CN113533946A - 一种基于kl距离的板级电路测点选择方法 - Google Patents

一种基于kl距离的板级电路测点选择方法 Download PDF

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Abstract

一种基于KL(Kullback‑Leibler)距离的板级电路测点选择方法,首先对电路仿真测量各个故障类型各个测点某一时间段内时域电压数据并对数据进行核密度估计并保存得到的概率密度函数,引入离散KL距离实现计算出测点集的故障隔离率。利用故障隔离率和测试点数量构造多维适应度函数,故障隔离率越高测点选择数越少的测点集越优,搜索全局最优测试点集。本发明专利无需建立故障字典进行故障隔离度的计算,通过引入核密度估计和离散KL距离将故障隔离计算转换为概率分布情况差异计算,充分利用了时域电压数据,提高测点集隔离率,利用故障隔离率和测试点数量构造人工鱼算法的多维适应度函数实现最优测点集选择,并通过在人工鱼算法中引入繁衍行为改善陷入局部最优解的情况。

Description

一种基于KL距离的板级电路测点选择方法
技术领域
本发明属于数字以及模拟电路故障诊断领域的,更具体地讲,一种基于KL(Kullback-Leibler)距离的板级电路测点选择方法。
背景技术
随着集成电路的快速发展,为了提高产品性能、降低芯片面积和费用,需将数字和模拟元件集成在同一块芯片上,所以大多数存在的电路并不是纯数字电路或者纯模拟电路,而是数字和模拟混合的电路。测后仿真和测前仿真是常用的故障诊断方法,测试点选择在电子测试和诊断领域至关重要,因为在实际诊断当中如果电路的规模庞大是不可能逐一测点测量的,选取出几个优选测点进行测量诊断是必要的。
常用故障字典方法作为测点选择的依据,故障字典方法需要对测量到的测点电压进行模糊化处理转化为整数故障字典再进行测点选择,该方法只利用了测点电压值的一维信息,当故障数量增加时导致诊断效果下降,即使测点足够多但也存在多数故障未能隔离,导致测点集的故障隔离率低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提出了一种基于KL(Kullback-Leibler)距离的板级电路测点选择方法,无需建立故障字典进行故障隔离度的计算,通过引入核密度估计和离散KL(Kullback-Leibler)距离将故障隔离计算转换为概率分布情况差异计算,充分利用了时域电压数据,提高测点集隔离率,利用故障隔离率和测试点数量构造人工鱼算法的多维适应度函数实现最优测点集选择,并通过在人工鱼算法中引入繁衍行为改善陷入局部最优解的情况。
为了实现上述发明目的,一种基于KL(Kullback-Leibler)距离的板级电路测点选择方法包括以下步骤:
S1:对所有故障类型中的每一个故障类型进行多次的蒙特卡洛仿真,测量所有测点的时域仿真波形,并保存时域波形数据;
S2:将各个波形数据进行核密度估计,生成相应的概率密度函数记为fi(x)其中i=1,2,...,I,表示第i个故障类的概率密度函数;
S3:计算KL(Kullback-Leibler)距离,KL(Kullback-Leibler)距离计算如下:
Figure 910305DEST_PATH_IMAGE001
(1)
fn表示某一故障类型测量到的电压数据使用核密度估后的概率密度函数,计算fn和各个故障类的fi(x)的KL(Kullback-Leibler)距离
S4:计算分类结果,取最小的距离作为分类的结果,分类计算如下:
Figure 634636DEST_PATH_IMAGE002
(2)
式子中C代表分类结果
S5:随机初始化鱼群,第i条人工鱼的状态用向量Xi=(xi1,xi2,...,xin)来表示,其中i=1,2,...N,xij(j=1,2,...,D)∈{0,1},在人工鱼的状态其中xij代表某一个测点,取值为0或者1,当xij=1的时候代表选中该测点,当xij=0的时候代表不选择该测点;
S6:设置最大迭代次数,初始化迭代计数器为0;
