基于電磁防護(hù)仿生概念電路演化修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究

常小龍，李川濤，原 亮

（1.軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，河北石家莊 050003；2.軍械工程學(xué)院電氣工程系，河北石家莊 050003；3.軍械工程學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系，河北石家莊 050003）

基于電磁防護(hù)仿生概念電路演化修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究

常小龍1，李川濤2，原 亮2

（1.軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，河北石家莊 050003；2.軍械工程學(xué)院電氣工程系，河北石家莊 050003；3.軍械工程學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系，河北石家莊 050003）

基于電磁防護(hù)仿生概念，以電機(jī)控制系統(tǒng)為例給出了設(shè)計(jì)具有自修復(fù)能力電子系統(tǒng)一般方法，深入分析了重配置電路模型對(duì)電路演化修復(fù)的影響，提出了優(yōu)化重配置電路模型的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該優(yōu)化方法改進(jìn)的重配置電路模型大大降低了電路生成時(shí)間，提高了電路修復(fù)速度。

電磁防護(hù)仿生；演化硬件；自修復(fù)；可編程單元；電機(jī)控制電路

目前，電子系統(tǒng)在各種復(fù)雜武器裝備中發(fā)揮著十分重要的作用，而電子系統(tǒng)極易受到電磁環(huán)境的干擾，在惡劣的電磁環(huán)境下甚至物理損壞。因此，電子系統(tǒng)在增強(qiáng)武器裝備功能的同時(shí)，也使得裝備在電磁環(huán)境下的安全性大大降低。一旦設(shè)備受到損傷，如不及時(shí)修復(fù)則可能造成巨大經(jīng)濟(jì)損失或安全隱患，這給裝備的故障自修復(fù)和環(huán)境自適應(yīng)能力提出了要求。電磁防護(hù)仿生概念正是基于上述要求提出的［1－2］，其目的在于使得電子系統(tǒng)和生物系統(tǒng)一樣能夠適應(yīng)周圍環(huán)境的變化，在局部損傷的情況下能夠帶傷運(yùn)行，自行修復(fù)。

演化硬件EHW（evolvable hard ware）技術(shù)能夠根據(jù)外界環(huán)境變化自動(dòng)生成電路，在電路的容錯(cuò)運(yùn)行和故障修復(fù)中已經(jīng)得到了應(yīng)用［3－4］。筆者結(jié)合演化硬件技術(shù)給出了自修復(fù)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，把整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)分為演化模塊和固定模塊，對(duì)兩個(gè)模塊采取不同的電磁防護(hù)方式。為了提高電子系統(tǒng)的演化修復(fù)時(shí)間，筆者對(duì)演化模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，基于笛卡爾遺傳編程模型［5］提出了一種新的優(yōu)化重配置電路模型的方法。

1 自修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在標(biāo)準(zhǔn)電子系統(tǒng)中，各個(gè)模塊都是固定的，系統(tǒng)無法自行修復(fù)。因此，設(shè)計(jì)自修復(fù)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解，確定系統(tǒng)的演化模塊和固定模塊。演化模塊利用可重配置電路實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)電磁損傷的自修復(fù)和環(huán)境自適應(yīng)機(jī)制，固定模塊通常采用傳統(tǒng)的防護(hù)方式進(jìn)行電磁防護(hù)。系統(tǒng)演化模塊電路受到電磁輻射產(chǎn)生局部損傷導(dǎo)致系統(tǒng)功能喪失時(shí)，便可以通過演化修復(fù)方式重構(gòu)受損電路恢復(fù)系統(tǒng)功能。

圖1給出的是無刷直流電機(jī)的原理圖。無刷直流電機(jī)系統(tǒng)中的控制電路能夠控制電機(jī)定子各繞組的通電順序和時(shí)間，是電機(jī)系統(tǒng)的核心部件。電機(jī)控制系統(tǒng)主要包含換相電路、脈寬調(diào)制電路和開關(guān)電路。其中，換相電路是用數(shù)字組合電路，利用演化硬件技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，可看作演化模塊，其他兩個(gè)模塊可看作固定模塊。對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分解后的原理圖，如圖2所示。

圖2 分解后電機(jī)控制電路系統(tǒng)

