電磁防護仿生研究的內(nèi)容、基礎(chǔ)與實現(xiàn)規(guī)劃

原 亮，魏 明，褚 杰，周永學

（1.軍械工程學院計算機工程系，河北石家莊 050003；2.軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，河北石家莊 050003）

電磁防護仿生研究的內(nèi)容、基礎(chǔ)與實現(xiàn)規(guī)劃

原 亮1，魏 明2，褚 杰2，周永學1

（1.軍械工程學院計算機工程系，河北石家莊 050003；2.軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，河北石家莊 050003）

闡述了電磁防護工作中仿生研究所需要涉及的基本概念內(nèi)容，提出了此類防護研究中的生物－電子研究的實現(xiàn)基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)和總體構(gòu)成，細化了基于動物神經(jīng)系統(tǒng)電信號傳導機制及抗擾機理研究的具體探索方向、設(shè)想和實現(xiàn)規(guī)劃，并從工程角度介紹了實施策略，使得復雜電磁干擾環(huán)境下控制系統(tǒng)板卡、芯片級防護的仿生構(gòu)想在技術(shù)上成為可能。

仿生學；電磁仿生；電磁防護；仿生策略

隨著電磁環(huán)境復雜程度的日益提高，各類控制、通信、信息處理等系統(tǒng)中電子器件的故障率明顯上升，致使整個系統(tǒng)的可靠性直接下降。因此，電磁仿生及相關(guān)的防護概念應運而生［1］，以利于解決許多傳統(tǒng)電磁防護的技術(shù)手段難以解決的問題。這種借助生物進化的概念和建立仿生模型的基礎(chǔ)上進行的防護新模式多有新穎和可行之處，使得復雜電磁干擾環(huán)境下控制系統(tǒng)板卡、芯片一級的新型防護設(shè)想在技術(shù)上成為可能［2］，并有望以此作為電子設(shè)備傳統(tǒng)電磁防護方法的補充手段之一，對于提高中國武器裝備電磁防護水平和生存能力具有重要的理論意義和工程應用價值。

1 概念的形成

自古以來，自然界一直是人類產(chǎn)生各種技術(shù)思想和發(fā)明創(chuàng)造的不竭源泉。生物在漫長的進化過程中，形成了千姿百態(tài)、精美絕倫的形體和結(jié)構(gòu)。一般而言，生物系統(tǒng)的復雜程度遠較目前各類電子控制系統(tǒng)為高，同時其優(yōu)異的可靠性亦使所有人工系統(tǒng)望塵莫及。因此，電子類型諸多系統(tǒng)的可靠性問題可望通過借鑒生物系統(tǒng)的可靠性機理得以解決［3］。

在計算機研究和應用的領(lǐng)域中，早已引入了生物的概念和研究方法。實際上，計算機發(fā)展的最高目標就是以“電腦”完全仿生“人腦”。經(jīng)過多年研究，其本身業(yè)已成為仿生學應用最成功的案例之一［4］。特別是在傳統(tǒng)的硬件、軟件研究的技術(shù)基礎(chǔ)上，又形成了人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、演化硬件，甚至是胚胎電子學、自動細胞機等嶄新的方向。同時，計算技術(shù)的飛速發(fā)展亦相輔相成地為生物研究帶來了更為深入的探索領(lǐng)域和大幅提高的研究效率，甚至生成了生物電子學［5］、生物電磁學［6］和生物信息學［7］等具有實質(zhì)性內(nèi)容且又屬于大范圍交叉的新型學科。

對于電磁仿生理論的建立與相應的實踐研究而言，則是需要進行更加廣闊的學科與技術(shù)的綜合，特別是需要以電磁學、電子學、生物學理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，重點結(jié)合電磁與生物兩大傳統(tǒng)領(lǐng)域，在尋求突破常規(guī)模式與實現(xiàn)長足發(fā)展方面斬獲新的契機。此類研究必然是長期和艱苦的，然而，卻能以電磁生物效應為紐帶，將這兩個領(lǐng)域緊密地結(jié)合在一起，互相促進，共同提高。而對其電磁生物效應的研究則主要體現(xiàn)于細胞電磁信息傳遞機制的研究和應用上。

