基于电磁防护仿生概念电路演化修复关键技术研究

常小龙，李川涛，原 亮

（1.军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003；2.军械工程学院电气工程系，河北石家庄 050003；3.军械工程学院计算机工程系，河北石家庄 050003）

基于电磁防护仿生概念电路演化修复关键技术研究

常小龙1，李川涛2，原 亮2

（1.军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003；2.军械工程学院电气工程系，河北石家庄 050003；3.军械工程学院计算机工程系，河北石家庄 050003）

基于电磁防护仿生概念，以电机控制系统为例给出了设计具有自修复能力电子系统一般方法，深入分析了重配置电路模型对电路演化修复的影响，提出了优化重配置电路模型的方法。实验结果表明，利用该优化方法改进的重配置电路模型大大降低了电路生成时间，提高了电路修复速度。

电磁防护仿生；演化硬件；自修复；可编程单元；电机控制电路

目前，电子系统在各种复杂武器装备中发挥着十分重要的作用，而电子系统极易受到电磁环境的干扰，在恶劣的电磁环境下甚至物理损坏。因此，电子系统在增强武器装备功能的同时，也使得装备在电磁环境下的安全性大大降低。一旦设备受到损伤，如不及时修复则可能造成巨大经济损失或安全隐患，这给装备的故障自修复和环境自适应能力提出了要求。电磁防护仿生概念正是基于上述要求提出的［1－2］，其目的在于使得电子系统和生物系统一样能够适应周围环境的变化，在局部损伤的情况下能够带伤运行，自行修复。

演化硬件EHW（evolvable hard ware）技术能够根据外界环境变化自动生成电路，在电路的容错运行和故障修复中已经得到了应用［3－4］。笔者结合演化硬件技术给出了自修复电机控制系统的设计方法，把整个电机控制系统分为演化模块和固定模块，对两个模块采取不同的电磁防护方式。为了提高电子系统的演化修复时间，笔者对演化模型的设计进行了深入的研究，基于笛卡尔遗传编程模型［5］提出了一种新的优化重配置电路模型的方法。

1 自修复系统设计

在标准电子系统中，各个模块都是固定的，系统无法自行修复。因此，设计自修复系统的关键在于对系统进行分解，确定系统的演化模块和固定模块。演化模块利用可重配置电路实现电子系统电磁损伤的自修复和环境自适应机制，固定模块通常采用传统的防护方式进行电磁防护。系统演化模块电路受到电磁辐射产生局部损伤导致系统功能丧失时，便可以通过演化修复方式重构受损电路恢复系统功能。

图1给出的是无刷直流电机的原理图。无刷直流电机系统中的控制电路能够控制电机定子各绕组的通电顺序和时间，是电机系统的核心部件。电机控制系统主要包含换相电路、脉宽调制电路和开关电路。其中，换相电路是用数字组合电路，利用演化硬件技术易于实现，可看作演化模块，其他两个模块可看作固定模块。对电机控制系统进行分解后的原理图，如图2所示。

图2 分解后电机控制电路系统

图1 无刷直流电机原理图

固定模块使用传统的防护方式提高系统的抗电磁干扰能力。演化模块除了利用传统防护方式外，还利用演化硬件技术实现开换相路功能，一旦传统防护方式失效，演化模块电路局部损伤，通过演化修复方式重新恢复电机控制电路的功能。

文献［6］基于笛卡尔遗传编程思想（CGP）提出了一种仿生防护模型，该模型模拟细胞分裂和分化行为建立了虚拟细胞质和虚拟细胞核的概念。虚拟细胞质实际上是由可编程单元和内部互联网络构成的重配置电路模型，虚拟细胞核由嵌入式处理器构成，主要实现故障诊断和遗传算法修复局部受损的细胞质。基于此模型可以设计电机控制系统的演化模块，如图3所示，其中PE（programmable element）表示可编程单元，包括配置寄存器，多路选择器和基本逻辑运算单元。

图3 演化模块的结构

演化模块设计需要考虑的因素包括系统修复时间和与周围环境交互能力。系统修复时间必须满足一定的标准，即要在系统功能的丧失还没有造成重大经济损失或安全隐患之前恢复系统功能。与修复时间相关的因素主要是演化处理器、演化策略和基因编码。其中基因编码是由演化采用的基本单元PE的结构决定。环境交互能力决定了演化修复的电路对周围电磁环境的适应能力，环境交互能力主要取决于适应度评估函数。一个好的适应度评估函数应该能够准确地评价个体对当前电磁环境的适应程度。

2 重配置电路模型优化设计

CGP是一种门级的电路演化设计方法，该方法中的重配置电路模型是由PE单元构成的PE阵列，包含了大量的冗余单元，通过演化算法重新配置PE单元的连接方式，可以实现电路的容错运行和故障自修复功能。因此对重配置电路模型的优化设计关键在于对PE单元进行优化设计。在选定处理器和演化策略以后，系统的修复时间主要由重配置电路模型中PE的结构决定，因此确定PE中包含哪些基本的逻辑运算函数会对电路演化产生重要影响。