S7:执行觅食行为,计算人工鱼Xi当前的食物浓度值,记为Yi,并搜索当前视野范围内(dij<visual), dij= |Xi - Xj| 为人工鱼Xi和 Xj之间的距离,随机选取一个人工鱼记为Xj并计算此人工鱼的食物浓度即为Yj,如果Yi<Yj则按式子(3)人工鱼Xi朝人工鱼Xj位置移动,移动过程,如果Yi>Yj则按式子(4)再从视野范围中重新选择一条人工鱼,直到满足Yi<Yj或者如果达到最大选择次数不能满足Yi<Yj则按照式子(5)进行随机的移动;
Figure 414373DEST_PATH_IMAGE003
(3)
Figure 871899DEST_PATH_IMAGE004
(4)
Figure 499320DEST_PATH_IMAGE005
(5)
S8:执行群聚行为,搜索人工鱼Xi当前视野范围内(dij<visual)所有存在的人工鱼作为一个鱼群记录鱼群的个数为num并找到人工鱼的中心位置Xcenter基于二进制的人工鱼中心位置的计算如式(6)进行,式子中p由式子(7)计算,然后计算Ycenter如果满足条件:Ycenter<Yi,num×Ycenter<a×Yi,通过式子(8)进行向鱼群中心进行近一步的移动,否则进行觅食行为;
Figure 384100DEST_PATH_IMAGE006
(6)
Figure 651133DEST_PATH_IMAGE007
(7)
Figure 663083DEST_PATH_IMAGE008
(8)
S9:执行繁衍行为,每次从公告牌中选出适应度函数值即食物浓度最高人工鱼作为母本然后在觅食、群聚、繁衍行为生成的人工鱼个体中选取食物浓度最大的作为父本以一定的概率按照式(9)进行交叉并繁衍生成新的个体,式子(9)中的g的确定如式(10)所示;
Figure 394278DEST_PATH_IMAGE009
(9)
Figure 387642DEST_PATH_IMAGE010
(10)
S10:计算适应度函数值,即食物浓度,食物浓度定义为
Figure 955021DEST_PATH_IMAGE011
,
Figure 692033DEST_PATH_IMAGE012
表示第t次迭代第i条人工鱼适应度函数,
Figure 277735DEST_PATH_IMAGE013
表示第t次 迭代第i条人工鱼可以隔离的故障数,
Figure 707579DEST_PATH_IMAGE014
表示第t次迭代第i条人工鱼选中的测试点数; 每一种故障类型留取一次蒙特卡洛分析的数据作为测试样本,然后剩余的样本作为训练样 本并依次生成概率密度函数;把测试样本转换为概率密度函数,通过式子(1)计算该测试样 本与每个故障类样本的KL(Kullback-Leibler)距离,通过式子(2)求出分类结果,如果分类 结果和测试样本植入的故障类型一致,并且之前选中的测点未能对此故障类型进行隔离则
Figure 762254DEST_PATH_IMAGE013
进行加一计数,否则
Figure 37377DEST_PATH_IMAGE013
不变
Figure 743165DEST_PATH_IMAGE014
,即为人工鱼中元素1存在的个数;
S11:比较觅食、群聚、繁衍行为生成的人工鱼个体的食物浓度,选择
Figure 891381DEST_PATH_IMAGE013
数量最大的人工鱼个体,如果二者的
Figure 620302DEST_PATH_IMAGE015
数量相等则比较
Figure 761434DEST_PATH_IMAGE014
数量,选择
Figure 259411DEST_PATH_IMAGE014
数量较少的人工鱼个体;
S12:将S10中生成的人工鱼个体和公告板中的人工鱼个体进行比较,如果S10中生成的人工鱼个体的食物浓度大于公告牌中的人工鱼个体食物浓度,则更新公告板,否则公告板不变;
S13:迭代次数加一,并判断迭代次数是否小于最大迭代次数,如果是则返回S7,否则执行步骤S13;
S14:将人工鱼个体的编码进行输出,从而得出所选择的最优测点;
