浅谈机电一体化系统的联合仿真技术

刘鹏飞，谢思幽

重庆理工大学，重庆 400054

浅谈机电一体化系统的联合仿真技术

刘鹏飞，谢思幽

重庆理工大学，重庆 400054

现代机电产品电路系统越来越复杂，在要求提高产品功能和性能的同时，对系统可靠性和机电产品安全性的要求也越来越高。仿生硬件容错纠错技术是提高系统可靠性和产品安全性的有效手段。本文对仿真技术的研究是基于胚胎型仿生硬件，对胚胎型仿生硬件的容错纠错机制进行探讨，旨在对提高电路系统可靠性和安全性在理论上提供些许帮助。

仿生硬件；胚胎型仿生硬件；容错纠错机制

现代科学技术在机电产品中的运用，使得机电产品越来越集成化、自动化、智能化。在这些现代化的机电产品中，内在的系统一旦发生故障，就容易造成经济损失。

容错机制为提高系统的可靠性和产品的安全性提供了一条新的路径，机电产品的容错纠错机制和仿真技术的研究在研发设计过程中就考虑到了产品的容错纠错功能，虽然不能保证产品系统内部的各个组成部分绝对安全，但至少可以使产品在没有遭受到致命的损害时，维持正常工作能力。

1 仿生硬件容错研究现状

由于现代机电产品的电路系统越来越复杂，传统的硬件容错技术水平早已不能满足现代电路系统的要求。在这种情形之下，人们努力研发新的容错技术方法，提出了电路系统在发生故障时，能进行自检测，自修复的设想。在20世纪50年代末，计算机之父冯·诺依曼提出了可以研发出具有自繁殖与自修复能力的机器设想，但直到20世纪90年代，仿生硬件的概念由瑞士联邦工学院提出后，才使得仿生硬件的研究得以迅速发展，目前已成为国内外研究仿真技术的的热点之一。但是我国对仿生硬件的研究开始较晚，在技术水平上已落后西方国家，迫切需要加强对仿生硬件的研究，以提高我国仿生硬件的技术运用水平。

仿生硬件早期也称为进化硬件( Evolvable Hardware，EHW ) ，是将进化算法与可编程器件结合起来，研发出的一种新型硬件电路，它能象生物一样根据外部环境的变化来动态地、自主地改变自身的结构以适应外部的生存环境，具有硬件自组织，自适应、自修复等特征[1]。仿生硬件的本质是通过模仿生物体的细胞组织结构，在仿生硬件的工作机制上与生物体的细胞生长，自修复，遗传等方面达到类似。这样与传统的硬件相比，它开创了一种新的电路设计方式，其在电路系统运行过程中不仅可以保持现有的功能、实现硬件的随时康复，还可以利用自组织特性生成具有新功能的电路系统。这种仿生硬件的容错纠错机能，是通过静态冗余用传统方法来实现容错所不能比拟的。

2 基于仿生硬件的容错技术研究

根据生物体进化机制提出的仿生硬件容错技术，对提高硬件系统的可靠性和产品的安全性具有十分重要的意义。

2.1 胚胎型仿生硬件的容错体系结构和容错原理

仿生硬件可以分为进化型仿生硬件和胚胎型仿生硬件，其中后者也称为胚胎电子系统，是模仿生物体多细胞容错机制实现的硬件。由多个结构、性能相似的细胞组成生物体，每个细胞都能具有生物体中的基因所具有的某种特定的功能，当生物体进行正常的生命活动时，一旦器官中的某个细胞失去功能，这个细胞就会将自身的信息传递给周边的细胞，周边健康的细胞收到信息后，就会代替这个失去功能的细胞所应发挥的功能，从而保持生物体的正常生命活动[2]。胚胎型仿生硬件正是基于生物体的多细胞组织结构，通过模仿这种容错纠错的生理机制而实现的硬件。当机电产品的电子系统发生故障时，胚胎型仿生硬件便将故障细胞的数据资料传递给周边空闲的电子细胞，进而从新布线连接，从而使整个机电产品的硬件系统能够正常工作[3]。