为了清楚地表示PE结构对修复时间产生的重要影响，给出关键函数的定义。

关键函数fkey：对于演化实现目标电路来说那些十分重要的逻辑运算结构，称之为关键函数，记为fkey。

标准的CGP重配置电路模型中包含的基本单元通常是与（AND）、或（OR）、非（NOT）以及异或（XOR）等基本单元，但是解决某一具体问题时，使用这些基本的单元进行演化计算不一定是最优的解决方案。图4给出了标准的重配置单路PE单元和改进后的PE单元，见图4。

图4b）为改进的PE单元，利用若干关键函数fkey替换标准PE单元中的某些逻辑电路，被替换掉的逻辑电路通常是与求解目标电路无关的逻辑单元。寄存器中存放的是个体的基因片段，整个基因片段指示了该PE单元的功能以及与其他PE单元的链接关系。

图4 可编程PE单元结构

根据待演化修复电路功能确定关键函数fkey，然后利用改进的PE单元构成新的重配置电路模型。基于改进后的重配置模型提高了个体功能达到演化目标概率，从而提高了演化算法的收敛速度，缩短了电子系统的自修复时间。

为了确定PE单元中的关键函数fkey，可以首先计算出待演化修复电路的真值表，然后利用卡诺图化简求得输出变量和输入变量之间的逻辑关系式：

根据式（1）便可确定最有利于实现功能Y 的函数为f1，f2，…，fn，因此f1，f2，…，fn即为关键函数。

表1给出了电机系统正转时换相电路的真值表，换相电路是电机控制电路的基本模块，实现电机的正转和反转功能。为了确定换相电路的关键函数，首先利用卡诺图化简得到输出和输入之间的逻辑关系式。

从式（2）可知换相电路的关键函数为fkey＝，它是由一个反相器和一个与门构成的基本单元，而标准PE结构中的OR和XOR均是无关的逻辑门。根据上述分析可以得到演化换相电路的PE单元的结构，如图5所示，改进的PE结构添加了关键函数fkey，保留了标准单元的与门和非门，去掉了无关的逻辑门。

表1 换相真值表

3 实验分析

实验采用（1＋λ）演化策略，分别基于图4a）和图5两种PE单元构成重配置电路，利用两种重配置电路模型分别演化电机控制系统中的换相电路。每种模型分别执行20次演化，两者演化结果对比情况如图6所示，表2给出了两种模型演化结果的关键参数对比。

表2 演化结果关键参数对比

从实验对比结果可知，使用改进的PE单元构成的重配置电路模型，换相电路演化收敛速度较快。电路生成速度与标准模型相比提高了大约3倍。同时，改进的PE结构20次演化代数的方差明显小于标准PE结构，因此优化后的重配置电路演化电路时收敛速度更加稳定。

图5 换相器的PE单元

图6 改进PE结构前后演化结果对比

4 结 语

设计具有自修复和自适应能力的电子系统是目前复杂电磁环境下提高电子设备可靠性的迫切要求，分析了设计具有自修复功能电子系统的一般方法，基于CGP重配置电路模型深入研究了如何提高电路演化修复速度这一关键问题。研究发现，在解决具体问题时使用标准的重配置电路演化模型不利于提高系统演化修复时间，设计者应该寻找有利于计算目标电路的关键函数，优化重配置电路模型，进而提高系统修复速度。

［1］ 刘尚合，原 亮，褚 杰.电磁仿生学——电磁防护研究的新领域［J］.自然杂志，2009，31（1）：1-7.

［2］ 刘尚合，褚 杰，原 亮.电子系统的电磁仿生研究与进展［J］.装甲兵工程学院学报，2009，23（1）：1-6.

［3］ MILLER J.Evolving developmental programs for adaptation，morphogenesis and self-repair［J］.Lecture Notes in Computer Science，2003，28（1）：256-265.

［4］ 吴会丛.基于EHW的芯片级电磁损伤自修复技术研究［D］.石家庄：军械工程学院，2007.

［5］ MILLER J，THOMSON P.Cartesian genetic programming［A］.2008 GECCO Conference Companion on Genetic and Evolutionany Computation［C］.New York：［s.n.］，2008.

［6］ 满梦华，巨政权，原青云，等.基于电磁仿生概念的静电放电注入损伤防护模型设计［J］.高电压技术，2011，32（2）：375-381.

TM33；Q811.8

A

1008-1542（2011）07-0168-04

2011-06-25；责任编辑:陈书欣

常小龙（1986-），男，河南周口人，博士研究生，主要从事电磁防护仿生技术方面的研究。