电磁仿生学_电磁防护研究的新领域

电磁仿生学 � 电磁防护研究的新领域* 刘尚合� 原 亮! 褚 杰∀ � 中国 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 院院士, ∀ 博士生, 军械工程学院静电与电磁防护研究所, 石家庄 050003 ; ! 教授, 军械工程学院计算机工程系, 石 家庄 050003 * 国防科技重点实验室基金项目( 9140C8702020803 ) 关键词 电磁仿生学 生物系统 电磁防护 演化硬件 由于集成度提高而导致集成电路电磁抗扰度下降以及电磁环境越发严峻等因素,使得传统电磁抗扰方式的不足 日渐突出。因此,通过讨论生物进化的某些概念、部分生物系统的特点及其在电子系统中所具有的对等性,尝试将仿 生学的基本方法引入电磁防护领域,创建并初步验证了一种基于仿生机制和模型的防护新模式。进而,详细阐述了 电磁仿生的基本概念、技术基础和实现目标等具体内容,介绍了目前电磁仿生研究中已取得的相关成果,证明了电磁 仿生技术的可行性与有效性,以及建立电磁仿生学科的重要性和必要性。 1 引 言 集成电路是微电子技术的核心内容之一,现已发展 到超大规模和甚大规模、深亚微米精度和可集成数千万 晶体管的水平。与此同时,电路集成度的提高亦导致了 电子设备对各种电磁能量越来越敏感。随着诸如雷达、 通信、导航等各种电磁辐射源的功率不断加大和频谱增 宽,再结合系统自身的电磁辐射与静电等问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 [ 1] , 使得 许多类型的控制系统在有限的空间范围内面临着更加 复杂和恶劣的电磁环境[ 2]。因此,传统的电子系统抗扰 和防护方式面临着新的挑战。 目前基础科学的长足发展和相关领域的理论突破, 使得电磁防护的新思路、新方法和新技术具有了实现的 可能和具体的平台,甚至可以考虑借助生物进化的概念 并结合传统方法,使相关系统能够在不同层面上满足多 种安全运行要求,提高其复杂电磁环境下的基本生存能 力[ 3]。此类研究不仅能在电磁领域中创建一种基于仿 生机制和模型的全新防护模式和研究方法, 更重要的 是,有望建立一个新型的学科 � � � 电磁仿生学。 2 电磁环境下生物系统的优势 经过 35 亿年进化的生物世界是技术创新不可替 代、取之不竭的知识宝库和学习源泉。仿生科学是需要 诸多学科交叉研究的前沿领域,是提升科学技术原始创 新能力的一个重要方向[4]。例如,人们基于生物的生长 方式提出了仿生制造;基于动物的运动结构与功能原理 建立了仿生机械学;基于动植物的生理结构与功能建立 了仿生材料学; 模仿人类的脑神经网络结构和功能,发 展了神经网络控制; 模仿人类的行为建立了 Fuzzy 逻 辑[ 5] ;通过对生物进化机理的研究,推演出了遗传算法; 模仿蚂蚁群体行为而形成了蚁群算法。借鉴和学习自 然界中的生命现象和生命机理,同样可为解决电磁防护 问题提供独到的思路和方法。 2. 1 问题的提出 众所周知,无论人工电路系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、制作得如何精 心、完善,在复杂多变的电磁干扰面前总会暴露出各种 各样的缺憾, 从而必然直接影响电子系统的性能与寿 命。一般而言,基于集成电路的电子系统信号电平稳定 度要求较高, 只要超出一倍或减小一半, 均可能因局部 损伤或逻辑混乱而造成严重后果。所以,外界的干扰信 号峰值只要达到或接近系统信号相同的数量级,就有可 能致使电子系统失常。但对生物系统而言,情况迥异。 例如,人类的安全电源电压上限为 36V ,而个别经 过专门训练者却能耐受上百伏的动力电压。此外,生活 中的静电放电电压纵有千伏甚至高达万伏,但对于动物 肌体而言,一般不会造成任何实质性的伤害。然而, 静 电放电却可将普通电子器件严重损毁[6]。另一方面,即 便是由于过高的电压造成了生物肌体的损伤,特别是因 强电磁场的作用(但没有致命的电流通过生物体) ,只要 不是使其全局性地彻底失活,仍有恢复的可能。至少该 #1# 自 然 杂 志 31 卷 1 期 特约专稿 生物个体可以在一定的条件和环境下能够∃挣扎逃生%、 ∃带伤运行%,然后设法∃ 调理康复%。从目前电子技术的 角度来看, 生物的抗扰能力之强达到了不可思议的 程度。 2. 2 现象的分析 上述现象的确值得予以高度关注。无论何种动物, 其体内的所有活动均与生物电信号相关。此类信号电 平极低,多以毫伏或微伏表示;电流极小,常以微安或更 小的单位计量。然而,这些生物系统对外界各类电磁信 号的干扰并不敏感。这些形似脆弱、娇嫩的生物系统可 以自然而然地抵御正常生活中所面临的、上万倍于自身 生物电信号电平的、任意类型的电磁干扰。 尽管生物中枢神经系统细胞的许多工作细节尚不 为人知,且其信号的传递未尝能按硅基集成电路中信号 的传递方式予以解释,甚至电压、电流以及电磁场的作 用效果可能未必遵从相同的物理定律,但这并不妨碍电 磁仿生研究的建立。相反,恰恰可以促进形成进行这种 跨学科研究的目标和动力。至少,这些现象已经为复杂 电磁环境下电子系统的防护工作提供了明确的参考和 有益的借鉴,为相应的研究和学术工作带来了全新的启 示和清晰的思路,甚至可以为电磁仿生学的建立从理论 上提供科学的依据。 