淺談機(jī)電一體化系統(tǒng)的聯(lián)合仿真技術(shù)

劉鵬飛，謝思幽

重慶理工大學(xué)，重慶 400054

淺談機(jī)電一體化系統(tǒng)的聯(lián)合仿真技術(shù)

劉鵬飛，謝思幽

重慶理工大學(xué)，重慶 400054

現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品電路系統(tǒng)越來越復(fù)雜，在要求提高產(chǎn)品功能和性能的同時，對系統(tǒng)可靠性和機(jī)電產(chǎn)品安全性的要求也越來越高。仿生硬件容錯糾錯技術(shù)是提高系統(tǒng)可靠性和產(chǎn)品安全性的有效手段。本文對仿真技術(shù)的研究是基于胚胎型仿生硬件，對胚胎型仿生硬件的容錯糾錯機(jī)制進(jìn)行探討，旨在對提高電路系統(tǒng)可靠性和安全性在理論上提供些許幫助。

仿生硬件；胚胎型仿生硬件；容錯糾錯機(jī)制

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品中的運(yùn)用，使得機(jī)電產(chǎn)品越來越集成化、自動化、智能化。在這些現(xiàn)代化的機(jī)電產(chǎn)品中，內(nèi)在的系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，就容易造成經(jīng)濟(jì)損失。

容錯機(jī)制為提高系統(tǒng)的可靠性和產(chǎn)品的安全性提供了一條新的路徑，機(jī)電產(chǎn)品的容錯糾錯機(jī)制和仿真技術(shù)的研究在研發(fā)設(shè)計過程中就考慮到了產(chǎn)品的容錯糾錯功能，雖然不能保證產(chǎn)品系統(tǒng)內(nèi)部的各個組成部分絕對安全，但至少可以使產(chǎn)品在沒有遭受到致命的損害時，維持正常工作能力。

1 仿生硬件容錯研究現(xiàn)狀

由于現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品的電路系統(tǒng)越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的硬件容錯技術(shù)水平早已不能滿足現(xiàn)代電路系統(tǒng)的要求。在這種情形之下，人們努力研發(fā)新的容錯技術(shù)方法，提出了電路系統(tǒng)在發(fā)生故障時，能進(jìn)行自檢測，自修復(fù)的設(shè)想。在20世紀(jì)50年代末，計算機(jī)之父馮·諾依曼提出了可以研發(fā)出具有自繁殖與自修復(fù)能力的機(jī)器設(shè)想，但直到20世紀(jì)90年代，仿生硬件的概念由瑞士聯(lián)邦工學(xué)院提出后，才使得仿生硬件的研究得以迅速發(fā)展，目前已成為國內(nèi)外研究仿真技術(shù)的的熱點(diǎn)之一。但是我國對仿生硬件的研究開始較晚，在技術(shù)水平上已落后西方國家，迫切需要加強(qiáng)對仿生硬件的研究，以提高我國仿生硬件的技術(shù)運(yùn)用水平。

仿生硬件早期也稱為進(jìn)化硬件( Evolvable Hardware，EHW ) ，是將進(jìn)化算法與可編程器件結(jié)合起來，研發(fā)出的一種新型硬件電路，它能象生物一樣根據(jù)外部環(huán)境的變化來動態(tài)地、自主地改變自身的結(jié)構(gòu)以適應(yīng)外部的生存環(huán)境，具有硬件自組織，自適應(yīng)、自修復(fù)等特征[1]。仿生硬件的本質(zhì)是通過模仿生物體的細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)，在仿生硬件的工作機(jī)制上與生物體的細(xì)胞生長，自修復(fù)，遺傳等方面達(dá)到類似。這樣與傳統(tǒng)的硬件相比，它開創(chuàng)了一種新的電路設(shè)計方式，其在電路系統(tǒng)運(yùn)行過程中不僅可以保持現(xiàn)有的功能、實現(xiàn)硬件的隨時康復(fù)，還可以利用自組織特性生成具有新功能的電路系統(tǒng)。這種仿生硬件的容錯糾錯機(jī)能，是通過靜態(tài)冗余用傳統(tǒng)方法來實現(xiàn)容錯所不能比擬的。

