基于贝叶斯序贯方法的微波效应实验设计
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第25卷第2期 20J3年2月 强 激 光 与 粒 子 束 HIGH POWER I ASER AND PARTICI E BEAMS Vo1.25,NO.2 Feb.,2013 文章编号: 1001—4322(2013)02—0411-04 基于贝叶斯序贯方法的微波效应实验设计 韩 峰, 陆希成, 刘 钰, 杨志强, 王建国 (西北核技术研究所,西安710024) 摘要: 提出了一种基于贝叶斯验后概率的序贯检验方法,建立了检验的判别准则,给出了判别准则临 界值的计算方法。在给定截尾实验次数的条件下,提出了一种截尾方案,建立了截尾判断方法。将其用于解决 验证效应物在微波作用下失效概率达到给定水平的微波效应实验设计问题,给出了相应的实验方案和所需样 本量的估计。最后,通过实例对上述方法的应用过程进行了说明,并和现有方法进行了分析比较。 关键词: 序贯分析; 贝叶斯方法; 微波效应; 实验设计; 样本量 中图分类号: TNO15 文献标志码: A doi:10.3788/HPLPB20132502.0411 随着高功率微波技术的发展,国内开始了高功率微波效应实验研究_l j。成败型效应实验是当前微波效应 实验中一类常见的实验方式,用于估计在某个给定的微波水平(如给定的功率、频率和脉宽等)下微波对效应物 的损伤概率。成败型效应实验的数据一般服从二项分布 ]。由于国内还未形成高功率微波效应研究规范的国 家标准,因此效应研究都是依据对效应物的获取能力和实验经费承受能力来确定实验样本量的[6]。从其本身 目的来说,是希望在一定的置信度要求下,通过效应实验,用尽可能少的实验样本对效应物的损伤概率或失效 概率分布进行估计,并且估计结果达到一定的精度要求,因此依据对效应物的获取能力和实验经费承受能力来 确定实验样本量的方法一般不能满足这些要求。而为了满足这些要求,就需要对微波效应实验进行统计实验 设计 j。本文针对上述问题,提出了一种基于贝叶斯验后概率的序贯检验方法 。 ,并将其应用于微波效应实 验设计,还给出了采用成败型实验验证效应物在微波作用下其失效概率达到某个给定水平的序贯检验实验方 案。 1贝叶斯序贯检验方法 1.1检验的基本假设 在成败型效应实验中,若效应物失效(实验成功),记X 一1,若效应物没有失效,记X 一0,则效应物失效 分布为 』【PP( x X 一 一 , o≤ ≤1 0)一I一声 、 、 一(1) 研究人员关心效应物的失效概率P是否满足给定要求P。,因此需要对P做假设检验。建立原假设H。和 对立假设H 为 』H。:户<P。 【H : ≥ 。 (2) 记T一∑ X ,则T表示现场实验中 个效应物中失效的个数,根据二项分布的定义可知,T服从参数 为( , )的二项分布,即 P(T—z)一C p (1一户)一, z一0,1,…, (3) 设参数 的先验分布为贝塔分布 卢( n,6)一 P (1一 ) (4) 式中:B(a,6)为贝塔函数;a,b为分布参数。根据贝叶斯公式可以得到参数P的验后分布为 *收稿日期:2O12 O4—27; 修订日期:2O12 06 08 作者简介:韩峰(1975),男,硕士,副研究员,主要从事辐射效应评估方法研究;fengerhan@gmail.com。 412 强 激 光 与 粒 子 束 第25卷 丁【( l , )一 二 一 (p I z+ , 一z+6) (5) I卢(户l n,6)c (1一 )一d 1.2检验决策规则 根据参数P的验后分布可计算出假设H。和对立假设H 成立的验后概率分别为 r 0 r口 P(H。 ”,z)一P(户<P。)一I 7r(p , )dp—I“卢(户l 2C+口, 一 +6)dp rl r1 (6) (7) P(H I”,z)一P( ≥P。)一I 7【( l , )dp—I 卢( l +a, — +6)dp J Po J Po 此时,需确立参数P的贝叶斯序贯检验决策规则。 当根据现场实验数据计算得到的H。成立的验后概率P(H。l ,z)很小时,可以认为现场实验数据不支持 H 成立,所以作出拒绝H。的决策,拒绝H。犯错误的概率为P(H。n,z)。由于拒绝H。会犯弃真错误(第1 类错误),引入弃真概率a,要求在P(H。l ,3c)<a时,拒绝H。,此时,犯错误的概率小于a。根据上述假设,当 实验进行到第n次,作出拒绝H。的决策时, 个效应物中失效的个数z应满足 rP P(Ho I n,z)一I ( I +n, 一.2C+6)dp<d (8) 记 U 一min{z (l l +&,n—z+b)dp<a,0≤z≤n} (9) 当根据现场实验数据计算得到的H 成立的验后概率很小时,可以认为现场实验数据不支持H 成立,所 以作出拒绝H 的决策,拒绝H 犯错误的概率为P(H l , )。由于拒绝H 会犯采伪错误(第2类错误),引 入采伪概率 ,要求在P(H I n, )<卢时,拒绝H ,此时,犯错误的概率小于卢。