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一种自适应的仿真试验参数值选择方法

阅读:321发布:2020-05-11

专利汇可以提供一种自适应的仿真试验参数值选择方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种自适应的仿真试验参数值选择方法,包括以下步骤:从需要仿真的多元参数分布中得到一组仿真参数值的样本集合;为参数值集合P中的每一个参数值样本p∈P,确定对应的归一化距离d;为已有的参数值集合P构建沃罗诺伊图,从而将整个多维参数空间进行划分,并确定每个沃罗诺伊图单元格权重v;对参数值集合P中的每一个参数值样本p∈P,对其对应的沃罗诺伊图单元格权重v和归一化距离d进行加权平均,得到量化指标l=αv+(1-α)d,权重α的取值范围为(0,1)。其优点是:通过自适应的仿真参数值选择,动态地 定位 出更有价值的仿真参数值组合,从而可以对这些参数值进行仿真试验,从而以尽可能少的仿真次数,尽快发现仿真系统的主要特性。,下面是一种自适应的仿真试验参数值选择方法专利的具体信息内容。

1.一种自适应的仿真试验参数值选择方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)采用拉丁超立方抽样从需要仿真的多元参数分布中得到一组仿真参数值的样本集合;
(2)为参数值集合P中的每一个参数值样本p∈P,确定对应的归一化距离d;
(3)为已有的参数值集合P构建沃罗诺伊图,从而将整个多维参数空间进行划分,并确定每个沃罗诺伊图单元格权重v;
(4)对参数值集合P中的每一个参数值样本p∈P,对其对应的沃罗诺伊图单元格权重v和归一化距离d进行加权平均,得到量化指标l=αv+(1-α)d,权重α的取值范围为(0,1);
(5)根据每一个参数值样本p的量化指标l,选择具有最大l值的样本pl,在pl所在的沃罗诺伊图单元格中随机选择一个与pl和其m个最近邻样本距离较远的样本p”,其对应的各个参数值即自适应仿真试验选择的参数值,将p”并入参数值集合P,即P=P∪p”;
(6)按照设定的终止条件进行终止。
2.如权利要求1所述的一种自适应的仿真试验参数值选择方法,其特征在于:所述的步骤(1)中样本集合 其中,R表示实数集,d为需要仿真的参数的个数。
3.如权利要求1所述的一种自适应的仿真试验参数值选择方法,其特征在于:所述的步骤(2)具体为,为参数值样本p选择m个最近邻样本{p1,p2,...,pm};根据样本{p,p1,p2,...,pm}和其对应的仿真结果{f(p),f(p1),f(p2),...,f(pm)}按照最小二乘线性拟合计算超平面的斜率g,其中,函数f()表示仿真过程对输入参数值到输出结果的映射,计算样本点{p1,p2,...,pm}到穿过样本点p且斜率为g的超平面的距离之和D,对D进行归一化得到d=(D-Dmin)/(Dmax-Dmin),其中,Dmin为集合P中任意参数值样本计算得到的D的最小值,Dmax为集合P中任意参数值样本计算得到的D的最大值。
4.如权利要求1所述的一种自适应的仿真试验参数值选择方法,其特征在于:所述的步骤(3)具体为将所有沃罗诺伊图单元格的权重均初始化为0,更新计算所有沃罗诺伊图单元格的权重。
5.如权利要求4所述的一种自适应的仿真试验参数值选择方法,其特征在于:所述的步骤(3)具体包括以下步骤:
采用拉丁超立方抽样从需要仿真的多元参数分布中得到另一组数量更多的仿真参数值的样本集合 例如|Q|=1000|P|,其中||表示集合中元素的个数,对参数值集合Q进行遍历,对Q中的任一参数值样本q∈Q,对P中所有样本进行遍历,查找与q最近的样本p',计算p'与q的距离为d',对p'所在的沃罗诺伊图单元格的权重vp'加d',即vp'=vp'+d',对全部更新后的沃罗诺伊图单元格权重进行归一化,即v=(v-vmin)/(vmax-vmin),其中v表示沃罗诺伊图任意单元格权重,vmin为所有单元格权重中的最小值,vmax为所有单元格权重中的最大值。
6.如权利要求1所述的一种自适应的仿真试验参数值选择方法,其特征在于:所述的步骤(6)具体为当仿真参数值集合中样本数n≥Th时,参数值选择终止,Th为预设的阈值;否则,执行步骤(2)-(6)。