目前，動物體細胞電磁信息傳遞機制的研究是以細胞膜離子通道為切入點，通過研究電磁干擾作用下動物體細胞膜離子通道對細胞膜電位的實時調(diào)節(jié)，觀察其抗擾機理，揭示其運作規(guī)律。進而，立足于生物系統(tǒng)抗擾機理和仿生模型基礎(chǔ)，完善電子系統(tǒng)防護等方面的仿生理論與應用研究。同時，結(jié)合實際裝備及其面臨的具體問題，加大工程方面的實現(xiàn)力度，在板卡和芯片級層面實現(xiàn)上具有一定自診斷、自修復功能的SOPC（片上可編程系統(tǒng)）電路與相關(guān)系統(tǒng)。使其遭受一定程度電磁損傷或干擾、引起部分電路功能失效的情況下，能夠自行完成修復工作，滿足具有較高可靠性的安全運行要求，并在一定程度上形成對實際電子控制系統(tǒng)設(shè)計和制造具有參考價值或指導意義的故障自修復技術(shù)［8］。

2 內(nèi)容的確立

生物細胞在強電場、磁場中具有令人難以想象的抗擾能力［9］。這種獨特的現(xiàn)象和特點，使其成為電磁仿生所要模仿的具體目標。生物體細胞信息傳遞機制的實質(zhì)性研究需從神經(jīng)系統(tǒng)入手。而神經(jīng)系統(tǒng)的基本特點首先是結(jié)構(gòu)復雜性，每個神經(jīng)細胞均有多條通路與其他神經(jīng)細胞相連。其次是整體健壯性，盡管單個細胞雖然生存周期較短、可靠性較低，但各種學習、訓練能夠不斷改變神經(jīng)細胞之間的連接形式，可使整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性得到提高，功能得到增強。

可以認為，相關(guān)研究可從表象、結(jié)構(gòu)、行為、性狀、功能、機理、能量轉(zhuǎn)換、控制機制、信息流動等生命現(xiàn)象的各個方面進行本征性或規(guī)律性的了解，以解決電磁仿生工作的具體仿生對象和特征，并可拓展或映射至電磁防護領(lǐng)域［10］。生物電磁方面的研究內(nèi)容構(gòu)成了電磁仿生的生物理論基礎(chǔ)，而電磁仿生研究又與生物電磁研究形成了領(lǐng)域拓展和邏輯繼承的關(guān)系，同時，還為生物電磁類型的深化研究提出了更為明確的需求。

2.1 仿生機制與技術(shù)體系建立

進行電磁防護仿生的基礎(chǔ)構(gòu)成與整體結(jié)構(gòu)研究，借鑒電磁生物效應的數(shù)理模型，完成基于本征特性轉(zhuǎn)換的映射機制，建立電磁生物效應研究機制，形成針對SOPC的邏輯和數(shù)學模型［11］。從而能夠較為完整地形成電磁仿生研究的框架，以便能夠進行更為深入、詳盡的理論研究，以及探討、制定較為合理、完善的技術(shù)體系。

2.2 動物神經(jīng)系統(tǒng)電信號傳導與抗擾機制研究

選用適當技術(shù)手段觀察及監(jiān)測實驗動物神經(jīng)元各種離子通道的生理運作門控性，研究神經(jīng)元細胞膜靜息膜電位、局部分級電位和動作電位的生理變化規(guī)律，電磁場刺激后實驗動物神經(jīng)元各種離子通道門控性的變化規(guī)律，神經(jīng)元細胞膜靜息膜電位、局部分級電位和動作電位在受到外界電磁干擾后的變化規(guī)律［12］，以及刺激強度與產(chǎn)生的細胞膜局部電位幅度與時相的關(guān)系。

2.3 電磁仿生仿真模型構(gòu)建

通過觀察得到動物神經(jīng)系統(tǒng)電信號傳導機制及抗擾機理，利用電磁場仿真計算技術(shù)構(gòu)建電磁信號傳導仿真模型，從而指導建立相應的工程模型，以便于進行基于可重構(gòu)技術(shù)的分析、仿真和實現(xiàn)。進而，進行控制系統(tǒng)電磁損傷方式、程度和修復策略研究，使用演化算法對冗余電路重組，以內(nèi)進化方式對片內(nèi)系統(tǒng)故障單元進行旁路或恢復，以及進行電路的行為理解、容錯性能和長期穩(wěn)定性的研究，形成能于部分或全局范圍內(nèi)進行抗擾電路的電路劃分、自組織、自配置的系統(tǒng)原型以及具有通用意義的實施方案。

2.4 基礎(chǔ)算法與硬件原型實現(xiàn)

依據(jù)電磁防護系統(tǒng)的仿生進化模型，探索了電磁干擾環(huán)境下特定目標確定后可重配置硬件的最佳種群規(guī)模、復合染色體編碼方法，進行相應的層次進化、結(jié)果優(yōu)化和自然平衡研究，以及相關(guān)進化環(huán)境、基因算法、適應度評估的層化分解和層內(nèi)并行實現(xiàn)。基于仿生研究中優(yōu)化后的演化算法，對可重配置的邏輯單元進行板卡級或是芯片級的重配和組合，完成重構(gòu)式電子系統(tǒng)的基本硬件環(huán)境，并以此作為不同干擾環(huán)境下的受試系統(tǒng)。

