基于改进遗传算法的数字微流控芯片故障修复方法技术

基于改进遗传算法的数字微流控芯片故障修复方法，涉及数字微流控芯片故障修复领域，为了解决现有的数字微流控芯片故障修复方法的用时长、效率低的问题。建立数字微流控芯片的数学模型，确定数字微流控芯片的操作序列图，设定每代染色体的数目、交叉概率和变异概率，编码产生初始染色体，重复以下步骤：对每条染色体进行解码，计算每条染色体的适应度，根据染色体的适应度选择染色体进入下一代，染色体进行交叉、变异，直至达到迭代次数要求，得到故障修复结果。本发明专利技术适用于修复数字微流控芯片的故障。

Fault Repair Method of Digital Microfluidic Chip Based on Improved Genetic Algorithms

The method of digital microfluidic chip fault repair based on improved genetic algorithm involves the field of digital microfluidic chip fault repair. In order to solve the problem of long time and low efficiency of existing methods of digital microfluidic chip fault repair. Establish the mathematical model of digital microfluidic chip, determine the operation sequence diagram of digital microfluidic chip, set the number of chromosomes, crossover probability and mutation probability of each generation, code the initial chromosome, repeat the following steps: decode each chromosome, calculate the fitness of each chromosome, select the chromosome to enter the next generation according to the fitness of the chromosome, and enter the chromosome. Line crossover and mutation until the number of iterations is reached, and the fault repair results are obtained. The invention is suitable for repairing the faults of digital microfluidic chips.

