一種星載控制計算機(jī)智能容錯方法

龔 健，楊孟飛

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空間智能控制技術(shù)國家級重點實驗室，北京100190；3.中國空間技術(shù)研究院，北京100094）

一種星載控制計算機(jī)智能容錯方法

龔 健1，2，楊孟飛2，3

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空間智能控制技術(shù)國家級重點實驗室，北京100190；3.中國空間技術(shù)研究院，北京100094）

深空探測任務(wù)對星載控制計算機(jī)的智能性、環(huán)境適應(yīng)性和自主性提出新的需求。介紹目前星載控制計算機(jī)容錯方法的進(jìn)展情況，提出可進(jìn)化硬件容錯這種可用于星載控制計算機(jī)容錯設(shè)計的智能容錯方法，給出該方法的3種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，即并行結(jié)構(gòu)、串行結(jié)構(gòu)和具有故障檢測功能的串行結(jié)構(gòu)，并對各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和比較。最后，用仿真驗證平臺驗證了串行結(jié)構(gòu)的可行性和容錯性。

容錯；智能；可進(jìn)化硬件；星載控制計算機(jī)

1 引 言

星載控制計算機(jī)是星上控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能有：完成星船控制規(guī)律的計算，發(fā)出控制指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，并根據(jù)軌道運(yùn)行情況實現(xiàn)控制模式轉(zhuǎn)換；從地面遙控指令中獲得星船的軌道要求、工作狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)修正等；采集星船姿態(tài)與軌道狀態(tài)信息，存儲并通過遙測通道下發(fā)到地面；進(jìn)行控制系統(tǒng)級的自檢和診斷，并對各部件主/備份進(jìn)行切換，或是進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)?？梢娦禽d控制計算機(jī)是控制系統(tǒng)的核心部件。在中國逐步實施的月球探測以及正在籌劃的火星探測等深空探測任務(wù)中，星載控制計算機(jī)需要長期工作在惡劣的空間環(huán)境中，其可靠性決定著整星的可靠性，是任務(wù)成敗的重要決定因素之一。提高其可靠性有避錯和容錯兩種方法。避錯是在設(shè)計和制造階段避免錯誤的發(fā)生，這對設(shè)計和制造提出了很高的要求，且成本高，實現(xiàn)難度大；而容錯則采用冗余的方式構(gòu)造高可靠性的系統(tǒng)?；诳煽啃院统杀究紤]，星載控制計算機(jī)一般多采用容錯方法。

目前星載控制計算機(jī)的容錯方法一般采用硬件冗余，例如雙機(jī)比較、備用替換和三模冗余（TMR）表決機(jī)制等[1-3]，其采用的容錯方法都是通過靜態(tài)的冗余實現(xiàn)的，而且冗余都是顯式的。隨著智能技術(shù)的發(fā)展，深空探測任務(wù)對航天器的智能性、適應(yīng)環(huán)境能力和自主性提出了新的要求，出現(xiàn)了一種新的智能容錯技術(shù)——可進(jìn)化硬件（EHW，evolvable hardware）容錯。EHW容錯是一種智能的、動態(tài)的容錯方法，其實現(xiàn)的基本思想是利用進(jìn)化算法搜索滿足電路預(yù)期功能的可編程器件的配置，通過這種容錯技術(shù)可以實現(xiàn)實時的、在線的硬件改變以屏蔽故障，此外還具有自主性、適應(yīng)環(huán)境等智能特性，是一種可用于長期無人值守和復(fù)雜空間環(huán)境的星載控制計算機(jī)容錯方法。

國際上EHW容錯的研究開始于1992年。目前世界各國的研究機(jī)構(gòu)都有人從事這方面的研究，其中日本和英國的研究開始較早，也較為深入，美國NASA的JPL不僅把EHW容錯列入了重點研究項目，而且應(yīng)用于航天領(lǐng)域。雖然目前EHW容錯研究尚處于起步階段，但已經(jīng)成為國際上的一個研究熱點[4-7]。NASA每年都召開專門的學(xué)術(shù)會議（即NASA/DoD conference on evolvable hardware）對此技術(shù)進(jìn)行交流。國內(nèi)也有研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行這方面的研究，例如中國空間技術(shù)研究院、中國航天時代電子公司、西安電子科技大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等[8-10]。

