可重构方式

可重构方式（精选7篇）

可重构方式 篇1

0 引 言

目前无线通信技术高速发展, 包括GSM, WCDMA, CMDA-2000, TD-SCDMA在内的各种通信标准不断涌现。为了能够适应多标准共存的局面, 实现各制式间灵活切换和向后兼容, 基于SDR的硬件平台必须具有可重构性, 开放性和扩展性等特性。随着微电子技术的不断发展, 基于SDR的硬件平台的可重构系统已有了一些开发实例, 但仍存在着一些问题:如何选择更为紧凑的体系结构, 尽量减小多模切换时重构模块间的相互作用, 如何快速实现低功耗的可重构等。

为了解决“软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”SDR硬件平台在可重构方面也存在的上述问题, 实现多通信体制间的切换和兼容, 本文在对可重构技术进行研究的基础上引入寄存器参数配置的动态重构方式, 提出适用于“软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”硬件平台的动态重构方式——用寄存器参数重配置方式和模块切换方式相结合的动态重构方式。

1 硬件平台的构成

“软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”SDR硬件平台根据SDR硬件可重构平台的基本框架[1]搭建。图1所示的清华大学“软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”硬件平台主要由CPU、基带单元前端处理板、中频单元、射频单元、天线单元以及一些外设构成。

图1中:CPU作为主处理器主要完成人机交互、资源管理、重构模式检测处理、数据和程序下载等可重构系统的上层控制任务。基带单元前端处理板包括FPGA, ARM, FLASH, SRAM等。其中ARM作为可重构控制单元主要负责处理硬件平台的重配置和模式切换功能;通过读取可重构存储器FLASH中的重构控制程序对可重构信号处理器FPGA进行重构。FPGA作为可重构信号处理器主要完成信道编解码、调制解调、数据成帧、数字上下变频等一系列处理, SRAM作为存储器, 主要负责存储控制程序和数字处理程序。经FPGA处理后的信号然后经过数/模、模/数转换、模拟中频、射频, 最终通过天线进行收发[2]。

2 SDR硬件平台的可重构方式

“软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”SDR硬件平台需根据情况和需求的改变进行动态重构。传统的动态重构方式主要有:链路切换方式和模块切换方式。链路切换方式因模块复用会造成严重的资源浪费。模块切换方式在节省资源消耗方面比链路切换方式更有优势, 但对于如FIR滤波器, 可通过改变参数而实现功能特性改变的模块, 模块切换方式亦会造成一定的资源浪费。针对链路切换方式和模块切换方式的资源浪费问题, “软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”SDR硬件平台在使用模块切换方式的基础上引入了寄存器参数重配置的动态重构方式。

为了合理、公平的比较寄存器参数配置方式和模块重构方式的优劣性, 本文将以FIR滤波器为例实现寄存器参数配置方式和模块重构方式两种重构方式, 并给出两者在重构时间和资源消耗方面的对比, 以证明模块切换方式和寄存器参数配置方式相结合的动态重构方式的优异性。

2.1 模块切换方式结构框图

模块切换方式是指在系统需求改变时, 通过控制指令直接切换至所需要的功能模块, 基本上适用于所有的功能模块。而功能模块是依据功能相对独立, 联系尽量紧密, 连接尽量简单的原则进行划分的, 然后分别对每个功能模块进行设计、综合, 最后将所有模块有机的组织起来完成整个系统的设计[3]。模块切换方式结构框图如图2所示。

2.2 寄存器参数配置方式结构框图

寄存器参数配置方式是指对于可通过改变参数而实现功能特性改变的模块, 可预先开辟一个存储寄存器, 把参数存在寄存器里。在需要时, 通过读取寄存器里的参数来改变功能模块的功能特性, 从而实现该模块的动态重构。寄存器参数配置方式结构框图如图3所示。

3 寄存器参数配置方式和模块切换方式仿真验证

FIR滤波器设置采用矩形窗函数, 中心频率设置为15 MHz, 20 MHz, 25 MHz, 带宽为10 MHz, 15 MHz, 5 MHz。仿真语言为Verilog硬件语言, 首先在Modelsim 6.2e上进行功能仿真验证, 然后Quartus Ⅱ 10.0版本上进行了逻辑综合得出资源消耗情况。寄存器参数配置方式和模块切换方式仿真模块如图4所示。

模块切换方式实现FIR滤波器动态重构, 即系统运行过程中, 滤波器特征情况需要改变时, 通过切换到相应功能模块而实现动态改变FIR滤波器的类型, 特征频率, 带宽等。

寄存器参数配置方式实现FIR滤波器动态重构, 即系统运行过程中, 滤波器特征情况需要改变时, 通过读取不同寄存器里的h (n) 系数值实现动态改变FIR滤波器的类型、特征频率和带宽等。

3.1 RTL模块

模块重构方式和寄存器参数配置方式的RTL模块图如图4和图5所示。从图中可以看出RTL模块图基本符合其结构框图, 且寄存器参数配置方式相比模块重构方式模块较少。

3.2 功能仿真结果

模块切换方式有两种工作方式:方式a:各功能模块一直处于工作状态;方式b:仅有所需功能模块处于工作状态。模块切换方式的两种方式和寄存器参数配置方式的功能仿真结果如图6和图7所示。从图中可以看出模块切换方式a没有切换延时 (图6灰框中所示) , 但因各模块一直处于工作方式而导致功率消耗较大 (图6黑框中所示) , 模块切换方式b仅有所需模块处于工作状态 (图7黑框中所示) 却因模块的切换和建立时间而引起切换延时 (图7灰框中所示) , 出FIR滤波器在切换过程中存在31个时钟的切换延时。寄存器参数配置方式工作时仅有一功能模块在工作, 且一直处于工作状态, 所以相比模块切换方式a可节省大量功率消耗, 而相比模块切换方式b又可节省模块切换和建立时间 (图8灰框中所示) 。

3.3 资源消耗情况

表1为FIR滤波器在寄存器参数配置方式和模块切换两种方式下的仿真的资源消耗结果对比。从表中可以看出寄存器参数配置方式和模块切换方式相比资源消耗较少, 虽然相对于模块切换方式a增加了部分DSP block单元, 但总体上来说可节省大量的LES资源, 且随着模块数的递增, 寄存器参数配置方式节省的LES资源越多。资源消耗情况如图9～图11所示。

4 寄存器参数配置方式的优点与局限性

寄存器参数配置方式相比模块切换方式可获得重构速度和资源消耗两方面的优势。因寄存器参数配置方式相比模块切换方式可获得资源消耗方面的优势, 所以相比链路切换方式和模块切换方式, 寄存器参数配置方式可在相同有限FPGA逻辑资源上实现更多的功能模块。

寄存器参数配置方式可适用于FIR滤波器、FFT变换、IFFT变换、正余弦发生器等硬件算法实现相同、参数不同特性不同的功能模块。而对于调制方式QPSK, 16QAM, 编码方式CC, Turbo码等算法不同但功能相同的功能模块无法使用寄存器参数配置方式实现重构。