根据上述假设,当实验进行到 第 次,作出拒绝H 的决策时,,z个效应物中失效个数z应满足 rl P(H n,z)一I卢( J Po +&,n—z+6)dp<卢 1 (10) f l r1 记 L 二==max{z lI J8( I +“,n— +6)dp<卢,0≤ ≤ } 、 IJ Po (11) 当上述两种决策规则都不满足时,继续实验。 综上所述,在成败型效应实验中,给定验前分布 (P l a,6),进行序贯实验时,实验从第1个效应物开始,进 行到第n次实验,记 次实验中共有 个效应物失效。参数P的序贯实验判断准则为:若z≤L ,则停止实验, 采纳H。;若z≥U ,则停止实验,采纳H ;若L <z<U ,则继续实验。 1.3截尾方案 在统计检验方法的实际应用中,两类错误的概率一般都取得较小(如0.1~0.2),因此两类错误概率的和 满足a+口<1。容易知道,对于上述序贯检验方法,继续实验区总是存在的,即若不采取截尾方案,实验可能需 要一直继续下去,文献[11]给出了三种在给定最大实验样本量N时的截尾方案。本文给出另一种截尾方案。 在第N次实验后,令 r1 1 P(H1 I N,z)一I 』9(P I z+n,”一.72+6)dp一 9 J Po (12) 若式(12)的解存在,记为5/7 ,令C 一[z ],[・]表示取整;若式(12)的解不存在,令C 一N。当实验样本 量 <N时,序贯检验按前述判断规则继续决策,当 一N时,按如下规则判断:若z≤C ,采纳H。;若z≥C +1,采纳H 。 这种截尾方案在保证a≤0.5和 ≤0.5的情况下,尽可能均衡犯两类错误的概率,使得截尾不会导致双 方(使用方和研制方)中风险某一方过大。 2 实验方案 单元器件微波效应通常采用注入法实验进行研究,将微波直接注人到单元器件的某个管脚,然后考察器件 是否失效。通过对一定数量的器件进行实验,根据实验数据估计器件的失效概率 。文献[6]采用区间估计的 统计推断方法,研究了在8O 的置信度下,器件失效概率大于50 所需的样本量。 采用本文方法,表1给出了在8o 的置信度下,检验器件失效概率P大于50 的序贯检验实验方案。若 第2期 韩 峰等:基于贝叶斯序贯方法的微波效应实验设计 413 实验前对声没有先验信息,则可以认为 的先验分布为E0,1]上的均匀分布,用贝塔分布表示时,参数的取值 为n=1,6—1。根据置信度为80 的要求,取犯两类错误的概率 一 一0.2。在具体实验中,依次对效应物进 行实验。第1个效应物无论失效与否都不能做出决策,需要继续进行实验。若前两个效应物均失效,则可以作 出接受H 的决策,即认为效应物的失效概率 ≥0.5。若采用经典二项分布参数置信下限估计方法分析参数 大于等于0.5需要的现场实验的样本量 ],可以计算得到至少需要连续进行3次实验,并且效应物均失效。 这一结果与本文方法分析结果几乎相同,这从一个方面验证了本文方法的正确性。因为此时二项分布未知参 数的先验分布是均匀分布,可以认为先验分布几乎没有提供太多未知参数的先验信息,此时贝叶斯方法的结论 应当与经典方法的结论基本相同。 表1先验分布为 (1,1)时不同n值下的L 和u 值 Table 1 Numerical values of and U for different n(prior distribution卢(1,1)) L 1 U ,z 7 L 2 U 5 2 3 4 O O 1 2 3 3 8 9 1O 2 3 3 6 6 7 5 6 1 1 4 5 1l 12 4 4 7 8 若选10为截尾数,根据式(12)可以求得c 一5。表2给出截尾的决策及决策风险。表2中给出的决策风 险表明,本文给出截尾方案控制了双方(使用方和研制方)风险,体现了一定的公平性。对于10个器件中恰好 有5个器件失效,5个器件没有失效的情况,若做出接受H。或H 的决策,所犯风险均为50 ,故此时可以不 做决策,继续补充一次实验。 表2决策及相应风险 Table 2 Decision and risk 对于上述检验问题,若根据先验信息计算得到 的先验分布约为 (3,1)。这个先验分布表示,根据先验 信息,已知 是大于0.5的。采用本文方法,经过计算可以得到相应的决策值,如表3所示。由表中数据可知, 在具体实验中,前两个效应物只要有一个失效,则可以作出接受H 的决策,否则需要继续进行实验。这一结 果比表1中给出需要前两个效应物均失效,才可以作出接受H 的决策所需的实验样本少。这表明本文方法 可以利用以往的先验信息,从而降低对当前实验样本量的要求。 表3先验分布为卢(3,1】时不同 值下的L 和u 值 Table 3 Numerical values of L and U for different n(prior distribution|B(3。1)) L 1 U 1 ,z 7 L 1 U 4 2 3 4 5 6 O O 1 2 3 3 4 8 9 1O 11 12 1 2 2 2 3 5 5 6 7 7 3 结 论 本文针对微波效应实验统计实验设计问题,提出了一种基于贝叶斯验后概率的序贯检验方法,并将其应用 于微波效应实验设计。