電磁防護仿生研究的內容、基礎與實現規劃

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容、基礎與實現規劃

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容，提出了此類防護研究中的生物－電子研究的實現基礎、關鍵技術和總體構成，細化了基于動物神經系統電信號傳導機制及抗擾機理研究的具體探索方向、設想和實現規劃，并從工程角度介紹了實施策略，使得復雜電磁干擾環境下控制系統板卡、芯片級防護的仿生構想在技術上成為可能。

仿生學；電磁仿生；電磁防護；仿生策略

隨著電磁環境復雜程度的日益提高，各類控制、通信、信息處理等系統中電子器件的故障率明顯上升，致使整個系統的可靠性直接下降。因此，電磁仿生及相關的防護概念應運而生［1］，以利于解決許多傳統電磁防護的技術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境下控制系統板卡、芯片一級的新型防護設想在技術上成為可能［2］，并有望以此作為電子設備傳統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生各種技術思想和發明創造的不竭源泉。生物在漫長的進化過程中，形成了千姿百態、精美絕倫的形體和結構。一般而言，生物系統的復雜程度遠較目前各類電子控制系統為高，同時其優異的可靠性亦使所有人工系統望塵莫及。因此，電子類型諸多系統的可靠性問題可望通過借鑒生物系統的可靠性機理得以解決［3］。

在計算機研究和應用的領域中，早已引入了生物的概念和研究方法。實際上，計算機發展的最高目標就是以“電腦”完全仿生“人腦”。經過多年研究，其本身業已成為仿生學應用最成功的案例之一［4］。特別是在傳統的硬件、軟件研究的技術基礎上，又形成了人工智能、神經網絡、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，計算技術的飛速發展亦相輔相成地為生物研究帶來了更為深入的探索領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］等具有實質性內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的綜合，特別是需要以電磁學、電子學、生物學理論和技術為基礎，重點結合電磁與生物兩大傳統領域，在尋求突破常規模式與實現長足發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，將這兩個領域緊密地結合在一起，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節，觀察其抗擾機理，揭示其運作規律。進而，立足于生物系統抗擾機理和仿生模型基礎，完善電子系統防護等方面的仿生理論與應用研究。同時，結合實際裝備及其面臨的具體問題，加大工程方面的實現力度，在板卡和芯片級層面實現上具有一定自診斷、自修復功能的SOPC（片上可編程系統）電路與相關系統。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設計和制造具有參考價值或指導意義的故障自修復技術［8］。

2 內容的確立

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性研究需從神經系統入手。而神經系統的基本特點首先是結構復雜性，每個神經細胞均有多條通路與其他神經細胞相連。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細胞之間的連接形式，可使整個網絡的可靠性得到提高，功能得到增強。

可以認為，相關研究可從表象、結構、行為、性狀、功能、機理、能量轉換、控制機制、信息流動等生命現象的各個方面進行本征性或規律性的了解，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域［10］。生物電磁方面的研究內容構成了電磁仿生的生物理論基礎，而電磁仿生研究又與生物電磁研究形成了領域拓展和邏輯繼承的關系，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 仿生機制與技術體系建立

進行電磁防護仿生的基礎構成與整體結構研究，借鑒電磁生物效應的數理模型，完成基于本征特性轉換的映射機制，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、完善的技術體系。

2.2 動物神經系統電信號傳導與抗擾機制研究

選用適當技術手段觀察及監測實驗動物神經元各種離子通道的生理運作門控性，研究神經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律，電磁場刺激后實驗動物神經元各種離子通道門控性的變化規律，神經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律［12］，以及刺激強度與產生的細胞膜局部電位幅度與時相的關系。

2.3 電磁仿生仿真模型構建

通過觀察得到動物神經系統電信號傳導機制及抗擾機理，利用電磁場仿真計算技術構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技術的分析、仿真和實現。進而，進行控制系統電磁損傷方式、程度和修復策略研究，使用演化算法對冗余電路重組，以內進化方式對片內系統故障單元進行旁路或恢復，以及進行電路的行為理解、容錯性能和長期穩定性的研究，形成能于部分或全局范圍內進行抗擾電路的電路劃分、自組織、自配置的系統原型以及具有通用意義的實施方案。

2.4 基礎算法與硬件原型實現

依據電磁防護系統的仿生進化模型，探索了電磁干擾環境下特定目標確定后可重配置硬件的最佳種群規模、復合染色體編碼方法，進行相應的層次進化、結果優化和自然平衡研究，以及相關進化環境、基因算法、適應度評估的層化分解和層內并行實現?；诜律芯恐袃灮蟮难莼惴?，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，完成重構式電子系統的基本硬件環境，并以此作為不同干擾環境下的受試系統。

