对机电一体化容错技术及仿真技术的探讨

对机电一体化容错技术及仿真技术的探讨　秦阳磊李保伟　（郑州瑞孚实验室装备净化工程有限公司）　摘要：随着我国科学技术的不断进步，机电产品市场日益风行　其丘不断朝着集成化、自动化、智能化的方向发展。当机电一　体化系统运用于仿真技术时，那将是一个奇妙的世界。本文通过对机电一体化系统的研究，分析了在机电产品中容错设计以及仿真技　术的发展现状，并提出了一些自己的看法。　关键词：机电一体化；仿真技术；容错设计　１．引言　胎细胞。存储器是用来保存配置数据位串，并根据细胞的状态与　现阶段机电产品的技术基本上已经成熟而且正在朝着集约　化、自动化、智能化的方向发展，机电产品也正在规模化生产。　部分机电产品的自动化程度越来越高，而遇到了故障维修人员是　不可能完成任务的。而有的机电产品形系统庞大，绝不允许有半　点差错，一旦出现问题就可能导致灾难性的后果，造成巨大经济　损失。比如，在太空中运行的各种飞行物，在太空中，一旦出现　问题，人们是不可能去维修和诊断的。二零零八年八月巴西的一　枚ＶＬＳ．３型卫星运载火箭，升空前在接受最后的检测时突然发　生爆炸，导致多人伤亡的重大事故。这些多元性的机电系统爆发　故障的随机性很大，一般都难以预料，但根据工程的实践可以看　出，除了极少数是无任何征兆突发故障外，大部分故障都是有一　个过程的　如果能够及早发现，及时采取紧急措施这些故障还是　可以避免的。而机电产品容错设计与技术应用以及仿真技术的研　究正是顺应了这样需求。　容错技术的应用为提高系统的可靠性和稳定性开辟了一条　新的途径。虽然设计师们无法完全保证其所设计系统的构成环节　每个都绝对可靠，但是，如果把容错技术的概念引入到机电产品　设计中去，就能使产生故障的因素对产品性能的影响缩小到最小　化，这就无形中提高了机电产品的可靠性。对容错技术的研究与　应用，可以有效提升机电系统运行的连续性与安全性，减少事故　的发生，并充分发挥现代机电产品的经济效益与社会效益，具有　非常重大的意义。　２．仿生硬件容错技术的研究现状　由于技术要求电路系统的功能越来越复杂化，传统意义的硬　件容错技术已经不能满足目前的电路系统要求。为了把系统的可　靠性提升上去，研究者们设计出了动态自行检测故障、自动修复　的要求，而且一直在努力探讨一种新的容错设计方法。二十世纪　五十年代末，计算机之父冯・诺依曼就曾提出过这种新的容错设　计设计方法。　自然界的万物生灵给研究人员带来了灵感，将自然计算引入到　硬件设计中来从而形成了仿生硬件。仿生硬件概念源于瑞士联邦工　学院，是在１９９２年产生的。虽然这个概念产生时间不长，但是它　的发展速度非常惊人，短短２Ｏ来年已经成为专家们研究的最热点　之一。早期仿生硬件也曾被定义为进化硬件。仿生硬件是一种能随　着外部环境的变化而能够自主地、动态地改变其自身的结构与行为　用以来适应其生存环境的一种硬件电路，它能够像生物一样拥有硬　件自适应、自组织、自修复的特性。采用仿生硬件设计的容错，不　必要显式冗余，而是利用其进化本身特有容错的特性，它的这种优　势是传统的静态冗余实现容错技术所不能比拟的。　３．仿生硬件容错技术的新思路　根据对仿生硬件的容错技术研究，对实现借鉴生物进化机制　的硬件容错新理论、新模型与新方法以及对硬件系统可靠性的提　升都具有至关重要的意义。　３．１胚胎型仿生硬件的容错体系与容错原理　仿生硬件主要有进化型与胚胎型两种组成，胚胎型仿生硬件　也叫胚胎电子系统，是一种靠模仿生物的多细胞容错机制来实现　的硬件。