論機(jī)電一體化系統(tǒng)的聯(lián)合仿真技術(shù)

周巖松　陳　冰

摘要:本文以機(jī)電一體化系統(tǒng)為研究對象,分析了機(jī)電產(chǎn)品容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,并提出了自己的看法。

關(guān)鍵詞:機(jī)電一體化仿真容錯(cuò)糾錯(cuò)

一、引言

現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品正朝著集成化、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展,有的機(jī)電產(chǎn)品對人的依賴性越來越小,發(fā)生故障根本不可能由人去維修,有的機(jī)電產(chǎn)品形成大系統(tǒng),一旦發(fā)生故障可能導(dǎo)致重大事故,并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。例如:美國發(fā)射的“勇氣”號(hào)火星車和“機(jī)遇”號(hào)火星車,在太空飛行半年之久,一旦有了故障靠人去診斷和維修是根本不可能的;2008年8月巴西一枚VLS-3型衛(wèi)星運(yùn)載火箭,在接受最后檢測時(shí)突然爆炸,導(dǎo)致現(xiàn)場21人被炸死,另有20多人身受重傷。

這些集成化、自動(dòng)化、智能化的機(jī)電系統(tǒng)發(fā)生故障的隨機(jī)性很強(qiáng),往往難以預(yù)料,但工程實(shí)踐表明除了少數(shù)突發(fā)故障以外,大多數(shù)故障是一個(gè)漸進(jìn)的過程。如果早期發(fā)現(xiàn),及時(shí)采取恰當(dāng)?shù)拇胧┦峭耆梢苑乐沟?機(jī)電產(chǎn)品容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)研究以及容錯(cuò)技術(shù)的應(yīng)用正是順應(yīng)了這種需求。

容錯(cuò)技術(shù)為提高系統(tǒng)的可靠性開辟了一條新的途徑。雖然人們無法保證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)各個(gè)構(gòu)成環(huán)節(jié)的絕對可靠,但若把容錯(cuò)的概念引入到機(jī)電產(chǎn)品,可以使各個(gè)故障因素對產(chǎn)品性能的影響被顯著削弱,這就意味著間接地提高了產(chǎn)品的可靠性。研究和應(yīng)用容錯(cuò)技術(shù),對于保障機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性和安全性,減少安全事故,提高現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,具有非常重要的意義。

二、仿生硬件容錯(cuò)研究現(xiàn)狀

隨著電路系統(tǒng)功能的復(fù)雜化,傳統(tǒng)的硬件容錯(cuò)技術(shù)越來越不能滿足日益龐大的電路系統(tǒng)要求。為了提高系統(tǒng)可靠性,人們提出了動(dòng)態(tài)地對故障進(jìn)行自檢測、自修復(fù)的要求,并努力尋找新的容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法。早在20世紀(jì)50年代末,計(jì)算機(jī)之父馮?諾依曼就提出了研制具有自繁殖與自修復(fù)能力通用機(jī)器的偉大構(gòu)想。

研究人員從自然界得到靈感,將自然計(jì)算(如進(jìn)化計(jì)算,胚胎理論等)引入到硬件設(shè)計(jì)中從而形成仿生硬件(Bio-inspired Hardware,BHW)。仿生硬件的概念最初是由瑞士聯(lián)邦工學(xué)院于1992年提出的,雖然歷史不長,但其發(fā)展非常迅速,現(xiàn)在已經(jīng)成為國際上的研究熱點(diǎn)之一。仿生硬件早期也稱為進(jìn)化硬件(Evolvable Hardware,EHW)。A.Thompson等人較早提出了EHW應(yīng)用于容錯(cuò)方面的想法。仿生硬件是一種能根據(jù)外部環(huán)境的變化而自主地、動(dòng)態(tài)地改變自身的結(jié)構(gòu)和行為以適應(yīng)其生存環(huán)境的硬件電路,它可以像生物一樣具有硬件自適應(yīng)、自組織、自修復(fù)特性。采用仿生硬件實(shí)現(xiàn)的容錯(cuò),不需要顯式冗余,而是利用進(jìn)化本身固有容錯(cuò)的特性,這種特性帶來的優(yōu)勢是傳統(tǒng)方法通過靜態(tài)冗余實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)所不能比擬的。

三、仿生硬件的容錯(cuò)技術(shù)新思路

基于仿生硬件的容錯(cuò)研究,對建立借鑒生物進(jìn)化機(jī)制的硬件容錯(cuò)新理論、新模型和新方法,提高硬件系統(tǒng)的可靠性,具有至關(guān)重要的意義。

