基于膜计算理论的仿生电子阵列自组织与自修复方法研究

摘要

我国航天事业近年来飞速发展，越来越多的机电装备被送入太空。太空复杂又恶劣的环境容易导致机电装备，尤其是其中的数字电路模块出现故障，且电路发生故障后人工维修极其困难甚至人力不可达，因此如何有效提高数字电路的可靠性和环境适应性，是提升机电装备任务可靠性的关键。
　　生物体普遍具有自修复能力，通过研究生物体的自修复机制，从中获取设计灵感无疑是设计高可靠性数字电路的一种新的技术途径。本文以提高空间机电装备任务可靠性需求为牵引，以构建具有自修复能力的数字电路为重点，在研究生物组织的发育与自修复机制基础上，将膜计算理论引入到仿生电子阵列设计过程中，研究基于膜计算理论的自组织与自修复方法，构建具有自组织与自修复能力的仿生电子阵列。论文主要研究内容包括：
　　1、在线仿生电子阵列自组织方法研究。针对离线方式生成仿生电子阵列配置信息工作量大、设计效率低，且每个细胞需要消耗大量硬件资源存储整个阵列配置信息等问题，重点研究基于膜计算的仿生电子阵列在线自组织方法，提出了基于群体膜系统的仿生电子阵列自组织方法。该方法借鉴生物渐进特化过程中，细胞调控基因受组织中其它细胞的影响而改变表达内容这一特性，将阵列自组织过程抽象成表示电子细胞功能和连接关系的配置信息改写过程，在此基础上，引入膜计算和群体膜系统理论，建立了基于群体膜系统的阵列自组织模型，提出了实现阵列在线自组织的方法。
　　2、面向细胞布局优化的仿生电子阵列自组织方法研究。针对仿生电子阵列在线自组织过程不能优化细胞布局，容易导致阵列通信网络堵塞，从而增加阵列实现目标电路逻辑功能用时的问题，提出了基于细胞布局优化和群体膜系统的仿生电子阵列自组织方法。该方法利用度量空间表示目标电路的功能图和仿生电子阵列结构，然后基于图形映射理论将功能图映射到阵列结构中，建立了基于图形映射的细胞布局模型，并利用改进的遗传算法求解模型，实现细胞布局优化，在此基础上，利用基于群体膜系统的仿生电子阵列自组织方法，实现了阵列的自组织。
　　3、基于群体膜系统的仿生电子阵列自修复方法研究。针对传统单细胞移除机制只能利用同一行的细胞进行自修复，修复次数有限，且阵列重构时布线过程复杂等问题，提出了基于群体膜系统和通信X-机的仿生电子阵列自修复方法。该方法根据自修复过程中细胞功能和连接关系变化情况，基于动态细胞群体膜系统理论设计了自修复规则，并利用通信X-机模型刻画了自修复过程中细胞内部状态的变化过程，在此基础上，将两者结合起来，建立了仿生电子阵列自修复模型，提出了自修复过程中配置信息的改写方法，实现了一种能够利用阵列任何备份细胞进行自修复，且阵列重构时其它工作细胞无需重布线的自修复方法。
　　4、仿生电子阵列结构优化设计与实验研究。针对目前仿生电子阵列结构中，细胞之间通信方式单一、通信效率不高，导致阵列自组织与自修复实现难度大的问题，借鉴生物细胞的通信方式，构建了一种具有全连通能力的仿生电子阵列结构。在此基础上，基于Xilinx公司的ML605开发平台实现了该阵列结构；最后，以空间机电装备高任务可靠性和环境适应性需求为牵引，以多轴同步控制器为研究对象，利用仿生电子阵列构建了具有自修复能力的多轴同步控制器，并进行阵列自组织与自修复性能测试。实验结果表明：该结构具有良好的通信能力，且能有效支持阵列的自组织与自修复。

目录

声明

第一章 绪论

1 .1 研究背景及意义

1 .2 国内外研究现状

1 .3 研究思路与内容安排

第二章 生物个体发育与生物组织自修复机制及膜计算理论

2 .1 多细胞生物个体发育与微生物的群体发育

2 .2 生物组织的自修复

2 .3 生物细胞的通信方式

2 .4 生物细胞、组织及发育与自修复过程的抽象

2 .5 膜计算和群体膜系统理论

2 .6 本章小结

第三章 基于群体膜系统的仿生阵列自组织方法

3 .1 电子细胞与仿生电子阵列的膜计算模型

3 .2 基于群体膜系统的仿生电子阵列自组织方法

3 .3 基于优化布局和群体膜系统的仿生电子阵列自组织方法

3 .4 仿生电子阵列自组织案例研究

3 .5 本章小结

第四章 基于群体膜系统和通信X-机的仿生电子阵列自修复方法

4 .1 基于群体膜系统的单细胞移除机制

4 .2 基于群体膜系统和通信X-机的仿生电子阵列模型

4 .3 基于群体膜系统和通信X-机的自修复方法

4 .4 仿生电子阵列自修复案例研究分析

4 .5 本章小结

第五章 仿生电子阵列结构设计及实验研究

5 .1 具有全连通能力的仿生电子阵列结构设计

5 .2 仿生电子阵列的自组织与自修复方法验证

5 .3 基于仿生电子阵列的多轴同步控制器设计与实现

5 .4 本章小结

第六章 结论与展望

6 .1 工作总结

6 .2 工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果