JP5761702B2 - Simulation apparatus, simulation method, and computer program - Google Patents

Simulation apparatus, simulation method, and computer program Download PDF

Info

Publication number
JP5761702B2
JP5761702B2 JP2010080346A JP2010080346A JP5761702B2 JP 5761702 B2 JP5761702 B2 JP 5761702B2 JP 2010080346 A JP2010080346 A JP 2010080346A JP 2010080346 A JP2010080346 A JP 2010080346A JP 5761702 B2 JP5761702 B2 JP 5761702B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
equation
function
event
probability
simulation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2010080346A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2011215686A (en
Inventor
重之 松保
重之 松保
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of National Colleges of Technologies Japan
Original Assignee
Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of National Colleges of Technologies Japan filed Critical Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority to JP2010080346A priority Critical patent/JP5761702B2/en
Publication of JP2011215686A publication Critical patent/JP2011215686A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5761702B2 publication Critical patent/JP5761702B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、シミュレーション装置、シミュレーション方法、及びシミュレーションを行うコンピュータプログラムに関する。   The present invention relates to a simulation apparatus, a simulation method, and a computer program for performing simulation.

モンテカルロ法(以下、「MC法」という。)は、一般的には乱数を用いたシミュレーション法として、極めて広範囲に適用が検討されている。例えば、実際に実験を行うことが容易でないような大規模なものが対象であるような場合(例えば構造物の信頼性予測)の他、目的とするものを見出すために膨大な実験量を必要とすることがある場合(例えば化学反応のコンピュータシミュレーション)、最近では、コンピュータグラフィックなど、その適用可能分野は極めて広い。   The Monte Carlo method (hereinafter referred to as “MC method”) is generally studied in a very wide range as a simulation method using random numbers. For example, in addition to cases where large-scale objects that are not easy to actually conduct experiments are targeted (for example, reliability prediction of structures), a large amount of experiment is required to find the target object (For example, computer simulation of chemical reaction), recently, the applicable fields such as computer graphics are very wide.

本願発明者は、MC法を、領域積分型MC法と事象再現型MC法とに大別した(例えば非特許文献1、非特許文献2)。領域積分型MC法は効率化が比較的容易であり、その効率化の方法は、Importance Sampling 法、Latin Hypercube Sampling 法等の分散逓減法などが広く研究されている。   The inventor of the present application broadly divides the MC method into a region integration type MC method and an event reproduction type MC method (for example, Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). The area integration type MC method is relatively easy to improve efficiency, and methods of improving efficiency include wide-ranging methods such as the Importance Sampling method and Latin Hypercube Sampling method.

しかし、多くのパラメータが複雑に関係するような問題や解析解が得られないような問題では、積分領域の記述に充分な検討が必要な場合がある。   However, for problems where many parameters are involved in a complicated manner or problems where an analytical solution cannot be obtained, it may be necessary to fully study the description of the integration region.

また、構造物システムの信頼性評価を行うような場合には、バイリニア型の応力・歪関係を仮定して領域積分型MC法を考える場合が多いが、実際には、それ以外の応力・歪関係(あるいは復元力特性)を仮定しなければならない場合(座屈問題、建物の地震応答解析問題、等)があり、領域積分型MC法の適用は困難である。   In addition, when evaluating the reliability of a structural system, the region integral MC method is often considered assuming a bilinear stress / strain relationship. There are cases where the relationship (or restoring force characteristics) must be assumed (buckling problem, building seismic response analysis problem, etc.), and it is difficult to apply the domain integral MC method.

このような場合、注目事象を正確に再現し、所要量を注目観測量の平均値として求める方法が便利である。このような方法は応用数学上、Hit-or-miss MC法と呼ばれることがあるが、Hit-or-miss MC法は、領域積分型MC計算にも使われるので、領域積分型MC計算と区別して、事象再現型MC法と呼ぶ。事象再現型MC法は、殆ど全ての場合、安定的に解を得ることができ、広範囲の問題の解決法として有効である。しかし、事象再現型MC法は効率が悪く、一部の研究を除いて、その効率化法は余り研究されていない。   In such a case, it is convenient to accurately reproduce the attention event and obtain the required amount as an average value of the observed observation amount. Such a method is sometimes called a Hit-or-miss MC method in applied mathematics. However, since the Hit-or-miss MC method is also used for region integration type MC calculation, it is different from region integration type MC calculation. Separately, it is called the event reproduction type MC method. The event reproduction type MC method can obtain a stable solution in almost all cases, and is effective as a solution for a wide range of problems. However, the event reproduction type MC method is inefficient, and, except for some studies, the efficiency improvement method has not been studied much.

