模拟电路演化设计与负相关演化容错方法研究

摘要

模拟电路是现代电子系统中不可缺少的一部分，为了使模拟电路在一些极端环境中能够稳定工作，对其进行容错性设计是非常重要的。电路容错是指：当电路中的某些部分发生故障时，整个电路依然能够工作在其性能指标所允许的范围之内。然而，当电子系统工作在极端复杂的环境中时，其所受到的影响可能是未知的，可能出现的故障也是未知和难以预测的。现有的工作大都针对已知故障进行电路容错设计，但是，当一个电路受到某种故障的影响，且这种故障在电路设计过程中并没有考虑到，那么电路性能很有可能受到很大影响。所以，如何提高模拟电路对未知故障的容忍能力是一个很重要的问题。针对未知故障，本文以演化方法为主要手段，对模拟电路的容错性设计方法进行了探索性的研究。本文具体工作主要包括两大部分：1）模拟电路演化设计；2）模拟电路演化容错设计。模拟电路的演化设计是指利用演化算法来自动搜索出符合设计目标的结果。模拟电路的演化容错设计是在模拟电路演化的基础上，加入一些容错设计指标，从而使演化算法自动设计出具有一定容错能力的模拟电路。模拟电路的演化设计是模拟电路演化容错设计所必不可少的基础。在模拟电路的演化设计方面，本文对几个基本演化算子在模拟电路演化设计问题中的性能进行研究并提出了用于模拟电路演化设计的混合GA算法；在模拟电路演化容错设计方面，本文提出了演化负相关模型ENCF，研究了ENCF的负相关演化机制并提出了一种新的负相关冗余容错电路设计方法。实验发现，冗余模块在频率域中保持一定的负相关关系，有助于提高整个电路系统容错性能的泛化性。
　　 本文主要的创新点以及所取得的进展如下：
　　 1.在模拟电路演化设计方面，本文提出了一种新的模拟电路演化算法HME-GA。在HME-GA中，我们将过变异策略和精英保留策略融入到GA算法中，并通过实验结果证明：HME-GA对模拟电路的演化比传统的GA算法更加有效，而且与单纯使用过变异策略的GA相比，HME-GA中的过变异效率更高，这是由于精英保留策略的存在。HME-GA算法的提出为我们后续的模拟电路演化容错设计研究工作打下了基础。
　　 2.在模拟电路演化容错设计方面，本文对模拟电路在未知故障环境下的容错性设计问题进行了探索性的研究，并提出了用于模拟电路的负相关冗余容错方法。在该方法中，我们定义了评价电路之间负相关关系的方法，并通过设计多个功能相同且相互间呈负相关关系的模拟电路冗余模块米提高整个系统的容错性能。大量故障仿真实验的统计结果表明，冗余模块在频率域中保持一定的负相关关系能够提高模拟电路容错性能的泛化性，从而提高模拟电路对未知故障的容忍能力。这说明负相关冗余容错方法对于模拟电路未知故障容错问题来说是一种有希望的解决方法。
　　 3.本文提出了负相关演化模型ENCF来进行负相关冗余模块的设计。ENCF是由本文所提出的一个原型系统，是本文针对模拟电路未知故障容错方法所进行的研究工作的重要组成部分。它包含了多种群策略、候选个体选择策略和交叉评估策略这三个核心策略。这三个策略是ENCF实现负相关演化的关键。实验结果表明ENCF有能力演化出具有负相关关系的模拟电路冗余模块。
　　 总之，本文针对电路未知故障下的容错性设计问题，进行了一些探索性的研究-作，并针对模拟电路提出了一种有希望的解决方法和思路。我们希望本文的工作能够为相关领域的研究者带来新的思路和启发。