嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)魯棒性優(yōu)化計算方法

潘曉貝

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

一、前言

在網(wǎng)絡(luò)操作平臺當(dāng)中，其主要的系統(tǒng)就是嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)，對該系統(tǒng)在異常的輸入環(huán)境與壓力環(huán)境下衡量其能否正常工作，主要需要度量其魯棒性，實現(xiàn)魯棒性的優(yōu)化，能夠有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和精確性。因此，結(jié)合相應(yīng)系統(tǒng)特點，針對性地提出魯棒性優(yōu)化計算方法具有重要意義。

二、嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)

嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)在實際生活當(dāng)中具有廣泛的應(yīng)用，比如學(xué)校的嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子監(jiān)考系統(tǒng)（圖1），通過該系統(tǒng)建立現(xiàn)代化智能監(jiān)考環(huán)境，該技術(shù)對推動社會進(jìn)步具有重要意義。要實現(xiàn)科學(xué)合理地設(shè)計嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)，就要結(jié)合其魯棒性的相應(yīng)約束，對嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)特點實現(xiàn)全面細(xì)致的分析，并以此實現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)魯棒性的確定，并在此基礎(chǔ)上，有效地對嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)當(dāng)中各種影響魯棒性的因素進(jìn)行準(zhǔn)確的計算。在設(shè)計和計算當(dāng)中，和嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)相應(yīng)魯棒性存在易行相關(guān)聯(lián)系的參數(shù)包括：

（一）獲得魯棒性相應(yīng)近似值

將嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)其失效因素類型設(shè)定為G，將每一種因素實際對魯棒性影響的概率設(shè)定為Pi（i=1，2，…，G），將嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)其魯棒性近似值設(shè)定為R，那么對于R的計算則可通過以下公式實現(xiàn)：

圖1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子監(jiān)考系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

（二）指標(biāo)和魯棒性近似值之間的轉(zhuǎn)換

將嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)其魯棒性指標(biāo)設(shè)定為βs，在每一個影響魯棒性的因素都是服從于正態(tài)分布的時候，R和βs要實現(xiàn)有效的轉(zhuǎn)換，可以通過公式 R=Φ（βs）實現(xiàn)，在公式當(dāng)中，Φ（βs）表示的是設(shè)計嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)在魯棒性相應(yīng)約束條件之下符合標(biāo)準(zhǔn)形式的正態(tài)分布相應(yīng)函數(shù)。在獲得上述公式之后，在魯棒性的束縛之下，利用分布函數(shù)就能設(shè)計嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)，不過此時依然有魯棒性差相應(yīng)問題存在，設(shè)計當(dāng)中要進(jìn)行一步采取有效措施以實現(xiàn)魯棒性的優(yōu)化設(shè)計[1]。

三、嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)的魯棒性優(yōu)化設(shè)計

（一）嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)失效概率計算

在系統(tǒng)設(shè)計的時候，在獲取相應(yīng)分布函數(shù)之后，要針對相應(yīng)的系統(tǒng)實現(xiàn)分析自身結(jié)構(gòu)特點，同時將系統(tǒng)其失效模式進(jìn)行分類，主要按照狀態(tài)分為兩種，一種是單一極限狀態(tài)，另一種是多極限狀態(tài)。在不同狀態(tài)類型下要相應(yīng)的計算出系統(tǒng)實際失效的概率，并在實現(xiàn)失效概率獲取之后，得出嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)其魯棒性實現(xiàn)優(yōu)化需要的相關(guān)功能函數(shù)。實際當(dāng)中，針對失效模式主要分為兩類，一類是多極限狀態(tài)，另一類是單一極限狀態(tài)，而不同的狀態(tài)也根據(jù)變量的差異進(jìn)行確定。如果系統(tǒng)在失效模式當(dāng)中，各種失效因素屬于串聯(lián)的關(guān)系，同時每個失效的因素內(nèi)部所含有的變量都具有一定的共同性，則此失效模式就屬于單一極限狀態(tài)；當(dāng)其中一失效因素當(dāng)中包括變量因素時，那么就是出于多極限狀態(tài)當(dāng)中的失效模式[2]。

針對系統(tǒng)進(jìn)行失效概率的計算，實際上就是針對該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相應(yīng)安全事件的交集或者實現(xiàn)失效事件的概率相關(guān)計算。實際的計算步驟可以按照下面的方法進(jìn)行：

1、針對系統(tǒng)在其單一極限狀態(tài)下計算相應(yīng)失效概率。隨機(jī)向量在其含有一些不確定的參數(shù)時，設(shè)置其向量為 X=[X1，X2，…，Xn]r，要實現(xiàn)在單一極限狀態(tài)下失效概率的計算，可以通過以下公式進(jìn)行具體的計算：

