基于演化硬件的電路自修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究

吳會(huì)叢，楚 杰，原 亮，劉尚合

（1．河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2．軍械工程學(xué)院強(qiáng)電磁場(chǎng)與電磁防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050003）

基于演化硬件的電路自修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究

吳會(huì)叢1，2，楚 杰2，原 亮2，劉尚合2

（1．河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2．軍械工程學(xué)院強(qiáng)電磁場(chǎng)與電磁防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050003）

介紹了演化硬件的概念、基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，以無(wú)刷直流電機(jī)邏輯控制電路為例，對(duì)基于演化硬件的電路進(jìn)化修復(fù)進(jìn)行研究。通過(guò)引入單個(gè)邏輯單元故障到多個(gè)邏輯單元故障，研究電路通過(guò)進(jìn)化自修復(fù)的能力。研究結(jié)果表明，無(wú)刷直流電機(jī)邏輯控制電路通過(guò)進(jìn)化可以得到同等功能的不同電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而避開(kāi)故障單元，使電路功能恢復(fù)，且電路的進(jìn)化修復(fù)能力隨故障點(diǎn)的增多而下降。

演化硬件；遺傳算法；自修復(fù)

近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)和軍事技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的電子設(shè)備應(yīng)用在高技術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)中，電子器件所接觸到的輻射環(huán)境愈來(lái)愈復(fù)雜，大部分軍事裝備都要在高溫強(qiáng)輻射等極端惡劣環(huán)境下工作，復(fù)雜多變的電磁環(huán)境已對(duì)武器裝備構(gòu)成嚴(yán)重威脅，其破壞效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般電子戰(zhàn)設(shè)備。因此，研究武器裝備的電磁環(huán)境效應(yīng)和防護(hù)對(duì)策，已是高新技術(shù)武器裝備發(fā)展中的重要課題之一。筆者主要研究如何從主動(dòng)防護(hù)的方向提高武器裝備電子系統(tǒng)的可靠性，將“演化硬件（EHW）”思想引入常規(guī)的電路設(shè)計(jì)，配合先進(jìn)的遺傳算法，實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)故障后的自修復(fù)，為武器裝備電子系統(tǒng)的電磁防護(hù)技術(shù)研究開(kāi)辟一條新的有效途徑。

1 演化硬件的基本原理

演化硬件又稱仿生硬件（BHW，bio－inspired hardware），它是一種能夠根據(jù)工作環(huán)境（如電磁輻射、高溫等）的變化而自主地、動(dòng)態(tài)地改變自身結(jié)構(gòu)和參數(shù)以獲得期望性能的電路，它類(lèi)似于生物的自組織、自適應(yīng)及自修復(fù)特性。演化硬件是演化算法和可編程邏輯器件的結(jié)合，是進(jìn)化計(jì)算技術(shù)在電子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、調(diào)節(jié)以及實(shí)時(shí)自適應(yīng)等方面的應(yīng)用，它以進(jìn)化算法特別是遺傳算法作為組合優(yōu)化和全局搜索的主要工具，以可編程器件（FPGA，F(xiàn)PTA等）作為主要的評(píng)估手段和實(shí)現(xiàn)載體，尋求在不依賴先驗(yàn)知識(shí)和外力推動(dòng)（如人工干預(yù)）的條件下，通過(guò)進(jìn)化來(lái)獲得滿足給定要求的電路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［1］，甚至使系統(tǒng)自動(dòng)地、實(shí)時(shí)地調(diào)整（重新配置）其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)內(nèi)部條件（如局部故障）和外部環(huán)境（功能要求或高溫輻射等物理?xiàng)l件）的變化［1－3］。

EHW的基本思想是應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行可重配硬件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)重配組合。遺傳算法（GA）是一種基于進(jìn)化論自然選擇、優(yōu)勝劣汰、適者生存和物種遺傳思想的隨機(jī)搜索算法，它們首先隨機(jī)產(chǎn)生一組待求問(wèn)題的潛在可能矢量解，然后采用變異、交叉、評(píng)價(jià)、選擇等遺傳操作，優(yōu)勝劣汰，在此過(guò)程中個(gè)體不斷被進(jìn)化，最后獲得優(yōu)化解。EHW將現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件的結(jié)構(gòu)位串作為進(jìn)化算法中的染色體，通過(guò)遺傳操作及評(píng)估等自動(dòng)地發(fā)現(xiàn)適合環(huán)境或性能要求的最優(yōu)硬件結(jié)構(gòu)，并能使其根據(jù)要求做自適應(yīng)調(diào)整。