2 星載控制計算機(jī)的容錯設(shè)計方法

星載控制計算機(jī)的容錯設(shè)計多基于多機(jī)冗余方式，其思路是首先確定故障檢測和恢復(fù)策略，然后進(jìn)行冗余設(shè)計，最后考慮是否進(jìn)行異構(gòu)設(shè)計[2]。

（1）確定故障檢測和恢復(fù)策略

故障檢測是進(jìn)行容錯和故障恢復(fù)的基礎(chǔ)，只有發(fā)現(xiàn)和定位故障，才能對故障進(jìn)行隔離，有效實施針對性的容錯策略，實現(xiàn)從故障中恢復(fù)。故障的檢測和恢復(fù)可在不同層次上實施。一般來說，層次越低要求故障定位越準(zhǔn)確，難度越大，整個系統(tǒng)容錯設(shè)計也越復(fù)雜；相反，層次越高，難度相對越小，系統(tǒng)的容錯設(shè)計越容易。例如采用容錯設(shè)計的精簡指令集計算機(jī)（RISC）其處理器內(nèi)部采用并行差錯檢測電路，設(shè)計和制造復(fù)雜；而備用替換容錯所采用的故障檢測和恢復(fù)設(shè)計相對簡單。在星載控制計算機(jī)實際應(yīng)用中，一般采用多層次的故障檢測恢復(fù)機(jī)制，部件級采用成熟的帶有容錯功能的產(chǎn)品，系統(tǒng)級的采用故障檢測和恢復(fù)方法自行設(shè)計，這樣可以有效提高系統(tǒng)可靠性，同時降低設(shè)計難度，規(guī)避風(fēng)險。

（2）進(jìn)行冗余設(shè)計

冗余設(shè)計就是確定冗余的對象和方式。與故障檢測相似，冗余的對象也有不同層次。冗余部件的層次越低，整個系統(tǒng)的容錯設(shè)計也越復(fù)雜；相反，冗余部件的層次越高，系統(tǒng)的容錯設(shè)計相對簡單。冗余的方式是指硬件冗余、軟件冗余、信息冗余和時間冗余。對于最常采用的硬件冗余，冗余的方式還包括冗余的模數(shù)和對冗余管理的策略（例如表決、備份等）。在硬件冗余的容錯設(shè)計中，TMR表決是常見的容錯方式。

（3）進(jìn)行異構(gòu)設(shè)計

異構(gòu)設(shè)計就是在冗余部件中，采用不同的設(shè)計。異構(gòu)設(shè)計一般在軟件容錯的N文本中采用，其成本最高大約可達(dá)非異構(gòu)設(shè)計的N倍。硬件容錯更多是針對電路本身或是外界環(huán)境引起的失效，而異構(gòu)針對設(shè)計錯誤，設(shè)計成本較高，因此很少采用。

在故障檢測和恢復(fù)技術(shù)中，傳統(tǒng)的成熟技術(shù)有看門狗技術(shù)、故障檢測和糾正（EDAC）技術(shù)等。此外從1961開始，NASA的JPL就為深空探測開發(fā)了STAR（self-testing and repairing）技術(shù)，該技術(shù)為適應(yīng)長期無人維修的使用環(huán)境，具備自測試、硬件故障自動恢復(fù)和系統(tǒng)重構(gòu)功能[3]。

在多機(jī)冗余的容錯設(shè)計中，成功的典范莫過于NASA航天飛機(jī)中所采用的容錯計算機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)采用5臺IBM-AP-101計算機(jī)作為通用計算機(jī)（GPC，general purpose computer），構(gòu)成四模冗余，第五臺機(jī)器用于備份。

3 采用EHW容錯技術(shù)的3種結(jié)構(gòu)