因其寄存器参数配置方式适用范围的局限性, 对于如调制方式QPSK, 16QAM, 编码方式CC, Turbo码等模块需使用模块切换方式实现重构。所以本次重构方式设计中采用模块切换方式和寄存器参数配置方式相结合的动态重构方式。通过这两重构方式的结合, 不但可以减小模块切换方式造成的模块重复和资源浪费, 还可克服寄存器参数配置重构方式适用范围的局限性。

5 结 语

为了研究适合清华大学“软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”SDR硬件平台的低消耗、高速度、高扩展性的可重构方式。本文引入了寄存器参数配置方式的动态可重构方式, 并通过仿真可知寄存器参数配置方式在模块构造、资源消耗、重构速度方面都具有优势。但因其适用范围的局限性, “软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”中的SDR硬件平台采用寄存器参数重配置方式和模块切换方式相结合的重构方式。这种相结合的方式不但可以减少资源消耗, 提高重构速度, 同时也可以突破寄存器参数配置方式的局限性, 实现硬件平台的动态快速重构。

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可重构方式 篇2

可重构数控系统是当前开放式数控技术的一个研究热点,与传统数控系统相比,可重构数控系统具有很多优点[1]。当前对数控可重构技术的研究主要集中在以下几个方面:①将现场可编程逻辑器件作为硬件系统的一个功能模块,研究如何对其实时编程以实现对硬件系统的重构设计[2,3];②利用组件技术设计数控系统,使数控软件系统具有一定的可重构性[4],或研究Windows系统的特点,基于Windows系统设计可重构的软件模型[5];③为了方便系统功能模块的增减,研究总线技术在可重构数控设计中的应用,利用通用串行总线设计系统模块间的通信[6]。上述研究的不足是:忽略了可重构数控系统的实现需要硬件、软件和模块间通信的协同设计。因此,本文将数控系统的重构分成相关联的3个层次:硬件系统重构、软件系统重构和模块级重构,并通过一个实际数控系统的设计,来阐述3个层次的应用及其相互关系。

1 数控系统软硬件开发平台的构建和可重构设计研究

1.1 可重构数控系统软硬件开发平台的建立

图1所示为数控系统的可重构硬件开发平台,以ARM、DSP和FPGA为硬件平台核心,系统采用主从式双CPU设计。ARM 处理器作为主芯片,具有通信管理、网络管理、人机交互、指令译码、故障诊断等功能。DSP 具有软件插补、位置控制、误差控制等功能。FPGA用于硬件插补器和外围接口电路的设计。由于FPGA能够通过编程改变其内部的硬件电路时序关系,所以数控系统的插补模块和外围接口电路能够根据整个系统的重构需要进行重新配置,使该硬件平台具有很强的重构能力。存储器主要用于整个系统运行的程序和数据的存储。各种硬件功能模块包括显示控制模块、键盘控制模块、数据采集模块、PLC控制模块等,主要用于实现各种具体应用功能。

笔者设计的可重构数控系统软件平台如图2所示,由如下几个部分组成。

(1)硬件服务模块。

该模块的主要功能为:①系统开始运行时,对硬件模块进行初始化;②系统运行过程中,其余软件模块只能通过硬件服务模块对硬件进行操作;③硬件模块进行重构时,用VHDL语言描述的文件通过该模块装载入FPGA模块。

(2)实时操作系统模块。

将自行开发的嵌入式实时操作系统TDNC-OS作为系统任务调度与开发平台,该模块的主要功能是处理由内外部事件引发的文件系统或功能任务的调度以及相应设备驱动的激活等。

(3)软件重构配置模块。

该模块的功能为:①原有系统参数的重新配置重构;②新功能的加入或新系统的重构生成。

(4)其余软件功能模块。

包括文件系统模块、各种插补功能模块、各种交互模块等,主要用于完成系统具体的工作功能[7]。

1.2 数控系统可重构设计研究

1.2.1 基于FPGA的硬件可重构模块设计

数控系统的可重构性要求数控系统能适时地调整自身的硬件结构以满足重构要求。现场可编程逻辑器件具有硬件电路在线可编程的特性,即它的硬件结构可以像软件程序一样被动态调整或修改[8]。图3为基于FPGA的可重构系统的结构框图,该系统可实现对数控系统从两轴联动到五轴联动的重构设计。由图3可知,可重构模块是ARM模块、DSP模块、交互模块和总线接口模块彼此间通信的桥梁。它不仅为信号传递提供可靠的通路,而且通过装载不同的配置文件,可重构出不同功能的数控系统。驱动模块和外部I/O接口模块(主要用于数控机床电气的控制)通过串行工业现场总线与数控系统相连,减小了模块之间连线的复杂度,提高了通信的可靠性,使整个系统模块的增减更加简便,极大缩短了数控系统模块级的重构时间。

基于常规SRAM编程,本系统基于FPGA的动态配置方案如图4所示。配置参数模块中的数据按照逻辑功能存放,用于配置FPGA内部的各逻辑模块。外部缓冲SRAM在ARM控制下,对系统重建时隙给予自适应的逻辑补偿,保证系统逻辑时序上的连续。系统整体功能采用FPGA硬件复用形式构筑,但系统功能的整合(系统重构、时隙补偿)由ARM规划和控制。

1.2.2 数控系统引导型软件重构开发平台的研究

数控系统的硬件重构和软件重构必须同步进行,才能实现整个系统的重构。根据该数控系统的结构特点,笔者设计了一种具有引导功能的系统重构开发平台,如图5所示。开发平台采用一种引导开发的模式,借助于预先定义的各种信息库,将使用特殊语言描述的用户功能要求转换成信息库中特定策略的组合,然后通过与ARM和DSP相匹配的代码编译器,将策略描述翻译后,再通过下载电缆传送至数控系统。

软件重构开发包括语言描述和引导设置两种开发方式。语言描述方式采用结构化的功能机制,预先定义出系统重构的算法结构,用户只需根据算法的提示加入自己功能要求的描述。图6所示为重构描述语言的结构,图中定义了一种新的插补算法来完成所需的复杂曲线拟合。开发平台提供独立的结构化描述语言,采用面向对象的编程思想,以功能对象群组的方式来描述数控组件对象的特定工作状态。语言描述方案可以通过灵活定义的算法规范深入系统内部的软件构成细节,适用于系统底层策略方案的自定义重构配置。引导设置采用开发向导的形式以图形化询问界面来定制用户的重构需求,一般用于较为简单的重构开发。图7所示为运动拟合精度的重新设定,较为简单,只需修改一些参数,因此,采用引导设置方式进行开发。

2 基于工业现场总线PROFIBUS-DP的模块可重构数控系统设计

数控系统的模块级重构要求重构过程简便快速,重构后的系统运行安全可靠,在物理空间上能够灵活分布[9]。PROFIBUS-DP是经过优化的高速廉价的通信总线,专用于自动化系统中分散的现场设备之间的通信。特别适合于分布式数字控制系统的高速数据传输。笔者基于前述的可重构软硬件数控平台,将12Mbit/s的PROFIBUS-DP作为数控系统模块间的通信总线,成功开发出了TDNCM4数控系统,图8为TDNCM4数控系统分布式模块结构图。在此基础上,下文将研究重构出新的更高性能的五轴联动数控系统TDNCH8的策略方法。