说明书全文

一种自适应的仿真试验参数值选择方法

技术领域

[0001] 本发明属于仿真试验技术领域,具体涉及一种自适应的仿真试验参数值选择方法。

背景技术

[0002] 由于当前需要进行仿真试验的系统如无人自主系统等越来越复杂,仿真过程所需要验证的参数数量也越来越庞大。在传统的仿真试验设计中,设计好的参数值被输入给仿真器,仿真工具评估已经选择好的试验参数值并依据这些参数值评估系统性能,例如通过均匀划分的方法将没个参数按相等间隔均匀取值。在这个过程中,所有的样本是一次选择的,仿真过程并没有采用持续产生的额外的样本。由于复杂系统如无人自主系统与外界环境交互,仿真参数的数量常常相当庞大,这些参数将会包括无人自主系统各算法的参数、外界环境的参数、环境中动态变化的对象情况、时间空间约束等。因此,无法对整个参数空间进行详细遍历或者均匀采样,需要自适应地选择一系列的仿真参数值,以用于降低仿真的成本,并尽快反映系统的特性。本发明通过一种自适应的仿真试验参数值选择方法,可以从已经完成仿真的参数值集合中进行分析,以用于恰当地选择新的仿真参数值,以尽快验证要仿真的系统并发现问题。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提出一种自适应的仿真试验参数值选择方法,通过自适应的仿真参数值选择,动态地定位出更有价值的仿真参数值组合,从而可以对这些参数值进行仿真试验,从而以尽可能少的仿真次数,尽快发现仿真系统的主要特性。
[0004] 本发明的技术方案如下:一种自适应的仿真试验参数值选择方法,包括以下步骤:
[0005] (1)采用拉丁超立方抽样从需要仿真的多元参数分布中得到一组仿真参数值的样本集合;
[0006] (2)为参数值集合P中的每一个参数值样本p∈P,确定对应的归一化距离d;
[0007] (3)为已有的参数值集合P构建沃罗诺伊图,从而将整个多维参数空间进行划分,并确定每个沃罗诺伊图单元格权重v;
[0008] (4)对参数值集合P中的每一个参数值样本p∈P,对其对应的沃罗诺伊图单元格权重v和归一化距离d进行加权平均,得到量化指标l=αv+(1-α)d,权重α的取值范围为(0,1);
[0009] (5)根据每一个参数值样本p的量化指标l,选择具有最大l值的样本pl,在pl所在的沃罗诺伊图单元格中随机选择一个与pl和其m个最近邻样本距离较远的样本p”,其对应的各个参数值即自适应仿真试验选择的参数值,将p”并入参数值集合P,即P=P∪p”;
[0010] (6)按照设定的终止条件进行终止。
[0011] 所述的步骤(1)中样本集合 其中,R表示实数集,d为需要仿真的参数的个数。
[0012] 所述的步骤(2)具体为,为参数值样本p选择m个最近邻样本{p1,p2,...,pm};根据样本{p,p1,p2,...,pm}和其对应的仿真结果{f(p),f(p1),f(p2),...,f(pm)}按照最小二乘线性拟合计算超平面的斜率g,其中,函数f()表示仿真过程对输入参数值到输出结果的映射,计算样本点{p1,p2,...,pm}到穿过样本点p且斜率为g的超平面的距离之和D,对D进行归一化得到d=(D-Dmin)/(Dmax-Dmin),其中,Dmin为集合P中任意参数值样本计算得到的D的最小值,Dmax为集合P中任意参数值样本计算得到的D的最大值。
[0013] 所述的步骤(3)具体为将所有沃罗诺伊图单元格的权重均初始化为0,更新计算所有沃罗诺伊图单元格的权重。
[0014] 所述的步骤(3)具体包括以下步骤:
[0015] 采用拉丁超立方抽样从需要仿真的多元参数分布中得到另一组仿真参数值的样本集合 |Q|=1000|P|,其中||表示集合中元素的个数,对参数值集合Q进行遍历,对Q中的任一参数值样本q∈Q,对P中所有样本进行遍历,查找与q最近的样本p',计算p'与q的距离为d',对p'所在的沃罗诺伊图单元格的权重vp'加d',即vp'=vp'+d',对全部更新后的沃罗诺伊图单元格权重进行归一化,即v=(v-vmin)/(vmax-vmin),其中v表示沃罗诺伊图任意单元格权重,vmin为所有单元格权重中的最小值,vmax为所有单元格权重中的最大值。
[0016] 所述的步骤(6)具体为当仿真参数值集合中样本数n≥Th时,参数值选择终止,Th为预设的阈值;否则,执行步骤(2)-(6)。
[0017] 本发明的有益效果在于:本发明所提出的方法对仿真试验的参数空间采用自适应的细化方法进行采样划分,比均匀划分方法在节省仿真试验次数方面具有明显优势。从参数空间结构进行分析,假设仿真试验具有d个参数需要确定。假设采用均匀划分的参数值选d择方法需要将每个参数细分为100个等份,从而需要进行仿真的次数为100次。采用本发明提出的自适应采样方法,将每个参数初始化均匀划分为50等份,且参数空间中非线性区域的比例为1/10,即50d×1/10个区域需要做参数的二分取值,从而最终的仿真次数约为50d×
1/10×2d+50d×9/10=100d×1/10+50d×9/10。按照以上值进行粗略对比,在d=2时,即进行两个参数的取值选择时,采用自适应方法可以节省近7千次仿真试验。在d=3时,即进行三个参数的取值选择时,采用自适应方法可以节省近80万次仿真试验。并且所节省的次数随着d的增加而急剧增长。从而本发明所提出的方法可以大大提高仿真试验的效率。

