CN108920755A - 基于奖赏机制的布线方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于奖赏机制的布线方法，包括如下步骤：S1，根据给定的输入条件，生成线路布线的初始状态；S2，计算初始状态中线路束的交叉数和弯折数；S3，判定是否存在线路束穿过非允许布线区域的不合理线路：若不存在，则转入S6；若存在，则转入S4；S4，选定所述不合理线路，在约束条件和奖赏机制f(a_i)下，选择最优动作a_b，使其拨离非允许布线区域；S5，更新线路状态，转入S3；S6，完成最优动作序列＜a₁,a₂,Λ，a_T＞的选择，生成布线方案。该方法操作简单，减少了人力物力的浪费。

Description

基于奖赏机制的布线方法

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种基于奖赏机制的布线方法。

背景技术

光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质进行信息传输。由于其具有通信容量大、传输距离远、信号干扰小、保密性能好等优良通信性能，已成为世界通信中主要传输方式。与此同时，光纤通信相关的集成电路工艺技术的研究也随之发展，例如：硅基CMOS工艺、SiGeHBT与BiCMOS工艺等。

但是目前的光纤通信集成电路多采用人工方式进行布线设计与集成操作，不可避免的存在着技术局限性。光纤通信集成的布线设计大体包括输入条件，输出条件，以及中间设计过程三部分。其中设计部分的工作是该工艺的核心部分。

目前布线设计过程中对线路布局的调整多为技术设计师人为调整，因此当面临较为复杂的设计需求时，对于设计师而言很难较好的给出布线方案；同时考虑到光纤质地脆，机械强度差、分路耦合不灵活等缺陷，线路调整自身也存在着资源浪费的问题。

光纤布线集成设计本质上是一种多约束的目标优化问题。给定初始状态包括二维平面上的布线允许区域和接线点之间的路由表，以及一系列布线工业需求，需要给出一个最优的布线方案。目前优化问题的解决方案，大体分为传统最优求解以及智能优化算法。

求解多约束的传统方式是建模求解，将初始输入信息和布线需求约束进行数学建模，在求解最优化模型中，拉格朗日乘子法(Lagrange Multiplier)和KKT(Karush KuhnTucker)条件是两种最常用的方法。分别适用于有等式约束情况和有不等式约束情况。该方式的重点是建立起关于目标问题的方程组、约束表达式，从而选择合适的数学方法求解。

粒子群优化(PSO)是较为常用的智能优化算法，其具有相当快的逼近最优解的速度，可以有效的对系统的参数进行优化。粒子群算法的本质是利用当前位置、全局极值和个体极值3个信息，进行粒子下一步迭代位置。PSO算法的优势在于可以快速求解一些连续函数的优化问题，可以解决与布线方案类似的模块布局问题。除此外，考虑到局部最优搜索速度较慢的问题，Prabhjit Kaur提出在PSO基础上，加入蚁群算法(ACO)，利用其可感知局部信息的特点加速局部搜索，提高精度。

对于传统的建立数学模型求解，往往存在模型难以建立、求解要求苛刻、计算过程复杂等问题；蚁群算法收敛速度慢、易陷入局部最优，并且通常需要较长的搜索时间；而粒子群优化算法的不足在于：1)容易产生早熟收敛(尤其是在处理复杂的多峰搜索问题中)，并且局部寻优能力较差等；2)涉及到大量个体的计算，当问题复杂时，计算时间是个问题；3)处理规模小，目前对于维数较高的问题，还是很难处理和优化的，难于处理非线性约束；对非线性约束的处理，大部分算法都是添加惩罚因子，这是一笔不小的开支；4)稳定性差，因为算法属于随机类算法，需要多次运算，结果的可靠性差，不能稳定的得到解。

有鉴于此，有必要设计一种基于奖赏机制的布线方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单、简化布线方案设计过程的基于奖赏机制的布线方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于奖赏机制的布线方法，包括如下步骤：