對于深空探測衛(wèi)星的星載控制計算機(jī)來說，整個壽命周期的可靠性更為重要，要求航天器在發(fā)生故障時能自動恢復(fù)。目前成功應(yīng)用的TMR冗余技術(shù)實時可靠性很高，但對于整個壽命周期來說，其可靠性不如雙機(jī)冷備份。而EHW容錯技術(shù)實質(zhì)上是一種采用智能算法的硬件重配置技術(shù)，可以在故障發(fā)生時自主進(jìn)化修復(fù)故障，并能對環(huán)境產(chǎn)生一定程度的適應(yīng)。應(yīng)用于航天器上的EHW容錯技術(shù)具有以下特點[8]：

1）能夠生成新的功能；

2）能夠在硬件出現(xiàn)故障、老化、發(fā)生溫度漂移以及受到輻射時維持已有的功能，并且能夠在有些部件發(fā)生故障的情況下繼續(xù)進(jìn)化生成可工作系統(tǒng)；

3）比靜態(tài)冗余方式節(jié)省能源，這對于航天器，尤其是需長時間自主運(yùn)行的航天器有著重要的意義；

4）在深空探測中，可以實現(xiàn)硬件自主適應(yīng)環(huán)境、硬件故障時自動恢復(fù)，而不需要地面站發(fā)送配置指令和數(shù)據(jù)，從而可避免通信中可能出現(xiàn)的差錯。

EHW容錯有進(jìn)化算法和可編程器件兩個要素，其中可編程器件是進(jìn)化的對象，也是容錯的對象，EHW容錯的動態(tài)性通過可編程器件在線可重配置功能實現(xiàn)。對于用可編程器件實現(xiàn)的星載控制計算機(jī)，可以采用EHW容錯技術(shù)設(shè)計其容錯系統(tǒng)，構(gòu)造實時的、動態(tài)的、可重配置的智能容錯系統(tǒng)。下面討論采用EHW容錯技術(shù)實現(xiàn)的星載控制計算機(jī)的結(jié)構(gòu)。

3.1 并行結(jié)構(gòu)

在EHW容錯技術(shù)中，進(jìn)化算法是一種基于群體的算法，因此EHW容錯技術(shù)的原理結(jié)構(gòu)應(yīng)是基于群體的并行結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1中每個可編程器件用于實現(xiàn)一個星載控制計算機(jī)，N個可編程器件只是在進(jìn)化時才被使用，進(jìn)化完成后的結(jié)果只配置到一個器件上，也就是說最后只有一臺計算機(jī)工作。其進(jìn)化的具體算法如下：

1）運(yùn)算單元產(chǎn)生初始種群，種群大小為N；

2）運(yùn)算單元把種群中的每個個體染色體編碼映射到可編程器件的配置數(shù)據(jù)（即基因型到表現(xiàn)型的映射），把N個配置數(shù)據(jù)分別下載到N個可編程器件中；

3）運(yùn)算單元產(chǎn)生的M路激勵信號作為N個可編程器件的輸入信號，通過評價電路讀取評價值，如果評價值滿足目標(biāo)電路，則進(jìn)化完成，否則轉(zhuǎn)步驟4）；

4）運(yùn)算單元根據(jù)評價值進(jìn)行進(jìn)化計算，產(chǎn)生下一代種群，轉(zhuǎn)步驟2）。

這種結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了EHW容錯的群體概念，是一種高效并行的實現(xiàn)方法。但這種結(jié)構(gòu)只是EHW容錯技術(shù)的原理結(jié)構(gòu)，在實際應(yīng)用中由于其冗余度大、硬件利用率低，從而造成成本過高、硬件過于復(fù)雜，因而并不實用。此外這種并行結(jié)構(gòu)冗余度比傳統(tǒng)多模冗余更大，和傳統(tǒng)的多模冗余容錯相比沒有優(yōu)勢，這也導(dǎo)致此結(jié)構(gòu)不實用。

圖1 EHW容錯并行進(jìn)化的結(jié)構(gòu)框圖

3.2 串行結(jié)構(gòu)

為了彌補(bǔ)EHW容錯并行結(jié)構(gòu)的缺點，可以采用串行評價的方式。串行評價方式中，只有一個可編程器件用于實現(xiàn)星載控制計算機(jī)，進(jìn)化算法中的群體在可編程器件上串行評價，這種結(jié)構(gòu)如圖2所示。其進(jìn)化的具體算法如下：