2 基于仿生硬件的容錯技術(shù)研究

根據(jù)生物體進(jìn)化機(jī)制提出的仿生硬件容錯技術(shù)，對提高硬件系統(tǒng)的可靠性和產(chǎn)品的安全性具有十分重要的意義。

2.1 胚胎型仿生硬件的容錯體系結(jié)構(gòu)和容錯原理

仿生硬件可以分為進(jìn)化型仿生硬件和胚胎型仿生硬件，其中后者也稱為胚胎電子系統(tǒng)，是模仿生物體多細(xì)胞容錯機(jī)制實現(xiàn)的硬件。由多個結(jié)構(gòu)、性能相似的細(xì)胞組成生物體，每個細(xì)胞都能具有生物體中的基因所具有的某種特定的功能，當(dāng)生物體進(jìn)行正常的生命活動時，一旦器官中的某個細(xì)胞失去功能，這個細(xì)胞就會將自身的信息傳遞給周邊的細(xì)胞，周邊健康的細(xì)胞收到信息后，就會代替這個失去功能的細(xì)胞所應(yīng)發(fā)揮的功能，從而保持生物體的正常生命活動[2]。胚胎型仿生硬件正是基于生物體的多細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)，通過模仿這種容錯糾錯的生理機(jī)制而實現(xiàn)的硬件。當(dāng)機(jī)電產(chǎn)品的電子系統(tǒng)發(fā)生故障時，胚胎型仿生硬件便將故障細(xì)胞的數(shù)據(jù)資料傳遞給周邊空閑的電子細(xì)胞，進(jìn)而從新布線連接，從而使整個機(jī)電產(chǎn)品的硬件系統(tǒng)能夠正常工作[3]。

胚胎型仿生硬件是由胚胎細(xì)胞、開關(guān)陣和線軌共同組成的容錯體系結(jié)構(gòu)。開關(guān)陣是用來控制硬件中線段使用的開關(guān)。胚胎細(xì)胞包含邏輯功能單元和基因與地址譯碼控制電路兩大部分，其中邏輯功能單元由I/O換向塊和分子電路組成，它的作用是為了實現(xiàn)細(xì)胞的功能，基因與地址譯碼控制電路由存儲器、坐標(biāo)發(fā)生器、狀態(tài)檢測與控制電路共同組成。存儲器可根據(jù)坐標(biāo)發(fā)生器算出電子細(xì)胞在某種狀態(tài)下的結(jié)果并進(jìn)行保存，但它最重要的功能是保存配置的數(shù)據(jù)。坐標(biāo)發(fā)生器根據(jù)各個細(xì)胞左側(cè)和下側(cè)的的細(xì)胞為其分配坐標(biāo)。狀態(tài)檢測電路可以根據(jù)故障電子細(xì)胞的坐標(biāo)來激活細(xì)胞的復(fù)制功能，是故障細(xì)胞在失去功能的同時，電路系統(tǒng)還能保持正常的運(yùn)行功能。

2.2 胚胎型仿生硬件實現(xiàn)容錯的策略

在胚胎型仿生硬件中，實現(xiàn)容錯策略的方式有兩種：一種是細(xì)胞取消策略，另一種是行（列）取消策略。在這兩種策略中都是通過記錄故障細(xì)胞的位置，運(yùn)用細(xì)胞的復(fù)制功能，重新布線連接，用備用的細(xì)胞來代替。結(jié)合仿生硬件容錯體系結(jié)構(gòu)，在此提出一種線軌故障的容錯策略。

