摘要: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
关 键 词 电 磁 防 护 仿 生 电 子 系 统 电 磁 环 境 演 化 硬 件 神 经 系 统
　　引 言
　　随 着 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 电子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 电子系统受到电磁干扰可能无法 工 作 甚 至 局 部 损 毁 这势必造成巨大的经济损失和安全隐 患 迄 今 为 止 国内外电磁防护主要方法仍然是滤波屏 蔽 防护器件等传统防护方式 传统防护方法能够为电子 系 统 提 供 保 护 但是存在局限性 美国密苏里科技大学的 团队专门研究了静电放电对 各 种 器 件 的 影 响 保 护 电 路 虽 然 能 在 一定程度上保护电路不受静电损伤 但 是 引 起 的 干 扰 依然可以引入到芯片内部导致系统产生故障 在 航 天 通信尤其是涉及国防安全的领域 由于电磁兼容问题带来的电子 系 统 故 障 危 害 性 极 大 电磁防护仿生研究的目的是从生 物 系 统 中 汲 取 灵 感 设计具有自组织 自 适 应 自 修 复能力 的 电 子 系 统 提高电子系统自身在电磁干扰环境下的稳定性和可靠性
　　电磁防护仿生研究内容
　　自然界是人类知识的宝库 智 慧 的 源 泉 仿 生 科 学 是科技创新的重要动力之一 它通过研究生物的结构 性 状计算机工程与设计 年原 理 行 为 等 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 电磁防护仿生研究利用仿生技术 使得电子系统像生物一样具有 自 组 织 自 适 应 自修 复 功 能 从而使得电子系统能够适应外部电磁干扰环境 的 变 化 当电子系统受到干扰产生故障时 系 统 仍 能 容错运行或者及时从故障中自动恢复
　　根据电磁防护仿生研究的目标 需 要 从 三 个 方 面 开 展电磁防护仿生研究工作
　　电磁防护仿生原理研究
　　电子工程设计的电路系统在电磁干扰环境总是暴露出各 式 各 样 的 缺 点 和 不 足 但 是 生 物 经 过 亿 年 的 不 断 进化 能够很好适应多变的外部环境 因 此 以 生 物 进 化 论为基础的演化硬件相关理论为设计具有自适应能力电子系统提 供 了 理 论 依 据 演化硬件实际上是演化计算和重配置硬 件 的 集 合 演化计算对生物进化过程的模拟 通 过 对电 路 种 群 的 选 择 交 叉 和 变 异 不断改变重配置硬件的内部 结 构 从而使得电子系统能够适应当前的环境变化 生物进化的另一个结果就是产生了十分精巧的结构 机 制这些结构和机制具有很好的鲁棒性 是生物一段时间内适应 环 境 的 基 础 同样是电磁防护仿生研究不能忽略的部分
　　因 此 通过对生物进化机制和生物某些结构 机 制 的鲁 棒 性 进 行 深 入 研 究 设 计 可 进 化 的 可靠的电子系统有望为电磁防护仿生研究提供理论依据 并进一步形成电磁防护仿生的基本原理电磁防护仿生模型研究电磁防护仿生研究需要解决防护原理的 领 域 转 换的 问 题 即把生物维持系统稳定性和鲁棒性的基本结构机 制 原理映射到电子系统设计之中 电磁防护仿生模型是实 现 领 域 转 换 的 桥 梁 仿生模型可以用数学方法描述仿生 防 护 原 理 或是用算法描述生物运行机制 或 是 用 电 路模型直接构建生物的基本结构目 前 电磁防护仿生研究至少应从两个方面进行建模一 方 面 模拟生物进化过程建立高效的演化计算算法 同时构 建 重 配 置 电 路 模 型 演化算法和重配置电路模型能够让电子系统灵活改变目标电路的结构 通过进化方式适应电 磁 环 境 变 化 另 一 方 面 模拟生物某些器官结构和信息处理机制建立数学模型或者电路模型 利用建立的电路模型直接设计电子系统使其具有优良的可靠性和稳定性电磁防护仿生电子系统电磁防护仿生研究的目的是为了提高电子系统在电磁干扰环境下的稳定性和可靠性 因 此 