图9为将要设计的TDNCH8数控系统的分布式模块结构图,与图8相比最显著的变化就是增加了1个I/O控制器从节点和4个进给驱动从节点,变化的原因是TDNCH8数控系统需具有控制八轴五联动的能力。

表1列出了TDNCM4和TDNCH8数控系统在功能上的相同和不同之处,同时给出了从TDNCM4重构出TDNCH8系统时各种功能所采用的重构方式,“√”表示所在列的重构方式被采用。表1中所列数控功能的重构主要分为3类:

(1)不变。指TDNCM4和TDNCH8共有的功能。如平面直线插补、空间直线插补等功能,在数控系统重构升级的过程中,这部分功能可直接用到新的数控系统中。

(2)增加。指TDNCM4系统有此功能,但由于控制轴数的增加而必须对其进行扩展。如最大进给轴数、坐标系统等功能,需要从四轴增加到八轴。最大进给轴数的扩展是这样实现的:硬件重构增加轴控制通道数,软件重构解决新增轴的位置控制和配置问题,模块重构使新增的进给轴物理载体(一般是伺服电机驱动器和伺服电机)方便地连接到数控系统主控器上。显而易见,为实现控制轴数的重构升级,3种重构方式必须同时采用,缺一不可。坐标系统只需利用软件重构的方式,在前面提到的引导型软件重构平台上,在坐标系统函数库中增加新增四轴的坐标处理函数即可实现,硬件重构和模块重构的方式未用到。

(3)新增。指TDNCM4没有,而TDNCH8新增的功能。主要是一些更高级的插补功能,需要通过软件重构的方式来实现。

从上述分析中可以看出,基于TDNCM4系统重构出TDNCH8系统必须同时利用数控系统的硬件重构、软件重构和模块级重构技术,三者相辅相成,密不可分。换个角度分析,我们可以把数控系统的重构分为3个层次:①核心功能重构(一般指控制轴数和联动轴数的改变)需要同时采用3种重构方式才能实现;②工作功能(主要指插补功能)重构,只需通过软件重构就能实现;③辅助功能(包括坐标系统、程序管理系统、刀具管理系统等)重构,只需通过软件重构就能实现。只要判断出一个数控系统的重构升级属于哪个层次,就能决定其应该采用的重构方式,例如,如果只是想把刀具管理系统管理的刀具数从1024增加到2048,只需进行软件重构就可以。实际上,这种重构并未改变TDNCM4系统的根本性能,而是扩充或增强了其辅助功能。但如果把TDNCM4系统的控制轴数和联动轴数分别增加到8和5时的数控系统的重构属于核心功能的重构,需3种重构方式同时使用才能实现,而且重构后的系统在根本性能上与TDNCM4系统相比已经有了质的飞跃,新的更高性能的数控系统已经诞生。因此,如果一个可重构的数控系统平台具备上述3个层次的重构能力,那么必将能开发出从低端到高端的系列化数控产品。

在实际应用中,通过对TDNCM4数控系统的软硬件和组成模块的重构设计,成功开发出了五轴联动数控系统TDNCH8,并将其应用在TDNCM80A五轴加工中心上。显然TDNCM4和TDNCH8基于同一种设计结构,属同一个产品系列,只是性能高低不同。同理,采用相同的重构方法,也能方便地重构出车床控制系统、磨床控制系统等,从而形成一个数控系统产品系列。

3 结束语

论文提出从数控系统设计的硬件、软件和模块3个层次来研究可重构数控系统的设计,并给出了各个层次重构的实现方法。研究了3个层次在系统重构中协同应用的问题,并以一个实际设计为例,给出了不同数控功能重构的3种层次的选择方法。课题后续的工作将着重于进一步研究重构过程中的软硬件协同设计问题以及数控系统重构和机床重构的关系问题。

摘要：提出了一个软硬件可重构的数控系统平台方案,给出了硬件系统的重构策略,并设计了一个引导型软件重构开发平台。通过对数控系统的功能分析,将重构分为核心功能重构、工作功能重构和辅助功能重构,并以此研究了数控系统硬件重构、软件重构和模块重构的关系和协同设计问题。

关键词：数控系统,硬件重构,软件重构,模块重构

参考文献

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可重构机器人设计理论与研究 篇3

机器人诞生于二十世纪六十年代, 其后发展历程长期而漫长, 到了八十年代, 伴随着以计算机、微电子、互联网为代表的各类技术的迅猛发展, 机器人技术也得到了长足的进步[1,2]。由于市场竞争的白热化, 行业压力与日俱增, 制造系统必须要能适应飞速发展的变化即需要具备柔性制造能力, 受限于传统工业机器人的特征性太强, 通用性太弱, 导致不能实现快速适应各种工况和环境, 无法快速响应。与此同时, 需求的快速增长, 使得在非制造领城, 工况越来越复杂, 事先很难确定工作环境和工作任务, 这就更需要机器人有很强的适应能力, 在不同的环境下可以实现可重构, 这种可以随时改变构形的机器人被统称为可重构机器人[3~5]。

1 研究背景

可重构机器人的定义为:具备若干个模块, 不同的模块之间可以相互连接和分开以实现不同的组合, 最终使机器人可以呈现不同的形态和实现不同的功能。可重构机器人的模块的种类虽然不多, 一般为1~4类, 但是数量却达成百上千甚至上万。每个模块的功能简单, 结构单一, 但是经过组合之后形成的组合体可以实现之前每个单体无法实现的复杂功能, 整体性能有了飞跃性的提升。可重构机器人根据任务的不同来进行形态、姿态和功能重组, 比如, 在崎岖不平的山路上它化身为多足机器人, 在起伏的沙漠里它化身为履带机器人, 在城市下水道中, 它化身为长条蛇状曲折前进。比起传统的机器人, 可重构机器人的优点主要有:高智能化, 高适应性, 高可靠性, 长寿命高稳定性[6]。

2 国内外研究概况

从二十世纪80年代开始, 国内外针对可重构机器人开展了大量的研究, 目前国内研究领域一般把可重构机器人分为两种:静态机器人和动态机器人, 两者的区别主要体现在两个方面:1) 前者需要借助外力实现重构, 广泛应用于工业领域, 又称为工业机器人;2) 后者具有很高的人工智能, 可以不借助外力实现重构, 又称为自重构机器人[7]。

Benhabib开发了一种可重构机器人系统, 通过建立模块系统库, 实现机器人几何构形的变化和重组, 模块系统库主要由三部分组成:connec module, staff system, articulation module。在这个基础上, 1979年美国麻省理工学院机器人研究所开发了一种全新的系统RMMS, 即可重构机器人系统。作为世界上第一台原理样机, 当时被认为是跨时代的一次飞跃, 它不仅在机械结构上实现了可重构, 同时还在控制器、软件、算法等方面同样实现了可重构。通过进进一步的研究工作, 1996年Khosla, Paredis等人进行了系统方面的改进, 推出了新型的RMMS, 采用了分布控制的方法实现了多样性控制。其中最主要模块为连杆模块以及关节模块, 如图1、图2所示。