【技术实现步骤摘要】
基于改进遗传算法的数字微流控芯片故障修复方法
本专利技术涉及数字微流控芯片故障修复领域。
技术介绍
随着科技的发展，自动测试领域已从对模拟电路或数字电路的测试扩展到对微机电系统MEMS(Micro-ElectromechanicalSystems)的测试。微流控芯片又称作片上实验室(Lab-on-a-chip)，可以在一块几平方厘米的芯片上完成生物实验室及常规化学检验的各种功能。具有小型化、高敏感度、低成本、集成化等特点。第一代微流控生物芯片具有永久刻蚀的微阀、微泵和微流道，至于具体操作都是基于连续的流体流动。微流体技术和制造工艺的发展推动了数字微流控芯片的产生，数字微流控芯片在二维微流控阵列上操纵离散的液滴，具有可大幅扩展的系统架构。数字微流控芯片与连续流体控制相比，强调将液体分散化为微量的液滴来操作，单独控制每个液滴，且能耗很低，特别适用于需要高性能并且操作较复杂的生化分析。与传统模式的生化分析仪相比，数字微流控芯片具有可重复使用、尺寸小、自动化程度高、集成度高等优势。有能力精确驱动微量液体(低至微升甚至纳升级别的液体)，在芯片上完成流体的运输、存储、分离和混合等操作，以低成本完成超灵敏的生化检测，可以显著的减少测试时间及实验室空间，由于减少了人为操作过程，增加了结果的稳定性和准确性。因此在临床诊断、生物医疗、健康检查、药物诊断、空气质量的检测等方面都有广泛的应用前景，具有重要的意义。现阶段，数字微流控芯片的应用主要集中在生物、医药领域，各种体液都可以在数字微流控芯片中进行分析，还可以实现更加复杂的生化实验包括DNA的提取、复制和放大，细胞分析和免疫测定等。而随着微流控芯片应用领域的不断扩展，面临着在同一个芯片上实现多过程、多反应的巨大需求。但是，由于微尺度加工工艺存在脆弱环节，随着新材料不断引入，都使这类芯片更容易面临故障风险。潜在故障风险导致芯片寿命的不确定性，从而限制其进一步发展，而数字微流控芯片DMFB的稳定性和可靠性的提高可以大幅度扩展数字微流控芯片的应用领域。因此，为了保证芯片的有效性，芯片经过故障检测、故障诊断之后要对故障进行修复，保证实验的顺利进行，设计故障修复方法是保证芯片稳定工作、延长芯片使用寿命不可或缺的重要手段。然而，现有的故障修复方法的用时长、效率低。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的数字微流控芯片故障修复方法的用时长、效率低的问题，从而提供基于改进遗传算法的数字微流控芯片故障修复方法。本专利技术所述的基于改进遗传算法的数字微流控芯片故障修复方法，该方法包括以下步骤：步骤一、建立数字微流控芯片的数学模型；步骤二、根据操作之间的先后顺序确定数字微流控芯片的操作序列图；步骤三、设定每代染色体的数目、交叉概率和变异概率；步骤四、编码产生初始染色体，每条染色体的基因值包括三段，第一段基因值为资源绑定信息，第二段基因值为操作调度信息，第三段基因值为模块布局信息；步骤五、结合操作序列图对每条染色体进行解码，依次解码资源绑定信息、操作调度信息和模块布局信息；步骤六、计算每条染色体的适应度；步骤七、根据染色体的适应度选择染色体进入下一代；步骤八、步骤七中被选择的染色体随机配对，基于交叉概率分别判断每对染色体是否需要交叉，如果需要交叉则执行步骤九，否则执行步骤十；步骤九、同对的两条染色体进行交叉，产生两条新的染色体；步骤十、基于变异概率分别判断每条染色体是否需要变异，如果需要变异则执行步骤十一，否则执行步骤十二；步骤十一、染色体进行变异，产生新的染色体；步骤十二、判断是否满足迭代次数要求，如果判断结果为是则输出染色体，得到故障修复结果，否则返回步骤五。优选的是，步骤五中结合操作序列图对每条染色体进行解码时需满足故障约束条件、静态约束条件和动态约束条件；故障约束条件为故障电极单元在实验完成时间内不被使用；静态约束条件为两液滴不能处于直接相邻或沿对角线相邻的电极单元位置；动态约束条件为当两个液滴之间距离一个电极单元时，两液滴不可同时沿其所在直线做同向运动。优选的是，故障约束条件的数学模型为：其中，Eif(mi,ni)为故障电极单元，Ef为故障电极单元的集合，Treal为实验完成时间，Bit为二进制变量，表示在每个时间片内电极单元被使用的情况，若在t时间，第i个电极单元Ei(mi,ni)被使用，则Bit为1，否则Bit为0。优选的是，在t时间，第ki和kj个液滴的位置分别为和静态约束条件的数学模型为：mi和mj分别为第i个和第j个电极单元所在列数，ni和nj分别为第i个和第j个电极单元所在行数，Dt为液滴位置的集合。优选的是，在t时间，两个液滴的位置分别为和两个液滴在t时间将做的移动分别为和两个液滴所在电极单元分别为Ei(mi,ni)和Ej(mj,nj)，两个电极单元位置构成的向量表示为表示两个向量之间的夹角，动态约束条件的数学模型为：mi和mj分别为第i个和第j个电极单元所在列数，ni和nj分别为第i个和第j个电极单元所在行数。优选的是，步骤六计算每条染色体的适应度采用的适应度函数f(xk)为：其中，Treal,k为第k条染色体的实验完成时间，GEN为每代的染色体的数目，Ty为第y条染色体的理论完成时间。优选的是，步骤七具体为：第k条染色体的适应度为f(xk)，则该条染色体被选中的概率为：该条染色体的累积概率Q(xk)为：在[0,1]区间内随机生成随机数r1，保留满足式Q(xk-1)≤r1<Q(xk)的第k条染色体。本专利技术对遗传算法进行改进，重新设计遗传算法的编码和解码方案，为资源绑定、操作调度和模块布局设计统一化编码方案，一次性解决芯片的故障修复问题；本专利技术的修复时间短，修复效率高。附图说明图1是基于改进遗传算法的数字微流控芯片故障修复方法的流程图；图2是芯片中存在故障电极单元时的结构示意图；(a)为未使用故障电极单元，(b)为使用故障电极单元；图3是静态流体约束的示意图；(a)为两液滴融合前，(b)为两液滴融合后；图4是动态流体约束的示意图；(a)为两液滴移动前，(b)为两液滴移动中，(c)为两液滴移动后；图5是基于模块的故障修复方法的框图；图6是混合模块的示意图；(a)为没有隔离单元，(b)为有隔离单元；图7是所建立的空间直角坐标系的示意图；图8是电极阵列的数学模型。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定。本专利技术涉及的原理如下：1、数字微流控芯片液滴驱动方式与故障类型数字微流控芯片驱动微流体的方式为介电润湿驱动。通过电极阵列对液滴施加电场以改变其表面张力，在疏水聚合物表面利用的液固表面张力改变来驱动液滴。为了使液滴移动，驱动电压加在相邻的电极单元上，利用介电润湿原理，使得液滴的表面上积累电量，从而在液滴表面生成覆盖相邻电极的表面张力梯度，当该张力大于上下表面与液滴之间的阻力时，便可以完成液本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于改进遗传算法的数字微流控芯片故障修复方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、建立数字微流控芯片的数学模型；步骤二、根据操作之间的先后顺序确定数字微流控芯片的操作序列图；步骤三、设定每代染色体的数目、交叉概率和变异概率；步骤四、编码产生初始染色体，每条染色体的基因值包括三段，第一段基因值为资源绑定信息，第二段基因值为操作调度信息，第三段基因值为模块布局信息；步骤五、结合操作序列图对每条染色体进行解码，依次解码资源绑定信息、操作调度信息和模块布局信息；步骤六、计算每条染色体的适应度；步骤七、根据染色体的适应度选择染色体进入下一代；步骤八、步骤七中被选择的染色体随机配对，基于交叉概率分别判断每对染色体是否需要交叉，如果需要交叉则执行步骤九，否则执行步骤十；步骤九、同对的两条染色体进行交叉，产生两条新的染色体；步骤十、基于变异概率分别判断每条染色体是否需要变异，如果需要变异则执行步骤十一，否则执行步骤十二；步骤十一、染色体进行变异，产生新的染色体；步骤十二、判断是否满足迭代次数要求，如果判断结果为是则输出染色体，得到故障修复结果，否则返回步骤五。

