仿生容错系统演化修复能力研究

基于演化硬件技术构建一种仿生容错系统,通过不同模式、数量的故障注入对其演化修复能力进行研究,得到系统故障状况与演化修复能力间的关系：(1)随着故障数量的增加,系统演化修复能力的主要影响因素从演化算法的效率逐步向演化修复过程中的故障“躲避”概率转移;(2)系统的演化修复能力与故障数量符合指数衰减规律。     

基于演化硬件的容错电路设计与实现

在讨论了电磁仿生和演化硬件内进化运行机制的基础上,引进虚拟可重构电路技术,完成了演化平台的设计和容错电路的实现;在传统CGP模型上改进加入(1+λ)演化策略,采用内进化方式,在注入部分虚拟固定故障的条件下,实现了2位乘法器容错电路的演化生成,多次实验得出的平均演化代数约在11000代左右;从而为研究电路的在线演化和自修复工作提供有效的技术支持,为提高电子系统在复杂电磁环境下的抗扰和防护能力提供了新的途径。     

一种基于仿生原理的Sobel算子容错方法

提出一种基于仿生原理的Sobel算子容错方法。通过对蛋白质标记与识别、同类细胞替换、干细胞分化和异类细胞转换4种生物机制的模仿,设计了电子组织的结构,该结构具有层次化自修复的能力。用MPI编程的方式实现了根据Sobel算子定制的电子组织,并且通过故障注入实验验证了该方法对Sobel算子容错的可行性。     

系统异构冗余容错设计研究

提出了一种新的三模异构冗余自修复系统的设计方法,设计出了异构评价函数。利用演化硬件具有自适应与自修复的功能,实现了具有N模冗余特性的三模冗余电路。首先,利用遗传算法进化出3个原始功能电路;然后,每进化出一个具有相同功能的电路进行一次非相似度评价,选择出非相似度最大的3个电路保留,并进行应用。当3个异构电路中有一个出错后,对故障电路屏蔽,可进化修复该出错电路,并重新投入运行。从而大大地提高了容错性能,且具有体积小、成本低、功耗小、不影响系统正常运行等优点。利用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)对二位比较器进行容错设计验证,分析比较了非相似度评价在异构设计中的作用与影响,实验结果证明了新方法的可行性和电路的高度可靠性。     

演化硬件的容错模式研究

提出一种基于演化硬件的补偿容错模式,将被检对象和重构对象分离,以避免自重构容错模式可能对系统造成破坏的危险.该容错模式在不影响原电路工作的前提下,利用演化硬件的自适应特性,重构出相应的电路对出错电路进行输出补偿,从而达到容错的目的.实验表明,补偿容错模式能以少量的冗余代价换取更优的容错性能,并且修复时间比自重构容错模式短,有利于实时容错.     

仿生硬件技术及其发展趋势分析

文章详细介绍了仿生硬件的概念、特点、研究历史及国内外的发展概况,阐述了仿生硬件两大发展方向——胚胎型仿生硬件和进化型仿生硬件,重点分析了进化型仿生硬件的关键技术——可进化硬件电路、硬件进化方法、个体电路适应度评估方法,并列举了国外仿生硬件的典型研究成果,指出了仿生硬件在发展中存在的问题及其前景。     

胚胎电子系统动态重构的设计与实现

胚胎电子系统是一种具有自诊断、自修复、自复制能力的仿生硬件;为实现胚胎电子系统的故障修复与硬件复用等功能,设计了支持动态重构的配置控制电路;该配置控制电路针对胚胎电子系统的结构特点,利用其自身的多页存储器,实现了基于多页存储器快速切换的动态重构,可以实现胚胎电子系统基于模块的功能切换与硬件资源的复用;仿真实验表明,配置数据可以在线的下载到配置存储器中,下载过程中不影响其它模块的正常运行,满足胚胎电子系统动态重构的需要。     

电子组织:一种具有自适应能力的可重构仿生硬件结构

具有自适应能力的仿生硬件是容错领域一个新兴的研究方向.同类细胞替换、成体干细胞分化和异类细胞转化等生物机制是人体血液组织健壮性的重要来源.受这些生物机制的启发,提出了一种名为电子组织的自适应可重构多细胞阵列结构.该结构采用了基于标记与识别的数据处理方式,解除了传统多细胞阵列结构中操作与细胞单元间的严格绑定的数据处理方式,使得电子组织具备了更为灵活的细胞单元替换能力,并在此基础上实现了同类细胞替换、成体干细胞分化和异类细胞转化3种仿生机制.这3种机制使电子组织具备了层次化的自我修复能力;成体干细胞分化和异类细胞转化机制又赋予了电子组织自我进化的能力.在FPGA上实现了原型系统,通过故障注入实验验证了原型系统的自我修复能力和自我进化能力;并通过与电子DNA结构的比较,对电子组织的自适应能力进行了分析与讨论.     

电磁防护仿生技术研究的进展与展望

为了从生物中汲取灵感,进而设计抗干扰能力强、可靠性高的电子系统,对近些年新兴的电磁防护仿生技术的发展脉络进行了详细总结.阐述了电磁防护仿生技术主要研究内容,并展示了现阶段电磁防护仿生研究已取得的成果.生物的神经系统是高度复杂的信息处理和控制系统,具有自组织和自适应的优良特性,同时也具有很高的容错能力.因此,结合神经信息处理方式、编码特点和集成电路实现,进一步探讨和分析了进行电磁防护仿生研究的新思路.     