3 电磁仿生的理论思考 电磁仿生技术应能确立有待仿效的目标生物系统, 针对其特征进行结构、功能、原理、能量转换、控制机制、 信息流动等生命现象进行本质性或规律性的了解,将其 一般性规律映射至电磁环境下、特别是强电磁环境下工 作的电子系统。进而,在此基础之上建立相应的数学模 型,并具体应用于某一具有被仿生物之典型特征的抗扰 电子系统。有鉴于此,相关方面的理论思考可以阐述 如下。 3. 1 生物系统与耗散结构 生物系统是以生命有机体所构成的系统。生物系 统是一个开放系统,它通过不断地从外界环境摄取物 质、能量与信息(即负熵) [ 7] ,并在能量流动中不断排出 无序, 从而保持甚至发展自己的有序结构,使自身的组 织程度不断地提高。这种现象在耗散理论中称为∃自组 织%[ 8]。生物系统和环境正是通过能量关系形成具有网 络结构的能量通道和因果繁衍能量交换功能的综合体, 即能量系统。对于一个与外界有能量和物质交换的开 放系统来说, 其熵变可分为两部分:一部分是系统本身 由于不可逆过程引起的熵变,这一项永远是正的;另一 部分是系统与外界交换能量和物质而引起的熵变,这一 项可正可负。如果这一项为负,有可能使系统的总熵变 为负,从而导致系统由无序趋向于有序并维持其有序结 构而不趋向于混乱。因此,如果系统不断地从外界中获 得负熵流,系统就可能变得越来越有序, 从而实现由简 单到复杂,由低级到高级的演替或进化。这样,在不违 反热力学第二定律的条件下,开放系统可以通过负熵流 来减少总熵,因而形成一种远离热力学平衡状态而产生 的耗散能量和物质的稳定有序结构,这种结构可被称之 为∃耗散结构%[ 9]。 毫无疑义,生物系统属于耗散结构, 存在一个通过 自组织机制而提升其有序度的过程,即∃演化%。 3. 2 生物系统的可鉴之处 整体性是仿生学的一个突出的特点。它把生物看 成是一个能与内外环境进行联系和控制的复杂系统,研 究其中各部分之间的相互关系以及整个系统的行为和 状态。例如,人脑神经网络是由大量的脑神经元交错联 系而成。而每一个神经元又联系着上百个其他神经元。 这种结构特点就使得尽管单个神经元可靠性比晶体管 等电子元件差, 而其构成的系统则具有高度的可靠性。 生物系统的诸多优良特性值得人类借鉴,以便进一步提 高人工电子系统的可靠性与适应性。 ( 1) 冗余机制与容错性 生物体具有冗余机制,包括结构冗余和功能冗余。 动物体内成双的器官,如双肺、双肾,平时各司其职。当 某一部分损伤或紊乱时, 对应部分即可代替失去的部 分,保持完整的功能。特别是,在环境发生改变时,可以 调整部分功能以主动适应。同时,生物系统在一定程度 上是一种∃自组织%系统[ 10]。尽管各个器官共同组成一 个有机的整体,但每个器官还是处于一种高度的自律状 态,不仅能够自我控制,还可彼此协调[ 11]。所以,在发生 局部故障的情况下,可以∃ 容错运行%, 不至于造成影响 全局的结果。 ( 2) 自组织与自适应 在生物系统中,任何单体的∃ 资源%在进行功能整合 时,均可通过自组织、自协同,使得原来混沌、无序的状 态逐渐进化为在空间、时间和功能上的有序状态,即具 有了一定的∃ 功能%,例如蜂群、蚁群的行为。这种有序 是在生物体和其所处环境之间通过内部的信息交换和 反馈自然形成的, 无需借助外界的强制性力量, 自然达 到一种∃有序%状态。如果外界环境发生了变化,则系统 #2# Chinese J ournal of Natur e Vo l. 31 No . 1 Invited Special Paper 又需再经∃进化%, 以自适应的方式呈现出新的能力,而 重新稳定于另一状态。 ( 3) 抗干扰与自修复 依靠超声定位的蝙蝠往往成千上万的群居一处,然 而却能互不干扰、各得其所。训练有素的缉毒犬能够在 具有强烈刺激性气味的酒精和汽油桶中嗅出小包密封 的毒品。这种极为优异的抗干扰和信号提取能力使得 任何人造信号采集系统相形见拙。生物受伤后的自愈 功能, 特别是蝾螈、海星等动物失去部分肢体后的再生 能力,无疑终将成为实现容错运行和故障自恢复技术的 研究与模仿之重点所在。 3. 3 电子系统的对等领域 实际上,对电子系统而言, 同样需要不断地从外界 电源吸收能量,在电路运行过程中不断地排出无序(如 通过电路元件的热耗) , 维持稳定有序的状态。亦可认 为,电子系统与与前述基于生物结构的∃能量系统%多有 相似。在这种情况下,电子系统中的许多要素或概念都 可以在生物系统中找到相似物,或称∃ 对照体%。例如, 电路网络相似于能路,电流的流动相似于生命系统中的 研究要素的流动(如水流、养分流、食物流和其他物质的 流动) ,电压相似于潜在的能量,电容直接相似于能路中 的容器, 电阻相似于能路中通道阻力, 电阻等元件的耗 热相似于蒸腾耗热和呼吸耗热[8]。 仅从物理形式来看,体育运动中击球和弹回的过程 与照明所用的交流电源之电压变化毫不相干。但从简 谐振动的规律而言,其数学描述却完全一致。同样,外 界的干扰可使生物系统表现为疾病、死亡,也可令电子 系统表现为异常、失效。 基于前述的种种相似性,可否直观地认为生物系统 与电子系统同处一种∃ 对等领域% ,进而,使得实质性的 启发、借鉴成为可能。于是,辅以模型或仿真作为工具, 用生物抗扰系统的∃领域转换%技术,进行电磁环境下防 护研究的∃等效实现%。 4 电磁仿生的基本内容 从仿生学的诞生、发展至今,短短几十年的研究成 果实属丰硕。