胚胎细胞、开关阵与线轨是胚胎型仿生硬件容错体系的　主要结构。开关阵是根据可编程连线的信号控制来完成开关闭　合，对线轨内各线段的使用进行控制。存储器、坐标发生器、Ｉ／Ｏ　换向块、功能单元、直接连线、可编程连线、控制模块等组成胚　１８８时代报告２０１５．１１　坐标发生器计算出来的结果，从配置位串中抽取一段通过译码后　对胚胎电子细胞的换向块与功能单元进行配置。坐标发生器根据　每个细胞的左侧与下侧邻居细胞的坐标为其分配坐标。Ｉ／０换向　块为细胞功能单元间的可编程连线提供信号控制。功能单元用来　实现一个Ｉ＂１输入的布尔函数，用于实现所需要的细胞功能。直接　连线是对功能单元之间的相互通信负责。可编程连线是用来传递　控制信号并控制开关阵。控制模块是用来完成对细胞的工作状态　检测、故障诊断、控制细胞冗余切换等。　３．２胚胎型仿生硬件实现容错的策略　对故障细胞的容错技术常采用的容错策略有行ｒ列）取消与　细胞取消策略，通过记录有错的单元位置，重新布线，用其他备　用的单元来代替等。但对于连线资源故障来说，这些策略并不能　解决实际问题。对线轨故障的容错策略可以采取下列技术：　首先，行（列）取消的策略。在行（列）的取消中，若一个细胞　出现错误，就取消它所在行（列１的所有细胞，而其功能将被其上　一行（右一列）的细胞来代替，也就是说当一个细胞出现错误时，　将由它附近的一个备用行（列）的细胞来代替它当前的工作。其　次，细胞取消的策略。在细胞取消的策略中，利用备用细胞来代　替故障细胞要分两个阶段。当某一行细胞的出错数超过了备用细　胞的数时，这一整行将被取消，行细胞将上移，用备用行细胞代　替出错行细胞的功能。　３＿３胚胎型仿生硬件完成容错的流程　胚胎型仿生硬件容错的完成流程是：首先，根据设计的需要　选择器件，确定硬件的设计方案。其次，以电路结构与有关参数　等充当染色体来进行编码，依据进化算法的进化模式来对系统进　行进化操作。第三，通常以电路的功能和预期结果两者的符合程　度当着个体的适应度。根据已给定的输入条件或者测试集，通过　电路模型的仿真测试或者实测计算群体中的每个个体的适应度。　３．４胚胎型仿生硬件内部错误的检测机制　胚胎型仿生硬件实现容错的前提是错误检测，硬件容错常用　的冗余容错策略是基于细胞功能单元的三模冗余和多数表决器　电路实现。多数表决器是用来判断输出多数细胞模块的信号，但　它并不能判断出具体是哪个细胞出现了问题，也就没法完成对出　错细胞的重启动或者重新构建来修复该细胞。　３．结语　创新技术是建立在技术改革和与其配套技术支持上的。对机　电一体化产品的开发具有不同的层次与灵活的自由度。在机械技　术开发中适当地引入电子技术，　对产品的形象与行业的形象有　巨大提升效果。将产品生产融入机电一体化技术，使其产生更　先进的功能与更高的附加价值，这将给企业和消费者带来双赢的　局面，同时也会给社会经济效益带来巨大的贡献。　参考文献：　『１】刘志，朱文坚．光机电一体化技术．现代制造工程，２００１，１２．　『２】梁进秋．微光机电系统国内外研究进展．光机电信　息，２０００，８．　『３１宋云夺．光机电一体化业的未来．光机电信息，２００３，１２．　『４】刘心松，朱鹰．容错并行处理系统结构研究．计算机应　用，２００８，１．　［５］姚睿，王友仁，于盛林．胚胎型仿生硬件及其关键技术研究．　河南科技大学学报，２００９，３．