1989年日本SONY公司研发出了新一代ATRRBUS系统, ATRRBUS系统的主要组成部除了与上述系统类似的连杆模块和关节模块以外, 还有全新的控制模块。所有的指令都是通过控制模块实现通讯和传输以实现机器人的每一个动作以及整体控制。

国内对于可重构机器人的探索起步较晚, 还处于初级阶段。中科院沈阳自动化所的于苏洋对国内可重构机器人的发展进行了战略前瞻;上海复旦大学的聂爱英依托泛函分析理论, 构建了静力学和动力学运动方程, 并利用遗传算法进行了模拟推演。天津大学的王琦开发出基于模糊控制的可重构机器人拓扑结构模型。清华大学, 北京航空航天大学, 北京理工大学, 哈尔滨工业大学和中国科技人学也在进行相关内容的研究, 成果颇丰。

3 可重构机器人模块化设计

制造技术日新月异, 要求制造系统具备柔性化特质, 更要求机器人可以适应环境的变化和任务的不同, 全世界的研究人员致力于使用各种方法解决此难题, 在这中间, 模块化设计方法是行之有效的一种, 它不仅可以实现快速可重构, 而且时间短, 成本低, 性价比高。

3.1 模块化设计原则

由于机器人的自由度很高, 结构复杂, 各个自由度支架高度耦合, 并非线性变化, 因此需要根据功能进行模块的划分, 基本原则为:

1) 功能独立性:每个模块具备特定的独立功能, 实现模块专业化, 是可重构设计的基本要求;

2) 响应迅速性:可重构机器人的最大特点就是要适应工作任务的不同和工作环境的改变而变形, 这就要求各个模块应该方便拆卸, 连接简捷, 响应迅速, 反应及时;

3) 良好驱动性:为了增加传输运动效率, 减少能量损失, 每个模块都要将惯量减至最小, 并且可以自己驱动自己实现本体动作而不依赖于外力, 可以有效的降低整体能耗;

4) 运动独立性:为了减少耦合性, 不同的运动模块之间应该相对独立, 降低耦合性对系统的影响;

5) 数据自治性:每个模块应该具备独立自治能力, 可以实现不同模块之间的实时数据处理和及时上下通讯。

3.2 模块化平台设计

如果要设计可重构机器人的模块化平台, 那么我们首先需要知道它构形的变化范围。本文主要研究范围以串联关节结构为主, 例如关节型机械臂、仿生腿型机器人。

首先要做的是根据模块划分对机器人的结构进行分析。机器人的基本功能结构图如图3所示。从图中我们可以看到主要的4个功能和对应的4个功能模块。由于实现方式不同, 所以可以据此对机器人进行不同的分类, 比如以移动机器人为例, 如果采用轮式结构实现, 则为轮式移动机器人;如果采用关节串联结构实现, 则为串联关节型机器人;如果采用仿生腿实现, 则为仿生腿移动机器人。以上这些例子是单一功能的实现, 真正复杂的机器人应该是两种或者是多种运动功能的叠加, 以适应更广泛的应用领域。以下, 主要开展关节串联结构移动机器人的研究。

在功能分析之后, 我们可以知道, 如果要实现串联结构来实现移动功能, 只能采用多自由度主动关节来进行, 那么移动机构的可重构就是机器人整体可重构的重要基础和关键所在。根据前述模块化设计原则, 我们可以把主动关节当作一个独立的模块, 由连杆参数 (两关节轴之问的相对位置关系) 决定串联机构的运动性能。

要开发出模块化设计平台, 就必须采用典型划分方法, 利用拓扑结构和自身特征进行分组, 首先定义基础模块, 在此基础上开发连杆、关节两个并列模块, 并衍生出控制类的工具和调节模块。特点需要强调的是调节和连杆两个模块共同组成连接结构, 前者用于调节关节轴之间的距离, 后者用于调整关节轴之间的角度, 两种模块一起作用可以实现关节轴的任意运动。

基础模块是系统的根基, 用来定义可重构机器人的整体结构外包络, 如图4所示。

关节模块是系统的纽带, 用来定义任意两关节之间的交叉角度, 调整位置和坐标, 如图5所示为三种不同类型的关节:垂直转动关节、横向摆动关节和上下移动关节。

连杆模块是系统的桥梁, 用来定义两关节之间的最短距离, 如图6所示。

4 可重构机器人构形设计

4.1 基础构形设计思路

可重构机器人所需要完成的任务可以进行逐级分解, 在这里, 我们以某个装配任务作为例子进行分析, 底层任务是运动路径规划, 中间层任务是定位、加紧、加工等工序集合, 顶层任务为完成从零件到部组件的装配。所以可重构机器人的基础构形设计思路可概括为:

由问题出发:运动路径规划并发任务拆包分发, 借助模块化平台搭建整体可重构模型;

从结果反求:通过模块构建通信控制平台, 最终圆满完成给定任务。

4.2 可重构机器人构形设计方法

广义上构形设计问题都可以概括为一类搜索问题, 在约束条件和任务目标下, 通过搜索目标函数构造最优构形。传统优化方法采用计算代价函数的梯度值, 只能得到线性最优解, 不满足非线性要求, 故本文采用进化算法。进化算法与遗传算法类似, 是其的一种演化, 它以达尔文的进化论为基础, 通过模拟生物自然进化过程来进行求解和自适应, 主要通过选择、重组和变异三种手段实现优化问题的求解。

1) 进化算法不需要假设提前解, 不需要考虑形式与功能之间的关联, 柔性很大, 可以完成任意产品的构形设计;

2) 进化算法比其他算法能更好的处理离散问题, 耦合问题, 适用于不同大小的搜索空间, 构形设计空间往往是高度耦合的, 涵盖离散和连续的变量:

3) 进化算法鲁棒性能优越, 避免了其他算法往往纠缠于局部最优解的困扰, 尽可能的实现全局最优解;

4) 进化算法操作简单, 运行时间较短, 对计算机的硬件需求较低, 不需要特别高的配置, 具有很好的并行工作能力。

4.3 构形设计实例

在知道了任务要求和得到可重构机器人模块化平台的前提下, 即可开展构形设计, 前述文中已经讨论过构建模块化平台所需要的四种模块, 在后续讨论中, 我们只考虑除末端工具模块以外其余的三个:

基础模块B的有三个实例:Bml (0.2m) , Bm2 (0.4m) , Bm3 (0.8 m) , 变换矩阵如下, h为高度值:

连杆模块L的一共有10个长度实例, 分别为0.05, 0.l, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5 m。变换矩阵如下, L为高度:

关节模块J有三个实例, 变换矩阵如下:

c为关节回转中心到上下两个连接端的长度, 2c=0.lm, θ1为回转中心两部分相对转动的角度:

C同上, θ2为横向摆动关节两部分相对转动中心的交叉角度值:

d为上下移动关节模块的移动量, d1为上下移动关节的移动量为初始值时的长度;