S1，根据给定的输入条件，生成线路布线的初始状态；

S2，计算初始状态中线路束的交叉数和弯折数；

S3，判定是否存在线路束穿过非允许布线区域的不合理线路：若不存在，则转入S6；若存在，则转入S4；

S4，选定所述不合理线路，在约束条件和奖赏机制f(a_i)下，选择最优动作a_b，使其拨离非允许布线区域；

S5，更新线路状态，转入S3；

S6，完成最优动作序列＜a₁,a₂,Λ，a_T＞的选择，生成布线方案。

作为本发明的进一步改进，所述奖赏机制f(a_i)满足如下关系式：

f(a_i)＝(l.Num_cross-l.Num′_cross)+(l.Num_bend-l.Num′_bend)

式中，l.Num_cross表示线路l的初始交叉数；l.Num′_cross表示线路在动作a_i执行后的交叉数；l.Num_bend表示线路l的初始弯折数和l.Num′_bend表示线路在动作a_i执行后的弯折数。

作为本发明的进一步改进，所述约束条件是指Num_{line-cross-hole}满足如下关系式：

Num_{line-cross-hole}＝0

式中，Num_{line-cross-hole}表示穿过孔槽的线路数目。

作为本发明的进一步改进，通过遍历候选动作集合中的所有动作，在所述奖赏机制f(a_i)下选定所述最优动作a_b，具体过程满足如下关系式：

式中，(a₁,a₂,…a_n)表示候选动作集合，n为自然数。

作为本发明的进一步改进，所述候选动作集合中的单个动作的具体操作过程如下：当一条线路AB需要调整时，在可选区域内选择一点C，并将其加入线路AB，线路状态调整满足如下关系式：

＜AB＞→＜AC,CB＞。

作为本发明的进一步改进，所述输入条件包括二维平面上的布线允许区域以及接线点之间的连接关系清单。

作为本发明的进一步改进，所述布线方案包括输出2D布线图以及输出每根线路的长度、交叉数以及弯折数。

作为本发明的进一步改进，所述非允许布线区域是指障碍物区域或孔槽区域。

作为本发明的进一步改进，所述交叉数计算规则如下：

①布线平行紧密排列的区域称为线束；

②线束中有N根线紧密排列，记为线束(N)，其中，N≥1；

③线束与线束交叉，计为1个交叉数。

作为本发明的进一步改进，所述弯折数计算规则如下：

①布线平行紧密排列的区域称为线束；

②线束中有N根线紧密排列，记为线束(N)，N≥1；

③当线束为了躲避障碍物，需要进行拨动，计为1个弯折数。

本发明的有益效果是：本发明通过奖赏机制f(a_i)对每次最优动作a_b的选择进行打分，对布线初始状态进行调整，最终得到满足设计要求的布线方案。当用人工布线的时候，因为线路数量巨大，且需要满足的要求比较复杂，对于技术人员来说，得到满足设计要求的布线方案所有的线路工程量是十分巨大的，并且当有所改动的时候，对于材料的浪费也是不容忽视的，使用该基于奖赏机制的布线方法，操作简单，减少了人力物力的浪费。

附图说明

图1为单个动作的操作示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于奖赏机制的布线方法，包括如下步骤：

S1，根据给定的输入条件，生成线路布线的初始状态；

S2，计算初始状态中线路束的交叉数和弯折数；

S3，判定是否存在线路束穿过非允许布线区域的不合理线路：若不存在，则转入S6；若存在，则转入S4；

S4，选定所述不合理线路，在约束条件和奖赏机制f(a_i)下，选择最优动作a_b，使其拨离非允许布线区域；

S5，更新线路状态，转入S3；

S6，完成最优动作序列＜a₁,a₂,Λ，a_T＞的选择，生成布线方案。

我们将所述布线方案的工艺需求转化为如下的目标函数：

minf_bend；

minf_cross；

式中，f_bend表示布线弯折数；f_cross表示布线的交叉数。可知，在满足布线要求约束条件的情况下两者数值越小越好。

所述约束条件是布线不得穿过孔槽等非允许布线区域，即：

Num_{line-cross-hole}＝0

式中，Num_{line-cross-hole}表示穿过孔槽的线路数目，即，该值应该取0.