电磁防护仿生技术研究最终要把电磁防护仿生原理映射到电子系统的设计之中 提高电子系统在电磁干扰环境下的稳定性和可靠性随着现场可编程门阵列现场可编程晶体管阵列以 及 现 场 可 编 程 模 拟 阵 列等 可 编 程 芯 片 的 发 展 设 计 可 进化 的 电 子 系 统 成 为 可 能 和生物进化的概念类似 这 些 可进化的硬件能够在复杂多变的外部环境下不断进化 优 化自 身 结 构 从而达到适应环境的目的随着大规模集成电路技术 单 电 子 器 件 量 子 器 件 和生物 芯 片 的 进 步 和 研 制 从结构上模拟生物优良的特性也不再 是 遥 不 可 及 的 事 科学家通过对生物神经系统深入研究 建立了很多神经网络模型 而且研究人员致力于用硬件电 路 模 拟 生 物 的 神 经 网 络 并期望硬件电路能够获得生物神经系统的优良特性电磁防护仿生研究主要成果目 前 电磁防护仿生研究取得的成果主要包括三个 方 面开辟了电磁防护仿生研究新领域明确了电磁防护仿生研究的内涵 即 通 过 研 究 生 物 系统 运 行 机 理 建 立 仿 生 模 型 采用全新的思路 方 法 和 技 术深 入 进 行 电 磁 干 扰 防护等方面的理论研究 对 传 统 的 抗扰 方 式 进 行 强 化 补 充 与 完 善 从而构造出适于复杂多变电磁环境的电子系统对仿生研究进行详细分类 形 成 仿 生 坐 标 并 对 电 磁防护 仿 生 研 究 进 行 准 确 定 位 在工程实现级别上对仿生进行 了 分 类 依 次 为 表 象 级 行为级和分子级 表 象 级 主 要是对生物的形态和结构进行仿生 行为级主要是对生物的本 能 智 能 等 功 能 进 行 仿 生 分子级是从材料的角度进行仿 生 三个仿生级别层层递进难度也逐渐增加 电 磁 防 护仿生研究的目标是设计自组织 自适应和自修复功能的仿生 电 子 系 统 适应复杂电磁干扰环境 因 此 电 磁 防 护 仿生 研 究 应 属 于 行 为 级 仿 生 包括对生物的结构 运 行 机 制和 功 能 的 仿 生确立了以演化硬件 技 术 为基础的电磁防护仿生技术研究 演化硬件技术使得电子系统像生物一样能根据外部环境的不同或变化而自主地 动态地改变自身结构或功能以适应其外部环境的硬件电路 生物通过自然选择不断进化 生物体通过交叉 变异产 生 各 种 基 因 在优胜劣汰的机制下逐渐形成适应能力强 的 优 秀 个 体 生物进化基本理论是演化硬件的理论基础演化硬件技术发展的一个十分重要的方向就是模拟生物进化过程设计高效的演化算法 因 此 生物进化基本理论是电磁防护仿生技术的理论基础之一 演化硬件技术则是电磁防 护 仿 生 的 技 术 途 径 之 一 而利用演化硬件技术设计自适应和自修复功能的电子系统 是电磁干扰环境下防护仿生研究的重要目标之一开展了典型可编程器件的电磁损伤效应研究等 可 编 程 芯 片 是演化硬件的主要实现载体通 过 对 等可编程芯片的电磁损伤效应实验研究 获第 卷 第 期 常小龙 赵国亮 武翠霞 等电磁防护仿生技术研究的进展与展望得静电放电或电磁干扰引起 管脚损伤的敏感阈值 实 验 对 公 司 的 型 号 芯 片 进行 测 试 结 果 表 明 输入管脚静电放电电压大于时 产 生 损 伤 而 输 出 管 脚 在 时 产 生 损 伤 实验中还发现静电放电引起的管脚损伤模式通常是对地短路输出管脚电平固定为 据此建立了静电放电引起电路故障模型 和 故 障 仿 真 模 型 为电子系统可靠性设计提供实验依据 并为演化自修复算法的性能分析提供了故障仿真模型根据电磁防护仿生研究目标进行电磁防护仿生电子 系 统 设 计给出了建立电子系统层次结构模型的方法 电 子 系统的 结 构 层 面 进 行 分 析 将其分解为系统功能模块和连接结 构 模 块 两 大 部 分 构建了电子系统的层次结构模型 将电子系统的连接结构映射为一种稀疏矩阵 从 而 将 电 子 系统 的 设 计 故 障 监 测 故障修复等问题转化为特定功能模块下带参数的矩阵求解与优化问题 为电子系统中生物特性的引入提供方法和思路建立了静电放电注入损伤防护模型 设 计 了 具 有 冗余机制和结构自组织功能的虚拟细胞模型 利 用 遗 传 算 