S.A. Matsuho, “Efficient hit-or-miss Monte Carlo methods simulating relevantevents for structural reliability evaluation”, Journal of the Society of Materials Science, Japan, Vol.54, No.3, pp.314-319 (2005).S.A.Matsuho, “Efficient hit-or-miss Monte Carlo methods simulating relevantevents for structural reliability evaluation”, Journal of the Society of Materials Science, Japan, Vol.54, No.3, pp.314-319 (2005). S. A. Matsuho, “Basic study on structuralreliability evaluation based on Hit-or-miss Monte-Carlo method”, Journal ofConstructional Steel, Vol.16, No.1, pp.147-152 (2008).S. A. Matsuho, “Basic study on structuralreliability evaluation based on Hit-or-miss Monte-Carlo method”, Journal of Constructional Steel, Vol.16, No.1, pp.147-152 (2008).

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、事象再現型MC法の効率化を図ることができるシミュレーション装置、シミュレーション方法、及びコンピュータプログラムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a simulation apparatus, a simulation method, and a computer program capable of improving the efficiency of the event reproduction type MC method.

上記の問題点を解決するために、本発明に係るシミュレーション装置は、n個のパラメータを表すベクトルに基づいて、着目する事象が生じる場合と生じない場合とで、0又は1の値をとる状態指標関数I()、前記ベクトルに基づき、着目する事象の生じやすさを示す確率密度関数f )に従って、前記事象が生じる確率Pを求めるシミュレーション装置であって、確率Pを、下記(数3)に示される多重定積分形式を用いて算出することを特徴としている。 In order to solve the above problem, the simulation apparatus according to the present invention takes a value of 0 or 1 depending on a vector x representing n parameters depending on whether or not an event of interest occurs. A simulation apparatus for obtaining a probability P f of occurrence of an event according to a probability density function f X ( x ) indicating the likelihood of occurrence of an event of interest based on a state index function I ( x ) and the vector x , P f is calculated by using the multiple definite integral form shown in the following (Equation 3).

本発明に係るシミュレーション装置等によれば、特に事象再現型MC法において、限界状態関数の定式化が不要となり、デジタルコンピュータによるシミュレーションに好適であるという効果を奏する。   According to the simulation apparatus and the like according to the present invention, in particular, in the event reproduction type MC method, there is no need to formulate a limit state function, and there is an effect that it is suitable for simulation by a digital computer.

本実施の形態におけるシミュレーション装置の構成の一例について説明するためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating an example of a structure of the simulation apparatus in this Embodiment. 数値計算に用いた下路橋タイプのワーレントラス橋について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the lower bridge type Warren truss bridge used for the numerical calculation. 図2のトラス橋において、各部材の断面積、及び細長比l/rを示す図である。In the truss bridge of FIG. 2, it is a figure which shows the cross-sectional area of each member, and elongate ratio 1 / r. 事象再現型MC法に基づいて、破損確率Pの計算結果を、試行回数とともに示すテーブル2、定積分変換法の式にCrude MC法を適用する手法で信頼性評価を行った結果を示すテーブル3を示す図である。Table 2 shows the calculation result of failure probability P f together with the number of trials based on the event reproduction type MC method, and table showing the result of reliability evaluation by applying the Crude MC method to the formula of the definite integral transformation method FIG. 層別化セルのサンプリングを行わない単純な層別サンプリングの適用を試みた結果(テーブル4)、参考までに、事象再現型MC法に対する擬似乱数割当(Assigning−Pseudorandom−Numbers)法の適用を試みた結果(テーブル5)を示す図である。As a result of trying to apply simple stratified sampling without sampling of stratified cells (Table 4), for reference, we tried to apply the pseudo-random allocation (Event) method to the event reproduction MC method. It is a figure which shows the result (table 5). 定積分形式に、準MC法の一種である準乱数を適用した場合について検討した結果(テーブル6)を示す図である。It is a figure which shows the result (table 6) examined about the case where the quasi-random number which is a kind of quasi-MC method is applied to a definite form.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施の形態におけるシミュレーション装置の構成の一例について説明するためのブロック図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram for explaining an example of a configuration of a simulation apparatus according to the present embodiment.

シミュレーション装置100は、定積分変換部110、確率推定部120、推定結果出力部130を含む。本発明のシミュレーション装置は、デジタルコンピュータに、以下に説明するような処理を行うコンピュータプログラムをインストールして実現することもできる。乱数発生部150は、MC法シミュレーションのための乱数を発生し、確率推定部120に出力する。乱数発生部150をコンピュータ内に設けても良いことは勿論である。なお、乱数の種類に特に限定はなく、例えばメルセンヌ・ツイスタのような一様乱数の他、必ずしも「乱数」に当たらないような準乱数、低くい違い量列等を用いるような実施形態も考えられる。   The simulation apparatus 100 includes a definite integral conversion unit 110, a probability estimation unit 120, and an estimation result output unit 130. The simulation apparatus of the present invention can also be realized by installing a computer program for performing processing as described below in a digital computer. The random number generation unit 150 generates a random number for MC method simulation and outputs the random number to the probability estimation unit 120. Of course, the random number generator 150 may be provided in the computer. The type of random number is not particularly limited. For example, in addition to a uniform random number such as Mersenne Twister, an embodiment using a quasi-random number that does not necessarily correspond to a “random number”, a low difference quantity sequence, or the like is also considered. It is done.