【技术特征摘要】
1.基于改进遗传算法的数字微流控芯片故障修复方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、建立数字微流控芯片的数学模型；步骤二、根据操作之间的先后顺序确定数字微流控芯片的操作序列图；步骤三、设定每代染色体的数目、交叉概率和变异概率；步骤四、编码产生初始染色体，每条染色体的基因值包括三段，第一段基因值为资源绑定信息，第二段基因值为操作调度信息，第三段基因值为模块布局信息；步骤五、结合操作序列图对每条染色体进行解码，依次解码资源绑定信息、操作调度信息和模块布局信息；步骤六、计算每条染色体的适应度；步骤七、根据染色体的适应度选择染色体进入下一代；步骤八、步骤七中被选择的染色体随机配对，基于交叉概率分别判断每对染色体是否需要交叉，如果需要交叉则执行步骤九，否则执行步骤十；步骤九、同对的两条染色体进行交叉，产生两条新的染色体；步骤十、基于变异概率分别判断每条染色体是否需要变异，如果需要变异则执行步骤十一，否则执行步骤十二；步骤十一、染色体进行变异，产生新的染色体；步骤十二、判断是否满足迭代次数要求，如果判断结果为是则输出染色体，得到故障修复结果，否则返回步骤五。2.根据权利要求1所述的基于改进遗传算法的数字微流控芯片故障修复方法，其特征在于，步骤五中结合操作序列图对每条染色体进行解码时需满足故障约束条件、静态约束条件和动态约束条件；故障约束条件为故障电极单元在实验完成时间内不被使用；静态约束条件为两液滴不能处于直接相邻或沿对角线相邻的电极单元位置；动态约束条件为当两个液滴之间距离一个电极单元时，两液滴不可同时沿其所在直线做同向运动。3.根据权利要求2所述的基于改进遗传算法的数字微流控芯片故障修复方法，其特征在于，故障约束条件的数学模型为...

【专利技术属性】
技术研发人员：石金龙，郑文斌，付平，乔家庆，孙媛媛，叶俊涛，王安琪，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23