Jump to content

Проекционные фильтры

Проекционные фильтры — это набор алгоритмов, основанных на стохастическом анализе и информационной геометрии или дифференциально-геометрическом подходе к статистике, используемых для поиска приближенных решений задач фильтрации для нелинейных систем в пространстве состояний. [1] [2] [3] Задача фильтрации состоит в оценке ненаблюдаемого сигнала случайной динамической системы на основе частичных зашумленных наблюдений сигнала. Целью является вычисление распределения вероятностей сигнала, зависящего от истории наблюдений, возмущенных шумом. Это распределение позволяет рассчитать всю статистику сигнала с учетом истории наблюдений. Если это распределение имеет плотность, эта плотность удовлетворяет конкретным стохастическим уравнениям в частных производных (SPDE), называемым уравнением Кушнера-Стратоновича или уравнением Закаи. Известно, что плотность нелинейного фильтра развивается в бесконечномерном функциональном пространстве. [4] [5]

Можно выбрать конечномерное семейство плотностей вероятности, например, гауссовские плотности , гауссовские смеси или экспоненциальные семейства , на которых можно аппроксимировать бесконечномерную плотность фильтра. Основная идея проекционного фильтра состоит в том, чтобы использовать геометрическую структуру в выбранных пространствах плотностей для проецирования бесконечномерного СДУ оптимального фильтра на выбранное конечномерное семейство, получая конечномерное стохастическое дифференциальное уравнение (СДУ) для параметра плотность в конечномерном семействе, которая аппроксимирует полную эволюцию фильтра. [3] Для этого выбранное конечномерное семейство снабжается структурой многообразия , как в информационной геометрии . Проекционный фильтр был протестирован в сравнении с оптимальным фильтром для задачи кубического датчика. Проекционный фильтр мог эффективно отслеживать бимодальные плотности оптимального фильтра, которые было бы трудно аппроксимировать с помощью стандартных алгоритмов, таких как расширенный фильтр Калмана . [2] [6] Проекционные фильтры идеально подходят для оперативной оценки, поскольку они быстро внедряются и эффективно работают во времени, обеспечивая конечномерное СДУ для параметра, который можно эффективно реализовать. [2] Проекционные фильтры также являются гибкими, поскольку они позволяют точно настраивать точность аппроксимации путем выбора более богатых аппроксимирующих семейств, а некоторые экспоненциальные семейства делают шаг коррекции в алгоритме проекционной фильтрации точным. [3] Некоторые формулировки совпадают с эвристическими фильтрами предполагаемой плотности. [3] или методами Галёркина . [6] Проекционные фильтры также могут оптимальным образом аппроксимировать полный бесконечномерный фильтр, помимо оптимального приближения только коэффициентов SPDE, в соответствии с точными критериями, такими как минимизация среднеквадратического значения. [7] Проекционные фильтры были изучены Шведским агентством оборонных исследований. [1] а также успешно применяются в различных областях, включая навигацию , динамику океана , квантовую оптику и квантовые системы , оценку диаметра волокон , оценку хаотических временных рядов , обнаружение точек изменения и другие области. [8]

История и развитие

[ редактировать ]

Термин «проекционный фильтр» впервые был предложен в 1987 году Бернардом Ханзоном. [9] а соответствующая теория и числовые примеры были полностью разработаны, расширены и строги во время работы над докторской диссертацией. работа Дамиано Бриго в сотрудничестве с Бернаром Ханзоном и Франсуа ЛеГландом. [10] [2] [3] Эти работы касались проекционных фильтров в расстоянии Хеллингера и информационной метрике Фишера , которые использовались для проектирования оптимального фильтра бесконечномерного SPDE на выбранное экспоненциальное семейство. Экспоненциальное семейство может быть выбрано таким образом, чтобы сделать шаг прогнозирования алгоритма фильтрации точным. [2] Другой тип фильтров проекции, основанный на альтернативной метрике проекции, прямой метрика была введена Армстронгом и Бриго (2016). [6] При этой метрике проекционные фильтры на семейства распределений смеси совпадают с фильтрами на основе методов Галеркина . Позже Армстронг, Бриго и Росси Ферруччи (2021) [7] вывести оптимальные проекционные фильтры, которые удовлетворяют определенным критериям оптимальности при аппроксимации бесконечномерного оптимального фильтра. Действительно, проекционные фильтры на основе Стратоновича оптимизировали аппроксимацию отдельных коэффициентов СДДУ на выбранном многообразии, но не решение СДДУ в целом. Эта проблема была решена путем введения оптимальных проекционных фильтров. Нововведение здесь заключается в том, чтобы работать напрямую с исчислением Ито, вместо того, чтобы прибегать к версии уравнения фильтра для исчисления Стратоновича. Это основано на исследованиях геометрии стохастических дифференциальных уравнений Ито на многообразиях на основе струйного расслоения , так называемой 2-струйной интерпретации стохастических дифференциальных уравнений Ито на многообразиях. [11]

Вывод проекционных фильтров

[ редактировать ]

Здесь схематично показано происхождение различных проекционных фильтров.