圖1 無刷直流電機(jī)原理圖

固定模塊使用傳統(tǒng)的防護(hù)方式提高系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。演化模塊除了利用傳統(tǒng)防護(hù)方式外，還利用演化硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)開換相路功能，一旦傳統(tǒng)防護(hù)方式失效，演化模塊電路局部損傷，通過演化修復(fù)方式重新恢復(fù)電機(jī)控制電路的功能。

文獻(xiàn)［6］基于笛卡爾遺傳編程思想（CGP）提出了一種仿生防護(hù)模型，該模型模擬細(xì)胞分裂和分化行為建立了虛擬細(xì)胞質(zhì)和虛擬細(xì)胞核的概念。虛擬細(xì)胞質(zhì)實(shí)際上是由可編程單元和內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的重配置電路模型，虛擬細(xì)胞核由嵌入式處理器構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)故障診斷和遺傳算法修復(fù)局部受損的細(xì)胞質(zhì)。基于此模型可以設(shè)計(jì)電機(jī)控制系統(tǒng)的演化模塊，如圖3所示，其中PE（programmable element）表示可編程單元，包括配置寄存器，多路選擇器和基本邏輯運(yùn)算單元。

圖3 演化模塊的結(jié)構(gòu)

演化模塊設(shè)計(jì)需要考慮的因素包括系統(tǒng)修復(fù)時(shí)間和與周圍環(huán)境交互能力。系統(tǒng)修復(fù)時(shí)間必須滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)，即要在系統(tǒng)功能的喪失還沒有造成重大經(jīng)濟(jì)損失或安全隱患之前恢復(fù)系統(tǒng)功能。與修復(fù)時(shí)間相關(guān)的因素主要是演化處理器、演化策略和基因編碼。其中基因編碼是由演化采用的基本單元PE的結(jié)構(gòu)決定。環(huán)境交互能力決定了演化修復(fù)的電路對(duì)周圍電磁環(huán)境的適應(yīng)能力，環(huán)境交互能力主要取決于適應(yīng)度評(píng)估函數(shù)。一個(gè)好的適應(yīng)度評(píng)估函數(shù)應(yīng)該能夠準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)個(gè)體對(duì)當(dāng)前電磁環(huán)境的適應(yīng)程度。

2 重配置電路模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

CGP是一種門級(jí)的電路演化設(shè)計(jì)方法，該方法中的重配置電路模型是由PE單元構(gòu)成的PE陣列，包含了大量的冗余單元，通過演化算法重新配置PE單元的連接方式，可以實(shí)現(xiàn)電路的容錯(cuò)運(yùn)行和故障自修復(fù)功能。因此對(duì)重配置電路模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于對(duì)PE單元進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在選定處理器和演化策略以后，系統(tǒng)的修復(fù)時(shí)間主要由重配置電路模型中PE的結(jié)構(gòu)決定，因此確定PE中包含哪些基本的邏輯運(yùn)算函數(shù)會(huì)對(duì)電路演化產(chǎn)生重要影響。

為了清楚地表示PE結(jié)構(gòu)對(duì)修復(fù)時(shí)間產(chǎn)生的重要影響，給出關(guān)鍵函數(shù)的定義。

關(guān)鍵函數(shù)fkey：對(duì)于演化實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電路來說那些十分重要的邏輯運(yùn)算結(jié)構(gòu)，稱之為關(guān)鍵函數(shù)，記為fkey。

標(biāo)準(zhǔn)的CGP重配置電路模型中包含的基本單元通常是與（AND）、或（OR）、非（NOT）以及異或（XOR）等基本單元，但是解決某一具體問題時(shí)，使用這些基本的單元進(jìn)行演化計(jì)算不一定是最優(yōu)的解決方案。圖4給出了標(biāo)準(zhǔn)的重配置單路PE單元和改進(jìn)后的PE單元，見圖4。

圖4b）為改進(jìn)的PE單元，利用若干關(guān)鍵函數(shù)fkey替換標(biāo)準(zhǔn)PE單元中的某些邏輯電路，被替換掉的邏輯電路通常是與求解目標(biāo)電路無關(guān)的邏輯單元。寄存器中存放的是個(gè)體的基因片段，整個(gè)基因片段指示了該P(yáng)E單元的功能以及與其他PE單元的鏈接關(guān)系。

圖4 可編程PE單元結(jié)構(gòu)