公式當(dāng)中的g1(X1)表示的是此模式下相應(yīng)失效函數(shù)；dG表示因為系統(tǒng)突然出現(xiàn)了故障，引發(fā)系統(tǒng)失效存在的概率；f（G）表示因為系統(tǒng)當(dāng)中內(nèi)部的組成元件自身質(zhì)量有問題，引發(fā)系統(tǒng)失效存在的概率；gn(Xn)表示導(dǎo)致系統(tǒng)失效的各種因素之間存在串聯(lián)關(guān)系；p表示保障系統(tǒng)信息的能力系數(shù)；G(X)表示導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生失效的各種因素之間的實際比例。

2、在多極限狀態(tài)下實現(xiàn)對系統(tǒng)計算其失效概率。將對應(yīng)的失效模式之下其失效函數(shù)設(shè)置為g（x），同時 g=[11,12,21,22…mn…ln]，要實現(xiàn)對多極限狀態(tài)下相應(yīng)失效概率的計算，可以通過以下公式進(jìn)行：

3、計算系統(tǒng)其魯棒性優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。要實現(xiàn)相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)的確定，就要以計算出來的失效概率作為基礎(chǔ)。針對系統(tǒng)當(dāng)中的失效變量，可以將當(dāng)中n個獨(dú)立的變量設(shè)定為x1，x2，xn，如果這些變量其母體一樣，并且分布規(guī)律也是一樣的，相應(yīng)方差與均值也是存在一致性，那么設(shè)定其均值為μ，方差為σ2，隨機(jī)的失效事件為A，則A實際發(fā)生概率則由P（A）表示，并且在n次的實驗當(dāng)中，將失效事件發(fā)生的實際頻數(shù)設(shè)定為m，則失效事件實際的發(fā)生頻率可以表示為W（A）=m/n，因此，可以通過以下公式對系統(tǒng)其魯棒性優(yōu)化相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行有效的計算：

（二）嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)的魯棒性優(yōu)化設(shè)計

在得出嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)魯棒性優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)基礎(chǔ)上，把粒子群優(yōu)化和混沌優(yōu)化進(jìn)行有機(jī)的融合，并將結(jié)合成果加入到相應(yīng)算法中，并在優(yōu)化過程中獲取的功能函數(shù)利用之下，對系統(tǒng)的魯棒性優(yōu)化相關(guān)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)動態(tài)搜索，在實現(xiàn)系統(tǒng)相應(yīng)魯棒性實際改進(jìn)的目標(biāo)函數(shù)利用科學(xué)方法實現(xiàn)計算后，在一定范圍之內(nèi)尋找最優(yōu)。具體可按照以下次序進(jìn)行：

1、對嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)其魯棒性的優(yōu)化目標(biāo)相應(yīng)函數(shù)值進(jìn)行計算。根據(jù)系統(tǒng)相應(yīng)魯棒性的功能函數(shù)，動態(tài)地對系統(tǒng)的魯棒性相應(yīng)優(yōu)化區(qū)域?qū)崿F(xiàn)有效搜索，以對相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)值實現(xiàn)科學(xué)的計算?？赏ㄟ^以下兩公式進(jìn)行表示：

公式當(dāng)中M(K)表示系統(tǒng)魯棒性的改進(jìn)目標(biāo)相應(yīng)函數(shù)值表示系統(tǒng)對魯棒性的容許指標(biāo)表示系統(tǒng)其魯棒性改進(jìn)當(dāng)中涉及到的正態(tài)分布相關(guān)函數(shù)；β·ε≥0表示的是針對魯棒性其優(yōu)化區(qū)域所進(jìn)行的動態(tài)搜索范圍表示相應(yīng)上限；M(k-1)表示系統(tǒng)其目標(biāo)的函數(shù)值實際取值區(qū)間[4]。

2、利用科學(xué)的方法計算系統(tǒng)其魯棒性改進(jìn)優(yōu)化當(dāng)中對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，得出相應(yīng)結(jié)果之后，對更新粒子相應(yīng)位置和速度實現(xiàn)有效計算。針對更新粒子相應(yīng)速度與位置可以通過以下公式進(jìn)行表達(dá)：

利用混沌因子進(jìn)行科學(xué)的判斷，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)分析相應(yīng)魯棒性，并計算其中每一個粒子，以分析其是否與相應(yīng)的約束條件相符合，若符合，那么粒子λ＝0，如果不符合，那么粒子λ=1。要實現(xiàn)粒子值的獲取，可以通過以下公式實現(xiàn)：