関数規定部140は、後に詳細に説明する状態指標関数I()、確率密度関数f )を規定し、定積分変換部110に送る。状態指標関数、確率密度関数は、予めコンピュータに入力し、ハードディスク等の記憶手段に格納しておくことができるが、シミュレーションを行うたびに入力するような構成も可能である。また、シミュレーションの結果として得られた状態指標関数I()、確率密度関数f )の情報を用いる構成も可能である。定積分変換部110は、状態指標関数、確率密度関数を定積分の形式に変換する。 The function defining unit 140 defines a state index function I ( x ) and a probability density function f X ( x ), which will be described in detail later, and sends them to the definite integral conversion unit 110. The state index function and the probability density function can be input to a computer in advance and stored in a storage unit such as a hard disk. However, a configuration in which the state index function and the probability density function are input every time a simulation is performed is also possible. The state metrics obtained as a result of a simulation function I (x), the configuration using the information of the probability density function f X (x) is also possible. The definite integral conversion unit 110 converts the state index function and the probability density function into a definite integral form.

事象再現型MC法では、基本確率変数=(X,X,・・・,Xの確率密度関数f )に従って発生させたn個の乱数η (i)=(η (i),η (i),・・・,η (i)を用いて、1回の試行を行い、これをN回繰り返して、所要量を平均値として推定する。本願発明者の分類する事象再現型MC法では、n個の乱数η (i)は一様乱数ではない。 In the event reproduction type MC method, n random numbers η (i) = ( ) generated according to a probability density function f X ( x ) of a basic random variable X = (X 1 , X 2 ,..., X n ) T. η 1 (i) , η 2 (i) ,..., η n (i) ) Perform one trial using T , repeat this N times, and estimate the required amount as an average value. In the event reproduction type MC method classified by the present inventor, n random numbers η (i) are not uniform random numbers.

後述する構造信頼性評価の場合には、各試行で、対象となるシステムが安全か否かを観測し、安全の場合には0、破損可能性有りの場合には1の値をとる状態指標関数I()を用いて定式化する。即ち、破損確率Pの推定値P^は、下記(数1)で与えられる。 In the case of structural reliability evaluation, which will be described later, in each trial, it is observed whether the target system is safe. A state index that takes a value of 0 if it is safe and 1 if there is a possibility of damage. Formulate using function I ( x ). That is, the estimated value P ^ f of the failure probability Pf is given by the following (Equation 1).

Figure 0005761702
Figure 0005761702

限界状態関数g()は、危険の場合g()≦0、安全の場合g()>0となるように定義されるので、上記(数1)の状態指標関数I()の値は、限界状態関数g()の値から決めることも可能ではあるが、本実施の形態では、着目事象を計算機内で正確に再現し、各試行で着目事象が生起(破損)するか否かを観測するようにした。 Limit state function g (x) is the case of danger g (x) ≦ 0, since it is defined to be safe if g (x)> 0, the equation (1) state indicator function I (x) Can be determined from the value of the limit state function g ( x ), but in the present embodiment, the event of interest is accurately reproduced in the computer, and the event of interest occurs (breaks) in each trial. Whether or not to observe.

一般に、破損確率Pの推定には、上記(数1)に従い、事象再現型MC計算を行うか、あるいは、下記(数2)のように限界状態関数g()を用いた形式に対して領域積分型MC計算を行う。 In general, the failure probability P f is estimated by performing event reproduction type MC calculation according to the above (Equation 1), or by using a limit state function g ( x ) as shown in the following (Equation 2). Region integral MC calculation.

Figure 0005761702
Figure 0005761702

しかしながら、(数1)を用いる方法では、稀な事象の生起に膨大な試行が必要となって計算効率が悪く、(数2)を用いる方法では、限界状態関数g()の関数形、あるいは、その関数値が与えられる必要があり、その定式化の負担を考えるとデジタルコンピュータでのシミュレーションには適さない。 However, the method using (Equation 1) requires a large number of trials for the occurrence of a rare event, and the calculation efficiency is poor. In the method using (Equation 2), the function form of the limit state function g ( x ), Alternatively, the function value needs to be given, and considering the formulation burden, it is not suitable for simulation with a digital computer.

本実施の形態では、上記(数1)が、状態指標関数I()の標本平均であることに鑑み、いわゆる期待値の定義式より、下記(数3)のような定積分の形式に変換することを試みた。具体的には、定積分変換部110は、関数規定部140から与えられた状態指標関数、確率密度関数を、下記(数3)のような定積分の形式に変換する。 In the present embodiment, considering that the above (Equation 1) is a sample average of the state index function I ( x ), a so-called expected value definition formula is used to form a definite integral as shown in the following (Equation 3). Tried to convert. Specifically, the definite integral conversion unit 110 converts the state index function and the probability density function given from the function defining unit 140 into a definite integral form such as the following (Equation 3).