输入条件为六自由度串连关节机器人, 路径规划为输出端可以快速按预定轨迹移动, 位置姿态要求如下所示:

位姿矩阵一:

位姿矩阵二:

位姿矩阵三:

位姿矩阵四:

经过构形设计后, 可重构机器人的摹本构形为:

适应度函数为:

进化参数设置为:种群大小为30, 最大代数为15, 变异概率为0.25, 交叉概率为0.7。

运行结果为:Cm02→JSm→Lm09→JRm→Lm0l→JLm→Lm02→JSm→Lm08→JLm→Lm06→JSm→Tool

5 结论

可重构机器人的构形设计目标在于从在广泛的模块库中寻找和优化出最优的拓扑模型, 从本质上来讲是一种以任务为前提的优化求解过程。本文通过分析可重构机器人构形设计问题的特点, 开展了理论研究, 并对构形设计问题进行了量化说明, 采用遗传算法开展构形设计, 有效地实现了非线性, 强耦合性条件下的构形优化。

参考文献

[1]Carly Rae Jepsen.Modular Reconfigurable Robots.Transaction of Welfares Robotics Systems, Seoul, Korea, Oct.2000.5.

[2]赵卫东.机器人学[M].北京理工大学出版社.2004.

[3]Jennifer Lopez.Research on the Reconfigurable Robot.PhD Thesis.Stanford University.1998.

一种可重构超短波天线设计 篇4

1 天线设计

文中设计的超短波天线工作频段为225～512 MHz,若使用单根单极子天线,由于其工作频带较窄,故无法实现。根据频率可重构天线的实现方法,文中考虑在单根单极子天线上加载开关使其工作在不同的频段,并分别设计宽带匹配网络来实现。天线工作原理如图1所示,当开关导通时,天线工作于较低的频段,并与匹配网络1连接;当开关断开时,天线工作于较高的频段,并与匹配网络2连接。即在整个工作频带内,通过加载无耗匹配网络,天线与馈线均能得到良好的匹配。

首先使用电磁仿真软件IE3D对天线进行了具体的仿真,最终将天线的工作频段划分为225～340 MHz和340～512 MHz两个频段,分别称为频段1和频段2。当天线工作在频段1时,取单极子天线的总高度H=0.275 m,单极子天线半径为8 mm。仿真结果表明,天线在该频段内VSWR<3.5。使用简化实频法[4](Simplified Real Frequency Technique)在Matlab中编写程序设计了匹配网络,使其VSWR降低至2以下。图2和图3分别为加载匹配网络前后天线的驻波比和匹配网络1的具体形式。

天线工作在频段2时,取开关的高度为h=0.178 m,此时开关断开,即天线在该频段的工作高度为0.178 m。仿真结果表明,天线在该频段内VSWR<3。同样使用简化实频法设计了匹配网络,使其VSWR降低至2以下。图4和5分别为加载匹配网络前后,天线的驻波比和匹配网络2的具体形式[5]。

2 仿真结果与分析

将设计好的匹配网络与天线在IE3D中进行联合仿真,天线在整个工作频段的驻波比以及水平方向上的增益分别如图6和图7所示。可看出,天线在整个工作频带内VSWR<2,增益均>3 dB。图8～图10分别为天线在230 MHz、370 MHz以及510 MHz垂直面和水平面的增益方向图。由此可见,天线在水平面内均为全向辐射,在垂直面内波束虽有轻微上翘,但在水平方向上仍可保持良好的辐射。

3 结束语

文中应用可重构和宽带匹配技术,设计了一种新颖的超短波天线,该天线在工作频带内驻波比<2,且具有较高的增益,同时横向尺寸远小于传统的套筒天线,在实际工程中具有一定的应用价值。

摘要：介绍了一种超短波单鞭天线。通过使用可重构以及宽带匹配技术,与传统的套筒天线相比,大幅减小了天线的横向尺寸。仿真结果表明,该天线在工作频段内电压驻波比<2,且具有良好的辐射特性。

关键词：超短波,可重构,宽带匹配

参考文献

[1]王元坤,李玉权.线天线的宽频带技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,1995.

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星载环境下可重构技术分析 篇5

当今星上载荷工作系统发展迅速,系统规模日趋庞大,用户数量日趋增多,从而导致星上处理能力种类增多、计算量增加和工作可靠性要求更高。然而星载环境下不仅存在着高温、低温、超重、失重和真空放电等严酷环境,而且存在着各种空间辐射,环境条件苛刻,要求星上处理芯片具有较高的抗辐射特性。而抗辐射类芯片的制造和生产工艺要求极高,关键芯片难以生产制造,成为制约卫星处理能力的瓶颈。

1 器件防护技术比较

卫星运行在宇宙空间中,空间环境中的各种高能粒子穿过卫星内部功能电子器件时会辐射影响半导体电路,单粒子效应(SEE)是指单个的高能质子或重离子导致的微电子器件状态的改变,从而使卫星发生异常或故障的事件,主要包括单粒子翻转(SEU)、单粒子闩锁(SEL) 、单粒子栅击穿(SEGR)、单粒子烧毁(SEB) 、单粒子功能中断(SEFI) 、单粒子瞬态脉冲(SET) 、单粒子多位错(SEMBE) 和单粒子导致暗电流(SEIDC)等。按器件损伤程度可分为永久性故障和暂态故障2类。为了克服和消除单粒子效应造成的后果,采用了多种方法来进行器件防护保护抗辐射,例如屏蔽技术、加固技术、ROM防护技术、EDCA技术和三模冗余技术等。

1.1 EDAC 技术

EDAC技术是防止单粒子翻转的有效技术。常用的方法有奇偶校验码(只能检测错误,不能校正错误)、海明码(可检测2位错误,并校正一位错误)和RS 码(能够检测和校正数据结构中的多位和连续错误)。为了避免处理器系统RAM资源受到单粒子翻转的影响,可以采用纠错编码或纠错电路的方法来消除单粒子翻转对系统的影响。虽然加了纠错码的RAM消耗了更多的资源,但是当有翻转错误发生时,纠错码可有效地将这些错误检出并纠正,从而保证了系统的可靠性,其代价是冗余硬件资源和处理延时。

1.2 三模冗余技术

将重要数据存放在存储器内3个不同的物理区域位置,应用时从3处取出,按照3取2比对/刷新原则处理,也可以削除SEU 造成的瞬时错误。三模冗余技术实际上是一种全集的纠错编解码技术,与三一大数判决有异曲同工之处。其基本思想是:输入数据同时送入3个实现相同的功能的模块,将各个模块输出的数据送到1个多数表决器,进行3选2多数有效选举的判定,从而可以保证输出数据的正确。

1.3 擦洗的方法

FPGA在单片机或者自身内部程序控制下,定期对FPGA的片内RAM进行擦洗和重写入,以保证SRAM中的数据是正确的,从而消除单粒子翻转现象对系统影响。优点是无需额外的硬件逻辑资源,实现简单。缺点是无法对擦洗数据进行校验,不能判断是否发生过单粒子事件,且只能恢复暂态故障,不能消除永久故障。可以被看作是一种最简单和初期的器件重构技术。

