淺談機電一體化系統的聯合仿真技術

摘 要 本文以機電一體化系統為研究對象，分析了機電產品容錯設計與仿真技術的發展現狀，并提出了自己的看法。

關鍵詞 機電一體化 仿真容錯

一、引言

現代機電產品正朝著集成化、自動化、智能化的方向發展，有的機電產品對人的依賴性越來越小，發生故障根本不可能由人去維修，有的機電產品形成大系統，一旦發生故障可能導致重大事故，并造成巨大經濟損失。例如：美國發射的“勇氣”號火星車和“機遇”號火星車，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，在接受最后檢測時突然爆炸，導致現場21人被炸死，另有20多人身受重傷。

這些集成化、自動化、智能化的機電系統發生故障的隨機性很強，往往難以預料，但工程實踐表明除了少數突發故障以外，大多數故障是一個漸進的過程。如果早期發現，及時采取恰當的措施是完全可以防止的，機電產品容錯設計與仿真技術研究以及容錯技術的應用正是順應了這種需求。

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

二、仿生硬件容錯研究現狀

隨著電路系統功能的復雜化，傳統的硬件容錯技術越來越不能滿足日益龐大的電路系統要求。為了提高系統可靠性，人們提出了動態地對故障進行自檢測、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邦工學院于1992年提出的，雖然歷史不長，但其發展非常迅速，現在已經成為國際上的研究熱點之一。仿生硬件早期也稱為進化硬件（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境的變化而自主地、動態地改變自身的結構和行為以適應其生存環境的硬件電路，它可以像生物一樣具有硬件自適應、自組織、自修復特性。采用仿生硬件實現的容錯，不需要顯式冗余，而是利用進化本身固有容錯的特性，這種特性帶來的優勢是傳統方法通過靜態冗余實現容錯所不能比擬的。

三、仿生硬件的容錯技術新思路

基于仿生硬件的容錯研究，對建立借鑒生物進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化型和胚胎型，其中胚胎型仿生硬件也稱為胚胎電子系統，是模仿生物的多細胞容錯機制實現的硬件。

胚胎型仿生硬件的容錯體系結構，主要由胚胎細胞、開關陣和線軌組成。開關陣根據可編程連線的控制信號完成開關閉合，控制線軌內各線段的使用。胚胎細胞包含存儲器、坐標發生器、I/O換向塊、功能單元、直接連線、可編程連線、控制模塊等。存儲器用于保存配置數據位串，并根據細胞狀態和坐標發生器計算出的結果，從配置位串中提取一段經譯碼后對胚胎電子細胞的換向塊和功能單元進行配置。坐標發生器根據每個細胞最近兩側（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提供控制信號。功能單元用于實現一個n輸入的布爾函數，用于實現所需的細胞功能。直接連線負責功能單元之間的相互通信?？删幊踢B線傳遞控制信號控制開關陣。控制模塊完成細胞的工作狀態檢測、故障診斷、控制細胞冗余切換。

（二）胚胎型仿生硬件實現容錯的策略

為了實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，通過記錄有錯的單元位置，重新布線，用其他備用的單元來代替。

但是對于連線資源故障，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軌故障的容錯策略。

1、行（列）取消策略。在行（列）取消中，若一個細胞出錯，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，即當一個細胞出錯時，細胞所在行（列）上移（右移）到一個備用行（備用列）來代替它當前的工作。

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階段。當某一行的出錯細胞數超過備用細胞數時，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）以電路結構及有關參數等作為染色體進行編碼，按照進化算法的進化模式對系統進行進化操作；

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

（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現容錯的前提，本文在此著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細胞出現了錯誤，也就沒法啟動對出錯細胞的重啟動或重構來修復該細胞。為了能檢測出錯細胞的具體位置，從而修復該細胞，進一步提高三模冗余的可靠性，需要設計相應的差錯檢測器。

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