2.5 目標系統的實現與測試

基于演化硬件原理的系統實現，使用在系統內進化技術能夠完成實際工作于一定電磁環境下、基于仿生原理的抗擾控制系統。特別是結合自修復技術，實現控制系統“在板”以及“片上”仿生修復原型以及相應的演示、測試系統，并能夠進行效果對照。其中包括可重配置硬件結構與編碼效率研究、環境適應度以及演化速度評估。進而，完成一般工作環境、電磁干擾及部分損傷環境下的運行結果對比，驗證在容錯運行的基礎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勢，完成對實際裝備設計和制造具有參考價值或指導意義的防護新模式。

3 關鍵技術基礎

借助生物進化的實際特征，將相應的數學模型建立并映射至電磁防護領域，即可形成在仿生模型基礎上的、具有創新意義的設計思想與仿生模式。目前，新技術［8］、新器件［12］的出現，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象、特點，在較為簡潔、直接的功能層面，進行電子技術層面的模仿或實現等工作已經成為可能，并且完成了卓有成效的前期實踐［14］。因此，需要特別關注仿生的技術基礎。

3.1 細胞膜電位變化的測試、記錄技術

利用全細胞膜片鉗記錄技術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 動物神經系統電信號傳導、抗擾機制探尋技術

進行神經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，以及動物神經系統電信號傳導機制及抗擾機理進行“領域轉換”，構建電磁信號傳導“對等系統”仿真模型。

3.3 多芯片并行技術

采用陣列FPGA所構成的多片結構，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境，用以進行內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的互關總線和通用的底層設備網絡予以連接，使其可以嘗試一種基于并行細胞機的設計架構。

3.4 仿生軟件的優化技術

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歸并、多次進化的方式完成，以縮減局部演化規模、利于通過層間遺傳與信息傳遞的研究，實現整體演化過程的仿真、結果對比、分級評估，以實現運算量的總體降低并有效提高進化速度。

4 具體實現規劃

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，首先需要依照業已明確的電磁防護仿生的技術體系框架，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律，在此基礎上方可通過闡明動物神經系統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。

為此，在不影響邏輯關系和研究順序的前提下，需要進行部分主要內容的交叉重組。相關課題擬從時間上分作前期的“動物抗擾機制原型探尋”與“抗擾電路技術實驗”兩個方面平行研究，以及后期的生物－電磁聯合工程實現；從組織上可以按照理論、基礎、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、突出基礎研究之實踐、實現應用研究之目的。從而做到人員互動、技術互通、領域交叉、學科交融。

4.1 依托生物專業力量，進行理論類研究

通過采取神經電生理信號測試手段和電磁場仿真計算技術相結合的研究方法，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學、生化或可供工程實現的邏輯模型，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）的變化規律，以及不同電磁場頻率干擾與膜電位反應的量效關系和時相性規律；

3）生物－電子領域轉換及其等效的結構模型建立；

4）電路系統的電磁防護機制模型建立。

4.2 深入跨學科領域，進行基礎類研究

明確了動物體神經元電信號傳導機制之后，再引入電磁干擾等外界刺激，進行電磁干擾環境下的動物體神經元電信號傳導過程監測與研究。針對動物體神經系統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系統電磁抗擾數學模型。從“進化”角度分析、理解、研究生物系統在復雜電磁環境下所表現出的優異的行為和功能，實現生物本征特性抽象化、等效轉換模型具體化，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、多操作系統結構的平行運行模式建立、數據同步和校驗；

3）電磁測試環境中系統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境，實現系統在內進化實施之前能夠先期進行外部仿真和優化。

4.3 貼近裝備需求，開展應用類研究

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

另外，為保證較為先進的“內進化”自修復方式順利實施，專用的軟硬件環境便成為實現過程中的唯一選擇。通過定制操作系統、引入網絡環境、優化硬件結構，盡量確保整體系統的先進與可靠，主要包括以下內容：

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；

3）基于并行可重構技術的受試與應用系統建立；

4）完成具有內進化功能的TMR被測系統的硬件實現，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原型。

5 結 語

電磁仿生及防護技術是在動物體電磁信息傳遞及抗擾機理研究的基礎上，將計算機技術和電磁防護需求密切結合的新型領域。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和成果繼承。在此基礎之上，可以借助生物進化的實際特征分類建立相應的數學模型，并且形成在仿生模型基礎上的、創新性的設計思想與防護模式，以更好地保障復雜電磁環境下電子系統實現其整體功能與性能，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構、電磁仿生理論及實現方面的研究。