2 可重构技术

可重构技术是一种通过编程配置的方法来改变可编程芯片的结构从而实现不同功能的技术,广义的可重构还包括软件领域的模块可重构技术和方法,此处仅指针对FPGA/CPLD的可重构技术。本质是借助可重构硬件,改变芯片内部的资源使用情况,从而进行不同的逻辑计算运行,进而完成各种不同的功能。

2.1 静态重构和动态重构

静态重构又称编译时(Compile-Time)重构,特点是每个任务都需要一个涵盖整个器件的配置文件。在开始执行目标任务前,要将这个配置文件编程到可重构逻辑器件的逻辑资源上。一旦开始执行,在目标任务的整个执行生命周期内,可重构逻辑器件上的配置文件将保持静态而不发生任何改变。

动态重构又称运行时(Run-Time)重构,特点是能够在目标任务运行的同时对可重构逻辑器件上的逻辑资源进行重构,而且在每次重构时配置文件的大小都远小于静态重构的配置文件大小,因此能有效减少重构的时间开销。

2.2 全局重构和局部重构

从重构的范围来说,重构可以分为全局重构和局部重构,早期重构系统多是基于可编程器件整体全部重新加载完成整体重构,而随着重构技术的发展现在重构技术更着重于局部重构,仅仅对功能电路需要更新的模块部分进行重构和升级。

2.3 基于模块的重构技术

基于模块的动态重构是现今快速发展的一种基于模块化的设计方法,即将电路按照逻辑功能划分成若干个单独的模块,这些模块可分为固定模块和可重构模块,模块之间通过总线宏进行连接,在系统模块调度算法的控制下,对可重构模块进行重配置改变其逻辑功能或者恢复原配置以克服由于单粒子事件带来的暂态故障。例如在一个星上数据理系统中,当其中的滤波器模块由于受到单粒子效应而出现暂态故障,此时可以用基于模块的动态重构的方法重新配置滤波器模块,恢复系统的正常工作。基于差异的动态重构是基于比较的设计方法,即FPGA重构后的配置与FPGA当前的配置中有比较少的部分需要修改(比如修改一个LUT、BRAM或者I/O等)的时候,只需要比较待重构前后的电路逻辑功能的差别,产生一个只包含电路差别的比特流(Bit-Stream)配置文件,因其比完整的比特流(Bit-Stream)配置文件小很多,所以下载非常迅速,下载后即可实现基于差异的动态重配置。

3 星载可重构系统

传统的电路设计方法一旦电路结构固定,则电路功能固定不可变,如果电路出现故障或者需要升级改造,则需要重新设计电路或更换电路板等器材。在星载应用环境中,工程应用迫切需要当某部分电路出现故障时,能够在地面进行远程故障诊断和故障维修,使设备能够继续正常工作。

3.1 星载可重构系统

星载可重构系统主要由可编程逻辑单元、存储单元和控制单元共同组成,如图1所示。宇航级处理器/CPLD接受地面远程配置管理,通过控制单元对多片EPROM构成的存储单元进行调度,动态加载重构可编程器件,从而使得整个系统具有远程升级、故障可修复和抗间辐射能力。

3.2 星载可重构流程

星载动态重构方法的优点是可以在星上总控单元的控制下,实时地检测错误并自主地修复错误或者接收地面控制系统的重构指令进行动态重构并修复错误,星载可重构流程如图2所示。

3.3 星载可重构特点

3.3.1 抗单粒子效应等空间辐射

当FPGA中的某个CLB发生故障后,采用动态重构的方法进行在线纠正,恢复系统的正常工作。如果出现SEB永久性故障损伤,就通过比对的办法检测出永久故障点并进行标识或标记,在地面进行时序面积约束重新编译设计,综合布局布线工具就禁止使用该块已经损坏的区域,这样生成的FPGA工作电路版图就不再包含该处已经损坏的逻辑块。

如图3所示,经过星地链路上传加载和重新配置,载荷设备经能够恢复正常工作,从而达到远程故障修复的目的。

3.3.2 能够远程故障维修、硬件升级

当星载设备出现未预期故障后,可以采用地面远程配置,更改其工作模式,升级硬件电路程序。如果物理接口保持一致,那么通过加载不同的工作电路算法,还可以工作在不同的协议状态之下,这样星载设备具备很强的向上/向下兼容性。

3.3.3 减小设备体积重量和复杂度

采用可编程器件设计实现可重构系统,包括处理器在内的大部分逻辑电路都可以FPGA来设计实现,这样减少了芯片器件的类型和用量,降低了设备载荷的重量,减少了芯片间的互联复杂度,增大了处理能力,提高了可靠性。

3.3.4 缩短研发周期延长工作寿命

一般来讲卫星的生产量非常小,传统的基于ASIC设计制造的星载系统研发周期长成本高灵活性差,基本属于不可重复利用资源。而基于FPGA的可重构系统其生产费用相对于前者有了很大程度地减低,同时也很大程度地缩短了研发周期,可以通过动态改变其内部配置满足多项功能需要,具有远程修复能力,进而延长系统工作寿命。

4 结束语

星载可重构技术主要采用FPGA来设计完成,相比传统器件方法技术具有成本低投入少的特点,降低单次研制投产高昂的材料费用、试验费用和人力费用。这项技术在星上交换、星上IMS服务器部署、星上数字调制解调和星上信号控制处理等领域广泛应用,能够对航空航天载荷系统的研究工作起到促进和提升。 

参考文献

[1]郭红霞,王伟,罗尹虹,等.新型微电子技术单粒子效应研究面临的挑战[J],2010,33(7):538-542.

[2]杜新军,周建华,胡剑平.在SRAM型FPGA中局部重构与配置刷新的兼容方案[J].2011,32(2):48-51.

[3]李志刚,潘长勇,杨知行.抗单粒子翻转的可重构卫星通信系统[J].宇航学报,2009,30(5):1 752-1 756.

[4]张晓奕.IMS网络与现网业务融合探讨[J].电信工程技术与标准化,2010(1):86-90.

[5]李鹏,兰巨龙,姜鲲鹏.FPGA动态局部重构技术研究进展[J].信息工程大学学报,2009,10(1):98-101.

