电磁防护仿生研究的内容、基础与实现规划

原 亮，魏 明，褚 杰，周永学

（1.军械工程学院计算机工程系，河北石家庄 050003；2.军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003）

电磁防护仿生研究的内容、基础与实现规划

原 亮1，魏 明2，褚 杰2，周永学1

（1.军械工程学院计算机工程系，河北石家庄 050003；2.军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003）

阐述了电磁防护工作中仿生研究所需要涉及的基本概念内容，提出了此类防护研究中的生物－电子研究的实现基础、关键技术和总体构成，细化了基于动物神经系统电信号传导机制及抗扰机理研究的具体探索方向、设想和实现规划，并从工程角度介绍了实施策略，使得复杂电磁干扰环境下控制系统板卡、芯片级防护的仿生构想在技术上成为可能。

仿生学；电磁仿生；电磁防护；仿生策略

随着电磁环境复杂程度的日益提高，各类控制、通信、信息处理等系统中电子器件的故障率明显上升，致使整个系统的可靠性直接下降。因此，电磁仿生及相关的防护概念应运而生［1］，以利于解决许多传统电磁防护的技术手段难以解决的问题。这种借助生物进化的概念和建立仿生模型的基础上进行的防护新模式多有新颖和可行之处，使得复杂电磁干扰环境下控制系统板卡、芯片一级的新型防护设想在技术上成为可能［2］，并有望以此作为电子设备传统电磁防护方法的补充手段之一，对于提高中国武器装备电磁防护水平和生存能力具有重要的理论意义和工程应用价值。

1 概念的形成

自古以来，自然界一直是人类产生各种技术思想和发明创造的不竭源泉。生物在漫长的进化过程中，形成了千姿百态、精美绝伦的形体和结构。一般而言，生物系统的复杂程度远较目前各类电子控制系统为高，同时其优异的可靠性亦使所有人工系统望尘莫及。因此，电子类型诸多系统的可靠性问题可望通过借鉴生物系统的可靠性机理得以解决［3］。

在计算机研究和应用的领域中，早已引入了生物的概念和研究方法。实际上，计算机发展的最高目标就是以“电脑”完全仿生“人脑”。经过多年研究，其本身业已成为仿生学应用最成功的案例之一［4］。特别是在传统的硬件、软件研究的技术基础上，又形成了人工智能、神经网络、遗传算法、演化硬件，甚至是胚胎电子学、自动细胞机等崭新的方向。同时，计算技术的飞速发展亦相辅相成地为生物研究带来了更为深入的探索领域和大幅提高的研究效率，甚至生成了生物电子学［5］、生物电磁学［6］和生物信息学［7］等具有实质性内容且又属于大范围交叉的新型学科。

对于电磁仿生理论的建立与相应的实践研究而言，则是需要进行更加广阔的学科与技术的综合，特别是需要以电磁学、电子学、生物学理论和技术为基础，重点结合电磁与生物两大传统领域，在寻求突破常规模式与实现长足发展方面斩获新的契机。此类研究必然是长期和艰苦的，然而，却能以电磁生物效应为纽带，将这两个领域紧密地结合在一起，互相促进，共同提高。而对其电磁生物效应的研究则主要体现于细胞电磁信息传递机制的研究和应用上。

目前，动物体细胞电磁信息传递机制的研究是以细胞膜离子通道为切入点，通过研究电磁干扰作用下动物体细胞膜离子通道对细胞膜电位的实时调节，观察其抗扰机理，揭示其运作规律。进而，立足于生物系统抗扰机理和仿生模型基础，完善电子系统防护等方面的仿生理论与应用研究。同时，结合实际装备及其面临的具体问题，加大工程方面的实现力度，在板卡和芯片级层面实现上具有一定自诊断、自修复功能的SOPC（片上可编程系统）电路与相关系统。使其遭受一定程度电磁损伤或干扰、引起部分电路功能失效的情况下，能够自行完成修复工作，满足具有较高可靠性的安全运行要求，并在一定程度上形成对实际电子控制系统设计和制造具有参考价值或指导意义的故障自修复技术［8］。

2 内容的确立

生物细胞在强电场、磁场中具有令人难以想象的抗扰能力［9］。这种独特的现象和特点，使其成为电磁仿生所要模仿的具体目标。生物体细胞信息传递机制的实质性研究需从神经系统入手。而神经系统的基本特点首先是结构复杂性，每个神经细胞均有多条通路与其他神经细胞相连。其次是整体健壮性，尽管单个细胞虽然生存周期较短、可靠性较低，但各种学习、训练能够不断改变神经细胞之间的连接形式，可使整个网络的可靠性得到提高，功能得到增强。

