生物病毒復(fù)雜系統(tǒng)定性仿真研究.pdf

1、人工生命的研究正在興起，它是21世紀(jì)最有活力的兩大學(xué)科——生命科學(xué)和信息科學(xué)——相互作用的產(chǎn)物，它以生命現(xiàn)象為研究對象，以生命過程的機(jī)理及信息推理、仿真、實現(xiàn)技術(shù)為主要研究內(nèi)容，因而對于生命科學(xué)和信息科學(xué)領(lǐng)域的研究都具有十分重要的意義。 計算機(jī)仿真方法則是人工生命的核心方法之一。它是繼實驗研究和理論研究之后又一場新的方法論革命，也是自近代以來科學(xué)試驗方法面對新研究對象的一個新發(fā)展，由于它具有經(jīng)濟(jì)、可靠、安全、可多次重復(fù)使用等優(yōu)點

2、，已成為許多復(fù)雜系統(tǒng)分析、設(shè)計、試驗、評估等不可缺少的重要手段。 遺憾的是，當(dāng)生物復(fù)雜系統(tǒng)具有模糊性、隨機(jī)性，不確知性等特征的的時候，傳統(tǒng)的定量仿真方法常常會遇到諸如量化模型難以構(gòu)建，定量數(shù)據(jù)難以獲取等困難，定性仿真正是基于這些難點問題逐漸發(fā)展起來的。相對于傳統(tǒng)的定量仿真而言，定性仿真力求模擬人的定性思考過程去推理解決問題，引入了歸納推理、因果推理、定性圖示等人類思考問題常用的方法，大大擴(kuò)展了仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍。 基于此

3、，為了解決知識不完備、具有不確定性的生物系統(tǒng)建模、推理和仿真問題，本文的出發(fā)點是以人工生命相關(guān)知識為研究背景，以智能化信息處理技術(shù)特別是定性仿真和元胞自動機(jī)等為理論依據(jù)，對病毒感染、傳染病流行等復(fù)雜生物領(lǐng)域進(jìn)行研究。 為了對定性理論有一個系統(tǒng)的了解，本文首先對定性仿真的起源、進(jìn)展、基本理論結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述，并對定性仿真的發(fā)展方向進(jìn)行了評述，還介紹了元胞自動機(jī)方法，分析了它們在生物學(xué)中的應(yīng)用意義。接著對QSIM理論中的若

4、干基礎(chǔ)問題進(jìn)行了探討，包括：QSIM中的量空間計算問題，分析了量空間計算中可能存在的不合理之處，提出可以增加新的約束來減少這種不合理：變量重復(fù)出現(xiàn)時可能產(chǎn)生的定性空間錯誤問題；使用某個特定數(shù)值而不是零來作為定性符號的區(qū)分點，并給出定性加法和定性乘法的計算。 提出不依賴于假設(shè)的定性動力學(xué)描述方法，通過描述系統(tǒng)的定性狀態(tài)以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移來對系統(tǒng)的定性行為進(jìn)行預(yù)測。提出了定性狀態(tài)的生成算法，可以從病毒感染的動力學(xué)模型自動生成其定性狀

5、態(tài)圖?；谏傻亩ㄐ誀顟B(tài)，給出了狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法，實現(xiàn)了定性狀態(tài)之間的自動轉(zhuǎn)換，對持續(xù)性病毒感染的動力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了不依賴于量化信息的定性仿真分析。對HIV病毒的生物背景和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，建立了一個基于元胞自動機(jī)的病毒感染的群體動力學(xué)模型?？紤]到HIV在淋巴結(jié)中要更活躍，而在這些地方，健康細(xì)胞和感染細(xì)胞之間的作用要比自由病毒重要的多，因此，直接把感染過程建模成從一個被感染細(xì)胞擴(kuò)散到另外一個易感細(xì)胞?？紤]了細(xì)胞的幾種狀態(tài)，給出了狀態(tài)更新的規(guī)

6、則，對病毒感染進(jìn)行了仿真分析，討論了感染率參數(shù)對仿真結(jié)果的影響，對感染速度進(jìn)行了復(fù)雜性分析，并且與其他方法進(jìn)行了簡單的比較。本文還建立了一個基于元胞自動機(jī)的傳染病傳染模型，考慮了不同個體在傳染力和抵抗能力上的差異性，分析了感染個體的動力學(xué)行為，并且分析了不同的免疫時間參數(shù)對流行病傳染的影響。 提出一個基于定性關(guān)系描述的病毒感染模型框架，并對其進(jìn)行了一致性理論評估。針對病毒感染這類復(fù)雜系統(tǒng)中定量數(shù)據(jù)難以獲得的情況，引入一個建模框架

7、來定性研究病毒侵入過程，基本思想是通過定性分析該過程中可能的影響因素來建立病毒侵入行為模型，這些因素用影響度來加以定性描述，根據(jù)病毒、細(xì)胞和環(huán)境中各種因素的交互作用建立定性模型框架，給出了定性模型的評價矩陣及一致性檢驗。 在病毒侵入過程中，考慮不同因素之間的交互作用，基于系統(tǒng)動力學(xué)反饋的思想，利用交互作用群體矩陣的預(yù)測能力來進(jìn)行定性預(yù)測。使用定性表示方法，分析了病毒粒子、細(xì)胞以及環(huán)境因素之間的交互關(guān)系，對病毒侵入過程進(jìn)行了描述，