[发明专利]一种基于现场可编程门阵列的蚁群算法仿生硬件

摘要

本发明提供了一种基于现场可编程门阵列的蚁群算法仿生硬件。蚁群算法寻优过程中所体现出的并行性、协同性、自组织性、动态性、强鲁棒性等特点与蚁群算法仿生硬件的许多要求是相符的。该蚁群算法仿生硬件结构主要包括蚁群模块、发生器模块、评价模块、控制模块、输入模块和输出模块六个基本模块。其中发生器模块包含m个相同的解发生器，每一个解发生器模拟一只蚂蚁利用蚁群算法机制构造解的行为；评价模块用来评价由解发生器所产生解的质量；控制模块用来辅助评价算法迭代中所产生的最好解和新的精灵解，并与评价模块进行信息交互。该蚁群算法仿生硬件具有自组织、自适应、自修复、执行速度快等优点，并具有较强的容错性。

主权项

1.一种基于现场可编程门阵列的蚁群算法仿生硬件，其特征在于：它采用了从顶向下层次化的设计方法，该蚁群算法仿生硬件结构主要包括蚁群模块、发生器模块、评价模块、控制模块、输入模块和输出模块六大基本模块；其核心模块是蚁群模块、发生器模块、评价模块；该蚁群模块包括群矩阵Q＝[qij]n×k，该矩阵由j＝0列的精灵解和j∈{1，2，…，k-1}列中的FIFO-序列构成；蚁群模块负责将群矩阵中第i行的qih(h∈{0，1，…，k-1})传送到发生器模块，当迭代结束时，该蚁群模块可从评价模块中接收最优解，然后将其加入到序列中；发生器模块可使m个解发生器同时工作，其中一个解发生器对应一只蚂蚁，所有的解均由解发生器传送到评价模块中的m个并行评价框内；m个解的评价结果将集中于比较框中，由此来确定当前迭代中的最好解；如果所得最好解优于当前最好解，则将当前最好解置换；该发生器模块包含m个相同的解发生器，每一个解发生器模拟一只蚂蚁利用蚁群算法机制构造解的行为；该解发生器包含三个基本单元，即S-阵列、匹配缓冲区和选择器；S-阵列用来存储和保持si∈S中的选择集{S，…，n-1}，其中i∈{0，…，c}，且c＝|S|-1；同时，S-阵列可被其包含的内容所访问；当它从蚁群模块接收到传送项qih时，可将qih与S中的剩余项进行比较；若存在某项sl∈S，且Si＝qih，则S-阵列返回地址al，其中al是S-阵列中sl的地址，且将al保存于匹配缓冲区内；选择器用来建立状态转移概率分布并随机选择sl*∈S，随后将其送至评价模块；该解发生器的处理流程处理流程开始后，解发生器使可选集S＝(0，...，n-1)，且初始化S-计数器c＝n-1；该S-计数器是由控制模块中的外围逻辑实现，对于所有的解发生器而言，当前的S-计数器值都是可用的；匹配计数器M用来表示存于匹配缓冲区中匹配地址的数目；该循环初始化完成之后，群体i行中的所有项qih(h∈{0，1，…，k-1})都传送到S-阵列，当S-阵列中某项sl被匹配后，即sl＝qih，则将与其相对应的匹配地址保存于匹配缓冲区内；当该循环周期的最后一次迭代结束后，匹配缓冲区将包含群体和可选集i行中的所有项；蚂蚁即解发生器可作出解向量中第i个位置的决策，它随机选择地址al*，并将其传送到S-阵列中，随后将被选项sl* 存于地址al*中，且将sl*传送到对应的评价模块中，然后将sl*从选择集S中移走，该过程不断对解向量中剩余的n-c个位置作出决策；S-阵列的操作包含三个基本阶段，即传送阶段、选择阶段和压缩阶段；在传送阶段，群矩阵i行中的k个项被传送到S-单元，S-单元中的比较器把传送项与其已存有的s项进行比较；若相等，则当各自的S-单元活跃时(AF＝1)，S-单元将去除地址a；当选择器随机选择被选项sl*后，S-阵列即进入了选择阶段；将被选地址al*传送到S-单元，每一个S-单元用其比较器将传送来的地址与其a地址进行比较；S-单元l*将其所存的sl*项作为查询结果传送到评价模块；每一个S-单元j也会利用其自身的比较器检查是否为被选S-单元的前继，即aj≤al*；所有的前继S-单元设置其匹配标志(Match flag，MF)为MF＝1，而其它的则设置MF＝0；在S-阵列的压缩阶段，每一个S-单元将其活跃标志AF及其存储项送至后续S-单元；如果选择阶段的匹配标志MF＝1，则S-单元锁存来自前继S-单元的相应数据，且逻辑数0被设置到第一个S-单元的AF标志中；最终结果是被选项sl*被覆盖，被选单元即aj＜l*的左边所有项均向右移动一个单元；一次迭代完成之后，通过将S-单元地址值调入到s-寄存器的方式将S-阵列中数据寄存器的原始值再次初始化；该选择器用来接收来自匹配缓冲区内匹配项M的数目；一旦随机数r产生之后，可将其与c相比较，以决定S-阵列或匹配缓冲区内缓冲地址中的某项是否被选中；评价模块用来评价由解发生器所产生解的质量，该模块的核心即为比较模块；每一个需要用蚁群算法解决的优化问题均需特定的评价模块，该评价模块包含着特定问题的评价参数，并可计算来自解发生器的目标函数值；比较模块用来评价算法迭代中所产生的最好解和新的精灵解，并将其存于群体中；这里所设计的比较模块中，比较树可减少比较模块的逻辑延时，用来构造最好解的解发生器标志即best-index，并将其传送到蚁群模块；一个附加比较器将目前迭代中最好解与已发现最好解进行比较，如果当前最好解优于已发现的最好解，则设置精灵标志“is-elite”。