在大大开阔了人们眼界之时,亦充分拓展 了研究思路,使得相应领域之技术发展能够另辟蹊径, 获以长足进步。生物系统的运作模式为复杂电磁环境 下提高电子系统的可靠性提供了优秀的范例,其关键正 在于通过研究生物系统可靠性机理建立仿生模型,从而 构造具有冗余机制和自修复功能的电路拓扑,寻找能够 自适应、自学习的控制方法,以及设计自诊断、自免疫监 测系统。 4. 1 基本概念 仿生学是研究生物的结构、性状、原理、行为以及相 互作用,从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理 和系统构成的技术科学[4]。仿生学本身就是生物、数学 和工程技术相互渗透而结合成的一门跨领域学科,其思 想建立在自然进化和共同进化的基础之上,且正处于快 速的发展过程之中。 ( 1) 电磁仿生研究的基础 如前所述,在不同的科学领域, 都可以进行不同类 型的仿生学研究。一般认为, 根据方式的不同,可将仿 生分为过程仿生、结构仿生和行为仿生[5]。但从更为广 泛的领域来考虑,亦可粗略分为形态仿生、结构仿生、功 能仿生、材料仿生、生物学仿生共五大类型。电磁仿生 属于功能仿生的一种,并可认为其含有三个阶段:生物 原型、数学模型和工程实现。生物原型是基础,工程实 现是目的, 而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。 分析、研究生物系统优异的结构、性质、原理、行为和功 能,广泛地运用类比、模拟和模型方法,就可提供工程技 术方面新的设计思想、工作原理和系统构成。 ( 2) 电磁仿生研究的目的 将生物系统的构造和生物活动的过程、机理恰当地 提取并融合至电磁防护领域, 以形成创新性的设计思 想,可望更好地实现、完善特定复杂电磁环境下电子系 统的整体功能,此即电磁仿生研究的主要目的。 ( 3) 电磁仿生研究的特征 电磁仿生研究的特征是学科交叉点多、应用领域面 广、研究特色鲜明,然而其整体难度大、实现周期长、投 资多、见效慢。但是,若能将电磁学与相关领域中稳定、 成熟的理论成果和实践方法与仿生技术、微电子技术等 其它诸多相关学科相互渗透、成功结合, 便可望迅速生 成一门新兴的边缘科学和一个新的技术增长点。 ( 4) 电磁仿生研究的内涵 在借助生物进化的概念和仿生模型的基础上,通过 采用全新的思路、方法和技术,深入进行抗电磁干扰、电 磁防护等方面的理论研究,对传统的干扰和抗扰方式进 行强化、补充与完善,有望建立一种新型的研究模式,使 得被研究的目标或控制系统最终能够满足在不同层面 上的多种安全、稳定的运行要求。 4. 2 技术平台 新近发展的演化硬件 ( evolvable hardw are, EHW) #3# 自 然 杂 志 31 卷 1 期 特约专稿 技术是一种能根据外部环境的变化而自主地、动态地改 变自身的结构和行为以适应其生存环境的硬件电路[ 12]。 概括来说, EHW 可以像生物一样具有结构自组织、环境 自适应、故障自修复特性,通过进化机制实现电子电路 的在系统自身重构。 除了自组织生成新的功能电路外,辅以高效的遗传 算法, EHW 还可用于保持现有功能、获得生物性容错和 高可靠性的能力, 甚至实现硬件损伤后的∃ 康复%。从 而,可以直接用来设计、验证电磁环境下的各类仿生机 制,或是直接进行基于电磁仿生技术的抗扰系统实现。 ( 1) 硬件环境 随着大规模集成电路制造的发展与深化,使得目前 的整体环境可为许多过去因受硬件资源所限而无法深 入研究之精妙的学术思想和超前的理论与技术提供理 想的实现媒介与运作平台。随着 PLD (可编程逻辑器 件, programmable logical device)及其相关技术的发展, 尤其是 FPGA (现场可编程门阵列, f ield programmable gate array)技术的日趋成熟与完善,使得基于 FPGA 和 HDL(硬件描述语言, hardware descrip tion language)技 术的 SOPC( 片上可编程系统, syst em on a programma� ble chip)设计带来了一场以定制系统芯片为主的设计理 念革命。这不仅使得新型控制系统能够增加功能、减小 体积和功耗,更可作为 EHW 的实现平台[ 13] , 直接服务 于电磁仿生的基础研究工作[ 14]。 ( 2) 软件环境 在软件方面,随着神经网络、人工智能、模糊控制以 及专家系统等计算技术广泛地运用到众多领域且日趋成 熟和完善,使得人类在模拟自身智能方面取得了巨大成 功。在模拟自然计算方面,也有了遗传算法等工具的出 现。所以,仿照以碳为基的生物自然演进过程,以较为成 熟的遗传算法为技术基础,在现有技术环境中实现可控 ∃硅进化%,使得电磁仿生研究在技术上已经成为可能。 ( 3) 新型器件 基础科学和器件技术的发展使得单电子晶体管[ 15]、 单原子(分子)器件[ 16]甚至有机单分子电子器件均得以 面世。因此,量子计算模式已经能够由传统的理论支持 上升为器件支持,为此进行电磁仿生的基础性研究成为 可能。此外,在综合电路层面,微电子技术甚至能够与 生物技术紧密结合,诞生了以 DNA 芯片等为代表的生 物芯片[17]。尽管现在尚无法直接应用于电磁仿生工作, 但其新颖的思路自然令人耳目一新。 4. 