1）運(yùn)算單元產(chǎn)生初始種群，種群大小為N；

2）運(yùn)算單元把種群中的每個個體染色體編碼映射到可編程器件的配置數(shù)據(jù)（即基因型到表現(xiàn)型的映射）；

3）運(yùn)算單元把N個配置數(shù)據(jù)分N次下載到可編程器件中，每次下載后，把運(yùn)算單元產(chǎn)生的激勵信號作為可編程器件的輸入信號，通過評價電路讀取評價值，如果評價值滿足目標(biāo)電路，則進(jìn)化完成，否則轉(zhuǎn)步驟4）；

4）運(yùn)算單元根據(jù)評價值進(jìn)行進(jìn)化計算，產(chǎn)生下一代種群，轉(zhuǎn)步驟2）。

圖2 EHW容錯串行進(jìn)化的結(jié)構(gòu)框圖

串行結(jié)構(gòu)實際上是把進(jìn)化群體中的每個個體串行地進(jìn)行評價，用時間代價換取了硬件的簡化，雖然評價時間增加，但有效地降低了硬件的復(fù)雜度，使其趨于實用，并充分體現(xiàn)了EHW容錯的優(yōu)勢。

3.3 具有故障檢測功能的自主進(jìn)化結(jié)構(gòu)

并行結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是一種原理性結(jié)構(gòu)，如果將其應(yīng)用到實際中則存在很多問題。串行結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，是一種實用的結(jié)構(gòu)，但是應(yīng)用于自主進(jìn)化容錯的系統(tǒng)，還需要加入故障檢測的功能。

在串行結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加入故障檢測模塊，構(gòu)成具有故障檢測功能的EHW容錯結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在圖3中，故障檢測器對可編程器件進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦檢測到故障則通過控制信號反饋給運(yùn)算單元啟動進(jìn)化，進(jìn)化啟動后其進(jìn)化算法按照串行結(jié)構(gòu)進(jìn)行（見3.2中算法）。

圖3 具有故障檢測功能的EHW容錯串行進(jìn)化的結(jié)構(gòu)框圖

3.4 EHW容錯和其他容錯方式的對比

從EHW容錯串行結(jié)構(gòu)中可以看出，該容錯方法是一種實時的、在線的重配置機(jī)制，由于采用了進(jìn)化算法，使得這種重配置機(jī)制具有自主性和環(huán)境適應(yīng)性。EHW容錯中的冗余是可編程器件內(nèi)部資源的冗余，內(nèi)部資源可以進(jìn)行動態(tài)分配，與多模冗余預(yù)先設(shè)計出冗余電路不同，EHW容錯以器件內(nèi)部少量冗余的代價實現(xiàn)了系統(tǒng)級的容錯。

當(dāng)然，EHW容錯技術(shù)的實現(xiàn)也有代價，就如同雙機(jī)備份需要有控制和切換電路、TMR需要有表決器一樣，EHW容錯技術(shù)需要運(yùn)行進(jìn)化算法的處理器以及用于進(jìn)化結(jié)果評價的電路。不過美國等機(jī)構(gòu)已展開研究把用于進(jìn)化計算和評價的電路都實現(xiàn)在進(jìn)行進(jìn)化的可編程器件上，也就是利用一個可編程器件實現(xiàn)整個容錯系統(tǒng)[11]。

表1對常見容錯方法進(jìn)行了比較，表中EHW容錯為串行結(jié)構(gòu)的特征。

表1 各種容錯方法性能比較

4 EHW容錯的驗證

目前采用EHW容錯技術(shù)還不能實現(xiàn)大規(guī)模電路的進(jìn)化，因此實現(xiàn)整個星載控制計算機(jī)EHW容錯還有待研究。本文從原理角度給出采用EHW容錯技術(shù)實現(xiàn)星載控制計算機(jī)的結(jié)構(gòu)，為了驗證結(jié)構(gòu)的可行性，以簡單的電路為進(jìn)化目標(biāo)進(jìn)行了實驗。采用串行結(jié)構(gòu)搭建的物理仿真平臺進(jìn)行實驗，運(yùn)算單元采用PC機(jī)實現(xiàn)。可編程器件用RAM和多路器模擬，如圖4所示。評價電路采用組合邏輯實現(xiàn)。