法实现 故 障 自 修 复 的 功 能 虚拟细胞模型的细胞质对应于动态重 配 置 电 路 模 型 而虚拟细胞核由一个嵌入式微处理器构 成 里面运行的是故障诊断算法和演化算法 实 现 对 虚拟细胞质的配置和故障监控 该模型提高了电路抵抗干 扰 的 能 力 为了实现电子系统功能自修复 基 于设计了虚拟可重构电路演化平台 对重配置电路模型可编程 单 元 进 行 深 入 分 析 分析重配置电路模型中可编程单元结构对系统演化修复的影响 并提出了利用关键函数优化重配置电路模型的方法 提高电路演化生成速率结合三模冗余技术和演化硬件技术 提 出 了 一 种 三 模冗余演化自修复系统 三模冗余系统能够提高电子系统的 容 错 能 力 引入演化修复技术后 其中一个模块出现故障 或 者 损 伤 时 三个模块两两校验 确定故障模块进行修复 因 此 三模冗余演化自修复技术进一步提高了电子系统 的 可 靠 性电磁防护仿生技术研究经历了概念形成的阶段 目 前在基础实验和电子系统设计两个方向取得了一些初步成果电磁防护仿生技术研究最终要形成电磁防护仿生原理 并运 用 于 电 子 系 统 设 计 之 中 从而提高电子系统稳定性 可靠 性 目前的工作与电磁防护仿生研究的目标相比 还 有很 长 一 段 距 离 电磁防护仿生是电磁学 电 子 学 和 生 物 学构成的一门综合性较强的学科 因此需要多个领域的研究人 员 配 合 研 究 尤其需要加强生物系统在各种干扰环境下稳 定 可 靠 运 行 的 机 理 研 究 以期为电磁防护仿生技术研究 提 供 理 论 基 础 同 时 这也是电磁防护仿生研究亟待解决 的 问 题电磁防护仿生研究新思路经 过 漫 长 的 自 然 进 化 生物产生了十分精良的结构和机制 来 适 应 环 境 作为自然界最复杂的控制和信息处理系统 生物的神经系统具有很强的自适应能力和容错能力 每天都有大量的神经细胞死亡 但并不影响神经系统 的 功 能 而计算机中一个微小的错误都可能导致严重的后 果 脑是生物的控制和信息处理中心 其 在 各 种 干 扰 环境下信息处理表现出良好的鲁棒性 局部细胞的死亡不会太大 程 度 上 影 响 脑 区 的 功 能 脑功能会退化但不存在功能丧 失 的 临 界 点 生物神经系统具有较高的可靠性 其 内 在的信息处理机制将是电磁防护仿生研究一个十分重要的 对 象生物神经信息处理方式神经系统与电子系统在结构和信息处理方式上有着本质 的 不 同 电 子 系 统 尤其是数字电路系统 通 常 采 用 串行 计 算 的 方 式 不同模块之间也通常存在主从关系 在 这样的电子系统中任何一个小的干扰都有可能引起严重的后果 某个电路模块的损伤可能造成系统的崩溃 而 生 物 神经系统是一个并行分布处理系统 不存在单个神经元 对信息 处 理 是 必 不 可 少 的 信息存储在神经元连接强度分布上 信息的处理和传输都是由神经元通过复杂的连接方式相 互 协 调 共 同 完 成 不 难 理 解 神经系统的这种分布并行处理信息的方式必然具有很高的可靠性生物神经信息编码理解神经元和神经系统如何对外界信息进行编码是神经 科 学 研 究 的 基 本 问 题 深入研究神经信息编码 更 有 助于模仿生物神经系统设计抗干扰能力和容错能力较强的电路 早 在 上 个 世 纪 年 代 就对神经编码进行了研究 此后人们普遍接受了神经元频率编码的概念 神 经元能够把来自树突的刺激进行整合进而发放一定频率的脉冲 串 随着研究技术手段进步人们对神经信息编码认识不断 深 入 神经系统对信息进行编码的过程十分复杂 信 息传递和加工过程中绝非单个细胞独立编码 而 是 通 过 一 组神经元构成的神经网络进行编码 也称为群体编码 群体编码大大提高了信息系统的可靠性 单个神经元的损伤不会对信息编码产生太大的影响 生物神经网络对信息的 群 体 编 码 行 为 不仅仅是资源的冗余 而 是 神 经 网 络 中每个神经元共同作用 相互协同的结果神经网络大规模集成电路实现早期人们建立生物神经元模型后 往 往 利 用 相 应 的 模型发 展 成 人 工 神 经 网 络 然后用算法实现解决现实世界的问 题 但是算法实现神经网络无法模拟真实生物神经系统并 