L_1$-regularization techniques. This paper presents a novel framework for damage parameter identification by combining sparse solution techniques with an Extended Kalman Filter. In order to ensure sparsity of the damage parameter vector the measurement equation is expanded by an additional nonlinear $L_1$-minimizing observation. This fictive measurement equation accomplishes stability of the Extended Kalman Filter and leads to a sparse estimation. For verification, a proof-of-concept example on a quadratic aluminum plate is presented.
Mechanical structures are composed of substructures connected by joints and boundary elements. While the finite element representation of plain substructures is well developed and reliable, joints have a lot of uncertainties in being accurately modelled and affect dynamic behavior of a total system. In order to improve the accuracy of a finite element model, a new method is proposed, in which reduced finite element model is combined with a system identification technique. After substructures except joints are modelled with finite element method and joint properties are represented by parameter states, non-linear state equation is derived in which parameter states are multiplied by physical states such as displacements and velocities. So the joint parameter identification is transformed into non-linear state estimation problem. The methods are tested and discussed numerically and the feasibility for physical application has been demonstrated through two example structures.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.35
no.2
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pp.20-28
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1998
To accurately predict the motion of a submergible, the nonlinear structure of dynamic model should be selected and corresponding parameters should be estimated using model test. Providing the model structure, only the values of parameters are unknown and the estimation can thus be formulated as a standard least square problem. Unfortunately, the nonlinear model structure of submersibles is rarely known a prior and method of model structure determination from measurement data of model test should be developed and included as a vital part of the estimation procedure. In this study, the well-known linear least square algorithm for the analysis of model tests and a way to measure the goodness are reviewed, and the identification algorithm based on an orthogonal decomposition method of Gram-Schmidt is extended to combine structure selection and maneuvering coefficients estimation in a very simple and efficient manner. Finally, the efficiency of this algorithm is verified by using simulation and applying to the analysis of model test of a submerged body. As a result, it was verified that this combined method might be very erective in selecting the structure of dynamic model estimating the maneuvering coefficients from measurement fiat of model test.
Autocorrelation in time series data can affect statistical inference in correlation or regression analyses. To improve a regression model from which the residuals are autocorrelated, Yule-Walker method, nonlinear least squares estimation, maximum likelihood method and 'prewhitening' method have been used to estimate the parameters in a regression equation. This study reviewed on the estimation methods of preventing spurious correlation in the presence of autocorrelation and applied the former three methods, Yule-Walker, nonlinear least squares and maximum likelihood method, to a 20-year real data set. Monte carlo simulation was used to compare the three parameter estimation methods. However, the simulation results showed that the mean squared error distributions from the three methods simulated do not differ significantly.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.14
no.2
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pp.907-923
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2020
For the severe haze situation in the Beijing-Tianjin-Hebei region, conventional fine particulate matter (PM2.5) concentration prediction methods based on pollutant data face problems such as incomplete data, which may lead to poor prediction performance. Therefore, this paper proposes a method of predicting the PM2.5 concentration based on image analysis technology that combines image data, which can reflect the original weather conditions, with currently popular machine learning methods. First, based on local parameter estimation, autoregressive (AR) model analysis and local estimation of the increase in image blur, we extract features from the weather images using an approach inspired by free energy and a no-reference robust metric model. Next, we compare the coefficient energy and contrast difference of each pixel in the AR model and then use the percentages to calculate the image sharpness to derive the overall mass fraction. Furthermore, the results are compared. The relationship between residual value and PM2.5 concentration is fitted by generalized Gauss distribution (GGD) model. Finally, nonlinear mapping is performed via the wavelet neural network (WNN) method to obtain the PM2.5 concentration. Experimental results obtained on real data show that the proposed method offers an improved prediction accuracy and lower root mean square error (RMSE).