Figure 0005761702
Figure 0005761702

前記したように、状態指標関数I()は、各試行で、対象となるシステムが安全の場合には0、破損可能性有りの場合には1の値をとる。このように定積分の形式に変換することにより、限界状態関数g()の値の計算、定式化を行う必要がなく、デジタルコンピュータを用いたシミュレーションに適したシミュレーション方法を提供することができる。また、MC法を用いた積分に関し、これまでに種々検討されてきた有効な手法を適用し、さらなる効率化を図ることが可能になるという利点がある。 As described above, the state index function I ( x ) takes a value of 0 when the target system is safe and 1 when there is a possibility of damage in each trial. By converting to the form of definite integral in this way, it is not necessary to calculate and formulate the value of the limit state function g ( x ), and a simulation method suitable for simulation using a digital computer can be provided. . In addition, with respect to integration using the MC method, there is an advantage that it is possible to achieve further efficiency by applying effective methods that have been variously studied so far.

例えば、Crude(入門的)MC法で上記(数3)を評価するとすれば、1回の試行に必要なn個の基本確率変数に対して、例えば一様乱数ξ (i)=(ξ (i),ξ (i),・・・,ξ (i)を用いて着目事象を再現し、状態指標関数I()の値を観測し、これをN回試行することにより、下記(数4)により、破損確率P^を推定する。推定結果出力部130は、推定結果を出力する。 For example, if the above (Equation 3) is evaluated by the Crude (introductory) MC method, for example, uniform random numbers ξ (i) = (ξ 1 ) for n basic random variables required for one trial. (I) , ξ 2 (i) ,..., Ξ n (i) ) Reproduce the event of interest using T , observe the value of the state index function I ( x ), and try this N times From the following (Equation 4), the failure probability P ^ f is estimated. The estimation result output unit 130 outputs an estimation result.

Figure 0005761702
Figure 0005761702

(数4)は、(数3)に示した定積分形式をデジタルコンピュータでの計算に適するように離散化したものであり、{Π(b−a)}は、基本確率変数のn次元空間での定義域で定まるHypercube(超立体)の体積である。なお、前記したように、(数3)のように定積分の形式に変換した場合、種々の効率化の手法を適用することが可能となるが、本願発明者は、限界状態関数g()の関数形を気にしなくてもよい、という本実施の形態の手法の特徴を活かすためには、被積分関数の形状に余り依存しないLatin Hypercube Sampling 法の適用が好適と考えている。 (Equation 4) is obtained by discretizing the definite integral form shown in (Equation 3) so as to be suitable for calculation by a digital computer, and {Π (b j −a j )} is the basic random variable n. It is the volume of the Hypercube (hypercube) determined by the domain in the dimensional space. As described above, when converted into a definite integral form as in (Equation 3), various efficiency improvement methods can be applied. However, the inventor of the present application has applied the limit state function g ( x The Latin Hypercube Sampling method, which does not depend much on the shape of the integrand, is considered preferable in order to make use of the feature of the method of the present embodiment in which it is not necessary to care about the function form of

(数値計算の例)
以下、本実施の形態のシミュレーション装置による実際の数値計算の例について説明する。図2は、数値計算に用いた下路橋タイプのワーレントラス橋について説明するための模式図である。このトラス橋は左右対称であり、図3は、各部材の断面積、及び細長比l/r(lは部材長、rは断面2次半径)を示す図である。なお、幅員は6.0mと仮定する。使用鋼材はSM400である。
(Example of numerical calculation)
Hereinafter, an example of actual numerical calculation by the simulation apparatus of the present embodiment will be described. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a lower bridge type Warren truss bridge used for numerical calculation. This truss bridge is bilaterally symmetric, and FIG. 3 is a diagram showing the cross-sectional area of each member and the slenderness ratio 1 / r (where l is the member length and r is the secondary radius of the cross section). The width is assumed to be 6.0 m. The steel material used is SM400.

信頼性評価においては、作用荷重として死荷重と活荷重とを仮定する。死荷重は確定量とする。また、本道路橋の最も危険な活荷重載荷状態として、上下線それぞれの中央に大型トレーラ1台ずつ(合計2台)が同時に作用する場合を仮定する。大型トレーラ1台当たりの重量は、過去の交通流実態調査結果を参考にして、平均154.35kN、分散10912.5kNの正規分布に従うものとし、衝撃を考慮して作用応力を算定する。 In the reliability evaluation, a dead load and a live load are assumed as acting loads. The dead load is a fixed amount. In addition, it is assumed that one large trailer (two in total) acts simultaneously at the center of each vertical line as the most dangerous live load loading state of the road bridge. The weight per large trailer follows a normal distribution with an average of 154.35 kN and a variance of 10912.5 kN 2 with reference to past traffic flow survey results, and the working stress is calculated in consideration of impact.