根據(jù)待演化修復(fù)電路功能確定關(guān)鍵函數(shù)fkey，然后利用改進(jìn)的PE單元構(gòu)成新的重配置電路模型。基于改進(jìn)后的重配置模型提高了個(gè)體功能達(dá)到演化目標(biāo)概率，從而提高了演化算法的收斂速度，縮短了電子系統(tǒng)的自修復(fù)時(shí)間。

為了確定PE單元中的關(guān)鍵函數(shù)fkey，可以首先計(jì)算出待演化修復(fù)電路的真值表，然后利用卡諾圖化簡求得輸出變量和輸入變量之間的邏輯關(guān)系式：

根據(jù)式（1）便可確定最有利于實(shí)現(xiàn)功能Y 的函數(shù)為f1，f2，…，fn，因此f1，f2，…，fn即為關(guān)鍵函數(shù)。

表1給出了電機(jī)系統(tǒng)正轉(zhuǎn)時(shí)換相電路的真值表，換相電路是電機(jī)控制電路的基本模塊，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)功能。為了確定換相電路的關(guān)鍵函數(shù)，首先利用卡諾圖化簡得到輸出和輸入之間的邏輯關(guān)系式。

從式（2）可知換相電路的關(guān)鍵函數(shù)為fkey＝，它是由一個(gè)反相器和一個(gè)與門構(gòu)成的基本單元，而標(biāo)準(zhǔn)PE結(jié)構(gòu)中的OR和XOR均是無關(guān)的邏輯門。根據(jù)上述分析可以得到演化換相電路的PE單元的結(jié)構(gòu)，如圖5所示，改進(jìn)的PE結(jié)構(gòu)添加了關(guān)鍵函數(shù)fkey，保留了標(biāo)準(zhǔn)單元的與門和非門，去掉了無關(guān)的邏輯門。

表1 換相真值表

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)采用（1＋λ）演化策略，分別基于圖4a）和圖5兩種PE單元構(gòu)成重配置電路，利用兩種重配置電路模型分別演化電機(jī)控制系統(tǒng)中的換相電路。每種模型分別執(zhí)行20次演化，兩者演化結(jié)果對(duì)比情況如圖6所示，表2給出了兩種模型演化結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比。

表2 演化結(jié)果關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

從實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可知，使用改進(jìn)的PE單元構(gòu)成的重配置電路模型，換相電路演化收斂速度較快。電路生成速度與標(biāo)準(zhǔn)模型相比提高了大約3倍。同時(shí)，改進(jìn)的PE結(jié)構(gòu)20次演化代數(shù)的方差明顯小于標(biāo)準(zhǔn)PE結(jié)構(gòu)，因此優(yōu)化后的重配置電路演化電路時(shí)收斂速度更加穩(wěn)定。

圖5 換相器的PE單元

圖6 改進(jìn)PE結(jié)構(gòu)前后演化結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)具有自修復(fù)和自適應(yīng)能力的電子系統(tǒng)是目前復(fù)雜電磁環(huán)境下提高電子設(shè)備可靠性的迫切要求，分析了設(shè)計(jì)具有自修復(fù)功能電子系統(tǒng)的一般方法，基于CGP重配置電路模型深入研究了如何提高電路演化修復(fù)速度這一關(guān)鍵問題。研究發(fā)現(xiàn)，在解決具體問題時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)的重配置電路演化模型不利于提高系統(tǒng)演化修復(fù)時(shí)間，設(shè)計(jì)者應(yīng)該尋找有利于計(jì)算目標(biāo)電路的關(guān)鍵函數(shù)，優(yōu)化重配置電路模型，進(jìn)而提高系統(tǒng)修復(fù)速度。

［1］ 劉尚合，原 亮，褚 杰.電磁仿生學(xué)——電磁防護(hù)研究的新領(lǐng)域［J］.自然雜志，2009，31（1）：1-7.

［2］ 劉尚合，褚 杰，原 亮.電子系統(tǒng)的電磁仿生研究與進(jìn)展［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，23（1）：1-6.

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TM33；Q811.8

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1008-1542（2011）07-0168-04

2011-06-25；責(zé)任編輯:陳書欣

常小龍（1986-），男，河南周口人，博士研究生，主要從事電磁防護(hù)仿生技術(shù)方面的研究。