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.1
no.1
s.1
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pp.103-115
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2001
The current procedure to design hydraulic structures in a small basin area is to estimate the probable rainfall depth using rainfall intensity formula. The estimation of probable rainfall depth has many uncertainties inherent with it. However, it has been inevitable to simplify the nonlinearity if the rainfall in practice. This study attend to address a method which can model the nonlinearity in order to derive better rainfall intensity formula for the estimation of probable rainfall depth. The results show that genetic algorithm is more reliable and accurate than trial-and-error method or nonlinear programming technique(Powell's method) in the derivation of the rainfall intensity formula.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2008.03a
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pp.1278-1289
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2008
Currently in increasing number of urban tunnels with small overburden are excavated according to the principle of the New Austrian Tunneling Method (NATM). Successful design, construction and maintenance of NATM tunnel in urban area demands prediction, control and monitoring of surface settlement, gradient and ground displacement with high accuracy. Use of measured displacement for parameter determination has been researched over the years, and one geotechnical engineering principle has been formed as back analysis. In this paper, back analysis of a ground deformational behavior involving nonlinear behavior is discussed. It is of primary importance to make reliable prediction of deformational behavior for shallow tunnels in soft ground. However, predictions made often prove to be incorrect due to complexity of constitutive law and other relevant factors. Back analysis therefore becomes more important, for it may be used to interpret measured displacement to derive nonlinear material characteristics. The paper shows some example in which a deformational mechanism is studied in the light of inhomogeneous distrubution of Young's module, from which a logic is derived to identify two different types of nonlinear constitutive relationships.
A model predictive control method is applied to design an automatic controller for thermal power control in a reactor core. The basic concept of the model predictive control is to solve an optimization problem for a finite future at current time and to implement as the current control input only the first optimal control input among the solutions of the finite time steps. At the next time step, the second optimal control input is not implemented and the procedure to solve the optimization problem is then repeated. The objectives of the proposed model predictive controller are to minimize the difference between the output and the desired output and the variation of the control rod position. The nonlinear PWR plant model (a nonlinear point kinetics equation with six delayed neutron groups and the lumped thermal-hydraulic balance equations) is used to verify the proposed controller of reactor power. And a controller design model used for designing the model predictive controller is obtained by applying a parameter estimation algorithm at an initial stage. From results of numerical simulation to check the controllability of the proposed controller at the $5\%/min$ ramp increase or decrease of a desired load and its $10\%$ step increase or decrease which are design requirements, the performances of this controller are proved to be excellent.
The hyperbolic stress-strain model has been shown to be valid for modeling nonlinear stress-strain behavior for rockfill materials. The Duncan-Chang nonlinear constitutive model was adopted to characterize the behavior of the modeled rockfill materials in this study. Accurately estimating the model parameters of rockfill materials is a key problem for simulating dam deformations during both the dam construction period and the dam operation period. In order to estimate model parameters, triaxial compression experiments of rockfill materials were performed. Based on a genetic algorithm, the constitutive model parameters of the rockfill material were determined from the triaxial compression experimental data. The investigation results show that the predicted strains provide satisfactory precision when compared with the observed strains and the strains forecasted by a gradient-based optimization algorithm. The effectiveness of the proposed inversion procedure of model parameters was verified by experimental investigation in a laboratory.
In this paper, the design method of target tracking systems using the extended $H^{\infty}$ filter(EHF) is proposed. Usually, a Cartesian coordinate frame is tell suited to describe the target dynamics. However, the measurements made in radar-centered polar coordinates are expressed as nonlinear equations in Cartesian coordinates. Thus the tacking problem is concerned with the nonlinear estimation. The extended $H^{\infty}$ filter is able to deal with the problems arising in the target tacking systems such as the parameter uncertainty included inevitably in modeling physical systems mathematically, the unavailableness of the stochastic information about exogenous disturbances, and errors due to the linearization of measurement equations. We show the proposed filter is robuster than the extended Kalman filter(EKF) through a simple target tracking example.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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