3 实现目标 就宏观而言,电磁仿生的研究应与特定的应用系统 结合进行,争取突破现有电磁防护的传统设计方法,按 照生物进化的原理和方式分类构建研究对象,建立一种 新型的仿生防护模式,使整个系统最终能够满足在不同 层面上的多种安全运行要求。相应的系统不但应在一 定程度上自行∃适应%所处的电磁环境,而且能在干扰过 于强烈、控制电路部分受损时,自动通过容错运行的方 式尽可能地保持整个系统的稳定状态,以争取尽快触发 演化机制、自行调整内部结构,进行仿生修复或功能重 构,使其完全或部分恢复功能。 具体说来,就是应在现有 FPGA 芯片或规模更大的 芯片一级系统中实现可控的∃ 硅进化%, 以生成∃ 抗扰电 路%为研究方向,争取达到一般恶劣工况下电子系统∃ 干 扰免疫%的目的。进而, 综合形成能够适应复杂电磁环 境或太空环境的装备设计、制造等具有参考价值或指导 意义的仿生防护技术,可集中体现如下: ( 1) 增加电磁防护的有效手段 在传统防护方法的基础上,通过主动(或称自动)防 护的措施进一步加强各种类型的核心控制系统抵御强 电磁干扰的工作能力,对发展国民经济、增强国防力量 意义重大,特别是在下列场合下: �准备承受强电磁干 扰及在高温、强振动、高负荷运转等恶劣环境下使用的 系统,如大功率设备的控制环节或雷达系统; !航空、宇 航、军用机器人等对修复环境要求苛刻, 或过长的时间 延迟造成的损失可能无法弥补或难以承受的系统; ∀空 间探测器、卫星等很难或无法人工直接干预的系统。 ( 2) 改善具体电路的实现方法 受限于认识范围的局限和逻辑思维的惯性,人类的 设计知识、经验和能力是有限的。无论其传统方式下的 解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 如何高明, 在自然界所具备的诸多可能中,仅 仅是某个局部而已,不可能包括所有问题解的∃ 全集%。 可以想象, 许多高效的方法、捷径可能从未被人发现。 使用 EHW 技术时,设计者只要给出所期待的最终结果 和功能即可,而不需要透彻地涉及电路的演化过程。在 给定所用硬件资源后,全部电路结构设计通过演化计算 来尝试、测试和确定。尽管现在 EHW 所能完成的功能 还比较简单,但它为硬件自动化设计和自修复[18]、自适 应的实现提供了一个切实可行的设计思路。 ( 3) 拓宽核心器件的选取范围 具备一定的环境自适应能力和自我调节功能的另 一巨大优势,正在于使得系统能够在强干扰环境下完成 通常只能在正常环境下完成的工作,从而可望延长系统 的整体寿命。这直接有助于扩大器件的选取范围,甚至 使用较为方便、易购的普通商业级芯片代替抗扰能力较 强、质量更好的工业级以上的芯片,从而解决在制造和 #4# Chinese J ournal of Natur e Vo l. 31 No . 1 Invited Special Paper 维修过程中此类芯片购货渠道时有不畅、易被制约和价 格过高等实际问题。 5 相关领域研究现状 无论是在国际或国内,电磁仿生研究在电磁及其防 护领域中均为创新性的工作。与之最为接近、且能够作 为电磁仿生基础的, 目前当属演化硬件 ( EHW) 技术。 实际上,该项技术起源于冯 #诺依曼关于研制具有∃自 修复和自复制能力%机器的基本构想[ 19] , 其中包括了具 有希望通过∃ 自修复%方式提高系统可靠性的内容[ 20]。 然而, 只是在大规模可编程逻辑器件出现后,这一构想 方能得以足够重视。特别是在此基础上的遗传算法业 已得到了迅速的深化和广泛的接受,使得 EHW 在技术 上具有了实现的可能,对促进 EHW 的研究与发展起到 了极大的促进作用。然而,这与具有实际意义的仿生研 究尚有差距。 5. 1 国际、国内相关研究进展 目前国外有许多研究机构正在进行演化硬件的研 究,其中有不少学者取得了突出的成绩。特别是姚新、 Higuichi等学者均提出了基于 FPGA 结构可重配置特 性的 EHW 具体方法, 将其研究进程大大加速[ 13]。之 后,演化硬件在理论研究和工程应用方面发展迅猛。例 如,演化硬件可以实现更加复杂的演化设计。其中 L og� ic Systems Laboratory 近年来在胚胎电子学、细胞自动 机( cellular automata)方面多有成就[21] ; Michal Bidlo演 化出比人工设计更为高效的乘法器[22] ; Erf u Y ang等人 已经生成了优化的 FFT 电路[ 23] ; T etsuya Higuchi 所在 的研究所将演化硬件技术直接应用于中频滤波器、可重 构的 DSP芯片、人工机械手、肌电假肢等各个自适应领 域[ 24]。 最近几年来, EHW 工作更多地集中在人工神经网 络等领域, 尤其对 EHW 的∃ 黑盒%特性进行了许多研 究。T hompson 详细描述了一个基于 FPGA 芯片、并且 可进化的温度适应系统[25]。他认为,人工进化系统与自 然进化面临同样的问题,即如何建立一个适应温度大范 围变化的精确系统。通过对演化的 FPGA 电路进行了 案例分析研究,使人们对演化电路有了进一步的认识, 有助于指导其他新型的电路的设计。他还将自然的生 物系统与具有进化功能的电子系统从∃温度补偿%和∃热 力调节%两个方面进行了仔细的比较和实验, 并给出了 令人较为满意和信服的实际结果,以期将该系统在针对 温度变化方面的可靠性予以大范围地提高。 