具体实施方式

[0018] 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0019] 一种自适应的仿真试验参数值选择方法,具体包括以下步骤:
[0020] (1)采用拉丁超立方抽样(Latin Hypercube Sampling,LHS)从需要仿真的多元参数分布中得到一组仿真参数值的样本集合 其中R表示实数集,d为需要仿真的参数的个数。
[0021] (2)为参数值集合P中的每一个参数值样本p∈P,确定m个最近邻样本{p1,p2,...,pm}。
[0022] 根据样本{p,p1,p2,...,pm}和其对应的仿真结果{f(p),f(p1),f(p2),...,f(pm)}按照最小二乘线性拟合计算超平面的斜率g,其中函数f()表示仿真过程对输入参数值到输出结果的映射。计算样本点{p1,p2,...,pm}到穿过样本点p且斜率为g的超平面的距离之和D。对D进行归一化得到d=(D-Dmin)/(Dmax-Dmin),其中Dmin为集合P中任意样本计算得到的D的最小值,Dmax为集合P中任意样本计算得到的D的最大值。
[0023] (3)为已有的参数值集合P构建沃罗诺伊图(Voronoi Tessellation),从而将整个多维参数空间进行划分。
[0024] 将所有沃罗诺伊图单元格的权重均初始化为0,更新计算所有沃罗诺伊图单元格的权重。具体包括以下步骤:采用拉丁超立方抽样从需要仿真的多元参数分布中得到一组数量更多的仿真参数值的样本集合 如|Q|=1000|P|,其中||表示集合中元素的个数。对参数值集合Q进行遍历,对Q中的任一参数值样本q∈Q,对P中所有样本进行遍历,查找与q最近的样本p',计算p'与q的距离为d',对p'所在的沃罗诺伊图单元格的权重vp'加d',即vp'=vp'+d'。对全部更新后的沃罗诺伊图单元格权重进行归一化,即v=(v-vmin)/(vmax-vmin),其中v表示沃罗诺伊图任意单元格权重,vmin为所有单元格权重中的最小值,vmax为所有单元格权重中的最大值。
[0025] (4)对参数值集合P中的每一个参数值样本p∈P,对其对应的沃罗诺伊图单元格权重v和归一化距离d进行加权平均,得到量化指标l=αv+(1-α)d,权重α的取值范围为(0,1)。
[0026] (5)根据每一个参数值样本p的量化指标l,选择具有最大l值的样本pl。在pl所在的沃罗诺伊图单元格中随机选择一个与pl和其m个最近邻样本距离较远的样本p”,其对应的各个参数值即自适应仿真试验选择的参数值。将p”并入参数值集合P,即P=P∪p”。
[0027] (6)按照设定的终止条件进行终止。
[0028] 当仿真参数值集合中样本数n≥Th时,参数值选择终止,Th为预设的阈值;否则,执行步骤(2)-(6)。
[0029] 具体实施的例子:
[0030] 对无人车在道路上自主行驶的仿真是一个复杂系统仿真问题,如何通过仿真有效发现无人车的自主行驶能需要验证大量的参数值分布,例如无人车对环境感知算法中的参数、道路状况参数、自然环境参数、环境中障碍物设置等参数。对大量参数值进行遍历性的仿真是不现实的。
[0031] 采用本发明提出的自适应的仿真试验参数值选择方法,首先采用传统的拉丁超立方抽样为上述无人车仿真参数获得一组静态的仿真参数值集合,按照集合中已有的参数值进行无人车的行驶仿真并获得仿真输出值,如是否到达目的地、行驶距离、成功躲避障碍物情况等结果;其次,根据这些参数值和仿真输出结果判断局部区域的非线性程度(步骤(2)),以及样本分布的稀疏程度(步骤(3)),并对两个指标进行加权综合(步骤(4)),根据综合后的指标准确选择需要增加的仿真参数值(步骤(5)),并判断是否终止(步骤(6))。从而完成无人车环境行驶仿真试验中仿真参数值的设计。
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