5、通過公式（10）獲得的粒子群相應(yīng)最優(yōu)位置，在對目前情況下實現(xiàn)更新，如果與預(yù)算的迭代次數(shù)或者運(yùn)算精度相符合，那么就可以停止搜索，將結(jié)果輸出，若不相符，則進(jìn)行下一個步驟：

6、在優(yōu)化設(shè)計嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)相應(yīng)魯棒性的過程中，在實現(xiàn)科學(xué)搜索之后，空間內(nèi)如果產(chǎn)生隨意群體要有百分之八十剩余的時候，就回到第三步序列中重新進(jìn)行。

通過上述步驟，在對嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)進(jìn)行魯棒性優(yōu)化當(dāng)中，通過優(yōu)化原理，能夠有效地實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計[5]。

四、實驗和仿真證明

根據(jù)上面提到的關(guān)于將混沌粒子群算法進(jìn)行有效改進(jìn)之后，以此為基礎(chǔ)得出的嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)相應(yīng)魯棒性相應(yīng)優(yōu)化方法，需要針對其理論進(jìn)行以此實際的實驗，并通過試驗對方法有效性進(jìn)行科學(xué)的驗證。在仿真實驗中以MATLAB7.0實現(xiàn)對嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)相應(yīng)魯棒性的仿真平臺進(jìn)行有效搭建。當(dāng)優(yōu)化模型與參數(shù)取值相應(yīng)條件都一致的情況下，通過改進(jìn)算法實現(xiàn)系統(tǒng)相應(yīng)魯棒性其優(yōu)化設(shè)計實驗。

實驗一：針對嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)利用改進(jìn)算法和決策效率評估法（A算法）、信息檢測與故障診斷方法（B算法），隨機(jī)對其魯棒性實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的實驗，經(jīng)過多次實驗，并在不同次數(shù)的實驗之后，對不同算法之下魯棒性實現(xiàn)有效的對比。通過科學(xué)的對比，發(fā)現(xiàn)在對系統(tǒng)魯棒性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中，使用改進(jìn)算法要比使用其他兩種算法更優(yōu)，改進(jìn)算法之所以比另外兩算法更好，主要是由于其首先根據(jù)系統(tǒng)實際結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行詳盡的分析，并且把系統(tǒng)失效模式有效地分為多極限狀態(tài)與單一極限狀態(tài)兩者不同情況來看待，并分別針對兩種不同狀態(tài)實現(xiàn)對系統(tǒng)失效概率的有效計算，并在獲取失效概率基礎(chǔ)上給出了系統(tǒng)的魯棒性相應(yīng)優(yōu)化功能的函數(shù)，促使針對系統(tǒng)實現(xiàn)的魯棒性相關(guān)設(shè)計更有保障[6]。

試驗二：對系統(tǒng)進(jìn)行魯棒性改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計，分別利用A算法和B算法、改進(jìn)算法進(jìn)行三次實驗，在不同次數(shù)試驗中，三種算法在運(yùn)行時間上存在一定的差異，結(jié)果見表1。

表1 不同算法運(yùn)行時間對比（S）

通過表1發(fā)現(xiàn)，兩種普通算法的時間效率都要比改進(jìn)算法時間效率低。改進(jìn)算法獲得較高的時間效率，主要源于其將粒子群優(yōu)化與混沌優(yōu)化進(jìn)行了深入融合，并通過科學(xué)的方法獲取相應(yīng)功能函數(shù)，使嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)可以在優(yōu)化后的一定區(qū)域范圍內(nèi)完成動態(tài)搜索，并根據(jù)相應(yīng)目標(biāo)函數(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)魯棒性設(shè)計相應(yīng)全局的最優(yōu)解，促使系統(tǒng)相應(yīng)魯棒性的優(yōu)化設(shè)計更加精確。

五、結(jié)束語

由于目前現(xiàn)用的算法在實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)電子信息系統(tǒng)相應(yīng)魯棒性優(yōu)化過程中存在不足，因此本文提出在混沌粒子群算法改進(jìn)的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)實現(xiàn)魯棒性的優(yōu)化設(shè)計，有效地結(jié)合了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的特點，分為兩種狀態(tài)進(jìn)行有效計算，并科學(xué)地動態(tài)搜索之后，獲得魯棒性設(shè)計當(dāng)中全局最優(yōu)解的判定，并經(jīng)過實驗和仿真，得出該方法精確度非常高，具有良好適用價值。