1）在細(xì)胞取消策略中，當(dāng)某行中的故障細(xì)胞少于備用細(xì)胞時，就直接用備用細(xì)胞來代替故障細(xì)胞；當(dāng)某行中的故障細(xì)胞超過了備用細(xì)胞，則故障細(xì)胞所在的整行被取消掉，由備用行細(xì)胞上移代替。

2）在行（列）取消中，只要有一個細(xì)胞出現(xiàn)故障，整行細(xì)胞都要被取消，它的功能由該行的右一行細(xì)胞代替。也既是出錯細(xì)胞所在行上移到備用行，由備用行代替出錯行的功能。

2.3 胚胎型仿生硬件實現(xiàn)容錯的流程

胚胎型仿生硬件容錯的流程：

1）按照需求選擇器件和設(shè)備，確定仿生硬件的制作方案；

2）依據(jù)相關(guān)參數(shù)和電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼，并對系統(tǒng)進(jìn)行操作；

3）根據(jù)給定的條件對電路模型進(jìn)行仿真測試，并與預(yù)期的結(jié)果相比較，測試個體的適應(yīng)度；

4）結(jié)合測試出的適應(yīng)度來確定下一步驟，依次反復(fù)測試，直到獲得合符要求的個體；

5）在選定的器件中用最符合要求的個體配置電路系統(tǒng)；

6）當(dāng)電子細(xì)胞出現(xiàn)故障時，仿生硬件按照以上步驟開始進(jìn)行新一輪的進(jìn)化，直到找到符合功能的配置位流，實現(xiàn)容錯。

2.4 胚胎型仿生硬件內(nèi)部錯誤檢測機(jī)制與自修復(fù)機(jī)制

1）錯誤檢測機(jī)制

胚胎型仿生硬件實現(xiàn)容錯的前提是仿生硬件內(nèi)部的錯誤檢測。當(dāng)前我國常用的仿生硬件錯誤檢測機(jī)制有幾種：一種是基于細(xì)胞功能單元的三模冗余與多數(shù)表決器電路實現(xiàn)的細(xì)胞內(nèi)部故障的自檢測；另一種是用健康細(xì)胞監(jiān)測附近細(xì)胞的狀態(tài)信息，用以判斷細(xì)胞正常與否。以上兩種方式雖可以檢測出是否存在故障細(xì)胞，但判斷不出故障細(xì)胞具體是在哪個位置，查不出具體的位置也就無法修復(fù)出錯細(xì)胞，所以在提高三模冗余可靠性的同時，也應(yīng)設(shè)計出可以檢測出具體位置的差錯檢測器。

2）自修復(fù)機(jī)制

在胚胎型仿生硬件中，電子細(xì)胞自身沒有容錯能力，出現(xiàn)故障的細(xì)胞只能消失（退出運(yùn)行），根據(jù)上文的描述，一般是用整行（整列）空閑細(xì)胞進(jìn)行功能復(fù)制，來代替出錯細(xì)胞所在位置的功能，這樣胚胎陣列就可以進(jìn)行重構(gòu), 實現(xiàn)自修復(fù)，以保證電路系統(tǒng)正常功能的運(yùn)行。

胚胎型仿生硬件是模仿生物體的多細(xì)胞容錯機(jī)制實現(xiàn)的硬件，由于具有自組織、自適應(yīng)和自修復(fù)特性，使得它在電子產(chǎn)品運(yùn)用上有著廣闊的應(yīng)用前景和商業(yè)價值，這就需要我們加強(qiáng)對仿生硬件的研究力度，更好地提高電路系統(tǒng)的可靠性和電子產(chǎn)品的安全性。

[1]高金吉.裝備系統(tǒng)故障自愈原理研究[J].中國工程科學(xué)，2009(5).

[2]劉心松，朱鷹.容錯并行處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究[J].計算機(jī)應(yīng)用，2008(1).

[3]姚睿，王友仁，于盛林.胚胎型仿生硬件及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].河南科技大學(xué)學(xué)報，2009(3).

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1674-6708（2010）24-0064-02