负相关集群进化机的鲁棒性及泛化能力研究

With the increase of the intelligent and independent abilities of the electronic systems, the robust problems under uncertain environments become more and more important. This program integrates the evolutionary-hardware (EHW) technology with the robust design technology, and investigates the robust design and the generalization ability of the robustness of the electronic systems. The presumption is proposed that the improvement on the generalization would enhance the robustness of the electronic systems under uncertain environments. The coevolution method with multiple EHW ensemble is adopted and the negative-correlation strategy is introduced. The main purpose is the exploitation of the negative-correlation evaluation method among different individuals in the ensemble system, and the validity of the negative-correlation evolution method. The influences of the negative-correlation mechanism on the generalization and the robustness of the ensemble system under uncertain environments are analyzed. The investigation is significant to the reveal of the general rule between the negative-correlation and the generalization of the ensemble, and the reveal of the relationship between the generalization and the robustness of the ensemble system under uncertain environments, which produces new ideas and has certain scientific research value.

随着电子系统的智能化、自主化程度的不断提升，其在不可预测环境下的鲁棒性问题也会越来越重要。本项目将演化硬件技术与系统鲁棒性设计技术相交叉，对电子系统的鲁棒性设计及泛化性设计方法进行研究。提出改善电子系统泛化性能够提升其在不确定环境下的鲁棒性的假设。采用多演化硬件集群的协同进化方法，并引入负相关机制，探索集群个体之间合适的负相关评价方法及对于整个集群有效的负相关演化设计方法，分析负相关机制对集群系统泛化性以及集群在不确定环境下鲁棒性的影响。该研究对于揭示负相关机制与集群泛化性之间的一般规律、揭示系统泛化性与其在不确定环境下的鲁棒性之间的内在关系具有重要意义，能够为电子系统在不确定环境下的鲁棒性设计问题奠定一些研究基础并提供新的解决思路和方案，具有相应的科研应用价值。

本项目研究负相关集群进化机的鲁棒性及泛化能力。针对子系统结构的多样性设计问题，以数字滤波器为研究实例，提出一种新的结构多样性数字滤波器设计方法。为提升研究成果的实用性，提出稳定的无限冲激响应滤波器多样性设计方法和双通带滤波器的结构多样性设计方法。针对子系统负相关性能评价问题，在子种群中引入合适的负相关评价机制。每个子种群中的个体的适应度评估函数由两部分组成：个体的功能性评价指标；个体的负相关评价指标。针对数字滤波器的改进工作，为了使所研究内容具有较好的应用性，提出稳定子系统加前馈主系统的设计方法。子系统采用低阶无限响应滤波器结构，反馈加在子系统中，主系统由多个子系统构成，主系统中不含有反馈支路，这样就能够保证：只要子系统是稳定系统，则主系统就是稳定系统。针对负相关机制设计问题，提出输出响应向量的负相关方法。假设有两个子系统，当出现故障时，如果这两个子系统的输出向量转动方向相反，转动角度相等，伸缩方向相反，则此时我们将这两个子系统定义为负相关的两个子系统。研究了负相关机制与集群的泛化性和鲁棒性之间的关系。在演化过程中引入负相关机制后，子系统的输出向量相互之间将呈现明显的负相关特性。当负相关惩罚项的权重过大时，子系统主要表现出负相关特性，但子系统的精度将大幅度下降。所以，负相关惩罚项的权重并不是越大越好，子系统之间的负相关度也并不是越大越好，需要通过实验测得一个最优的取值。将负相关集群进化机用于容错型数字滤波器设计中，能够容忍乘法器断路故障。为加速大规模电路结构的演化提出深度学习筛选模型。其工作原理为：将电路的编码映射成图，采用已演化好的电路编码来训练网络，使网络能够筛选出成功演化价值较高的电路，加速演化算法的收敛。