基于膜計算理論的仿生電子陣列自組織與自修復方法研究.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。太空復雜又惡劣的環(huán)境容易導致機電裝備，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，因此如何有效提高數(shù)字電路的可靠性和環(huán)境適應性，是提升機電裝備任務可靠性的關鍵。
　　生物體普遍具有自修復能力，通過研究生物體的自修復機制，從中獲取設計靈感無疑是設計高可靠性數(shù)字電路的一種新的技術途徑。本文以提高空間機電裝備任務可靠性需求為牽引，以構建具有自

2、修復能力的數(shù)字電路為重點，在研究生物組織的發(fā)育與自修復機制基礎上，將膜計算理論引入到仿生電子陣列設計過程中，研究基于膜計算理論的自組織與自修復方法，構建具有自組織與自修復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、設計效率低，且每個細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特化過程中，細胞調(diào)控基因受組織中其它細胞的影響而改變表達內(nèi)容這一特性，將陣列自組織過程抽象成表示電子細胞功能和連接關系的配置信息改寫過程，在此基礎上，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)化細胞布局，容易導致陣列通信網(wǎng)絡堵塞，從而增加

4、陣列實現(xiàn)目標電路邏輯功能用時的問題，提出了基于細胞布局優(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電路的功能圖和仿生電子陣列結(jié)構，然后基于圖形映射理論將功能圖映射到陣列結(jié)構中，建立了基于圖形映射的細胞布局模型，并利用改進的遺傳算法求解模型，實現(xiàn)細胞布局優(yōu)化，在此基礎上，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方法研究。針對傳統(tǒng)單細胞移除機制

5、只能利用同一行的細胞進行自修復，修復次數(shù)有限，且陣列重構時布線過程復雜等問題，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方法。該方法根據(jù)自修復過程中細胞功能和連接關系變化情況，基于動態(tài)細胞群體膜系統(tǒng)理論設計了自修復規(guī)則，并利用通信X-機模型刻畫了自修復過程中細胞內(nèi)部狀態(tài)的變化過程，在此基礎上，將兩者結(jié)合起來，建立了仿生電子陣列自修復模型，提出了自修復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胞進行自修復，且陣列

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