衝撃は、道路橋示方書で規定される衝撃係数を確定値とした。また、部材強度σは、各部材間で完全相関を仮定する。引張強度の平均値はσta=140N/mm(許容引張応力度)、変動係数0.02を有する正規分布に従うものとする。圧縮部材の場合は、 For the impact, the impact coefficient specified in the road bridge specifications was used as the definite value. Further, the member strength σ R assumes a complete correlation between the members. The average value of the tensile strength is assumed to follow a normal distribution having σ ta = 140 N / mm 2 (allowable tensile stress degree) and a coefficient of variation of 0.02. For compression members,

σca=140 (l/r≦18の時)
σca=140−0.82(l/r−18) (18<l/r≦92の時)
σca=1200000/(6700+(l/r)) (l/r≧92の時)
σ ca = 140 (when l / r ≦ 18)
σ ca = 140−0.82 (l / r−18) (when 18 <l / r ≦ 92)
σ ca = 1200000 / (6700+ (l / r) 2 ) (when l / r ≧ 92)

で与えられる許容圧縮応力度σcaを平均値として持ち、変動係数0.02を有する正規分布を仮定する。解析を簡単にするため、1部材の作用応力σが、その許容応力度σを超過する場合(実際に破損していなくても、少なくとも不利益な状態であるとして)その部材の破損と仮定する。この時、本例題は最弱リンクシステムとして考えることができるので、構成部材の一つでも破損状態となれば構造システム全体が破損状態に至るものとして、構造システムの破損確率Pを評価する。 Assuming a normal distribution having an allowable compressive stress degree σ ca given by (1) as an average value and a coefficient of variation of 0.02. In order to simplify the analysis, if the acting stress σ s of one member exceeds the allowable stress σ R (assuming that it is at least disadvantageous even if it is not actually broken) Assume. At this time, the example can be considered as the weakest link system, the overall structural system if even a damaged state by one of the components is as to failure state, to assess the failure probability P f of the structural system.

以上の条件下で、トラス構造物の信頼性評価を行った。計算環境は、Windows(登録商標) XP on Pentium(登録商標) IV CPU 2.80GHzで、富士通Fortran&C Academic Package V4.0 のC言語を用い、一様乱数にはメルセンヌ・ツイスタを用いた。   Under the above conditions, the reliability of the truss structure was evaluated. The computing environment was Windows (registered trademark) XP on Pentium (registered trademark) IV CPU 2.80 GHz, the Fujitsu Fortran & C Academic Package V4.0 C language was used, and Mersenne Twister was used for uniform random numbers.

図4は、事象再現型MC法(数1参照)に基づいて、破損確率Pの計算結果を、試行回数とともに示すテーブル2、定積分変換法の式(数4参照)にCrude MC法を適用する手法で信頼性評価を行った結果を示すテーブル3を示す図である。 FIG. 4 shows the calculation result of the failure probability P f along with the number of trials based on the event reproduction type MC method (see Equation 1), and the Crude MC method in the formula of the definite integral transformation method (see Equation 4). It is a figure which shows the table 3 which shows the result of having performed reliability evaluation by the method to apply.

各テーブル中、P^は破損確率Pの推定値、Time は所要計算時間(秒)を示している。計算処理系の時間計測の精度上、1秒未満は0秒と表記したが、例えばテーブル2において、10万回試行の0秒は、一千万回試行の所要時間から、約0.58秒と推定することができる。 In each table, the estimated value of P ^ f the failure probability P f, Time shows the required calculation time (in seconds). For accuracy of time measurement in the calculation processing system, less than 1 second is expressed as 0 second. For example, in Table 2, 0 second of 100,000 trials is about 0.58 seconds from the time required for 10 million trials. Can be estimated.

テーブル中「―――」と表記されているのは、試行回数が少なく、計算結果が得られていないことを示す。さらに、ρは、推定値P^fの変動係数を示し、下記(数5)及び(数6)で表される。   In the table, “——” indicates that the number of trials is small and the calculation result is not obtained. Further, ρ represents a coefficient of variation of the estimated value P ^ f, and is expressed by the following (Equation 5) and (Equation 6).

Figure 0005761702
Figure 0005761702

Figure 0005761702
Figure 0005761702

テーブル2から、試行回数の増加とともに、推定値P^の変動係数ρは小さくなり、推定精度が向上していくのがわかる。 From Table 2, it can be seen that as the number of trials increases, the coefficient of variation ρ of the estimated value P ^ f decreases and the estimation accuracy improves.