胚胎型仿生硬件是由胚胎细胞、开关阵和线轨共同组成的容错体系结构。开关阵是用来控制硬件中线段使用的开关。胚胎细胞包含逻辑功能单元和基因与地址译码控制电路两大部分，其中逻辑功能单元由I/O换向块和分子电路组成，它的作用是为了实现细胞的功能，基因与地址译码控制电路由存储器、坐标发生器、状态检测与控制电路共同组成。存储器可根据坐标发生器算出电子细胞在某种状态下的结果并进行保存，但它最重要的功能是保存配置的数据。坐标发生器根据各个细胞左侧和下侧的的细胞为其分配坐标。状态检测电路可以根据故障电子细胞的坐标来激活细胞的复制功能，是故障细胞在失去功能的同时，电路系统还能保持正常的运行功能。

2.2 胚胎型仿生硬件实现容错的策略

在胚胎型仿生硬件中，实现容错策略的方式有两种：一种是细胞取消策略，另一种是行（列）取消策略。在这两种策略中都是通过记录故障细胞的位置，运用细胞的复制功能，重新布线连接，用备用的细胞来代替。结合仿生硬件容错体系结构，在此提出一种线轨故障的容错策略。

1）在细胞取消策略中，当某行中的故障细胞少于备用细胞时，就直接用备用细胞来代替故障细胞；当某行中的故障细胞超过了备用细胞，则故障细胞所在的整行被取消掉，由备用行细胞上移代替。

2）在行（列）取消中，只要有一个细胞出现故障，整行细胞都要被取消，它的功能由该行的右一行细胞代替。也既是出错细胞所在行上移到备用行，由备用行代替出错行的功能。

2.3 胚胎型仿生硬件实现容错的流程

胚胎型仿生硬件容错的流程：

1）按照需求选择器件和设备，确定仿生硬件的制作方案；

2）依据相关参数和电路系统结构进行编码，并对系统进行操作；

3）根据给定的条件对电路模型进行仿真测试，并与预期的结果相比较，测试个体的适应度；

4）结合测试出的适应度来确定下一步骤，依次反复测试，直到获得合符要求的个体；

5）在选定的器件中用最符合要求的个体配置电路系统；

6）当电子细胞出现故障时，仿生硬件按照以上步骤开始进行新一轮的进化，直到找到符合功能的配置位流，实现容错。

2.4 胚胎型仿生硬件内部错误检测机制与自修复机制

1）错误检测机制

胚胎型仿生硬件实现容错的前提是仿生硬件内部的错误检测。当前我国常用的仿生硬件错误检测机制有几种：一种是基于细胞功能单元的三模冗余与多数表决器电路实现的细胞内部故障的自检测；另一种是用健康细胞监测附近细胞的状态信息，用以判断细胞正常与否。以上两种方式虽可以检测出是否存在故障细胞，但判断不出故障细胞具体是在哪个位置，查不出具体的位置也就无法修复出错细胞，所以在提高三模冗余可靠性的同时，也应设计出可以检测出具体位置的差错检测器。

2）自修复机制

在胚胎型仿生硬件中，电子细胞自身没有容错能力，出现故障的细胞只能消失（退出运行），根据上文的描述，一般是用整行（整列）空闲细胞进行功能复制，来代替出错细胞所在位置的功能，这样胚胎阵列就可以进行重构, 实现自修复，以保证电路系统正常功能的运行。

胚胎型仿生硬件是模仿生物体的多细胞容错机制实现的硬件，由于具有自组织、自适应和自修复特性，使得它在电子产品运用上有着广阔的应用前景和商业价值，这就需要我们加强对仿生硬件的研究力度，更好地提高电路系统的可靠性和电子产品的安全性。

[1]高金吉.装备系统故障自愈原理研究[J].中国工程科学，2009(5).

[2]刘心松，朱鹰.容错并行处理系统结构研究[J].计算机应用，2008(1).

[3]姚睿，王友仁，于盛林.胚胎型仿生硬件及其关键技术研究[J].河南科技大学学报，2009(3).

TH-39

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1674-6708（2010）24-0064-02