基于膜計算理論的仿生電子陣列自組織與自修復(fù)方法研究.pdf

1、我國航天事業(yè)近年來飛速發(fā)展，越來越多的機電裝備被送入太空。太空復(fù)雜又惡劣的環(huán)境容易導(dǎo)致機電裝備，尤其是其中的數(shù)字電路模塊出現(xiàn)故障，且電路發(fā)生故障后人工維修極其困難甚至人力不可達(dá)，因此如何有效提高數(shù)字電路的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，是提升機電裝備任務(wù)可靠性的關(guān)鍵。
　　生物體普遍具有自修復(fù)能力，通過研究生物體的自修復(fù)機制，從中獲取設(shè)計靈感無疑是設(shè)計高可靠性數(shù)字電路的一種新的技術(shù)途徑。本文以提高空間機電裝備任務(wù)可靠性需求為牽引，以構(gòu)建具有自

2、修復(fù)能力的數(shù)字電路為重點，在研究生物組織的發(fā)育與自修復(fù)機制基礎(chǔ)上，將膜計算理論引入到仿生電子陣列設(shè)計過程中，研究基于膜計算理論的自組織與自修復(fù)方法，構(gòu)建具有自組織與自修復(fù)能力的仿生電子陣列。論文主要研究內(nèi)容包括：
　　1、在線仿生電子陣列自組織方法研究。針對離線方式生成仿生電子陣列配置信息工作量大、設(shè)計效率低，且每個細(xì)胞需要消耗大量硬件資源存儲整個陣列配置信息等問題，重點研究基于膜計算的仿生電子陣列在線自組織方法，提出了基于群體膜

3、系統(tǒng)的仿生電子陣列自組織方法。該方法借鑒生物漸進(jìn)特化過程中，細(xì)胞調(diào)控基因受組織中其它細(xì)胞的影響而改變表達(dá)內(nèi)容這一特性，將陣列自組織過程抽象成表示電子細(xì)胞功能和連接關(guān)系的配置信息改寫過程，在此基礎(chǔ)上，引入膜計算和群體膜系統(tǒng)理論，建立了基于群體膜系統(tǒng)的陣列自組織模型，提出了實現(xiàn)陣列在線自組織的方法。
　　2、面向細(xì)胞布局優(yōu)化的仿生電子陣列自組織方法研究。針對仿生電子陣列在線自組織過程不能優(yōu)化細(xì)胞布局，容易導(dǎo)致陣列通信網(wǎng)絡(luò)堵塞，從而增加

4、陣列實現(xiàn)目標(biāo)電路邏輯功能用時的問題，提出了基于細(xì)胞布局優(yōu)化和群體膜系統(tǒng)的仿生電子陣列自組織方法。該方法利用度量空間表示目標(biāo)電路的功能圖和仿生電子陣列結(jié)構(gòu)，然后基于圖形映射理論將功能圖映射到陣列結(jié)構(gòu)中，建立了基于圖形映射的細(xì)胞布局模型，并利用改進(jìn)的遺傳算法求解模型，實現(xiàn)細(xì)胞布局優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，利用基于群體膜系統(tǒng)的仿生電子陣列自組織方法，實現(xiàn)了陣列的自組織。
　　3、基于群體膜系統(tǒng)的仿生電子陣列自修復(fù)方法研究。針對傳統(tǒng)單細(xì)胞移除機制

5、只能利用同一行的細(xì)胞進(jìn)行自修復(fù)，修復(fù)次數(shù)有限，且陣列重構(gòu)時布線過程復(fù)雜等問題，提出了基于群體膜系統(tǒng)和通信X-機的仿生電子陣列自修復(fù)方法。該方法根據(jù)自修復(fù)過程中細(xì)胞功能和連接關(guān)系變化情況，基于動態(tài)細(xì)胞群體膜系統(tǒng)理論設(shè)計了自修復(fù)規(guī)則，并利用通信X-機模型刻畫了自修復(fù)過程中細(xì)胞內(nèi)部狀態(tài)的變化過程，在此基礎(chǔ)上，將兩者結(jié)合起來，建立了仿生電子陣列自修復(fù)模型，提出了自修復(fù)過程中配置信息的改寫方法，實現(xiàn)了一種能夠利用陣列任何備份細(xì)胞進(jìn)行自修復(fù)，且陣列

6、重構(gòu)時其它工作細(xì)胞無需重布線的自修復(fù)方法。
　　4、仿生電子陣列結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與實驗研究。針對目前仿生電子陣列結(jié)構(gòu)中，細(xì)胞之間通信方式單一、通信效率不高，導(dǎo)致陣列自組織與自修復(fù)實現(xiàn)難度大的問題，借鑒生物細(xì)胞的通信方式，構(gòu)建了一種具有全連通能力的仿生電子陣列結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，基于Xilinx公司的ML605開發(fā)平臺實現(xiàn)了該陣列結(jié)構(gòu)；最后，以空間機電裝備高任務(wù)可靠性和環(huán)境適應(yīng)性需求為牽引，以多軸同步控制器為研究對象，利用仿生電子陣列構(gòu)建