一种基于KL(Kullback-Leibler)距离的板级电路测点选择方法,首先对所有故障类型中的每一个故障类型进行多次的蒙特卡洛仿真,并测量每种故障类型以及正常电路情况下各个测点的输出的时域波形将数据保存并进行核密度估计得到的概率密度函数(PDF)取每种故障类型其中一次蒙特卡洛作为测试样本,剩余的作为训练样本从而来评估测试点的诊断能力。利用故障隔离率和测试点数量构造多维适应度函数来搜索全局最优测试点集,并引入繁衍行为改善人工鱼算法陷入局部最优解。
本发明一种基于KL(Kullback-Leibler)距离的板级电路测点选择方法,首先对电路仿真,测量各个故障类型各个测点某一时间段内时域电压数据并对数据进行核密度估计并保存得到的概率密度函数;对存储的概率密度函数通过引入离散KL(Kullback-Leibler)距离实现每个测点的隔离度的计算,然后计算出测点集的故障隔离率。利用故障隔离率和测试点数量构造多维适应度函数,故障隔离率越高测点选择数越少的测点集越优,从而搜索全局最优测试点集,在搜索过程中引入繁衍行为改善人工鱼算法陷入局部最优解的情况。本发明专利无需建立故障字典进行故障隔离度的计算,通过引入核密度估计和离散KL(Kullback-Leibler)距离将故障隔离计算转换为概率分布情况差异计算,充分利用了时域电压数据,提高测点集隔离率,利用故障隔离率和测试点数量构造人工鱼算法的多维适应度函数实现最优测点集选择,并通过在人工鱼算法中引入繁衍行为改善陷入局部最优解的情况。
附图说明
图1是本发明一种基于KL(Kullback-Leibler)距离的板级电路测点选择方法的具体实施方式流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述,以便本领域的技术人员更好地理解本发明。
S101:对所有故障类型中的每一个故障类型进行多次的蒙特卡洛仿真,测量所有测点的时域仿真波形,并保存时域波形数据;
S102:将各个波形数据进行核密度估计,生成相应的概率密度函数记为fi(x)其中i=1,2,...,I,表示第i个故障类的概率密度函数;
S103:随机初始化鱼群。第i条人工鱼的状态用向量Xi=(xi1,xi2,...,xin)来表示,其中i=1,2,...N,xij(j=1,2,...,D)∈{0,1},在人工鱼的状态其中xij代表某一个测点,取值为0或者1,当xij=1的时候代表选中该测点,当xij=0的时候代表不选择该测点。设置最大迭代次数,初始化迭代计数器为0;
S104:取食物浓度值最大的记录到公告板,计算适应度函数值,即食物浓度;食物浓度定义为
Figure 844108DEST_PATH_IMAGE016
,
Figure 794746DEST_PATH_IMAGE017
表示第t次迭代第i条人工鱼适应度函数,
Figure 739568DEST_PATH_IMAGE018
表示第t次迭代第i条人工鱼可以隔离的故障数,
Figure 92052DEST_PATH_IMAGE019
表示第t次迭代第i条人工鱼选中的测试点;每一种故障类型留取一次蒙特卡洛分析的数据作为测试样本,然后剩余的样本作为训练样本并依次生成概率密度函数;把测试样本转换为概率密度函数,通过式子(1)计算该测试样本与每个故障类样本的KL(Kullback-Leibler)距离,通过式子(2)求出分类结果,如果分类结果和测试样本植入的故障类型一致,并且之前选中的测点未能对此故障类型进行隔离则
Figure 847650DEST_PATH_IMAGE018
进行加一计数,否则
Figure 347901DEST_PATH_IMAGE018
不变。
Figure 768518DEST_PATH_IMAGE020
即为人工鱼中元素1存在的个数;比较人工鱼个体的食物浓度,选择
Figure 71715DEST_PATH_IMAGE018
数量最大的人工鱼个体,如果二者的数量相等则比较
Figure 185165DEST_PATH_IMAGE021
数量,选择
Figure 172712DEST_PATH_IMAGE019
数量较少的人工鱼个体;