可以认为，相关研究可从表象、结构、行为、性状、功能、机理、能量转换、控制机制、信息流动等生命现象的各个方面进行本征性或规律性的了解，以解决电磁仿生工作的具体仿生对象和特征，并可拓展或映射至电磁防护领域［10］。生物电磁方面的研究内容构成了电磁仿生的生物理论基础，而电磁仿生研究又与生物电磁研究形成了领域拓展和逻辑继承的关系，同时，还为生物电磁类型的深化研究提出了更为明确的需求。

2.1 仿生机制与技术体系建立

进行电磁防护仿生的基础构成与整体结构研究，借鉴电磁生物效应的数理模型，完成基于本征特性转换的映射机制，建立电磁生物效应研究机制，形成针对SOPC的逻辑和数学模型［11］。从而能够较为完整地形成电磁仿生研究的框架，以便能够进行更为深入、详尽的理论研究，以及探讨、制定较为合理、完善的技术体系。

2.2 动物神经系统电信号传导与抗扰机制研究

选用适当技术手段观察及监测实验动物神经元各种离子通道的生理运作门控性，研究神经元细胞膜静息膜电位、局部分级电位和动作电位的生理变化规律，电磁场刺激后实验动物神经元各种离子通道门控性的变化规律，神经元细胞膜静息膜电位、局部分级电位和动作电位在受到外界电磁干扰后的变化规律［12］，以及刺激强度与产生的细胞膜局部电位幅度与时相的关系。

2.3 电磁仿生仿真模型构建

通过观察得到动物神经系统电信号传导机制及抗扰机理，利用电磁场仿真计算技术构建电磁信号传导仿真模型，从而指导建立相应的工程模型，以便于进行基于可重构技术的分析、仿真和实现。进而，进行控制系统电磁损伤方式、程度和修复策略研究，使用演化算法对冗余电路重组，以内进化方式对片内系统故障单元进行旁路或恢复，以及进行电路的行为理解、容错性能和长期稳定性的研究，形成能于部分或全局范围内进行抗扰电路的电路划分、自组织、自配置的系统原型以及具有通用意义的实施方案。

2.4 基础算法与硬件原型实现

依据电磁防护系统的仿生进化模型，探索了电磁干扰环境下特定目标确定后可重配置硬件的最佳种群规模、复合染色体编码方法，进行相应的层次进化、结果优化和自然平衡研究，以及相关进化环境、基因算法、适应度评估的层化分解和层内并行实现。基于仿生研究中优化后的演化算法，对可重配置的逻辑单元进行板卡级或是芯片级的重配和组合，完成重构式电子系统的基本硬件环境，并以此作为不同干扰环境下的受试系统。

2.5 目标系统的实现与测试

基于演化硬件原理的系统实现，使用在系统内进化技术能够完成实际工作于一定电磁环境下、基于仿生原理的抗扰控制系统。特别是结合自修复技术，实现控制系统“在板”以及“片上”仿生修复原型以及相应的演示、测试系统，并能够进行效果对照。其中包括可重配置硬件结构与编码效率研究、环境适应度以及演化速度评估。进而，完成一般工作环境、电磁干扰及部分损伤环境下的运行结果对比，验证在容错运行的基础上采用演化修复的方式比单纯的容错运行所应具有更多的可靠性优势，完成对实际装备设计和制造具有参考价值或指导意义的防护新模式。

3 关键技术基础

借助生物进化的实际特征，将相应的数学模型建立并映射至电磁防护领域，即可形成在仿生模型基础上的、具有创新意义的设计思想与仿生模式。目前，新技术［8］、新器件［12］的出现，使得上述思路、方法亦具备了实用的可能和具体的平台。尤其是针对仿生对象的现象、特点，在较为简洁、直接的功能层面，进行电子技术层面的模仿或实现等工作已经成为可能，并且完成了卓有成效的前期实践［14］。因此，需要特别关注仿生的技术基础。

3.1 细胞膜电位变化的测试、记录技术

利用全细胞膜片钳记录技术记录整个细胞膜电位变化的情况，这是在电压钳、膜片钳基础上衍生出一种研究全细胞电信号的特殊方法，近年来得到了最为普遍的细胞膜电位测量应用，可以记录到整个细胞膜电位变化的情况。

3.2 动物神经系统电信号传导、抗扰机制探寻技术

进行神经元细胞膜静息膜电位、局部分级电位和动作电位的生理变化规律以及电磁干扰对其电信号传导的影响研究，以及动物神经系统电信号传导机制及抗扰机理进行“领域转换”，构建电磁信号传导“对等系统”仿真模型。

3.3 多芯片并行技术

采用阵列FPGA所构成的多片结构，以互补方式进行复杂逻辑电路的搭建并形成一个阵列计算环境，用以进行内进化模式的原理性实验［15］。该平台的每个功能模块均由本项目组前期开发的互关总线和通用的底层设备网络予以连接，使其可以尝试一种基于并行细胞机的设计架构。