Проекционные фильтры на основе Стратоновича

[ редактировать ]

Это производное как от исходного фильтра в метрике Хеллингера/Фишера, нарисованного Ханзоном, так и от исходного фильтра в метрике Хеллингера/Фишера. [9] и полностью разработан Бриго, Ханзоном и ЛеГландом, [10] [2] и более поздний проекционный фильтр в прямой метрике L2 Армстронга и Бриго (2016). [6]

Предполагается, что ненаблюдаемый случайный сигнал моделируется стохастическим дифференциальным уравнением Ито :

где f и являются ценится и является броуновским движением . Предполагается справедливость всех условий регулярности, необходимых для получения результатов, подробности приведены в ссылках. Соответствующий шумный процесс наблюдения моделируется

где является ценится и является броуновским движением, не зависящим от . Как упоминалось выше, полный фильтр — это условный фильтр.распространение дано предварительный за и история вовремя . Если это распределение имеет плотность, неформально описываемую как

где это сигма-поле, созданное историей зашумленных наблюдений вовремя , при подходящих технических условиях плотность удовлетворяет СДЭ Кушнера-Стратоновича:

где это ожидание и оператор прямой диффузии является

где и обозначает транспозицию.Чтобы получить первую версию проекционных фильтров, нужно положить СПДЭ в форме Стратоновича. Получается

С помощью цепного правила можно сразу же получить SPDE для . Чтобы сократить обозначения, можно переписать этот последний SPDE как

где операторы и определяются как

Версия с квадратным корнем

Это СДУП Стратоновича, решения которых развиваются в бесконечномерных функциональных пространствах. Например может развиваться в (прямая метрика )

или может развиваться в (Метрика Хеллингера )

где является нормой гильбертова пространства .В любом случае, (или ) не будет развиваться внутри какого-либо конечномерного семейства плотностей,

Идея проекционного фильтра приближает (или ) через конечномерную плотность (или ).

Тот факт, что фильтр SPDE имеет форму Стратоновича, позволяет сделать следующее. Поскольку SPDE Стратоновича удовлетворяют правилу цепочки, и ведут себя как векторные поля. Таким образом, уравнение характеризуется векторное поле и векторное поле . Для этой версии проекционного фильтра достаточно иметь дело с двумя векторными полями отдельно. Можно проецировать и на касательном пространстве плотностей в (прямая метрика) или их квадратных корней (метрика Хеллингера). Случай прямой метрики дает

где - проекция касательного пространства в точке для коллектора , и где применительно к вектору, такому как предполагается, что он действует покомпонентно, проецируя каждый из компоненты. В основе этого касательного пространства лежит

обозначая внутренний продукт с , определяется метрика

и проекция, таким образом,

где является обратным . Таким образом, прогнозируемое уравнение имеет вид

который можно записать как

где было крайне важно, чтобы исчисление Стратоновича подчинялось цепному правилу. Из приведенного выше уравнения итоговый проекционный фильтр SDE равен

с выбранным начальным условием .

Подставив определения операторов F и G, мы получаем полностью явное уравнение проекционного фильтра в прямой метрике:

Если вместо этого использовать расстояние Хеллингера, потребуются квадратные корни из плотностей. базис касательного пространства тогда

и определяется метрика

Метрика – информационная метрика Фишера. Действия полностью аналогичны случаю прямой метрики, и уравнение фильтра в метрике Хеллингера/Фишера имеет вид

снова с выбранным начальным условием .

Подставляя F и G, получаем

Проекционный фильтр в прямой метрике при реализации на многообразии смешанных семейств приводит к эквивалентности методу Галеркина. [6]

Проекционный фильтр в метрике Хеллингера/Фишера при реализации на многообразии квадратных корней экспоненциального семейства плотностей эквивалентно предполагаемым фильтрам плотности. [3]

Следует отметить, что можно спроектировать и более простое уравнение Закаи для ненормированной версии плотности p. В результате будет получен тот же фильтр проекции Хеллингера, но другой фильтр прямой метрической проекции. [6]

Наконец, если в случае экспоненциального семейства включить в число достаточных статистик экспоненциального семейства функцию наблюдения в , а именно компоненты и , то можно видеть, что шаг коррекции в алгоритме фильтрации становится точным. Другими словами, проекция векторного поля является точным, что приводит к сам. Написание алгоритма фильтрации в ситуации с непрерывным состоянием и дискретные наблюдения во времени , можно видеть, что шаг коррекции при каждом новом наблюдении является точным, поскольку соответствующая формула Байеса не требует аппроксимации. [3]

Оптимальные проекционные фильтры на основе векторных и струйных проекций Ито.