演化硬件的進(jìn)化過(guò)程如圖1所示。首先進(jìn)化算法隨機(jī)產(chǎn)生一組初始種群（即二進(jìn)制位流串），種群中每個(gè)染色體對(duì)應(yīng)電路空間中的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。某個(gè)拓?fù)潆娐返墓δ芘c期望電路功能的符合程度則通過(guò)評(píng)估函數(shù)計(jì)算染色體的個(gè)體適應(yīng)度來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)先將某個(gè)染色體從解空間映射到電路空間，即將該染色體解映射為FPGA的配置數(shù)據(jù)位流，通過(guò)在線實(shí)時(shí)下載至FPGA構(gòu)造成一種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然后給電路輸入相應(yīng)的測(cè)試集，將實(shí)際電路的輸出響應(yīng)與期望的電路輸出響應(yīng)進(jìn)行比較，計(jì)算該拓?fù)潆娐返恼_程度（即適應(yīng)度）。然后，進(jìn)化算法依據(jù)染色體不同個(gè)體的適應(yīng)度值，通過(guò)進(jìn)化操作來(lái)構(gòu)造下一代染色體群體，同樣循環(huán)進(jìn)化，直到獲得滿足期望性能指標(biāo)要求的電路結(jié)構(gòu)［1，4］。

圖1 演化硬件的進(jìn)化過(guò)程

2 演化硬件應(yīng)用實(shí)例

演化硬件目前的研究工作主要集中在“電路自動(dòng)設(shè)計(jì)”和“自適應(yīng)與容錯(cuò)”兩方面。電路進(jìn)化設(shè)計(jì)以電路和電子系統(tǒng)的自動(dòng)設(shè)計(jì)為目標(biāo)，將進(jìn)化算法作為主要的搜索和優(yōu)化工具，通過(guò)進(jìn)化來(lái)獲得性能優(yōu)良的電路；自適應(yīng)與容錯(cuò)以電路和電子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自適應(yīng)和容錯(cuò)為目標(biāo)，將進(jìn)化算法作為一種新的自適應(yīng)機(jī)制，尋求使系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)調(diào)整（重新配置）其內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)內(nèi)、外部條件變化和局部故障的一般方法。與“電路進(jìn)化設(shè)計(jì)”相比，“自適應(yīng)與容錯(cuò)”更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)自適應(yīng)，是EHW的理想境界，實(shí)現(xiàn)難度也更大。基于上述理論基礎(chǔ)和器件條件，國(guó)際上許多學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的先期探索與嘗試，提供了許多令人信服的成功案例。

日本先進(jìn)半導(dǎo)體研究中心用演化算法對(duì)中頻濾波器的性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，該類(lèi)濾波器在通信設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，需求量大，但由于此類(lèi)濾波器所用的放大器的性能變化幅度達(dá)不到預(yù)定要求，因此必須進(jìn)行校準(zhǔn)或調(diào)整才能提高良品率。文獻(xiàn)［5］利用演化硬件技術(shù)后，95%的芯片可以達(dá)到要求，文獻(xiàn)中給出了演化設(shè)計(jì)濾波器芯片的原理，編碼方案采用二進(jìn)制，評(píng)估時(shí)將二進(jìn)制串直接輸入到配置寄存器中，通過(guò)偏置電流控制器完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。使用該方法進(jìn)行調(diào)整之后，濾波器性能得到大幅提高，尤其是延遲特性和增益特性顯著改善。該實(shí)驗(yàn)是演化硬件技術(shù)在電路進(jìn)化設(shè)計(jì)方面的一個(gè)成功應(yīng)用實(shí)例。

演化硬件在電路自修復(fù)、自適應(yīng)方面的研究工作是STOICA等人利用FPTA所做的進(jìn)化半波整流器的實(shí)驗(yàn)［6］。在高溫環(huán)境下，半波整流器所輸出的正弦波波形隨溫度升高逐漸衰減。該實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是在FPTA上采用演化硬件技術(shù)使系統(tǒng)恢復(fù)其功能。首先FPTA系統(tǒng)正常工作于室溫，半波整流器輸出正常波形。然后隨著溫度升高系統(tǒng)性能開(kāi)始下降，甚至產(chǎn)生故障不能正常工作。在溫度升高過(guò)程中，演化系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行進(jìn)化，通過(guò)遺傳算法搜索新的拓?fù)鋪?lái)適應(yīng)環(huán)境的變化，恢復(fù)系統(tǒng)性能。通過(guò)演化硬件技術(shù)，系統(tǒng)最終可以在高溫環(huán)境中正常工作。本實(shí)驗(yàn)證明了在極端環(huán)境下，由于溫度等條件大幅變化而導(dǎo)致電路受到損傷影響時(shí)，利用演化硬件自適應(yīng)特性，通過(guò)新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使電路得以恢復(fù)。另外，演化硬件也可直接用于確定溫度范圍的惡劣環(huán)境條件的電路設(shè)計(jì)。