Figure 397020DEST_PATH_IMAGE022
(1)
Figure 271567DEST_PATH_IMAGE023
(2)
S105:执行觅食行为,计算人工鱼Xi当前的食物浓度值,记为Yi,并搜索当前视野范围内(dij<visual), dij= |Xi - Xj| 为人工鱼Xi和 Xj之间的距离,随机选取一个人工鱼记为Xj并计算此人工鱼的食物浓度即为Yj,如果Yi<Yj则按式子(3)人工鱼Xi朝人工鱼Xj位置移动,移动过程,如果Yi>Yj则按式子(4)再从视野范围中重新选择一条人工鱼,直到满足Yi<Yj或者如果达到最大选择次数不能满足Yi<Yj则按照式子(5)进行随机的移动;
Figure 618234DEST_PATH_IMAGE003
(3)
Figure 30761DEST_PATH_IMAGE004
(4)
Figure 871809DEST_PATH_IMAGE005
(5)
S106:执行群聚行为,搜索人工鱼Xi当前视野范围内(dij<visual)所有存在的人工鱼作为一个鱼群记录鱼群的个数为num并找到人工鱼的中心位置Xcenter基于二进制的人工鱼中心位置的计算如式(6)进行,式子中p由式子(7)计算,然后计算Ycenter如果满足条件:Ycenter<Yi,num×Ycenter<a×Yi,通过式子(8)进行向鱼群中心进行近一步的移动,否则进行觅食行为;
Figure 53392DEST_PATH_IMAGE006
(6)
Figure 305382DEST_PATH_IMAGE007
(7)
Figure 205205DEST_PATH_IMAGE008
(8)
S107:执行繁衍行为,每次从公告牌中选出适应度函数值即食物浓度最高人工鱼作为母本然后在觅食、群聚、繁衍行为生成的人工鱼个体中选取食物浓度最大的作为父本以一定的概率按照式(9)进行交叉并繁衍生成新的个体,式子(9)中的g的确定如式(10)所示
Figure 584364DEST_PATH_IMAGE009
(9)
Figure 948350DEST_PATH_IMAGE010
(10)
S108:计算三种行为的人工鱼适应度函数值即食物浓度,取最优;比较的过程如S104进行;
S109:将S108中生成的人工鱼个体和公告板中的人工鱼个体进行比较,如果S108中生成的人工鱼个体的食物浓度大于公告牌中的人工鱼个体食物浓度,则更新公告板,否则公告板不变;
S110:迭代次数加一,并判断迭代次数是否小于最大迭代次数,如果是则返回S104,否则执行步骤S111;
S111:将人工鱼个体的编码进行输出,从而得出所选择的最优测点。

Claims (1)

1.一种基于KL距离的板级电路测点选择方法,其主要包括以下步骤:
S1:对所有故障类型中的每一个故障类型进行多次的蒙特卡洛仿真,测量所有测点的时域仿真波形,并保存时域波形数据;
S2:将各个波形数据进行核密度估计,生成相应的概率密度函数记为fi(x)其中i=1,2,...,I,表示第i个故障类的概率密度函数;
S3:计算KL(Kullback-Leibler)距离,KL(Kullback-Leibler)距离计算如下:
Figure 694241DEST_PATH_IMAGE001
(1)
fn表示某一故障类型测量到的电压数据使用核密度估后的概率密度函数,计算fn和各个故障类的fi(x)的KL(Kullback-Leibler)距离
S4:计算分类结果,取最小的距离作为分类的结果,分类计算如下:
Figure 611381DEST_PATH_IMAGE002
(2)
式子中C代表分类结果
S5:随机初始化鱼群,第i条人工鱼的状态用向量Xi=(xi1,xi2,...,xin)来表示,其中i=1,2,...N,xij(j=1,2,...,D)∈{0,1},在人工鱼的状态其中xij代表某一个测点,取值为0或者1,当xij=1的时候代表选中该测点,当xij=0的时候代表不选择该测点;
S6:设置最大迭代次数,初始化迭代计数器为0;