请参阅图1所示，所述动作为当前布线状态存在不满足约束条件的线路时，需要对其进行拨线调整，即，对线路的拨线调整就是动作。我们记一次动作为a_i。对一次动作a_i具体定义为：当某条线路(或线路束)AB需要调整时，我们在可选区域内选择一点C，并将其加入线路(或线路束)AB，此时线路(或线路束)状态调整如下：

＜AB＞→＜AC,CB＞

从而使线路(或线路束)满足要求。因此，一次动作a_i为<线路，点>(或<线路束，点>)组合。

在线路状态需要进行调整时，可能会存在多种动作选择＜a₁,a₂,Λ＞，即，候选动作集合。在进行动作选择时，我们需要评估各个可能的动作进行选择，以选择最优的动作。

所述奖赏机制用于对选择的动作a_i进行打分，即f(a_i)。

所述奖赏机制与交叉数和弯折数密切相关，动作执行过程会改变线路状态中的交叉数和弯折数指标，所述奖赏机制主要是刻画线路的弯折数和交叉数。

给每一条线路定义属性，该属性包括该线路(或线路束)上的交叉数Num_cross和弯折数Num_bend。因为线路过多，每当线路更新状态的时候，若都采取重新计算整个线路交叉状态的方法，会导致重复计算且计算量过大。如此操作，在线路状态更新时，只需要计算被选中的线路(或线路束)的状态改变即可。

下面对所述奖赏机制的具体计算过程进行说明：

为了避开障碍物或孔槽，执行动作a_i，即拨开一条线路(或线路束)，交叉数Num_cross和弯折数Num_bend会发生变化，记所述奖赏机制f(a_i)公式如下：

f(a_i)＝(l.Num_cross-l.Num′_cross)+(l.Num_bend-l.Num′_bend)

式中，l.Num_cross表示线路l的初始交叉数；l.Num′_cross表示线路在动作a_i执行后的交叉数；l.Num_bend表示线路l的初始弯折数和l.Num′_bend表示线路在动作a_i执行后的弯折数。

根据所述奖赏机制的定义可知，若所述动作a_i执行后交叉数和弯折数减少，f(a_i)值将会相应增加；反之亦然。也就是说，我们所选择的最优动作a_i是尽量使得整体线路状态的交叉数和弯折数减少或者最少量增加。事实上，这一点与我们的目标函数是相契合的。