3 電路自修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究

本實(shí)驗(yàn)以無(wú)刷直流電機(jī)控制電路［7］為例，研究基于演化硬件的電路自動(dòng)設(shè)計(jì)及在人為設(shè)置故障情況下電路的自修復(fù)。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)邏輯單元故障情況下，應(yīng)用演化過(guò)程得到一個(gè)新的電路結(jié)構(gòu)使電路功能得以恢復(fù)。在本實(shí)驗(yàn)中，可用邏輯單元資源為3×8陣列，電路編碼方案及適應(yīng)度評(píng)估函數(shù)同文獻(xiàn)［8］，通過(guò)將故障邏輯單元與其他單元的連接置“0”來(lái)模擬故障點(diǎn)。

3．1 電路進(jìn)化實(shí)驗(yàn)

首先，在24個(gè)邏輯單元都為可用的情況下，通過(guò)進(jìn)化設(shè)計(jì)的方法得到一個(gè)電機(jī)控制電路，演化過(guò)程進(jìn)行50次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。圖2是其中一次的進(jìn)化過(guò)程曲線，上部代表最佳個(gè)體的適應(yīng)度隨進(jìn)化代數(shù)的變化增長(zhǎng)情況，下部代表群體的平均適應(yīng)度隨進(jìn)化代數(shù)的變化增長(zhǎng)情況，演化過(guò)程進(jìn)行到449代時(shí)，演化算法得到最佳個(gè)體的適應(yīng)度36，即所要求的正確電路。進(jìn)化過(guò)程進(jìn)行92 s，對(duì)應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行50次結(jié)果

圖2 電機(jī)控制電路進(jìn)化過(guò)程種群適應(yīng)度曲線

圖3 進(jìn)化出的電機(jī)控制電路結(jié)構(gòu)

3．2 電路修復(fù)實(shí)驗(yàn)

為了研究引入故障點(diǎn)后通過(guò)進(jìn)化使電路得以自修復(fù)的能力，筆者使用3個(gè)技術(shù)參數(shù)：平均恢復(fù)率，平均適應(yīng)度和平均進(jìn)化代數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中故障點(diǎn)在邏輯矩陣的中間層被引入，每種故障點(diǎn)引入后進(jìn)化過(guò)程重復(fù)進(jìn)行10次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 引入故障點(diǎn)后電路進(jìn)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2表明，隨著故障點(diǎn)的增多，電路的進(jìn)化恢復(fù)能力下降。尤其是中間層設(shè)置4個(gè)故障點(diǎn)后，電路的平均恢復(fù)率只有30%，即10次進(jìn)化過(guò)程只有3次可以得到正確的功能電路，并且群體的平均適應(yīng)度下降，平均進(jìn)化代數(shù)快速上升。

從上述實(shí)驗(yàn)中可以得出，邏輯單元故障點(diǎn)的個(gè)數(shù)與電路的進(jìn)化恢復(fù)能力密切相關(guān)。隨著邏輯單元故障點(diǎn)的增多，相同電路的進(jìn)化恢復(fù)需要更多的進(jìn)化代數(shù)，且平均適應(yīng)度和恢復(fù)率明顯下降。原因是邏輯單元故障點(diǎn)的增多使得電信號(hào)傳輸?shù)穆窂綔p少，相應(yīng)地使進(jìn)化出目標(biāo)拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)變得困難，因此電路的功能恢復(fù)能力明顯受到影響。當(dāng)5個(gè)邏輯單元故障點(diǎn)被植入時(shí)，并不能進(jìn)化出正確的電路，因此本實(shí)驗(yàn)最大允許錯(cuò)誤故障數(shù)為4。4個(gè)邏輯單元故障情況下進(jìn)化出的電機(jī)控制電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 4個(gè)邏輯單元故障情況下進(jìn)化出的電機(jī)控制電路結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)邏輯單元故障引入時(shí)，通過(guò)電路進(jìn)化可以恢復(fù)電機(jī)控制電路的功能，從而實(shí)現(xiàn)電路的自修復(fù)。在單個(gè)邏輯單元故障和多個(gè)邏輯單元故障情況下，雖然電路的功能都可以得到修復(fù)，電機(jī)控制電路的進(jìn)化修復(fù)能力隨著故障點(diǎn)的增多而下降。基于演化硬件的電路自修復(fù)方法可以有效地提高傳統(tǒng)電路的可靠性。對(duì)那些在復(fù)雜多變的環(huán)境中，特別是人工不能直接參與的環(huán)境中工作的系統(tǒng)，可大大提高系統(tǒng)可靠性。該技術(shù)特別適用于長(zhǎng)期工作在核輻射、高溫、電磁干擾以及高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)等惡劣環(huán)境下的電子設(shè)備，尤其是在航空、航天和軍事領(lǐng)域具有重要意義。

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1008－1542（2011）12－0085－04

2011－06－20；責(zé)任編輯：陳書(shū)欣

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（F200900308）；河北省科技廳指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目（07213555）；河北科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（Q0200976）

吳會(huì)叢（1972－），女，河北深澤人，副教授，博士研究生，主要從事數(shù)據(jù)庫(kù)演化硬件方面的研究。