[ редактировать ]

Теперь вместо того, чтобы рассматривать точный фильтр SPDE в форме исчисления Стратоновича, его сохраняют в форме исчисления Ито.

В приведенных выше проекционных фильтрах Стратоновича векторные поля и были запланированы отдельно. По определению, проекция является оптимальным приближением для и отдельно, хотя это не означает, что он обеспечивает наилучшее приближение для решения фильтра SPDE в целом. Действительно, проекция Стратоновича, действующая на два члена и по отдельности не гарантирует оптимальность решения как приближение к точному скажем так, маленький . Можно поискать норму применить к раствору, для которого

Проекция вектора Ито получается следующим образом. Выберем норму пространства плотностей: , что может быть связано с прямой метрикой или метрикой Хеллингера.

В аппроксимирующем уравнении Ито выбирается диффузионный член для путем минимизации (но не обнуления) член разложения Тейлора для среднеквадратической ошибки

,

нахождение члена дрейфа в аппроксимирующем уравнении Ито, минимизирующего термин той же разницы. Здесь член порядка минимизируется, а не обнуляется, и никогда не достигается конвергенция, только конвергенция.

Еще одним преимуществом векторной проекции Ито является то, что она минимизирует разложение Тейлора первого порядка в из

Чтобы достичь конвергенция, а не сходимости, вводится проекция Ито-джета. В его основе лежит понятие метрической проекции.

Метрическая проекция плотности (или ) на коллектор (или ) — ближайшая точка на (или ) к (или ). Обозначим его через . Метрическая проекция, по определению, в соответствии с выбранной метрикой, является лучшим, что можно когда-либо сделать для аппроксимации в . Таким образом, идея состоит в том, чтобы найти проекционный фильтр, максимально приближенный к метрической проекции. Другими словами, рассматривается критерий

Подробные расчеты длительны и трудоемки. [7] но полученное приближение достигает конвергенция. Действительно, проекция струи Ито удовлетворяет следующему критерию оптимальности. Это обнуляет срок заказа и это сводит к минимуму Порядковый член разложения Тейлора среднеквадратического расстояния в между и .

И вектор Ито, и проекция струи Ито приводят к окончательным СДУ, основанным на наблюдениях. , для параметра это лучше всего аппроксимирует точную эволюцию фильтра за небольшие промежутки времени. [7]

Приложения

[ редактировать ]