一个四余度容错计算机系统（QFTCS）的硬件／软件结构设计

随着计算机应用领域的日益扩大及实时控制系统的发展，对计算机系统的可靠性要求越来越高。例如在电话交换系统，航空航天控制系统，铁路交通控制系统中，哪怕是一个细微的故障，也可能带来灾难性的后果。本文设计了一个满足高可靠性要求的容错设计机系统，介绍了该系统的设计原则及硬件的软件的结构。     

水厂自动化监控系统设计及容错技术应用研究

自动化监控系统已成为许多工业企业中非常重要的部分,而容错技术是保证系统可靠性的有效方法。本文以自行研制开发的某水厂自动化监控系统为例,首先介绍了系统的设计和实现方法。该系统采用三层网络结构来完成对水厂各设备的监控,通过PLC实现设备数据的采集,Profibus-DP和以太网实现数据的传送。分析了监控系统中常用容错技术的原理,并详细介绍了系统中容错技术的实现方法。该系统在某水厂得到了成功的应用,取得了满意的效果。     

A Hardware Artificial Immune System and Embryonic Array for Fault Tolerant Systems

Nature demonstrates amazing levels of fault tolerance; animals can survive injury, damage, wear and tear, and are under continual attack from infectious pathogens. This paper details inspiration from biology to provide fault tolerant electronic circuits. An artificial immune system (AIS) is used to detect faults and an embryonic array to quickly reconfigure around them. The AIS makes use of a negative selection algorithm to detect abnormal behaviour. The embryonic array takes its inspiration from the development of multi-cellular organisms; each cell contains all the information necessary to describe the complete individual. Should an electronic cell fail, its neighbours have the configuration data to take over the failed cell's functionality. Two demonstration robot control systems have been implemented to provide a Khepera robot with fault tolerance. The first is very simple and is implemented on an embryonic array within a Virtex FPGA. An AIS is also implemented within the array which learns normal behaviour. Injected stuck-at faults were detected and accommodated. The second system uses fuzzy rules (implemented in software) to provide a more graceful functionality. A small AIS has been implemented to provide fault detection; it detected all faults that produced an error greater than 15% (or 23% off straight).     

容错CORBA系统的设计与实现

CORBA是基于对象技术的中间件平台的最流行的标准之一 .CORBA对应用屏蔽了分布式系统的异构性 .然而目前 CORBA还没有考虑容错问题 ,而容错是运行在异构环境中的分布式应用的核心问题之一 .因此 ,在最近几年许多为 CORBA应用添加可靠性和可用性的建议出现在各种文献上 .本文分析了这些建议的优、缺点 ,并提出了一个新颖的与 CORBA兼容的方法 ,这种方法不同于异步环境中可靠结构的分发方法 .     

几种常用容错控制系统的可靠性探讨

本文探讨了几种常用的容错控制系统的可靠性，并给出了具体的指标计算方式。     

RTEMS嵌入式系统中的软件容错设计

为了提高嵌入式系统在恶劣环境下的可靠性,除了在硬件上采用诸如双机冷备份之类的容错方案外,在实时操作系统级提供软件容错处理功能既可以减小硬件资源开销,又可以在不影响系统工作效率的前提下明显提高系统的容错纠错能力.本文针对RTEMS实时操作系统缺乏软件容错支持功能的不足,在操作系统级设计了一套两级软件容错的方案,提高了嵌入式系统的可靠性.     

协同系统中可扩展的动态容错模型研究及实现

针对协同系统的特点以及其对可靠性、实时性和性能等方面的要求，提出了一种可扩展的动态容错模型xDFT（Extensible Dynamic Fault Tolerance Model，xDFT）．本容错模型将容错支持结构和容错机制结合在一起：在本模型中首先定义了一种可扩展的、动态容错支撑结构；基于此，提出了一种容错机制．xDFT模型能够根据系统负载状况设定服务节点的负载阈值，改变服务冗余度，不仅提高了服务效率，而且以一种简单有效的方式实现了负载平衡．     

生物启发的容错计算技术研究

作为复杂的长寿系统的标志性特性,容错性由传统的技术实现起来极为困难。受复杂的生物系统的高度容错性启发,文章以POE模型为基础研究了生物启发的容错计算技术的三个主要领域(胚胎电子学、免疫电子学和可进化的硬件),介绍了胚胎电子细胞阵列的层次结构及容错策略;论述了免疫电子学的重要成就、免疫-胚胎电子学的一般结构和抗体学习及可进化的硬件的主要机理;讨论了生物启发容错计算的研究前景。     

分布、实时、容错一体化设计方法研究

针对分布式航天器系统的运行环境和特点，对嵌入式系统在空间环境、实时、容错、分布上的需求进行了分析，提出了分布、实时、容错一体化的嵌入式系统设计方法，从满足实时要求下的实时容错能力、免疫与自愈相结合的综合容错能力、单节点的容错与节点间容错相结合的分布容错能力和多种容错方法集成等4个方面，对设计方法进行了阐述。     

Fault tolerance in co-evolutionary communication of EHW modules

Evolvable Hardware (EHW) is a new concept that applies evolutionary algorithms to hardware design. Based on previous work on co-evolutionary communication of EHW modules, this paper investigates the new feature of fault tolerance for this model. A fault model is built for the communication line between EHW modules. The experiment demonstrated in the presentation is the simulation of injecting stuck/bridging faults into an EHW-based serial adder that has been previously developed. The outcomes imply an outstanding feature of fault tolerance in this system with 100% fault coverage, which paves the way for bio-inspired approaches to fault tolerant design instead of the classic ones.