可重构机床控制的模块化设计研究 篇6

关键词：可重构机床,可重构性,模块化设计,控制模块

0 引言

目前, 全球化带来了激烈的市场竞争, 客户对于产品的要求也越来越趋向于定制化, 造成厂家必须缩短产品制造周期, 米适应市场的变化。如何能否快速响应, 并且具有良好的经济性是目前制造业亟待解决的一个问题。显然, 如果还使用传统的流水线生产模式不能快速响应, 近年来快速发展的柔性制造系统虽然在一定程度可以适应不同的生产模式, 但其快速改造能力差。基于此, 可重构制造系统应运而生, 通过合理的配置机床模块, 可以快速重组, 实时更新, 很好的响应新的市场需求[1~3]。

由于机床的配置模块本身不能及时更新换代, 因此现有的机床不能满足快速增长的需求, 需要具有可重构能力的机床来实现机床功能的可重构属性和定制化要求。

1 国内外研究概况

可重构机床的概念最早在1996年由美国密歇根大学可重构制造工程研究中心提出, 它是一个复杂的系统工程, 伴随着机床模块化技术的发展和控制器技术的日臻成熟, 可重构机床研究也取得了长足的进步和丰硕的成果。

可重构机床不仅仅是机械结构的可重配置, 而且还必须做到控制器也具有可重配置和模块化的能力, 覆盖软硬件两部分内容。目前, 相关研究有软件建模、模块化逻辑控制器、开放式体系结构控制器等[4,5]。

位于美国密歇根州的ERCIRMS CENTER正在研究一种非开放式结构控制器, 它采用的编程语言为C++, 包括人机交互界面、仿真工具和配置工具三部分组成。开放式体系结构控制器可以在机械模块可重配置的时候同时实现可重构。

B.Birla提出运用软件建模的方法来可重配置机床控制器, 该方法有四个主要的应用领域:1) 单向精确定位运动控制;2) 单向精确定位运动静态模型构建;3) 单向精确定位运动动态模型构建;4) 多向多自由度运动控制。

E.T.Enslew等通过采用逻辑模型模拟可重配置生产流程, 来选择最优参数, 评价和检验可重配置生产系统, 以控制输入, 保证并稳定输出。

RF.Walita和P D.Khargonekar提出了一种可以详细表达分析系统的分层结构框架, 以便在不同层次上协调集成控制器。这种方法不仅面向对象, 而且模块化, 该方法借鉴了Zacard提出的TCF (Timed Conversion Formers) 方法实现模型构建, 并应用了Robert和Ralf提出的TTTB (True Time Timed Border) 理论和工具。

S.Gark, D.M.Tilbuyr和PDKhatgonekar在汽车行业领域, 根据生产节拍开发了一种模块化控制器, 可以进行基础的功能分析, 并能够模拟工况, 算出不同时期不同状态下的产量。

2 离散事件系统定义及其组成

本文首先介绍离散事件系统定义及其组成, 之后再详细开展可重构机床模块化控制器设计方法研究。

离散事件系统是非静态系统, 它通过突然发生的独立事件的形式来描述。在本文中。离散事件系统的主要表现有两个方面, 分别是语言和有限状态机。这两种手段各有优缺点, 前者执行起来较为困难, 但是非常容易, 后者实施简单但是原理和逻辑非常繁杂, 存在嵌套和迭代。本文采用的方法是通过有限状态机来进行模型构建。

2.1 语言

如上所述, 语言的表达方式简单容易, 主要应用在离散事件系统, 其基础是字符串, 体现事件发生可能性的序列排列即概率大小的排列。

字符串 (string, s) :表示按照概率大小进行的一组排列。ε代表的是空行, 即事件发生的概率为0。对于随机发生的两个事件S1和S2, S2表示字符串S2中的时间因为S1发生而发生的概率。

语言 (Language, L) :表示所有可能发生事件的序列集合。若事件集合定位为∑, 且ε∈∑, 则对于任意两个语言Ll, L2均∈∑

映射:L在∑’上的映射表示为f∑’ (L) , 有如下定义:

2.2 有限状态机

有限状态机作为另一种表达方式, 具有操作容易, 简介直观的优点, 故使用频率很高。如图1所示, 有限状态机的表示方法较为特殊, 主要通过关键节点和箭头来表示流程的流转和转移, 与流程图非常类似, 学名叫做状态图。其中, 圆圈状的节点用来代表当下的实时情况, 箭头用来代表流转方向。

有限状态机 (FSM) 其数学特征表现为一个五元函数组:

其中各参数含义为:Q定义为状态集合, ∑定义为事件集合, δ定义为转移函数, q0定义为初始态, F定义为终止态集合。

最重要的是通过标记来表述任务循环往复的状态, 避免出现死循环, 转移函数δ参数表如表1所示。这里的δ通常表达一种字符串到状态集合的递归映射关系。

3 可重配置机床模块化控制器系统设计

利用前面所提到的设计和计算方法, 可以实现可重构机床控制器的模块化和可充配置化。如图2所示为一个典型可重配置机床, 该机床机械模块组成部分有:机床床身, 回转台, 立柱, 怀胎, 动力刀头等, 要进行控制器模块化可重配置需进行一下三个方面的改造:1) 设计控制器整体系统结构;2) 定义各控制模块之间的信息流;3) 构造控制模块的有限状态机。

3.1 模块化控制器整体结构概要设计

由于本文主要依托于离散事件系统来开展, 所以逻辑控制是重中之重, 通过逻辑控制来进行排列组合, 完成可重构机各个机械模块的拆分重组。为了实现点对点的实时精确控制, 我们队每一个机械模块都开发了对应的机械控制模块, 如图3所示。

1) 用户结构控制模块

此模块通过面板上的按钮实现人机交互, 完成整体系统的启动, 关闭, 转换刀头等加工功能。通过传递用户指令完成控制达成并实时显示当前状态。该模块的关键是图3中的端口A, 它是信息通讯的桥梁。

2) 模式转换控制器模块

此模块由手动和自动两个模块构成。手动模式下, 通过人工输入微调指令实现精确控制刀头的进给以及各加工参数。自动模式下, 机床按照NC代码顺序加工, 避免重复加工, 精确有效。两种模式之间的转换通过转换开关来控制。

此模块一共有4个端口, 分别是端口A、B、C、G, A代表控制协调用户接口, B代表自动选择合适准确的加工模式, C代表人机互动完成NC代码的编制, G代表控制协调机床各个机械模块功能互联。

3) 机床协调器模块

机床协调器的功能主要用来实现命令分解和命令冲突调整。命令分解主要用于分解上游控制器发送的指令细化传递到各个子控制模块;命令冲突调整主要用来避免发生非法指令的出现和碰撞干涉的可能。此模块一共有5个端口, 分别是端口C、D1、D2、D3、E, 分别用于模式转换控制器控制、机械运动部件的移动、动力刀头组件的进给等功能实现。

3.2 控制模块信息流构建

在上述控制器中, 模式转换控制器的端口起到了最关键的最用。正是通过它才实现了主模块与子模块之间的相互控制、传递和调用, 实现系统高效稳定简洁的运行。如图4所示为模式转换控制器端口G的有限状态机示意, 通过箭头的指向代表了状态之间的转移流转, 表2所示为模式转换控制器端口G有限状态机的参数状态, 表3所示为其逻辑上事件状态, 表4所示为其逻辑转移函数。

3.3 控制模块有限状态机构建

通过上面的阐述, 可以看出不需要复杂重复的设计定义工作, 最终有且仅需要进行一次设计定义, 之后每一个控制模块, 每一个控制器接口即可完成任意可重配置装配需求, 同时其相对应相关联的控制模块会随着直接可重配置成全新的控制器。图5所示即为可重配置机床动力刀头控制器模块的有限状态机模型, 表4所示为可重配置机床动力刀头控制器模块的状态实时动态, 表6所示为可重配置机床动力刀头控制器模块的端口实时动态, 表7所示为可重配置机床动力刀头控制器模块的状态跃迁参数。