次にテーブル3の結果について考察する。テーブル3の試行において、積分の上下限値b、aとしては、b=m+5σ、a=m−5σとした。もっとも、積分の上下限値は、これに限定されず、用途、目的等により適宜設定することができる。なお、ここで、mとσとは、各基本確率変数Xの平均値と標準偏差である。テーブル3より、百万回試行以降は、P^=7.4×10−4(有効桁数2桁)が得られているのがわかる。即ち、本実施の形態の定積分変換法を用いることにより、より少ない試行回数で解に収束していることが分かった。 Next, consider the results of Table 3. In the trial of Table 3, the upper and lower limits b j and a j of the integration were set as b j = m j + 5σ j and a j = m j −5σ j . However, the upper and lower limit values of the integration are not limited to this, and can be appropriately set depending on the application, purpose, and the like. Here, m j and σ j are the average value and standard deviation of each basic random variable X j . From Table 3, a million times and later attempts, it can be seen that P ^ f = 7.4 × 10 -4 ( effective digit number 2 digits) is obtained. In other words, it has been found that by using the definite integral conversion method of the present embodiment, the solution converges with a smaller number of trials.

ただし、変動係数ρについて明確な傾向は確認できなかった。これは、例えば誤差が大きい推定値であっても、破損確率Pの推定値が大きければρは小さめの値となる(Pが小さい場合より、Pが大きい場合の方が推定しやすい)等の性質を有しているためであると考えられる。従って、ρを参照する場合には、単純にρの大小比較のみで精度の良否を判断することは適切ではないと考えられえる。 However, a clear tendency for the coefficient of variation ρ could not be confirmed. This may for example be a large error estimate, than if failure probability P if the estimated value of f is larger ρ becomes smaller value (P f is small, it is easy to estimate better when P f is greater ) And the like. Therefore, when referring to ρ, it can be considered that it is not appropriate to determine whether the accuracy is good or not by simply comparing ρ.

本実施の形態の定積分変換法では、基礎式(数3)が定積分で表されているので、種々の有効な積分法を応用することができる。上記には、Latin Hypercube Sampling 法の適用を示唆したが、本計算例は2次元問題であり、次元数が少ないので、層別化セルのサンプリングを行わない単純な層別サンプリングの(数3)への適用を試みた。また、参考までに、(数1)の事象再現型MC法に対する擬似乱数割当(Assigning−Pseudorandom−Numbers)法の適用を試みた。図5は、それらの結果を示すものであり、それぞれの結果が、テーブル4、テーブル5に示されている。   In the definite integral conversion method of the present embodiment, since the basic equation (Equation 3) is expressed by a definite integral, various effective integration methods can be applied. Although the above suggested the application of the Latin Hypercube Sampling method, this calculation example is a two-dimensional problem, and since the number of dimensions is small, a simple stratified sampling that does not sample stratified cells (Equation 3) Tried to apply to. For reference, an attempt was made to apply a pseudo-random assignment (Assigning-Pseudorandom-Numbers) method to the event reproduction MC method of (Equation 1). FIG. 5 shows the results. The results are shown in Table 4 and Table 5, respectively.

単純な層別サンプリングについては、例えば、津田孝夫著、「モンテカルロ法とシミュレーション」、改訂版、株式会社培風館、昭和62年10月10日、pp.84−106に説明がなされている。単純な層別サンプリングの(数3)への適用(テーブル4)において、各基本確率変数の定義域(積分の上下限値)は、簡単のため10分割に等分した。   For simple stratified sampling, see, for example, Takao Tsuda, “Monte Carlo Method and Simulation”, revised edition, Baifukan Co., Ltd., October 10, 1987, pp. 196 84-106. In application of simple stratified sampling to (Equation 3) (Table 4), the domain of each basic random variable (upper and lower limits of integration) was equally divided into 10 parts for simplicity.

テーブル4に示されるように、一千万回以上の試行でP^=7.45×10−4(有効桁数3桁)が得られている。即ち、テーブル3より高精度な計算が実現できているのがわかる。もっとも、テーブル3等と比較して所要計算時間は若干長めとなった。 As shown in Table 4, P ^ f = 7.45 × 10 −4 (3 significant digits) is obtained in 10 million or more trials. That is, it can be seen that the calculation with higher accuracy than the table 3 can be realized. However, the required calculation time is slightly longer than that of Table 3.

テーブル5の場合、テーブル2の結果と比較して、同一試行回数での所要計算時間が短く、また、より少ない試行回数で解に収束する傾向が見られた。しかし、本実施の形態の定積分変換法(テーブル3、テーブル4)と比較すると、解への収束状況で見劣りすることが確認できた。   In the case of Table 5, as compared with the result of Table 2, the required calculation time for the same number of trials was shorter, and a tendency to converge to the solution with a smaller number of trials was observed. However, when compared with the definite integral conversion method (Table 3 and Table 4) of the present embodiment, it was confirmed that the convergence to the solution was inferior.