3.4 仿生软件的优化技术

整个电路的染色体编码必将视具体情况的不同而使用变长和复合等方式进行，以减少长度、降低单项任务的复杂度。整体工作通过分层和层内归并、多次进化的方式完成，以缩减局部演化规模、利于通过层间遗传与信息传递的研究，实现整体演化过程的仿真、结果对比、分级评估，以实现运算量的总体降低并有效提高进化速度。

4 具体实现规划

如前所述，电磁仿生及相应的防护研究是一项长期、复杂的任务，首先需要依照业已明确的电磁防护仿生的技术体系框架，探明外界电磁场对动物细胞电信号传导影响的阈值和变化规律，在此基础上方可通过阐明动物神经系统对外界电磁场影响容许和耐受的机理而建立与电子装备电磁防护设计相对应的电磁仿生模型，进而完成电磁防护仿生模型的计算机仿真与工程实现。

为此，在不影响逻辑关系和研究顺序的前提下，需要进行部分主要内容的交叉重组。相关课题拟从时间上分作前期的“动物抗扰机制原型探寻”与“抗扰电路技术实验”两个方面平行研究，以及后期的生物－电磁联合工程实现；从组织上可以按照理论、基础、应用形成三大相对完整的研究模块，以期做到明确理论研究之导向、突出基础研究之实践、实现应用研究之目的。从而做到人员互动、技术互通、领域交叉、学科交融。

4.1 依托生物专业力量，进行理论类研究

通过采取神经电生理信号测试手段和电磁场仿真计算技术相结合的研究方法，建立实验动物模型，从生物学的角度进行电磁生物效应定性与定量的特性分析，建立基本生物电磁特性的数学、生化或可供工程实现的逻辑模型，并进行细胞抗扰、损伤与康复机制的探索，主要包括如下内容：

1）伤变细胞康复机制的本征特性与工程描述；

2）探讨外界电磁场辐射后神经元细胞膜电位（包括静息膜电位、局部分级电位和动作电位）的变化规律，以及不同电磁场频率干扰与膜电位反应的量效关系和时相性规律；

3）生物－电子领域转换及其等效的结构模型建立；

4）电路系统的电磁防护机制模型建立。

4.2 深入跨学科领域，进行基础类研究

明确了动物体神经元电信号传导机制之后，再引入电磁干扰等外界刺激，进行电磁干扰环境下的动物体神经元电信号传导过程监测与研究。针对动物体神经系统的抗扰特性进行电磁场仿真建模，建立能够指导工程应用的动物体神经系统电磁抗扰数学模型。从“进化”角度分析、理解、研究生物系统在复杂电磁环境下所表现出的优异的行为和功能，实现生物本征特性抽象化、等效转换模型具体化，主要包括：

1）干扰源及干扰标准的选定和典型芯片效应试验研究；

2）多核、多操作系统结构的平行运行模式建立、数据同步和校验；

3）电磁测试环境中系统非测试单元的受扰分析与隔离；

4）完成电磁仿生仿真实验环境，实现系统在内进化实施之前能够先期进行外部仿真和优化。

4.3 贴近装备需求，开展应用类研究

尽量贴近装备需求，明确应用领域，优先考虑能够直接进行工程实践的算法、方法。即：EHW技术仍然是最基本的技术手段，系统仿真仍然是最为有效的验证方式。

另外，为保证较为先进的“内进化”自修复方式顺利实施，专用的软硬件环境便成为实现过程中的唯一选择。通过定制操作系统、引入网络环境、优化硬件结构，尽量确保整体系统的先进与可靠，主要包括以下内容：

1）电路受损方式和自修复策略研究；

2）被组织与自组织相似性的量化与密集型进化的层分技术；

3）基于并行可重构技术的受试与应用系统建立；

4）完成具有内进化功能的TMR被测系统的硬件实现，在芯片受到局部损伤后，仍能容错运行并自动恢复的控制系统原型。

5 结 语

电磁仿生及防护技术是在动物体电磁信息传递及抗扰机理研究的基础上，将计算机技术和电磁防护需求密切结合的新型领域。而且，是对单纯的仿生研究理论所进行之拓展型的逻辑相关和成果继承。在此基础之上，可以借助生物进化的实际特征分类建立相应的数学模型，并且形成在仿生模型基础上的、创新性的设计思想与防护模式，以更好地保障复杂电磁环境下电子系统实现其整体功能与性能，更有效地提高其运行可靠性。

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1008-1542（2011）07-0001-04

2011-06-25；责任编辑:陈书欣

原 亮（1955-），男，山东青岛人，教授，主要从事计算机体系结构、电磁仿生理论及实现方面的研究。