4 结论

本文通过运用离散时间系统来构建可重构机床的控制器模块, 并主要使用有限状态机来完成层次设计和系统搭建, 实现了机械模块和控制模块的一一对应。因此, 不管机械模块如何可重配置, 相对应的控制模块都可以在模型的自动转换下实现可重构, 并且只要一次可重配置证明了准确性, 其它情况无需再次检验, 在提高准确性的同时大幅提高了效率, 从根本意义上实现了机床的可重构。

参考文献

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可重构网络系统的模型及体系构架 篇7

现在,对于一些突发的事件进行及时地处理,能够在一定程度上促进社会的稳定,人们现在步入了信息时代,要实现信息、能源等网络设施高效地运行,离不开可重构网络的使用。当出现信息故障的时候,会引发很多的灾害,如水灾、火灾等,而且,在电力系统中出现信息的故障,会导致数据的丢失,给人们的生活和生产造成很大的不利,可重构网络系统能够实现对突发事件的管理和监控,能够对环境进行检测,从而能够及时提出预警措施。

1 网络系统重构的框架和模型分析

从计算机开始投入使用后,人们就开始对网络系统进行维护工作,网络系统由开始的静态维护,逐渐发展成为动态维护,在网络系统的维护过程中,主要是进行系统的侵入型检测,运用一些安全技术,防止系统遭到攻击,从而能够提供实时的安全保护,可重构网络系统具有主动防止侵入的功能,实现了网络系统在使用中的安全性和可靠性。

可重构网络能够对系统进行规范化的管理,能够确保网络系统不间断的运行,能够分析出网络拓扑在运行中的变化,能够实现对资源的共享和分配,提高系统的服务质量,在网络系统运行的过程中具有良好的管理效果。

在网络系统重构的过程中,对策略的分析是相当重要的,在网络系统重构的各个环节中都要制定不同的策略,在重构的过程中,最常用的策略是主动地重构策略,其能够在整个系统中起到统领的作用,能够在系统发生故障的时候及时地作出反应,从而能够对系统的应急处理作出指导。对于不同的网络,应该制定不同的应急策略。

2 主动重构策略分析

网络的重构有广义和狭义之分,狭义网络重构指的是在系统功能的基础上,对系统的结构进行重构,使系统通过新的组合后能够形成新的功能,从而能够满足用户的要求。广义上的网络系统重构指的是基于系统的生命周期进行分析的,能够对系统的各个功能作出调整,能够适应系统结构的变化,对系统的功能进行完善,或者对系统的功能进行删除。可重构的网络系统中,系统结构能够以最快的速度适应各种演化,从而能够为用户提供可靠的服务,实现系统的适应性,使系统能够主动识别。

2.1 重构信息的取得

在可重构网络中,其环境比较复杂,因此有很多不确定的因素,因此,可重构系统必须具有对环境进行主动感知的功能,从而能够获取关键的信息,能够对网络出现的问题进行主动地识别,对网络运行不畅的问题进行分析,对系统存在的问题进行探究,分析系统在使用过程中的风险因素,提供可靠的维护信息。

可重构网络系统可以分析系统运行的物理环境,同时也能够结合自身的状况,从而获取有效的故障信息,方便维修人员进行维修,对不同的信息进行获取之后,能够将相似的信息融合在一起,对那些有用的信息进行存储,能够对网络的运行情况进行量化的分析,从而能够提高系统的实用性,网络的实用性是在特定的空间中,网络处于特定的工作参数中,网络可以实现在较大区域中的应用,分析网络在较大的范围内是否能够正常运行,也是对网络在出现故障时能够使网络的状态及时恢复。网络的实用性作为网络系统的一个重要的评价指标,能够对网络的流量、带宽等进行评价,能够将这些信息整合在一起,从而能够对网络运行过程中的故障进行分析和诊断。

2.2 网络重构方法的选择

在实际的网络应用中,会因为一些突发性的事件导致网络系统不能正常的使用,因此,需要对网络系统进行重构,先要实现对故障的识别,然后对故障进行评价,分析故障是否能够对整个网络系统构成威胁,然后分析网络系统是否还能运行,然后制定有效地方法。

由于网络系统的重构方法是有很多种的,因此,在选择重构的需求的时候,也要根据用户的要求,选择重构的时间,分析重构的领域,重构的时间指的是网络系统要在规定的时间内重构,重构的领域指的是按照一定的网络组织结构进行重构,按照网络系统的级别,按照级别的高低来进行重构,在重构的过程中,是针对整个网络系统的,要分析网络系统的粒度,从而能够使重构呈现出一定的层次感。在对一些关键的结构进行重构的过程中,要对关键的设备进行重新配置,实现合理的网络化模式,在对自然灾害进行预警的时候,就应该对系统及时升级,对那些恶意的软件进行清除时,重点要对设备进行分解和重构。

重构的方法制定,要先分析网络系统是否还可以正常的运行,然后对网络系统存在的风险进行预测,然后整合数据,建立相应的数据库,根据这些数据实现对网络的重构,如果这些数据不能满足重构的条件,那么就要收集更多的数据,从而能够形成适应性更强的数据。

3 可重构网络系统的整体结构

可重构网络系统的结构是立体的,是一个三维的结构,主要有三个不同的面构成,主要是对技术管理和控制,每个面又可以分成五个层,从而能够对系统的故障进行感知和分析。

3.1 预警

在这个层面上,能够对网络系统的故障进行识别,对那些网络攻击或者网络运行中出现的异常现象进行分析,当网络系统的防火墙出现漏洞的时候,也可以通过预警告知用户,也可以对黑客主要采用的一些方式进行预警,从而避免网络攻击的发生。对网络安全形式的预警能够对网络的整体运行的情况进行全面地感知,从而能够对网络的运行进行监控,通过全面地分析,从而能够确保网络系统的安全。

3.2 感知

网络系统能够对外部环境产生一定的自适应能力,其可以实现对网络故障的自动化的识别,分析网络运行中的变异现象,能够对网络出现故障的地方准确地定位,然后通过监控的方式,将那些在系统中存在的非法的信息清除,从而确保网络系统的有序运行,从而在用户进行信息处理的时候,可以为用户提供完整的信息。能够感知周围环境中的危险信息,能够对网络状态进行评估。

3.3 检测

网络故障在发生的过程中都有一定的突发性和随机性特点,通过对网络系统的检测,能够实现对网络系统故障的识别,从而能够及时将网络的漏洞进行修复,防止黑客的攻击。在对网络系统进行检测的过程中主要使用的是在线检测技术,能够对网络系统的工作层面进行逐层的扫描,确保网络系统的可靠性。

3.4 评价

当网络系统出现故障的时候,应该在网络系统监控和诊断的基础上对网络的运行状况进行合理的评价,从而能够及时发现网络系统中的风险,为网络系统的重构提供数据的支撑。

3.5 重构

在对网络系统进行重构的过程中,应该分析网络系统的安全性,分析网络系统是否在具有自愈的能力,在数据的传递的过程中是否还具有连续性的特点,然后对网络系统重构,实现网络系统不间断传送信息的功能。

4 结语