特别值得一提的是,美国 JPL 实验室的演化硬件小 组一直关注于极端环境下模拟演化硬件的研究,设计并 实现了新的模拟演化器件 SRAA( Self- Reconf igurable A nalog Array) ,并可以通过故障后的∃ 自修复%方式,使 得此类器件所构成的整流器可以工作在- 180&C 至 + 125 ∋的极端环境之下[ 26]。 国内部分单位也进行了演化硬件方面的研究。例 如,武汉大学最早开始了门级、函数级数字电路的函数型 编码方案、外部进化方法研究并多有建树[27] ;南京航空航 天大学进行了基于 FPTA (现场可编程晶体管阵列, f ield programmable transistor array)细胞阵列的模拟型演化硬 件的电路研究,深入验证了门级、函数级数字进化电路功 能[28] ;西安电子科技大学进行了基于函数变换的最小项 编码方案研究[ 29] ;深圳大学进行了 FPGA 动态重构技术 研究,实现了能够设计备份容错的具体电路[ 30]。总而言 之,尽管起步相对较晚,但同样成绩斐然。 5. 2 电磁仿生基础实验与研究 依托于军械工程学院国防科技重点实验室,现已在 电磁仿生研究的 EHW 方面建立了部分实验环境并积 累了一定的经验。在前期工作中,主要工作围绕基础性 的∃自组织%进行,主要内容为防护机制研究(故障认定 + 容错运行+ 故障处置)、测试环境建立(屏蔽室+ 混响 室+ 测试仪器)、演化硬件实验 (遗传算法+ 可编程器 件)。在此基础之上, 又展开了部分的故障单元自修复 研究,进而可对变更的任务自适应环节进行初步的探 讨,并完成了通过演化硬件技术以仿生方式建立代偿机 制的验证工作。尽管距离实质性的电磁仿生研究相去 尚远,但作为先期工作亦是必不可少的,现专述如下: ( 1) 硬件平台的制作 �实现了可供推演的遗传算法并使其得以初步验 证的简单硬件编码平台;进行了嵌入式实时系统和硬软 件协同设计的研究和开发工作;尝试了能在部分或全局 范围内进行电路自组织、自配置的系统原型, 完成了基 于 FPGA 芯片的∃分频器%演化实验[31]。在此基础上探 索了恶劣环境下的容错运行问题并进行了初步的嵌入 式系统硬件故障自修复和自适应研究[ 32]。 !进行了基于常规 FPGA芯片和外部型进化设计的 并行式分体 TMR 和并行式共体 TMR 的前期实验和相 关技术开发,直接使用抗扰能力较强的现场总线技术构 成网络环境并进行了相关技术的综合实现,进而拓展成 为一个基于虚拟仪器的测试与控制的闭环系统,以进行 演化过程的设定、运行以及适当的人工介入和调控[33]。 ∀完成了通过 JTAG 端口由进行演化计算的主控 #5# 自 然 杂 志 31 卷 1 期 特约专稿 计算机将配置数据流自动下载到 FPGA 器件并予以验 证的硬件平台,由此将该器件设定成为一个可以单独工 作的∃单片系统% ,从而实现了无刷直流电机容错控制系 统[ 34]。 ( 2) 软件工具的开发 �建成了基本的 EHW 环境和电子电路进化设计 遗传算法软件包、适应度评估软件、用户接口程序和电 路模拟仿真等相关软件。可以通过软件进化的电子电 路设计,把染色体转换成 FPGA芯片中的实际电路并实 时仿真运行及评估设计结果。同时,专门制作了一个图 形用户接口以便于将待解问题形式化和设计结果可视 化,并通过 IP内核开发与半定制工作,初步形成了较为 完整的开发环境。在此基础上,自主设计并完成了以软 件形式为主的∃ 循环灯%演化实验[ 35]。 !逐步深化了遗传算法的数学研究与基于硬件描 述语言的程序实现,使得系统能对突发和未知类型的故 障之特点迅速筛选自恢复或自愈合的最佳方案,并完全 基于演化算法对逻辑单元进行重配和组合,以使实验系 统从电气结构、连接方式以及局部性能等方面均会根据 具体实验需要或故障情况而自行调整[36]。 ∀进行了以 FPGA 和 QUARTUS 为基础平台的 EHW环境建立研究,对被控对象按照预定模式进行相 应的控制,形成了一个完整的外进化闭环结构[37]。 ( 3) 特色实验 �针对多种普通 MPU 系统、DSP 系统、CPLD、FP� GA控制系统和网络环境下分体式 TMR (三模块冗余) 系统的电磁兼容以及毁伤阈值的测定[38]。 !使用 EMC 扫频仪对部分系统电路核心部件进行 自身电磁环境的定量测试,以直观显示电磁辐射(内场) 强度分布情况。这不仅能够为芯片和器件的选择直接 开启了方便之门,更为日后 FPGA 类型芯片内部单元的 组织、划分及其使用强度的控制提供了不可或缺的基础 环境,甚至还能为抗扰电路系统的制作从设计和测试角 度提供参考。 6 结束语 演化硬件在电路设计领域引发了一场巨大的变革, 并将为以仿生防护为特征的新型电磁防护技术的建立 起到非常关键的作用。这使得直接面向应用的研究工 作更加现实、可行,进而又使复杂电磁干扰环境下芯片 一级的新型防护设想在理论探索与系统实现两方面更 具有明确的实施前景和深化研究的可能。 然而,电磁仿生毕竟是一个全新的领域,学科融合 范围广、跨度大,具体实现时所需的环境复杂、技术要求 高、探索性强且研究周期较长,需要同时进行大量新概 念、新方法的探索以及基础模型的建立和原理样机的试 制。其挑战巨大,机遇亦是难得,有待立足国内,统一协 调,做到需求牵引、技术推动、理论先行、面向应用。后 续的研究已经需要针对特定的研究对象,再从理论与实 践两个方面分别建立、验证相应的仿生模式。同时, 特 别需要从生物体自身运行的规律和基于电子芯片的生 物仿生研究角度投入更多的力量,以使电磁学、电子学 和仿生学通过深入交叉、有机融合的方式而拓展成为新 颖的研究方法和机会,产生一项能够对电子系统设计和 制造具有参考价值或指导意义的仿生防护技术,获得原 始性的创新成果。从而,可从整体拓宽电磁防护的科研 领域与项目规模,亦可将复杂电磁环境下电子系统的电 磁防护研究推向一个新的阶段。 ( 2008年 11月 24日收到) [ 1 ] 刘尚合. 静电放电及静电防护的研究与进展[ M ] / /徐匡迪, 编. 中国科学技术前沿(中国工程院版第 6 卷) .北京:高等教育出 版社, 2003: 167�202. [ 2 ] 刘尚合. 武器装备的电磁环境效应及其发展趋势 [ J] . 装备指 挥技术学院学报, 2005, 16 ( 1) : 1�6. [ 3 ] 刘尚合,孙国至. 复杂电磁环境内涵及效应分析[ J] . 装备指挥 技术学院学报,2008, 19 ( 1) :1�5. [ 4 ] 路甬祥. 仿生学的意义与发展[ J] . 科学中国人, 2004, 4: 23� 24. [ 5 ] 徐宗本,张讲社,郑亚林. 计算智能中的仿生学:理论与算法 [ M ] . 北京:科学出版社, 2003. [ 6 ] 刘尚合,宋学君. 静电及其研究进展[ J] . 自然杂志, 2007, 29 ( 2) : 63�68. [ 7 ] 埃尔温 # 薛定谔. 生命是什么 [ M ] . 罗来鸥,罗辽复,译. 长 沙:湖南科学技术出版社, 2007. [ 8 ] 李冬黎,何湘宁. 仿生学在电力电子学中的应用研究[ J ] . 电工 技术学报, 2002, 17( 1) : 64�67. [ 9 ] 伊#普里戈金,伊# 斯唐热. 从混沌到有序[ M ] . 曾庆宏, 沈小 峰,译. 上海:上海译文出版社, 1987. [ 10] 弗里德里希# 克拉默. 涨沌与秩序 � � � 生物系统的复杂结构 [ M ] . 柯志阳,吴彤,译. 上海:上海科技教育出版社, 2000. [ 11] 李冬黎,何湘宁,张晋. 仿生学在电力电子系统设计中的应用 [ J] . 中国电机工程学报, 2002, 22( 8) : 17�21. [ 12] YAO X. Follow in g the p ath of evolvab le hardware[ J] . Com� municat ions of th e ACM, 1999, 42( 4) : 47�49. [ 13] YAO X, H IGUICH I T . Promises and challenges of ev olvab le hardw are[ J] . IEEE Trans. on System s, Man and Cyb er netics� Par t C: Applicat ions and Review s , 1999 , 29 ( 1) : 87�97. [ 14] YUAN L. FPGA�b ased ex per imentation for TMR structure and evolutionary approach of self�recov ering[ C ] . Procedings of the Fir st Internat ional Con feren ce on Maintenance Engi� neering, C hengdu, China, 2006: 172� 179. [ 15] KONSTANTIN K L. Sin gle�elect ron devices and th eir appli� cat ions[ C] . Proceedin gs of the IEEE, 1999, 87( 4) : 606� 632. [ 16] 戈瑟. 纳电子学与纳米系统:从晶体管分子与量子器件[ M ] . 陈贵灿,译. 西安:西安交通大学出版社, 2006. [ 17] 马立人,蒋中华. 生物芯片[ M ] . 北京:化学工业出版社, 2000. [ 18] MANGE D. T ow ard self�Repairin g and self�replicat ing hard� #6# Chinese J ournal of Natur e Vo l. 31 No . 1 Invited Special Paper w ar e : Th e embryon ics apporach[ C] . Proceedin gs of the S ec� ond NASA/ DOD Workshop on Evolvable Hardw are , 2000 : 205� 214. [ 19 ] JOHN von N. Theory of sel f�r epr oducing automata [ M ] . Ch ampaign, I L, USA: Univer si ty of Illinois Pr ess, 1966. [ 20] MANGE D. In tr oduction to embryon ics: toward n ew self�re� pairing and self� rep roducing hardw are based biological�l ike pr operties [ J ] . Ar ti f icial Life and Virtual Realit y, 1994: 61� 72. [ 21] ANDR� S, DANIEL M, JO � L R, et al. B io� inspir ed systems w ith sel f�d eveloping mechanism s[ C ] . Pr oceedin gs of the 7th In ternat ional Con fer en ce on E volvable System s: Fr om Biology to Hardw are( IC ES2007) , 2007: 151�162. [ 22] BIDL O M. Evolutionary design of generic combin ation al m ul� t iplier s using developm en t [ C ] . Proceedin gs of th e 7 th Inter� nat ional Con fer en ce on Evolvable System s: From Biology to Hardware( ICE S2007) , 2007: 77�88. [ 23] YANG E , AHMET T E, TU GHRUL A, et al . System�level m odel ing and mul ti�object ive evolu tion ary design of pip elined FFT processors for wi reless OFDM receivers[ C] . Proceed ings of th e 7 th Inter national C onference on Evolvable Systems: From Biology to Hardw are( ICES2007) , 2007: 210�221. [ 24] H IGUCH I T , LIU Y, YAO X. Evolvable hardw are [ M ] . New york : S prin ger Scien ce+ Business M edia, LL C, 2006. [ 25] TH OM PSON A. Analysis of unconvent ion al evolved electron� ics[ J] . C omm unicat ion of the ACM, 2002, 42( 4) : 71�79. [ 26] ST OICA A, KEYMEU LEN D, Z EBU LUM R, et al. Ad ap� t ive and evolvable an alog elect ronics for space ap plications [ C ] . Proceedings of th e 7th Inter national Con fer ence on Evolvable System s: From Biology to Hardw are( ICES2007 ) , 2007. 379�390. [ 27] 康立山,何魏. 用函数型可编程器件实现演化硬件[ J ] . 计算机 学报, 1999, 22( 7) : 781�784. [ 28] 王友仁, 崔坚. 仿生硬件及其进展 [ J ] . 中国空间科学技术, 2004, 6: 32�42. [ 29] 赵曙光,杨万海. 基于函数级 FPGA 原型的硬件内部进化[ J ] . 计算机学报, 2002, 25( 6) : 666�669. [ 30] 朱明程,温粤. FPGA 动态可重构数字电路容错系统的研究 [ J] . 东南大学学报, 2000, 30( 4) : 138�142. [ 31] 原亮,杨文飞,张政保,等. 使用常规 IC的演化硬件电路设计实 例[ J] . 计算机测量与控制, 2006, 14( 11) : 1518� 1520. [ 32] 吴会丛. 基于 EHW 的芯片级电磁损伤自修复技术研究[ D] . 军械工程学院博士学位论文, 2007. [ 33] 耿娟. 演化硬件研究中虚拟仪器系统的设计实现[ D] . 军械工 程学院硕士学位论文, 2006. [ 34] CHU J , Z HAO Q, DING G L, et al . Th e im plementation o f ev olvable h ar dwar e closed loop [ C ] . ICICT A, 2008, ( 2 ) : 48�51. [ 35] 吴彩华. 遗传算法在演化硬件技术中的应用研究[ D] . 军械工 程学院硕士学位论文, 2006. [ 36] 原亮,丁国良,褚杰,等. EHW 实现过程中 V HDL 程序自动生 成研究[ J] . 军械工程学院学报, 2008, 20( 4) : 66�69. [ 37] 黄飞云. 演化母板及其闭环实验系统的研究与实现[ D ] . 军械 工程学院硕士学位论文, 2007. [ 38] 刘文冰. ESD 抗扰度试验方法和试验平台研究[ D] . 军械工程 学院硕士学位论文, 2007. Electromagnetic Bionics: A New Study Field of E� lectromagnetic Protection LIU Shang�he � , YU AN Liang ! , CHU Jie ∀ � CAE Member , ∀ Ph . D. Candidate, Inst itu te of Elect rostat ic and E� lectromagnetic Protect ion , Ordnance Engineering College , Shij iazhu ang 050003, China ; ! Professor , Department of Computer Engineering, Ord� nance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China Abstract Th e t radit ional method s of ant i�jamm ing b ecome less and less ef f ective for tw o reasons. Fir st , the h igher in tegrat ion of the IC chips causes their h igher sensit ivity to elect romagnet ic inter fer� ence( EMI) , and the second , much w orse w ork ing elect romagnet ic envir onment th e IC chips h av e to face. In thi s case, som e basic concepts of b io� sy stem w er e in tr od uced, their characterist ics and the symmetry b etw een bio�system and electr onic system w ere dis� cussed in detail . Th is id ea w as also tr ied to f i t into th e area of elec� t romagnet ic protect ion. Th en , a n ew kind of protect ion m ode based on the bionic m echanism and mod el w as cr eated and tested p rimari ly. Furth er more, the relat ive concepts o f elect romagnet ic bionics ( EMB ) , the techn ical foundat ion and th e f inal goal of EMB w ere expat iated. Finally, some successful w oks in th is study are li s� t ed to prove th e feasibil ity an d ef fect iven ess of EMB, and the im� por tance and the n ecessity of founding EMB d isciplin e. Key words electrom agn etic bion ics, bio�system, elect romagnet ic p rotection, evolvable h ardw are (责任编辑:温文) 自然信息 通过化石研究古生物的摄食关系 由 Seuss 博士创立的竞争性的生物 生存模式在 5亿 4 千万年前曾在这潮湿 的世界里处处可见。很久以来生态学家 就很想知道这些蠕虫、海藻、海绵、三叶 虫、蜗牛以及大型动物是如何构成食物 链的。一项根据中国和加拿大的化石作 出的分析显示,这些存在于寒武纪的海 洋植物和动物所构成的摄食关系网络 ( food web)同今日存在的摄食关系网络 相当。新墨西哥州圣达菲( Santa F e) 研 究所的生态学家 Jennif er Dunne及其同 事 2008年 4月 28 日在 PL oS Biology 网 络版上报道说, 这些远古时代的网络同 样适应在现代礁体、沙漠和海湾中生活 的∃ 居民%所遵循的规则。 德国吉森 Justus Liebig 大学生态学家 Volkmar Wolters 说: ∃ 我感到吃惊的是:这 项研究的结论确实是可信的。这个结果激 发人的想象,具有丰富信息含量,所揭示的 有关寒武纪生物群落潜在结构令人吃惊。% 摄食关系网络是描述特定生态系统 中植物、动物和微生物间摄食关系的复杂 网络。在过去的 30年里, 研究者已搞清 了摄食关系网络中与栖息地和特定物种 无关的某些分配模式。物种的数量构成 了网络和支配某些元素相连接的网络的 度( degree)。例如, 处于顶端的食肉动物 的数量、杂食动物的百分比, 等等。 Dunne感到惊奇的是这些模式的出现竟 然如此之早, 化石 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 似乎早已真实地提 供了有关谁吃掉谁的足够详尽的信息。 (下转第 32页) #7# 自 然 杂 志 31 卷 1 期 特约专稿