圖4 RAM和多路器模擬的可編程器件

圖4中輸入信號為X0、X1、X2和X3；輸出信號為Y；染色體編碼的長度為33位，依次為查找表A、查找表B中的數(shù)據(jù)以及多路器的選擇信號sel的值。染色體編碼如圖5中“個體染色體編碼”所示。按照以上方法進(jìn)行如下兩個實驗。

圖5 仿真驗證平臺的成功進(jìn)化結(jié)果

（1）進(jìn)化實驗

設(shè)進(jìn)化的目標(biāo)是4輸入的異或門邏輯，即電路輸出的邏輯函數(shù)為Y=X3?X2?X1?X0。在進(jìn)化實驗中，一般進(jìn)化幾十代就能成功得出正確結(jié)果，一次成功的進(jìn)化結(jié)果如圖5所示，該進(jìn)化經(jīng)歷22代后成功，整個過程歷時59s。

（2）容錯實驗

為了驗證EHW所固有的容錯特性，采用注入故障的方法進(jìn)行實驗。給模擬可編程器件的RAM中的一位注入S-A-0故障，然后進(jìn)行進(jìn)化，結(jié)果電路成功屏蔽故障，恢復(fù)了原有的功能，進(jìn)化結(jié)果如圖6所示。由實驗可以得出EHW容錯的串行結(jié)構(gòu)是可行的，并具有容錯的能力。

圖6 注入故障情況下仿真驗證平臺的成功進(jìn)化結(jié)果

5 結(jié)束語

本文在介紹星載控制計算機(jī)傳統(tǒng)容錯方法的基礎(chǔ)上，提出了EHW容錯的智能容錯方法。通過分析和比較EHW容錯并行結(jié)構(gòu)、串行結(jié)構(gòu)和具有故障檢測功能的串行結(jié)構(gòu)，得出串行結(jié)構(gòu)和具有故障檢測功能的串行結(jié)構(gòu)比較適用于實際星載控制計算機(jī)容錯設(shè)計的結(jié)論。此外，用仿真驗證平臺驗證了串行結(jié)構(gòu)的容錯功能。

當(dāng)前國際上EHW容錯的研究剛剛起步，尚不能用這種技術(shù)實現(xiàn)星載控制計算機(jī)這一復(fù)雜的硬件系統(tǒng)。雖然本文從原理角度對提出的串行結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗證，但是如果最終實用還需解決很多問題，其中最主要的問題是進(jìn)化電路的規(guī)?；涂s短進(jìn)化時間。不過EHW容錯已經(jīng)為世界各國所關(guān)注，尤其是NASA已結(jié)合其空間應(yīng)用展開了很多探索，進(jìn)行了大量試驗。此外EHW容錯具有智能和適應(yīng)環(huán)境的特性，這也順應(yīng)了當(dāng)今科技領(lǐng)域人工智能的研究熱潮?？梢灶A(yù)見，這種容錯方法必定會為星載控制計算機(jī)的容錯設(shè)計提供新的思路。

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An Intelligent Fault Tolerance Method for Satellite On-Board Computer

GONG Jian1，2，YANG Fengfei2，3
（1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China；2.National Laboratory of Space Intelligent Control，Beijing 100190，China；3.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

In the deep space exploration mission，on-board computer（OBC）for satellite control system has more new requirements，such as intelligence，adaptability and self-determination capability.The state of arts of OBC's fault-tolerance methods is introduced.An intelligent fault-to lerancemethod called evolv able hardware（EHW）fault-tolerance used in the fault-tolerance design of OBC is presented.Three architectures to implement EHW fault-tolerance，which are parallel architecture，serial architecture and serial architecture with fault detection，are brought forward.Moreover，analysis and comparison are made among those architectures.Finally，a simulation validation platform is implemented so that the feasibility and fault-tolerance capability of serial architecture has been validated.

fault-tolerance；intelligence；evolvable hardware；on-board computer

TV211

A

1674-1579（2008）06-0029-05

2008-06-30

龔?。?975-），男，河北人，博士研究生，研究方向為空間智能容錯控制（e-mail：gjxjtu1997@yahoo.com）。