[论文解读] Technical Report: Artificial DNA - a Concept for Self-Building Embedded Systems

Uwe Brinkschulte|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2017

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 12被引用 3

一句话总结

本文提出人工DNA——一种存储于每个处理器核心中的自描述、自构建蓝图，用于嵌入式系统，实现运行时的自组织、自修复和动态适应。通过将系统结构、任务依赖关系及硬件适配性编码为紧凑的数字DNA，系统利用去中心化的仿生激素系统（AHS）自主配置和重新配置自身，实现在复杂、大规模嵌入式系统中的实时、容错运行。

ABSTRACT

This technical report deals with the concept of an artificial DNA which contains a blueprint of the structure and organization of an embedded system. This blueprint can be used to build up the embedded system in a self-organizing manner at run-time. The report describes in detail the basic principles of the the artificial DNA and its relationship to standard design methods for embedded systems. A prototypic implementation is presented and evaluated. Additionally, future work is described and a conclusion is given.

研究动机与目标

• 为应对具有数千个计算节点的嵌入式系统日益增长的复杂性，手动设计已无法扩展。
• 在分布式实时嵌入式系统中实现自组织、自修复和自优化。
• 开发一种受生物DNA启发的自描述系统架构，支持运行时系统构建与适应。
• 通过基于重要性与资源可用性的运行时复制与冗余合成，支持动态容错。
• 利用人工DNA作为动态蓝图，在运行时支持系统结构的演化与重构。

提出的方法

• 将嵌入式系统表示为基本功能单元的网络，每个单元由唯一ID和参数集标识，通过状态函数和输出函数建模其行为。
• 将完整的系统结构、任务依赖关系、通信模式及核心适配性编码为存储于每个处理器核心中的紧凑数字“人工DNA”。
• 使用仿生激素系统（AHS）在运行时转录人工DNA，根据当前系统状态和约束条件，动态分配任务至核心。
• 通过动态创建关键基本单元的副本实现模块化冗余，基于重要性值与资源可用性，实现自适应容错。
• 通过允许DNA在运行时被修改，支持动态重构与演化，使副本与系统结构能自动适应变化。
• 通过多个相同基本单元（如ALU、PID控制器）实例之间的挑战-响应检查，实现隐式冗余，进行相互验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何基于生物启发原理，为具有数千个核心的大规模嵌入式系统设计一种自描述、自构建的系统？
• RQ2 在紧凑、分布式且可演化方面，最优的数字DNA表示方式应如何组织系统结构与行为？
• RQ3 如何基于重要性与资源约束，在运行时动态合成模块化冗余？
• RQ4 如何通过人工DNA中基本单元的隐式与显式复制，实现自修复与容错？
• RQ5 人工DNA在多大程度上可支持无需人工干预的实时系统重构与演化？

主要发现

• 人工DNA方法的原型实现已在真实世界机器人车辆上成功评估，验证了其可行性与实用性。
• 人工DNA系统的内存与通信开销较低，使用有限的基本单元集合即可实现紧凑的DNA表示。
• 基于DNA蓝图的自构建、自适应与自修复行为可满足实时系统需求。
• 可在运行时动态合成模块化冗余，副本可根据资源可用性与系统需求进行迁移、增加或移除。
• 通过相同基本单元的多个实例实现的隐式冗余，可实现低开销的相互验证与故障检测。
• 系统支持对DNA结构变化的自动适应，实现无需人工重新配置的自修复与演化。