然后给出了采用成败型实验验证效应物在微波作用下,其失效概率达到某个给定水平 的序贯检验实验方案。文中的示例表明,在二项分布中未知参数的先验分布为均匀分布时,本文方法给出的检 验样本量与经典方法基本相同。在一定先验信息的条件下,本文方法给出的检验样本量小于经典方法需要的 414 强 激 光 与 粒 子 束 第25卷 检验样本量。 参考文献: [1]方进勇,刘国治,李平,等.高功率微波脉冲宽度效应实验研究[J].强激光与粒子束,1999,II(5):639 642.(Fang Jinyong,Liu Guozhi,I.i Ping,et a1.Experimental study on microwave vulnerability effect of integrated circuit.High Power Laser and Particle Beam ,1999,11 (5):639-642) E23 方进勇,申菊爱,杨志强,等.集成电路器件微波损伤效应实验研究[J].强激光与粒子束,2003,15(6):591 594.(Fang Jinyong,Shen Ju,ai, Yang Zhiqiang,et a1.Experimental study on microwave vulnerability effect of integrated circuit.High Power Laser and Particle Beams, 2003,15(6):591 594) [3] 蒲天乐,刘长军,闫丽萍.微型计算机微波辐照效应的实验研究[J]。强激光与粒子束,2006,18(9):1549 1 552.(Pu Tianle,Liu Changjun, Yan Liping.Experimental study on microwave radiation effects on personal computer.High Power Laser and Particle Beams,2006,18 (9):1549—1552) E4] 刘长军,闫丽萍,范如东.I 波段微波脉冲对微型计算机的辐照效应实验[J].强激光与粒子束,2007,19(9):1580 1584.(Liu Changjun,Yan Liping,Fan Rudong.Radiation effects of microwave pulses in L band on personal computer.High Power Laser and Particle Beam ,2007, 19(9):l58O~1584) E5] 周源泉,翁朝曦.可靠性评定[M].北京:科学出版社,1990.(Zhou Yuanquan,Weng Zhaoxi.Reliability assessment.Beijing:Science Press, 1990. 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Box 69—5,Xi’n”710024,China) Abstract: A sequential test method based on Bayesian posterior probability was proposed to perform tests of hypotheses a— bout probability of Success of binomial distribution in complicated hypothesis conditions.The decision rules were constructed and the method for calculating the criterion value was given.For a given maximal sample size,the truncated method of judge criteria for hypothesis test was discussed.An experimental program was given to test the hypotheses about the probability of failure of device affected by microwave using the proposed method.At last,an example was presented to illustrate the proposed method and the result is compared with that of the existing methods. Key words: sequential test; Bayesian method; microwave effect;design of experiment; sample size