關(guān)于淺論機電一體化系統的聯(lián)合仿真技術(shù)

摘要:本文以機電一體化系統為研究對象，分析了機電產(chǎn)品容錯糾錯設計與仿真技術(shù)的發(fā)展現狀，并提出了自己的看法。

關(guān)鍵詞:機電一體化仿真容錯糾錯

一、引言

現代機電產(chǎn)品正朝著(zhù)集成化、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，有的機電產(chǎn)品對人的依賴(lài)性越來(lái)越小，發(fā)生故障根本不可能由人去維修，有的機電產(chǎn)品形成大系統，一旦發(fā)生故障可能導致重大事故，并造成巨大經(jīng)濟損失。例如:美國發(fā)射的“勇氣”號火星車(chē)和“機遇”號火星車(chē)，在太空飛行半年之久，一旦有了故障靠人去診斷和維修是根本不可能的;2008年8月巴西一枚VLS-3型衛星運載火箭，在接受最后檢測時(shí)突然爆炸，導致現場(chǎng)21人被炸死，另有20多人身受重傷。

這些集成化、自動(dòng)化、智能化的機電系統發(fā)生故障的隨機性很強，往往難以預料，但工程實(shí)踐表明除了少數突發(fā)故障以外，大多數故障是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。如果早期發(fā)現，及時(shí)采取恰當的措施是完全可以防止的，機電產(chǎn)品容錯糾錯設計與仿真技術(shù)研究以及容錯技術(shù)的應用正是順應了這種需求。

容錯技術(shù)為提高系統的可靠性開(kāi)辟了一條新的途徑。雖然人們無(wú)法保證所設計的系統各個(gè)構成環(huán)節的絕對可靠，但若把容錯的概念引入到機電產(chǎn)品，可以使各個(gè)故障因素對產(chǎn)品性能的影響被顯著(zhù)削弱，這就意味著(zhù)間接地提高了產(chǎn)品的可靠性。研究和應用容錯技術(shù)，對于保障機電系統運行的連續性和安全性，減少安全事故，提高現代機電產(chǎn)品的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，具有非常重要的意義。

二、仿生硬件容錯研究現狀

隨著(zhù)電路系統功能的復雜化，傳統的硬件容錯技術(shù)越來(lái)越不能滿(mǎn)足日益龐大的電路系統要求。為了提高系統可靠性，人們提出了動(dòng)態(tài)地對故障進(jìn)行自檢測、自修復的要求，并努力尋找新的容錯設計方法。早在20世紀50年代末，計算機之父馮?諾依曼就提出了研制具有自繁殖與自修復能力通用機器的偉大構想。

研究人員從自然界得到靈感，將自然計算(如進(jìn)化計算，胚胎理論等)引入到硬件設計中從而形成仿生硬件(Bio-inspired Hardware，BHW)。仿生硬件的概念最初是由瑞士聯(lián)邦工學(xué)院于1992年提出的，雖然歷史不長(cháng)，但其發(fā)展非常迅速，現在已經(jīng)成為國際上的研究熱點(diǎn)之一。仿生硬件早期也稱(chēng)為進(jìn)化硬件(Evolvable Hardware，EHW)。A.Thompson等人較早提出了EHW應用于容錯方面的想法。仿生硬件是一種能根據外部環(huán)境的變化而自主地、動(dòng)態(tài)地改變自身的結構和行為以適應其生存環(huán)境的硬件電路，它可以像生物一樣具有硬件自適應、自組織、自修復特性。采用仿生硬件實(shí)現的容錯，不需要顯式冗余，而是利用進(jìn)化本身固有容錯的特性，這種特性帶來(lái)的優(yōu)勢是傳統方法通過(guò)靜態(tài)冗余實(shí)現容錯所不能比擬的。

三、仿生硬件的容錯技術(shù)新思路

基于仿生硬件的容錯研究，對建立借鑒生物進(jìn)化機制的硬件容錯新理論、新模型和新方法，提高硬件系統的可靠性，具有至關(guān)重要的意義。

(一)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(jìn)化型和胚胎型，其中胚胎型仿生硬件也稱(chēng)為胚胎電子系統，是模仿生物的多細胞容錯機制實(shí)現的硬件。