Джонс и Соатто (2011) упоминают проекционные фильтры как возможные алгоритмы онлайн-оценки в визуально-инерциальной навигации . [12] картографирование и локализация, снова о навигации Азими-Саджади и Кришнапрасад (2005) [13] использовать алгоритмы проекционных фильтров.Проекционный фильтр также рассматривался для применения в динамике океана в Lermusiaux 2006. [14] Кучширайтер, Раст и Другович (2022) [15] обратитесь к проекционному фильтру в контексте непрерывной циклической фильтрации. О приложениях квантовых систем см., например, van Handel and Mabuchi (2005), [16] который применил квантовый проекционный фильтр к квантовой оптике , изучая квантовую модель оптической фазовой бистабильности сильносвязанного двухуровневого атома в оптическом резонаторе. Дальнейшие приложения к квантовым системам рассматриваются в работе Гао, Чжан и Петерсена (2019). [17] Ма, Чжао, Чен и Чанг (2015) ссылаются на проекционные фильтры в контексте оценки положения опасности, а Веллекуп и Кларк (2006) [18] обобщить теорию проекционного фильтра для обнаружения точек изменений . Харель, Меир и Оппер (2015) [19] применить проекционные фильтры в форме предполагаемой плотности для фильтрации оптимальных точечных процессов с применением нейронного кодирования . Брокер и Парлиц (2000) [20] изучить методы проекционного фильтра для снижения шума в хаотических временных рядах . Чжан, Ван, Ву и Сюй (2014) [21] применить фильтр проекции Гаусса как часть своей методики оценки для измерения диаметров волокон в нетканых материалах, полученных экструзией из расплава.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б «Научный отчет Шведского агентства оборонных исследований» (PDF) . фу.се. ​Архивировано из оригинала ( PDF ) 3 марта 2016 г.
  2. ^ Jump up to: а б с д и ж Бриго , Дамиано; Ханзон, Бернард; ЛеГланд, Франсуа (1998). «Дифференциально-геометрический подход к нелинейной фильтрации: проекционный фильтр». Транзакции IEEE при автоматическом управлении . 43 (2): 247–252.
  3. ^ Jump up to: а б с д и ж г Бриго, Дамиано; Ханзон, Бернард; ЛеГланд, Франсуа (1999). «Приближенная нелинейная фильтрация проекцией на экспоненциальные многообразия плотностей». Бернулли . 5 (3): 407–430.
  4. ^ Шалея-Морель, Мирей и Доминик Мишель (1984), Результаты отсутствия фильтра конечного размера . Стохастика, том 13, выпуск 1+2, страницы 83–102.
  5. ^ М. Хазевинкель, С.И. Маркус, Х.Дж. Суссманн (1983). Отсутствие конечномерных фильтров для условной статистики задачи кубического датчика. Системы и контрольные письма 3 (6), страницы 331–340, https://doi.org/10.1016/0167-6911(83)90074-9 .
  6. ^ Jump up to: а б с д и ж Армстронг, Джон; Бриго, Дамиано (2016). «Нелинейная фильтрация с помощью стохастической проекции УЧП на смешанные многообразия в прямой метрике L2». Математика управления, сигналов и систем . 28 (1): 1–33.
  7. ^ Jump up to: а б с д Армстронг, Джон; Бриго, Дамиано; Росси Ферруччи, Эмилио (2019). «Оптимальное приближение {SDE} на подмногообразиях: проекции вектора Ито и струи Ито». Труды Лондонского математического общества . 119 (1): 176–213.
  8. ^ Армстронг Дж., Бриго Д. и Ханзон Б. (2023). Оптимальные проекционные фильтры с информационной геометрией. Информация. Гео. (2023). https://doi.org/10.1007/s41884-023-00108-x
  9. ^ Jump up to: а б Бернард Ханзон (1987). Дифференциально-геометрический подход к аппроксимации нелинейной фильтрации. В: CTJ Додсон, редактор, «Геометризация статистической теории», страницы 219–223. Публикации ULMD, Ланкастерский университет
  10. ^ Jump up to: а б Бриго, Д. (1996). Фильтрация проекцией на многообразие экспоненциальных плотностей. Докторская диссертация, Свободный университет Амстердама
  11. ^ Джон Армстронг и Дамиано Бриго (2018). Внутренние стохастические дифференциальные уравнения как струи.Труды Королевского общества А - Математические физические и технические науки, 474 (2210), 28 страниц. дои: 10.1098/rspa.2017.0559.
  12. ^ Джонс, Игл С; Соатто, Массимо (2011). «Визуально-инерциальная навигация, картографирование и локализация: масштабируемый причинно-следственный подход в реальном времени». Международный журнал исследований робототехники . 30 (4): 407–430.
  13. ^ Азими-Саджади, Бабак; Кришнапрасад, П.С. (2005). «Приближенная нелинейная фильтрация и ее применение в навигации». Автоматика . 41 (6): 945–956.
  14. ^ Лермюзио, Пьер Ф.Ж. (2006). «Оценка неопределенности и прогноз междисциплинарной динамики океана». Журнал вычислительной физики . 217 (1): 176–199.
  15. ^ Куширайтер, Анна; Раст, Люк; Другович, Ян (2022). «Проекционная фильтрация с наблюдаемыми приращениями состояния с приложениями в круговой фильтрации в непрерывном времени». Транзакции IEEE по обработке сигналов . 70 .
  16. ^ ван Гендель, Рамон; Мабути, Хидео (2005). «Квантовый проекционный фильтр для сильно нелинейной модели в резонаторной КЭД». Журнал оптики B: Квантовая и полуклассическая оптика . 7 .
  17. ^ Гао, Цин; Гао, Гофэн; Петерсен, Ян Р. (2019). «Экспоненциальный квантовый проекционный фильтр для открытых квантовых систем». Автоматика . 99 : 59–68.
  18. ^ Веллекуп, Миннесота; Кларк, JMC (2006). «Подход к нелинейной фильтрации к проблемам обнаружения точек изменения: прямые и дифференциально-геометрические методы». Обзор СИАМ . 48 (2): 329–356.
  19. ^ Харель, Юваль; Меир, Рон; Оппер, Манфред (2015). «Удобное приближение к оптимальной фильтрации точечных процессов: применение к нейронному кодированию». Достижения в области нейронных систем обработки информации . 28 .
  20. ^ Брокер, Йохен; Парлиц, Ульрих (2000). «Шумоподавление и фильтрация хаотических временных рядов». Учеб. НОЛТА 2000 .
  21. ^ Чжан, Сянь Мяо; У Ван, Ронг; Сюй, Бугау (2014). «Автоматические измерения диаметра волокон в нетканых материалах, полученных выдувом из расплава». Журнал промышленного текстиля . 43 (4): 593–605.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 9f568c35c2cbf6a9a59d61db3d16c56f__1700481000
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/9f/6f/9f568c35c2cbf6a9a59d61db3d16c56f.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Projection filters - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)