最後に、上記(数3)の定積分形式に、準MC法の一種である準乱数を適用した場合について検討した。図6は、その計算結果(テーブル6)を示す図である。準乱数は擬似乱数ではないので、公式適用上の打ち切り誤差等が伴う場合があるが、所要量の推定に伴う統計的なバラツキがないので、テーブル6にはρを記載していない。テーブル6の計算結果から、百万回以上の試行でP^=7.449×10−4(有効桁数4桁)が得られているのがわかる。以上に説明したように、本実施の形態の定積分変換方式は、一様乱数のみならず、準乱数を用いることも可能であり、また、必ずしも「乱数」に限られないことも予測可能である。 Finally, the case where a quasi-random number which is a kind of the quasi-MC method is applied to the above-described definite integral form of (Equation 3) was examined. FIG. 6 is a diagram showing the calculation result (table 6). Since the quasi-random number is not a pseudo-random number, there may be a truncation error in formula application, but there is no statistical variation associated with the estimation of the required amount, so ρ is not described in Table 6. From the calculation result of Table 6, it can be seen that P ^ f = 7.449 × 10 −4 (the number of significant digits is 4 digits) has been obtained after one million trials. As described above, the definite integral conversion method of the present embodiment can use not only a uniform random number but also a quasi-random number, and it can be predicted that the present invention is not necessarily limited to a “random number”. is there.

本発明に係るシミュレーション手法は、構造物の信頼性評価に限らず、他のシミュレーション、コンピュータグラフィック、さらには金融工学など、適用可能な範囲は極めて多岐にわたり、その実用的効果は極めて大である。   The simulation method according to the present invention is not limited to the reliability evaluation of structures, but can be applied to a wide variety of other simulations, computer graphics, and financial engineering, and its practical effects are extremely large.

本発明は、例えば、デジタルコンピュータによるシミュレーションに適用することができる。   The present invention can be applied to, for example, a simulation by a digital computer.

100 シミュレーション装置
110 定積分変換部
120 確率推定部
130 推定結果出力部
140 関数規定部
150 乱数発生部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Simulation apparatus 110 Definite integral conversion part 120 Probability estimation part 130 Estimation result output part 140 Function definition part 150 Random number generation part

Claims (6)

n個のパラメータを表すベクトルxに基づいて、着目する事象が生じる場合と生じない場合とで、0又は1の値をとる状態指標関数I(x)、前記ベクトルxに基づき、着目する事象の生じやすさを示す確率密度関数fX(x)に従って、前記事象が生じる確率Pfを求めるシミュレーション装置であって、
状態指標関数I(x)と確率密度関数fX(x)が供給されると、下記(数1)を形成する定積分変換部を備えており、
該定積分変換部によって形成された(数1)に基づいて確率Pfを算出する機能を有している
ことを特徴とするシミュレーション装置。
Figure 0005761702
Based on a vector x representing n parameters, a state index function I (x) that takes a value of 0 or 1 depending on whether or not the event of interest occurs, and the event x of interest based on the vector x. A simulation apparatus for obtaining a probability Pf of occurrence of the event according to a probability density function fX (x) indicating the likelihood of occurrence,
When the state index function I (x) and the probability density function fX (x) are supplied, a definite integral conversion unit that forms the following (Equation 1) is provided.
A simulation apparatus having a function of calculating a probability Pf based on (Formula 1) formed by the definite integral conversion unit.
Figure 0005761702
前記定積分変換部は、
前記(数1)を離散化した下記(数2)を形成する機能を有しており、
(数2)に基づいて、確率Pの推定値を算出する機能を有している
ことを特徴とする請求項1に記載のシミュレーション装置。
Figure 0005761702
The definite integral converter is
It has a function of forming the following (Equation 2) obtained by discretizing (Equation 1),
The simulation apparatus according to claim 1, wherein the simulation apparatus has a function of calculating an estimated value of the probability P f based on (Equation 2).
Figure 0005761702
前記定積分変換部は、
前記(数1)および/または前記(数2)の積分の上下限値b及びaを、各基本確率変数Xの平均値と標準偏差から規定する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のシミュレーション装置。
The definite integral converter is
The upper and lower limit values b j and a j of the integration of (Equation 1) and / or (Equation 2) are defined from the average value and standard deviation of each basic random variable X j. 2. The simulation apparatus according to 2.
前記(数2)に示されるξが一様乱数である
ことを特徴とする請求項2に記載のシミュレーション装置。
3. The simulation apparatus according to claim 2, wherein ξ shown in (Expression 2) is a uniform random number.
n個のパラメータを表すベクトルに基づいて、着目する事象が生じる場合と生じない場合とで、0又は1の値をとる状態指標関数I()、前記ベクトルに基づき、着目する事象の生じやすさを示す確率密度関数f )に従って、前記事象が生じる確率Pを求めるシミュレーション装置によるシミュレーション方法であって、
状態指標関数I()と確率密度関数f )が供給されると、定積分変換部が下記(数3)を形成し、
前記定積分変換部によって形成された(数3)に基づいて確率Pを算出する
ことを特徴とするシミュレーション方法。
Figure 0005761702
Based on a vector x representing n parameters, a state index function I ( x ) that takes a value of 0 or 1 depending on whether or not the event of interest occurs, and the event x of interest based on the vector x . According to a probability density function f X ( x ) indicating the likelihood of occurrence, a simulation method by a simulation device for determining the probability P f of occurrence of the event,
When the status indicator function I (x) and the probability density function f X (x) is supplied, the constant integral transform unit forms the following equation (3),
A simulation method characterized in that the probability P f is calculated based on (Equation 3) formed by the definite integral conversion unit.
Figure 0005761702
n個のパラメータを表すベクトルに基づいて、着目する事象が生じる場合と生じない場合とで、0又は1の値をとる状態指標関数I()、前記ベクトルに基づき、着目する事象の生じやすさを示す確率密度関数f )に従って、前記事象が生じる確率Pを求めるコンピュータプログラムであって、
状態指標関数I()と確率密度関数f )が供給されると、下記(数4)を形成し、
形成された(数4)に基づいて確率Pを算出する
ことを特徴とするコンピュータプログラム。
Figure 0005761702
Based on a vector x representing n parameters, a state index function I ( x ) that takes a value of 0 or 1 depending on whether or not the event of interest occurs, and the event x of interest based on the vector x . A computer program for determining a probability P f of occurrence of the event according to a probability density function f X ( x ) indicating the likelihood of occurrence,
When the status indicator function I (x) and the probability density function f X (x) is supplied to form the following equation (4),
A computer program characterized in that the probability P f is calculated based on the formed (Equation 4).
Figure 0005761702
JP2010080346A 2010-03-31 2010-03-31 Simulation apparatus, simulation method, and computer program Expired - Fee Related JP5761702B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010080346A JP5761702B2 (en) 2010-03-31 2010-03-31 Simulation apparatus, simulation method, and computer program

