基于Agent的免疫系统模型研究

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20世纪90年代,随着生物学的进步,人们对生物系统的认识不断深入,越来越多的计算机学家和工程师们认识到生物系统完全可以作为解决更多复杂问题的重要手段,因此人们对研究生物系统的热情也不断高涨。而免疫系统作为人体四大信息系统之一也越来越受到计算机学家的青睐。通过生物学、免疫学、计算机学等多学科专家的共同努力和合作研究,人民对免疫系统的了解已经达到一定的水平。免疫系统的许多机制,比如自己-非己分子的区分、故障耐受、对外界干扰的鲁棒性等等都已开发应用在工程领域。但总的来说人们对免疫系统的认识仍然是不够的,甚至当前的众多免疫系统理论也不能保证都是正确无误的。所以,我们在研究免疫系统的过程中,一方面要努力去发现新的免疫现象和机制,另一方面还要对存在争议的一些现有免疫学理论进行验证。以现有的免疫学理论为基础,利用计算机对免疫系统进行建模和仿真,我们可以对存在争议的免疫学理论进行验证和反思。这既有一定的可行性又有一定的应用价值。众所周知,免疫系统主要通过免疫细胞的协同作用来完成免疫功能。这和多Agent系统通过每个Agent合作完成系统的整体目标存在一定的相似性。因此,本文基于Agent的思想,通过为参与免疫的每种细胞定义一个相对应的Agent,最终建立一个多Age nt系统来模拟仿真人体的免疫系统,并对仿真模型及仿真结果进行研究和分析。因为免疫系统的复杂性,为了能够更准确的理解系统以便精确定义仿真中的Agent,本文先对免疫系统进行分析和需求建模。本文利用UML统一建模语言绘制出系统的结构图、类图、顺序图等,通过这些图来我们可以详细了解免疫系统的静态结构模型和动态行为模型。同时,为了确保模型的正确性和无歧义性,本文创造性的引入形式化B方法,将建立好的UML系统图转化成B机器,通过B机器的严格证明来确保模型的准确性。构建多Agent系统的关键是定义Agent以及不同Agent间的作用规则。免疫系统中包含的细胞和分子种类繁多,他们之间的相互作用更是多种多样。完全真实的仿真出免疫系统所有细节是不可能的,也是没有必要的。本文选择其中最具代表性的几种细胞,并定义与之相对应的Agent,然后通过为Agent预定义规则和行为来模拟这些细胞。并通过二进制串模式匹配的方式来模拟免疫识别的过程。最后本文采用Java程序语言将设计的多Agent免疫系统转化为可执行的计算机程序,并将流感病毒的相关参数设定到本系统中。在系统运行后将仿真得到的结果与生物学上的实验结果进行比较,验证了仿真系统的合理性。同时用待定系数法对系统中的一些关键参数进行了讨论。总的来说,免疫系统是复杂多样的,以致人们目前还无法统一的描述它,也无法建立一个公认的理论模型。本论文通过简化一定细节为其建立模型,并利用Agent计算机模型以及计算机仿真手段来研究免疫系统的宏观性能和某些重要细节,为进一步建立更加准确完善的免疫系统模型提供有力的依据。也为进一步研究免疫系统提供了一种新的方法。
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