胚胎型仿生硬件的容錯體系結構，主要由胚胎細胞、開(kāi)關(guān)陣和線(xiàn)軌組成。開(kāi)關(guān)陣根據可編程連線(xiàn)的控制信號完成開(kāi)關(guān)閉合，控制線(xiàn)軌內各線(xiàn)段的使用。胚胎細胞包含存儲器、坐標發(fā)生器、I/O換向塊、功能單元、直接連線(xiàn)、可編程連線(xiàn)、控制模塊等。存儲器用于保存配置數據位串，并根據細胞狀態(tài)和坐標發(fā)生器計算出的結果，從配置位串中提取一段經(jīng)譯碼后對胚胎電子細胞的換向塊和功能單元進(jìn)行配置。坐標發(fā)生器根據每個(gè)細胞最近兩側(左側和下側)鄰居細胞的坐標為其分配坐標。I/O換向塊為細胞功能單元間的可編程連線(xiàn)提供控制信號。功能單元用于實(shí)現一個(gè)n輸入的布爾函數，用于實(shí)現所需的細胞功能。直接連線(xiàn)負責功能單元之間的相互通信?？删幊踢B線(xiàn)傳遞控制信號控制開(kāi)關(guān)陣?？刂颇K完成細胞的工作狀態(tài)檢測、故障診斷、控制細胞冗余切換。

(二)胚胎型仿生硬件實(shí)現容錯的策略

為了實(shí)現對故障細胞的容錯，常用的容錯策略有兩種:行(列)取消和細胞取消策略，通過(guò)記錄有錯的單元位置，重新布線(xiàn)，用其他備用的單元來(lái)代替。

但是對于連線(xiàn)資源故障，這些策略并未給出相應的對策。在深入研究胚胎仿生硬件容錯體系結構的基礎上，本文提出一種針對線(xiàn)軌故障的容錯策略。

1. 行(列)取消策略。在行(列)取消中，若一個(gè)細胞出錯，則它所在行(列)的所有細胞都將被取消，而該行(列)細胞的功能將被其上一行(右一列)的細胞所代替，即當一個(gè)細胞出錯時(shí)，細胞所在行(列)上移(右移)到一個(gè)備用行(備用列)來(lái)代替它當前的工作。

2. 細胞取消策略。在細胞取消中，用備用細胞代替故障細胞分兩個(gè)階段。當某一行的出錯細胞數超過(guò)備用細胞數時(shí)，整行被取消，行細胞上移，用備用行取代出錯行的功能。

(三)胚胎型仿生硬件實(shí)現容錯的流程

胚胎型仿生硬件容錯的流程為:

(1)根據設計需求選擇器件，確定硬件設計方案;

(2)以電路結構及有關(guān)參數等作為染色體進(jìn)行編碼，按照進(jìn)化算法的進(jìn)化模式對系統進(jìn)行進(jìn)化操作;

(3)一般以電路的功能與預期結果的符合程度作為個(gè)體的適應度。根據給定的輸入條件或測試集，通過(guò)基于電路模型的仿真測試或實(shí)測計算群體中的每個(gè)個(gè)體的適應度;

(四)胚胎型仿生硬件內部錯誤檢測機制

錯誤檢測是胚胎型仿生硬件實(shí)現容錯的前提，本文在此著(zhù)重研究針對細胞故障的錯誤檢測機制。

基于細胞功能單元的三模冗余與多數表決器電路實(shí)現是硬件容錯常用的冗余容錯策略。

多數表決器判斷輸出多數細胞模塊的信號，但并不能判斷出具體哪個(gè)細胞出現了錯誤，也就沒(méi)法啟動(dòng)對出錯細胞的重啟動(dòng)或重構來(lái)修復該細胞。為了能檢測出錯細胞的具體位置，從而修復該細胞，進(jìn)一步提高三模冗余的可靠性，需要設計相應的差錯檢測器。

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

[2]劉心松、朱鷹，容錯并行處理系統結構研究.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(guān)鍵技術(shù)研究.河南科技大學(xué)學(xué)報，2009(3).