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010080346A JP5761702B2 (en) 2010-03-31 2010-03-31 Simulation apparatus, simulation method, and computer program

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011215686A JP2011215686A (en) 2011-10-27
JP5761702B2 true JP5761702B2 (en) 2015-08-12

Family

ID=44945374

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010080346A Expired - Fee Related JP5761702B2 (en) 2010-03-31 2010-03-31 Simulation apparatus, simulation method, and computer program

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5761702B2 (en)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10313139A1 (en) * 2003-03-24 2004-10-28 Nec Europe Ltd. Method for determining the position of an object
JP2005316614A (en) * 2004-04-27 2005-11-10 Univ Nihon Optimization method and optimization program

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011215686A (en) 2011-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gao et al. Structural reliability analysis with imprecise random and interval fields
Wan et al. Arbitrary polynomial chaos expansion method for uncertainty quantification and global sensitivity analysis in structural dynamics
Eads et al. An efficient method for estimating the collapse risk of structures in seismic regions
Mashayekhi et al. Development of hysteretic energy compatible endurance time excitations and its application
Faggella et al. Probabilistic seismic response analysis of a 3-D reinforced concrete building
Ma et al. Component-based fragility analysis of transmission towers subjected to hurricane wind load
Lam et al. Markov chain Monte Carlo-based Bayesian model updating of a sailboat-shaped building using a parallel technique
Li et al. Relative contributions of aleatory and epistemic uncertainty sources in time series prediction
Zhang et al. Efficient Bayesian FFT method for damage detection using ambient vibration data with consideration of uncertainty
Kiani et al. On the number of required response history analyses
Zeinoddini et al. Endurance Wave Analysis (EWA) and its application for assessment of offshore structures under extreme waves
Li et al. Direct probability integral method for static and dynamic reliability analysis of structures with complicated performance functions
Lazar et al. Incorporating intensity bounds for assessing the seismic safety of structures: Does it matter?
Zhou et al. Probabilistic demand models and fragilities for reinforced concrete frame structures subject to mainshock-aftershock sequences
Liu et al. System reliability-based Direct Design Method for space frames with cold–formed steel hollow sections
Mashayekhi et al. Predicting probabilistic distribution functions of response parameters using the endurance time method
Skoulidou et al. Uncertainty quantification of fragility and risk estimates due to seismic input variability and capacity model uncertainty
Mukherjee et al. Global sensitivity analysis of unreinforced masonry structure using high dimensional model representation
Pang et al. Enhanced endurance-time-method (EETM) for efficient seismic fragility, risk and resilience assessment of structures
Ni et al. Stochastic dynamic analysis of marine risers considering Gaussian system uncertainties
Vargas-Alzate et al. New insights into the relationship between seismic intensity measures and nonlinear structural response
Kumar et al. Seismic shear demands in multi-storey steel frames designed to Eurocode 8
Kosič et al. Dispersions for the pushover‐based risk assessment of reinforced concrete frames and cantilever walls
Kodakkal et al. Uncertainties in dynamic response of buildings with non-linear base-isolators
Fan et al. Reliability‐based design of axially loaded drilled shafts using Monte Carlo method

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130328

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140415

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20141128

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20141222

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20141222

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150515

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150603

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5761702

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees