基于膜计算的仿生自修复功能阵列设计方法

Due to severe environmental conditions, the hardware circuits of mechatronic equipment working in outer space and deep sea easily break down. The failure cannot be directly repaired by manpower, which requests the hardware circuits having high reliability and high adaptivity. Compared with multiple modular redundancy, bio-inspired functional array inspired by the structure and information processing mechanism of cell will be more effective and promising, which can realize high reliability and high adaptivity circuits with smaller granularity and lower resource consumption. However, how to design high-efficiency mechanism of self-organization and self-repairing is a key technology of bio-inspired functional array. Thus, based on the elaborate analysis of the developmental and self-healing mechanism of biological tissue, an abstract model of bio-inspired functional array is built by introducing membrane computing. Based on the model, a self-organization and self-repairing mechanism of bio-inspired functional array is developed. Then, a bio-inspired functional array with multi-layer communication networks is designed. In the end, an experiment for multi-axis synchronous controller is developed to verify the method of self-organization and self-repairing. In summary, the proposed method in this project will provide theoretic and technical support for the practical use of bio-inspired functional array.

空间、深海等应用领域的机电装备，因其工作环境恶劣，其中的功能电路系统极易出现故障，且故障后人工维修极为困难甚至不可达，客观要求系统具有高可靠性和环境适应能力。相对于传统多模冗余容错方法，借鉴生物结构和信息处理机制而设计的仿生功能阵列，是一种以较小冗余粒度与资源消耗实现功能电路高可靠性和环境适应性的新技术途径。其中高效的仿生功能阵列自组织自修复方法是其应用所亟待解决的关键问题。为此，本项目在分析生物组织发育与自修复机制基础上，通过引入膜计算理论，建立仿生功能阵列的膜计算模型，研究基于膜计算自组织自修复方法，设计一种具有多层通信网络的仿生功能阵列，并以多轴同步控制器为对象，开展实验研究与综合验证，为仿生自修复功能阵列走向实用提供理论与技术支持。

以空间、深海等应用领域机电装备高任务可靠性和环境适应性需求为牵引，以提高仿生功能阵列自修复性能为核心，在分析生物组织发育与自修复机制基础上，通过引入膜计算理论，建立了仿生功能阵列的膜计算模型，研究了基于膜计算自组织自修复方法，设计了仿生功能阵列结构，并以多轴控制器为对象，开展了实验研究与综合验证，为仿生自修复功能阵列走向实用提供理论与技术支持。本项目取得的创新性研究成果如下：. 1、首次将膜计算理论引入仿生功能阵列，提出了基于群体膜系统的仿生功能阵列自组织方法。深入分析了生物个体发育过程和组织功能重组过程，研究了生物个体发育与自修复过程的抽象方法；基于膜计算理论，建立了仿生功能阵列的膜计算模型，构建了一种配置信息动态计算模式；利用膜计算转换规则和通信规则更新每个细胞的配置信息，实现了仿生功能阵列的自组织；在此基础上，研究了仿生功能阵列布局优化方法及任务图分割方法，进一步改善了布局质量，平衡了资源消耗和配置时间需求。. 2、提出了基于膜计算理论的仿生功能阵列自修复方法，实现了仿生功能阵列自组织与自修复方法的有机融合。建立了基于动态细胞的群体膜系统仿生电子阵列抽象模型，提出了基于群体膜系统和通信X-机的自修复方法，设计了基于细胞互检测的仿生功能阵列故障检测方法，实现了仿生功能阵列结构自修复。在此基础上，进一步考虑性能优化问题，将单细胞移除转变为多细胞功能传递过程，提出了基于动力演化的仿生功能阵列自修复机制，有效提高了功能电路性能。. 3、构建了新型的仿生功能阵列硬件结构，解决了仿生功能阵列通信瓶颈及计算瓶颈问题。将片上网络与近邻连接有机结合，构建了一种新型的多层结构通信网络体系，解决了仿生功能阵列通信瓶颈问题；设计了基于计算流水线的仿生功能阵列硬件结构，提高了系统计算能力；研究了基于仿生功能阵列的多轴控制器原型设计方法，探索了不同结构在仿生功能阵列中应用效果。