2.5 目標系統(tǒng)的實現(xiàn)與測試

基于演化硬件原理的系統(tǒng)實現(xiàn)，使用在系統(tǒng)內(nèi)進化技術(shù)能夠完成實際工作于一定電磁環(huán)境下、基于仿生原理的抗擾控制系統(tǒng)。特別是結(jié)合自修復技術(shù)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)“在板”以及“片上”仿生修復原型以及相應的演示、測試系統(tǒng)，并能夠進行效果對照。其中包括可重配置硬件結(jié)構(gòu)與編碼效率研究、環(huán)境適應度以及演化速度評估。進而，完成一般工作環(huán)境、電磁干擾及部分損傷環(huán)境下的運行結(jié)果對比，驗證在容錯運行的基礎(chǔ)上采用演化修復的方式比單純的容錯運行所應具有更多的可靠性優(yōu)勢，完成對實際裝備設(shè)計和制造具有參考價值或指導意義的防護新模式。

3 關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)

借助生物進化的實際特征，將相應的數(shù)學模型建立并映射至電磁防護領(lǐng)域，即可形成在仿生模型基礎(chǔ)上的、具有創(chuàng)新意義的設(shè)計思想與仿生模式。目前，新技術(shù)［8］、新器件［12］的出現(xiàn)，使得上述思路、方法亦具備了實用的可能和具體的平臺。尤其是針對仿生對象的現(xiàn)象、特點，在較為簡潔、直接的功能層面，進行電子技術(shù)層面的模仿或?qū)崿F(xiàn)等工作已經(jīng)成為可能，并且完成了卓有成效的前期實踐［14］。因此，需要特別關(guān)注仿生的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.1 細胞膜電位變化的測試、記錄技術(shù)

利用全細胞膜片鉗記錄技術(shù)記錄整個細胞膜電位變化的情況，這是在電壓鉗、膜片鉗基礎(chǔ)上衍生出一種研究全細胞電信號的特殊方法，近年來得到了最為普遍的細胞膜電位測量應用，可以記錄到整個細胞膜電位變化的情況。

3.2 動物神經(jīng)系統(tǒng)電信號傳導、抗擾機制探尋技術(shù)

進行神經(jīng)元細胞膜靜息膜電位、局部分級電位和動作電位的生理變化規(guī)律以及電磁干擾對其電信號傳導的影響研究，以及動物神經(jīng)系統(tǒng)電信號傳導機制及抗擾機理進行“領(lǐng)域轉(zhuǎn)換”，構(gòu)建電磁信號傳導“對等系統(tǒng)”仿真模型。

3.3 多芯片并行技術(shù)

采用陣列FPGA所構(gòu)成的多片結(jié)構(gòu)，以互補方式進行復雜邏輯電路的搭建并形成一個陣列計算環(huán)境，用以進行內(nèi)進化模式的原理性實驗［15］。該平臺的每個功能模塊均由本項目組前期開發(fā)的互關(guān)總線和通用的底層設(shè)備網(wǎng)絡(luò)予以連接，使其可以嘗試一種基于并行細胞機的設(shè)計架構(gòu)。

3.4 仿生軟件的優(yōu)化技術(shù)

整個電路的染色體編碼必將視具體情況的不同而使用變長和復合等方式進行，以減少長度、降低單項任務的復雜度。整體工作通過分層和層內(nèi)歸并、多次進化的方式完成，以縮減局部演化規(guī)模、利于通過層間遺傳與信息傳遞的研究，實現(xiàn)整體演化過程的仿真、結(jié)果對比、分級評估，以實現(xiàn)運算量的總體降低并有效提高進化速度。

4 具體實現(xiàn)規(guī)劃

如前所述，電磁仿生及相應的防護研究是一項長期、復雜的任務，首先需要依照業(yè)已明確的電磁防護仿生的技術(shù)體系框架，探明外界電磁場對動物細胞電信號傳導影響的閾值和變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上方可通過闡明動物神經(jīng)系統(tǒng)對外界電磁場影響容許和耐受的機理而建立與電子裝備電磁防護設(shè)計相對應的電磁仿生模型，進而完成電磁防護仿生模型的計算機仿真與工程實現(xiàn)。