(一)胚胎型仿生硬件的容錯(cuò)體系結(jié)構(gòu)和容錯(cuò)原理

仿生硬件可以分為進(jìn)化型和胚胎型,其中胚胎型仿生硬件也稱為胚胎電子系統(tǒng),是模仿生物的多細(xì)胞容錯(cuò)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的硬件。

胚胎型仿生硬件的容錯(cuò)體系結(jié)構(gòu),主要由胚胎細(xì)胞、開關(guān)陣和線軌組成。開關(guān)陣根據(jù)可編程連線的控制信號(hào)完成開關(guān)閉合,控制線軌內(nèi)各線段的使用。胚胎細(xì)胞包含存儲(chǔ)器、坐標(biāo)發(fā)生器、I/O換向塊、功能單元、直接連線、可編程連線、控制模塊等。存儲(chǔ)器用于保存配置數(shù)據(jù)位串,并根據(jù)細(xì)胞狀態(tài)和坐標(biāo)發(fā)生器計(jì)算出的結(jié)果,從配置位串中提取一段經(jīng)譯碼后對胚胎電子細(xì)胞的換向塊和功能單元進(jìn)行配置。坐標(biāo)發(fā)生器根據(jù)每個(gè)細(xì)胞最近兩側(cè)(左側(cè)和下側(cè))鄰居細(xì)胞的坐標(biāo)為其分配坐標(biāo)。I/O換向塊為細(xì)胞功能單元間的可編程連線提供控制信號(hào)。功能單元用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)n輸入的布爾函數(shù),用于實(shí)現(xiàn)所需的細(xì)胞功能。直接連線負(fù)責(zé)功能單元之間的相互通信?？删幊踢B線傳遞控制信號(hào)控制開關(guān)陣。控制模塊完成細(xì)胞的工作狀態(tài)檢測、故障診斷、控制細(xì)胞冗余切換。

(二)胚胎型仿生硬件實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的策略

為了實(shí)現(xiàn)對故障細(xì)胞的容錯(cuò),常用的容錯(cuò)策略有兩種:行(列)取消和細(xì)胞取消策略,通過記錄有錯(cuò)的單元位置,重新布線,用其他備用的單元來代替。

但是對于連線資源故障,這些策略并未給出相應(yīng)的對策。在深入研究胚胎仿生硬件容錯(cuò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,本文提出一種針對線軌故障的容錯(cuò)策略。

1. 行(列)取消策略。在行(列)取消中,若一個(gè)細(xì)胞出錯(cuò),則它所在行(列)的所有細(xì)胞都將被取消,而該行(列)細(xì)胞的功能將被其上一行(右一列)的細(xì)胞所代替,即當(dāng)一個(gè)細(xì)胞出錯(cuò)時(shí),細(xì)胞所在行(列)上移(右移)到一個(gè)備用行(備用列)來代替它當(dāng)前的工作。

2. 細(xì)胞取消策略。在細(xì)胞取消中,用備用細(xì)胞代替故障細(xì)胞分兩個(gè)階段。當(dāng)某一行的出錯(cuò)細(xì)胞數(shù)超過備用細(xì)胞數(shù)時(shí),整行被取消,行細(xì)胞上移,用備用行取代出錯(cuò)行的功能。

(三)胚胎型仿生硬件實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的流程

胚胎型仿生硬件容錯(cuò)的流程為:

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇器件,確定硬件設(shè)計(jì)方案;

(2)以電路結(jié)構(gòu)及有關(guān)參數(shù)等作為染色體進(jìn)行編碼,按照進(jìn)化算法的進(jìn)化模式對系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)化操作;

(3)一般以電路的功能與預(yù)期結(jié)果的符合程度作為個(gè)體的適應(yīng)度。根據(jù)給定的輸入條件或測試集,通過基于電路模型的仿真測試或?qū)崪y計(jì)算群體中的每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度;

(四)胚胎型仿生硬件內(nèi)部錯(cuò)誤檢測機(jī)制

錯(cuò)誤檢測是胚胎型仿生硬件實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的前提,本文在此著重研究針對細(xì)胞故障的錯(cuò)誤檢測機(jī)制。

基于細(xì)胞功能單元的三模冗余與多數(shù)表決器電路實(shí)現(xiàn)是硬件容錯(cuò)常用的冗余容錯(cuò)策略。

多數(shù)表決器判斷輸出多數(shù)細(xì)胞模塊的信號(hào),但并不能判斷出具體哪個(gè)細(xì)胞出現(xiàn)了錯(cuò)誤,也就沒法啟動(dòng)對出錯(cuò)細(xì)胞的重啟動(dòng)或重構(gòu)來修復(fù)該細(xì)胞。為了能檢測出錯(cuò)細(xì)胞的具體位置,從而修復(fù)該細(xì)胞,進(jìn)一步提高三模冗余的可靠性,需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的差錯(cuò)檢測器。

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