行 处 理 信 息 这 一 特 性 更无法模拟生物的电气特性 用电路实现生物神经元以及神经网络是目前研究的热点 特别是随着大规模集成电路技术的发展 在一个芯片上能够计算机工程与设计 年集成大量的神经元电路 这使得科学家可以更加真实地模拟生物神经元和神经网络神经元是神经系统处理信息的基本单位 科 学 家 一 直尝 试 建 立 神 经 元 模 型 研究神经元和神经系统的特性年 提出了神经元的最初模型 积 分 发 放 模 型模型是一种简单的电 路 模 型 但它具有了生物神经元脉冲发放 不 应 期 等 重要 特 性 年 和 通过对哺乳动物视觉皮层的深入研究 提 出 了 模 型第一次用数学模型精确地描述了细胞膜的动态特性 年 提出了一种猫的视觉皮层模型 根据猫的大脑皮层同步脉冲发放现象提出了展示脉冲发放现象 的 连 接 模 型 后来由演变成脉冲耦合神经网络模型年 苏 黎 世大 学 提出了一种低功耗 电 路 模 型 该 模 型 能 够实现脉冲频率自适应机制 年 等 人 基 于技术提出了一种新的脉冲神经元电路模型 该 模 型比 简 单 的 模型实现的脉冲发放模式要丰富的多年中国科学院半导体研究所韩伟华等结合 模 型 和模型提出了一种非常适宜大规模集成电路实现的脉冲耦合神 经 元 电 路 模 型 该模型很好地拟合了真实神经元的点 火 脉 冲 发 放 不 应 期 存 储 等 动 态 特 性 大 大 简 化 了电 路 结 构 神经元电路以及神经网络的大规模集成电路实现 能够高效快速地模拟和分析神经系统信息处理机制是把电磁防护仿生原理转换为电子系统设计的有力技术 途 径综 上 深入理解和研究生物神经系统信息处理机理设计适应电磁干扰环境的电子系统 将是电磁仿防护生技术研 究 不 可 或 缺 的 方 向 探寻生物神经系统稳定性和可靠性 的 基 本 原 理 建立神经网络模型 利用大规模集成电路技术建立神经网络电路模拟神经系统信息处理 进 而 提 高电磁干扰环境下电子系统稳定性和可靠性
　　结束语
　　电磁防护仿生研究作为一个新的科学研究领域 确 立仿生研究对象十分关键 是能否取得研究成果的关键所在生物的进化机制是一种优秀的适应环境的机制 利 用 演 化硬件技术使电子系统具有进化能力 进而适应电磁干扰环境 变 化 是电磁防护仿生研究的重要目标同 时 研究神经系统稳定和可靠运行机理 可 望 成 为电磁防护仿生的重要理论基础 生物的神经系统作为生命体 的 控 制 核 心 具有很高的可靠性和容错能力 神 经 系 统编码和处理信息的方式与传统的电子系统有着本质的不同深入研究神经元以及神经系统工作机理 并根据具体的工程应用背景设计具有故障容错能力的神经元电路和神经网络 电 路 实现电磁干扰环境下可靠地系统控制和信息处理是未来进行电磁防护仿生技术研究的重要方向
    参考文献刘 尚 合 武器装备的电磁环境效应及其发展趋势装备指挥技术学院学报刘 尚 合 原亮褚 杰 电 磁 仿 生 学电磁防护研究的新领域 自 然 杂 志刘 尚 合 褚 杰 原 亮 电子系统的电磁仿生研究与进展装甲兵工程学院学报路 甬 祥仿生学的意义与发展 科 学 中 国 人郑 娟 石玉 吴 琼 勤 等 基 于 单 片 机 的 配 置 设 计 计 算机 测 量 与 控 制满 梦 华 巨 政 权原 青 云 等基于电磁仿生概念的静电放电注入损伤防护模型 设 计 高 电 压 技 术巨 政 权 原 亮 满 梦 华 等 电子系统的层次分解及建 模 现 代 电 子 技 术解 双 建 原 亮 满 梦 华 等 基 于 虚拟可重构电路的演化平台 设计 计算机技术与发展常 小 龙 李 川 涛原 亮 基于电磁防护仿生概念电路演化修复关键技术研究河北科技大学学报巨 政权郑 见 灵 满 梦 华 等三模冗余演化自修复系统可靠性及状 态 规 律 分 析 电 讯 技 术史 忠 植 神 经 网 络 北京 高等教育出版社梁培基 陈爱华 神经元活动的多电极同步记录及神经信息处理 北京 北京工业大学出版社熊 莹 脉 冲 耦 合 神 经 元 电 路 中国科学院半导体研究所熊莹韩 伟 华 张 严 波 等一 种 脉 冲 编 码 神 经 元 电 路 的设 计 与 实 现 电 子 器 件