為此，在不影響邏輯關(guān)系和研究順序的前提下，需要進行部分主要內(nèi)容的交叉重組。相關(guān)課題擬從時間上分作前期的“動物抗擾機制原型探尋”與“抗擾電路技術(shù)實驗”兩個方面平行研究，以及后期的生物－電磁聯(lián)合工程實現(xiàn)；從組織上可以按照理論、基礎(chǔ)、應用形成三大相對完整的研究模塊，以期做到明確理論研究之導向、突出基礎(chǔ)研究之實踐、實現(xiàn)應用研究之目的。從而做到人員互動、技術(shù)互通、領(lǐng)域交叉、學科交融。

4.1 依托生物專業(yè)力量，進行理論類研究

通過采取神經(jīng)電生理信號測試手段和電磁場仿真計算技術(shù)相結(jié)合的研究方法，建立實驗動物模型，從生物學的角度進行電磁生物效應定性與定量的特性分析，建立基本生物電磁特性的數(shù)學、生化或可供工程實現(xiàn)的邏輯模型，并進行細胞抗擾、損傷與康復機制的探索，主要包括如下內(nèi)容：

1）傷變細胞康復機制的本征特性與工程描述；

2）探討外界電磁場輻射后神經(jīng)元細胞膜電位（包括靜息膜電位、局部分級電位和動作電位）的變化規(guī)律，以及不同電磁場頻率干擾與膜電位反應的量效關(guān)系和時相性規(guī)律；

3）生物－電子領(lǐng)域轉(zhuǎn)換及其等效的結(jié)構(gòu)模型建立；

4）電路系統(tǒng)的電磁防護機制模型建立。

4.2 深入跨學科領(lǐng)域，進行基礎(chǔ)類研究

明確了動物體神經(jīng)元電信號傳導機制之后，再引入電磁干擾等外界刺激，進行電磁干擾環(huán)境下的動物體神經(jīng)元電信號傳導過程監(jiān)測與研究。針對動物體神經(jīng)系統(tǒng)的抗擾特性進行電磁場仿真建模，建立能夠指導工程應用的動物體神經(jīng)系統(tǒng)電磁抗擾數(shù)學模型。從“進化”角度分析、理解、研究生物系統(tǒng)在復雜電磁環(huán)境下所表現(xiàn)出的優(yōu)異的行為和功能，實現(xiàn)生物本征特性抽象化、等效轉(zhuǎn)換模型具體化，主要包括：

1）干擾源及干擾標準的選定和典型芯片效應試驗研究；

2）多核、多操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的平行運行模式建立、數(shù)據(jù)同步和校驗；

3）電磁測試環(huán)境中系統(tǒng)非測試單元的受擾分析與隔離；

4）完成電磁仿生仿真實驗環(huán)境，實現(xiàn)系統(tǒng)在內(nèi)進化實施之前能夠先期進行外部仿真和優(yōu)化。

4.3 貼近裝備需求，開展應用類研究

盡量貼近裝備需求，明確應用領(lǐng)域，優(yōu)先考慮能夠直接進行工程實踐的算法、方法。即：EHW技術(shù)仍然是最基本的技術(shù)手段，系統(tǒng)仿真仍然是最為有效的驗證方式。

另外，為保證較為先進的“內(nèi)進化”自修復方式順利實施，專用的軟硬件環(huán)境便成為實現(xiàn)過程中的唯一選擇。通過定制操作系統(tǒng)、引入網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、優(yōu)化硬件結(jié)構(gòu)，盡量確保整體系統(tǒng)的先進與可靠，主要包括以下內(nèi)容：

1）電路受損方式和自修復策略研究；

2）被組織與自組織相似性的量化與密集型進化的層分技術(shù)；

3）基于并行可重構(gòu)技術(shù)的受試與應用系統(tǒng)建立；

4）完成具有內(nèi)進化功能的TMR被測系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)，在芯片受到局部損傷后，仍能容錯運行并自動恢復的控制系統(tǒng)原型。

5 結(jié) 語

電磁仿生及防護技術(shù)是在動物體電磁信息傳遞及抗擾機理研究的基礎(chǔ)上，將計算機技術(shù)和電磁防護需求密切結(jié)合的新型領(lǐng)域。而且，是對單純的仿生研究理論所進行之拓展型的邏輯相關(guān)和成果繼承。在此基礎(chǔ)之上，可以借助生物進化的實際特征分類建立相應的數(shù)學模型，并且形成在仿生模型基礎(chǔ)上的、創(chuàng)新性的設(shè)計思想與防護模式，以更好地保障復雜電磁環(huán)境下電子系統(tǒng)實現(xiàn)其整體功能與性能，更有效地提高其運行可靠性。

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1008-1542（2011）07-0001-04

2011-06-25；責任編輯:陳書欣

原 亮（1955-），男，山東青島人，教授，主要從事計算機體系結(jié)構(gòu)、電磁仿生理論及實現(xiàn)方面的研究。