S7:执行觅食行为,计算人工鱼Xi当前的食物浓度值,记为Yi,并搜索当前视野范围内(dij<visual), dij= |Xi - Xj| 为人工鱼Xi和 Xj之间的距离,随机选取一个人工鱼记为Xj并计算此人工鱼的食物浓度即为Yj,如果Yi<Yj则按式子(3)人工鱼Xi朝人工鱼Xj位置移动,移动过程,如果Yi>Yj则按式子(4)再从视野范围中重新选择一条人工鱼,直到满足Yi<Yj或者如果达到最大选择次数不能满足Yi<Yj则按照式子(5)进行随机的移动;
Figure 204168DEST_PATH_IMAGE003
(3)
Figure 599377DEST_PATH_IMAGE004
(4)
Figure 476066DEST_PATH_IMAGE005
(5)
S8:执行群聚行为,搜索人工鱼Xi当前视野范围内(dij<visual)所有存在的人工鱼作为一个鱼群记录鱼群的个数为num并找到人工鱼的中心位置Xcenter基于二进制的人工鱼中心位置的计算如式(6)进行,式子中p由式子(7)计算,然后计算Ycenter如果满足条件:Ycenter<Yi,num×Ycenter<a×Yi,通过式子(8)进行向鱼群中心进行近一步的移动,否则进行觅食行为;
Figure 298529DEST_PATH_IMAGE006
(6)
Figure 565562DEST_PATH_IMAGE007
(7)
Figure 577511DEST_PATH_IMAGE008
(8)
S9:执行繁衍行为,每次从公告牌中选出适应度函数值即食物浓度最高人工鱼作为母本然后在觅食、群聚、繁衍行为生成的人工鱼个体中选取食物浓度最大的作为父本以一定的概率按照式(9)进行交叉并繁衍生成新的个体,式子(9)中的g的确定如式(10)所示;
Figure 246390DEST_PATH_IMAGE009
(9)
Figure 239754DEST_PATH_IMAGE010
(10)
S10:计算适应度函数值,即食物浓度,食物浓度定义为
Figure 56400DEST_PATH_IMAGE011
,
Figure 793412DEST_PATH_IMAGE012
表示第t次迭代第i条人工鱼适应度函数,
Figure 316797DEST_PATH_IMAGE013
表示第t次迭代第i条人工鱼可以隔离的故障数,
Figure 562621DEST_PATH_IMAGE014
表示第t次迭代第i条人工鱼选中的测试点数;每一种故障类型留取一次蒙特卡洛分析的数据作为测试样本,然后剩余的样本作为训练样本并依次生成概率密度函数;把测试样本转换为概率密度函数,通过式子(1)计算该测试样本与每个故障类样本的KL(Kullback-Leibler)距离,通过式子(2)求出分类结果,如果分类结果和测试样本植入的故障类型一致,并且之前选中的测点未能对此故障类型进行隔离则
Figure 804246DEST_PATH_IMAGE013
进行加一计数,否则
Figure 79370DEST_PATH_IMAGE013
不变
Figure 785157DEST_PATH_IMAGE014
,即为人工鱼中元素1存在的个数;
S11:比较觅食、群聚、繁衍行为生成的人工鱼个体的食物浓度,选择
Figure 120324DEST_PATH_IMAGE013
数量最大的人工鱼个体,如果二者的
Figure 849245DEST_PATH_IMAGE015
数量相等则比较
Figure 741109DEST_PATH_IMAGE014
数量,选择
Figure 239087DEST_PATH_IMAGE014
数量较少的人工鱼个体;
S12:将S10中生成的人工鱼个体和公告板中的人工鱼个体进行比较,如果S10中生成的人工鱼个体的食物浓度大于公告牌中的人工鱼个体食物浓度,则更新公告板,否则公告板不变;
S13:迭代次数加一,并判断迭代次数是否小于最大迭代次数,如果是则返回S7,否则执行步骤S13;
S14:将人工鱼个体的编码进行输出,从而得出所选择的最优测点。
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