那么，在一次最优动作选择中，我们进行如下操作：

式中，(a₁,a₂,…a_n)表示候选动作集合，n为自然数；上式表示遍历集合中的所有动作，在奖赏机制下寻求最优动作。

所述最优动作选择序列＜a₁,a₂,Λ，a_T＞是在所述奖赏机制下，一个能够使得布线方案状态达到所述约束条件，并实现所述目标函数的动作集合。

实施例：

所述布线方案的输入条件主要包括以下两点：

①二维平面上的布线允许区域；

②接线点之间的连接关系清单(路由表)；

所述布线方案的输出要求主要包括如下两点：

①输出2D布线图；

②输出每根线路的长度、交叉数、弯折数；

布线方案设计的工艺需求，根据不同的情况，不尽相同。在本实施方式中，所述布线方案需要满足的需求如下：

①布线不得穿过孔槽等非允许布线区域；

②布线满足条件并让交叉数更少；

③布线弯折满足要求并且弯折数更少；

所述交叉数计算规则如下：

①布线平行紧密排列(线距＝线径＝D)的区域称为线束；

②线束中有N根线紧密排列，记为线束(N)；N≥1；

③线束与线束交叉，计为1个交叉；

当线路集合＜l₁,l₂,l₃,Λ＞被作为线束处理时，后续所有操作均将其视为整体进行处理和计算。

所述弯折数计算规则：

①布线平行紧密排列(线距＝线径＝D)的区域称为线束；

②线束中有N根线紧密排列，记为线束(N)；N≥1；

③当线束为了躲避障碍物，需要进行拨动，即可认为1个弯折数。

所述基于奖赏机制的布线方法的具体步骤如下：

S1：根据给定的初始数据，编写代码自动生成线路布局的初始状态；

S2：对线路初始状态进行计算，线路束的交叉数为2596；弯折属性为0。

S3：发现存在线路穿过了障碍物区域，所以转入步骤4；

S4：选定不合理的线路，在约束条件和所述奖赏机制f(a_i)下，选择最优动作a_b使其拨离非允许布线区域；

S5：更新线路状态，转入步骤3；

S6：完成最优动作序列＜a₁,a₂,Λ，a_T＞的选择，生成布线方案。

综上所述，本发明在数学优化模型基础上，通过所述奖赏机制f(a_i)对每次最优动作a_i的选择进行打分，对布线初始状态进行调整，最终得到满足设计要求的布线方案。当用人工布线的时候，因为线路数量巨大，且需要满足的要求比较复杂，对于技术人员来说，得到满足设计要求的布线方案所有的线路工程量是十分巨大的，并且当有所改动的时候，对于材料的浪费也是不容忽视的，使用该基于奖赏机制的布线方法，操作简单，减少了人力物力的浪费。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于奖赏机制的布线方法，包括如下步骤：

S1，根据给定的输入条件，生成线路布线的初始状态；

S2，计算初始状态中线路束的交叉数和弯折数；

S3，判定是否存在线路束穿过非允许布线区域的不合理线路：若不存在，则转入S6；若存在，则转入S4；

S4，选定所述不合理线路，在约束条件和奖赏机制f(a_i)下，选择最优动作a_b，使其拨离非允许布线区域；

S5，更新线路状态，转入S3；

S6，完成最优动作序列＜a₁,a₂,Λ，a_T＞的选择，生成布线方案。

2.根据权利要求1所述的基于奖赏机制的布线方法，其特征在于，所述奖赏机制f(a_i)满足如下关系式：

f(a_i)＝(l.Num_cross-l.Num′_cross)+(l.Num_bend-l.Num′_bend)

式中，l.Num_cross表示线路l的初始交叉数；l.Num′_cross表示线路在动作a_i执行后的交叉数；l.Num_bend表示线路l的初始弯折数和l.Num′_bend表示线路在动作a_i执行后的弯折数。

3.根据权利要求1所述的基于奖赏机制的布线方法，其特征在于，所述约束条件是指Num_{line-cross-hole}满足如下关系式：

Num_{line-cross-hole}＝0

式中，Num_{line-cross-hole}表示穿过孔槽的线路数目。

4.根据权利要求1所述的基于奖赏机制的布线方法，其特征在于，通过遍历候选动作集合中的所有动作，在所述奖赏机制f(a_i)下选定所述最优动作a_b，具体过程满足如下关系式：

式中，(a₁,a₂,…a_n)表示候选动作集合，n为自然数。

5.根据权利要求4所述的基于奖赏机制的布线方法，其特征在于，所述候选动作集合中的单个动作的具体操作过程如下：当一条线路AB需要调整时，在可选区域内选择一点C，并将其加入线路AB，线路状态调整满足如下关系式：

＜AB＞→＜AC,CB＞。

6.根据权利要求1所述的基于奖赏机制的布线方法，其特征在于：所述输入条件包括二维平面上的布线允许区域以及接线点之间的连接关系清单。

7.根据权利要求1所述的基于奖赏机制的布线方法，其特征在于：所述布线方案包括输出2D布线图以及输出每根线路的长度、交叉数以及弯折数。

8.根据权利要求1所述的基于奖赏机制的布线方法，其特征在于，所述非允许布线区域是指障碍物区域或孔槽区域。

9.根据权利要求1所述的基于奖赏机制的布线方法，其特征在于，所述交叉数计算规则如下：

①布线平行紧密排列的区域称为线束；

②线束中有N根线紧密排列，记为线束(N)，其中，N≥1；

③线束与线束交叉，计为1个交叉数。

10.根据权利要求1所述的基于奖赏机制的布线方法，其特征在于，所述弯折数计算规则如下：

①布线平行紧密排列的区域称为线束；

②线束中有N根线紧密排列，记为线束(N)，N≥1；

③当线束为了躲避障碍物，需要进行拨动，计为1个弯折数。