淺談機電一體化系統的聯合仿真技術

劉鵬飛，謝思幽

重慶理工大學，重慶 400054

淺談機電一體化系統的聯合仿真技術

劉鵬飛，謝思幽

重慶理工大學，重慶 400054

現代機電產品電路系統越來越復雜，在要求提高產品功能和性能的同時，對系統可靠性和機電產品安全性的要求也越來越高。仿生硬件容錯糾錯技術是提高系統可靠性和產品安全性的有效手段。本文對仿真技術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制進行探討，旨在對提高電路系統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；容錯糾錯機制

現代科學技術在機電產品中的運用，使得機電產品越來越集成化、自動化、智能化。在這些現代化的機電產品中，內在的系統一旦發生故障，就容易造成經濟損失。

容錯機制為提高系統的可靠性和產品的安全性提供了一條新的路徑，機電產品的容錯糾錯機制和仿真技術的研究在研發設計過程中就考慮到了產品的容錯糾錯功能，雖然不能保證產品系統內部的各個組成部分絕對安全，但至少可以使產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狀

由于現代機電產品的電路系統越來越復雜，傳統的硬件容錯技術水平早已不能滿足現代電路系統的要求。在這種情形之下，人們努力研發新的容錯技術方法，提出了電路系統在發生故障時，能進行自檢測，自修復的設想。在20世紀50年代末，計算機之父馮·諾依曼提出了可以研發出具有自繁殖與自修復能力的機器設想，但直到20世紀90年代，仿生硬件的概念由瑞士聯邦工學院提出后，才使得仿生硬件的研究得以迅速發展，目前已成為國內外研究仿真技術的的熱點之一。但是我國對仿生硬件的研究開始較晚，在技術水平上已落后西方國家，迫切需要加強對仿生硬件的研究，以提高我國仿生硬件的技術運用水平。

仿生硬件早期也稱為進化硬件( Evolvable Hardware，EHW ) ，是將進化算法與可編程器件結合起來，研發出的一種新型硬件電路，它能象生物一樣根據外部環境的變化來動態地、自主地改變自身的結構以適應外部的生存環境，具有硬件自組織，自適應、自修復等特征[1]。仿生硬件的本質是通過模仿生物體的細胞組織結構，在仿生硬件的工作機制上與生物體的細胞生長，自修復，遺傳等方面達到類似。這樣與傳統的硬件相比，它開創了一種新的電路設計方式，其在電路系統運行過程中不僅可以保持現有的功能、實現硬件的隨時康復，還可以利用自組織特性生成具有新功能的電路系統。這種仿生硬件的容錯糾錯機能，是通過靜態冗余用傳統方法來實現容錯所不能比擬的。

2 基于仿生硬件的容錯技術研究

根據生物體進化機制提出的仿生硬件容錯技術，對提高硬件系統的可靠性和產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構和容錯原理

仿生硬件可以分為進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，是模仿生物體多細胞容錯機制實現的硬件。由多個結構、性能相似的細胞組成生物體，每個細胞都能具有生物體中的基因所具有的某種特定的功能，當生物體進行正常的生命活動時，一旦器官中的某個細胞失去功能，這個細胞就會將自身的信息傳遞給周邊的細胞，周邊健康的細胞收到信息后，就會代替這個失去功能的細胞所應發揮的功能，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胞組織結構，通過模仿這種容錯糾錯的生理機制而實現的硬件。當機電產品的電子系統發生故障時，胚胎型仿生硬件便將故障細胞的數據資料傳遞給周邊空閑的電子細胞，進而從新布線連接，從而使整個機電產品的硬件系統能夠正常工作[3]。

胚胎型仿生硬件是由胚胎細胞、開關陣和線軌共同組成的容錯體系結構。開關陣是用來控制硬件中線段使用的開關。胚胎細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細胞的功能，基因與地址譯碼控制電路由存儲器、坐標發生器、狀態檢測與控制電路共同組成。存儲器可根據坐標發生器算出電子細胞在某種狀態下的結果并進行保存，但它最重要的功能是保存配置的數據。坐標發生器根據各個細胞左側和下側的的細胞為其分配坐標。狀態檢測電路可以根據故障電子細胞的坐標來激活細胞的復制功能，是故障細胞在失去功能的同時，電路系統還能保持正常的運行功能。

2.2 胚胎型仿生硬件實現容錯的策略

在胚胎型仿生硬件中，實現容錯策略的方式有兩種：一種是細胞取消策略，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胞的位置，運用細胞的復制功能，重新布線連接，用備用的細胞來代替。結合仿生硬件容錯體系結構，在此提出一種線軌故障的容錯策略。

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

2）在行（列）取消中，只要有一個細胞出現故障，整行細胞都要被取消，它的功能由該行的右一行細胞代替。也既是出錯細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備，確定仿生硬件的制作方案；

2）依據相關參數和電路系統結構進行編碼，并對系統進行操作；

3）根據給定的條件對電路模型進行仿真測試，并與預期的結果相比較，測試個體的適應度；

4）結合測試出的適應度來確定下一步驟，依次反復測試，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；

6）當電子細胞出現故障時，仿生硬件按照以上步驟開始進行新一輪的進化，直到找到符合功能的配置位流，實現容錯。

2.4 胚胎型仿生硬件內部錯誤檢測機制與自修復機制

1）錯誤檢測機制

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

2）自修復機制

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

胚胎型仿生硬件是模仿生物體的多細胞容錯機制實現的硬件，由于具有自組織、自適應和自修復特性，使得它在電子產品運用上有著廣闊的應用前景和商業價值，這就需要我們加強對仿生硬件的研究力度，更好地提高電路系統的可靠性和電子產品的安全性。

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

[2]劉心松，朱鷹.容錯并行處理系統結構研究[J].計算機應用，2008(1).

[3]姚睿，王友仁，于盛林.胚胎型仿生硬件及其關鍵技術研究[J].河南科技大學學報，2009(3).

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1674-6708（2010）24-0064-02