The large-scale organization of metabolic networks

In a cell or microorganism, the processes that generate mass, energy, information transfer and cell-fate specification are seamlessly integrated through a complex network of cellular constituents and reactions. However, despite the key role of these networks in sustaining cellular functions, their large-scale structure is essentially unknown. Here we present a systematic comparative mathematical analysis of the metabolic networks of 43 organisms representing all three domains of life. We show that, despite significant variation in their individual constituents and pathways, these metabolic networks have the same topological scaling properties and show striking similarities to the inherent organization of complex non-biological systems. This may indicate that metabolic organization is not only identical for all living organisms, but also complies with the design principles of robust and error-tolerant scale-free networks, and may represent a common blueprint for the large-scale organization of interactions among all cellular constituents.     

论大数据代数（BDA）：大数据科学与工程的分析方法

 大数据科学和系统的基础研究推动了大数据数学理论的产生。本文引出大数据科学和工程的一种严格分析方法：大数据代数（BDA）从提取各种大数据系统的共同模式中形式地导出大数据科学的数学模型。BDA揭示了任何大数据系统是一种超越传统纯数字的新型递归类型化超结构（RTHS）。基于大数据的递归超结构，创建了一组严格的代数算子，用于对大数据系统的建模、分析、综合和认知学习。这一基础研究建立了一个大数据科学的理论架构，其为解释大数据的原理和性质及其在大数据工程中的形式推理提供了一个方法论基础。     

基于图像处理技术的无线传感器网络覆盖与连通

无线传感网中覆盖与连通问题对网络通信的性能有很大影响,并且连通与覆盖问题也是无线传感网研究的重点内容之一.首先采用图像灰度处理技术来计算节点对监测区域的覆盖率;然后采用洪泛路由协议判断网络是否连通并建立不同通信半径下,节点数与网络连通概率的关系;最后综合分析实验结果获得保证网络覆盖与连通的参数.与图像分割方法相比,采用图像灰度处理技术计算覆盖率,减少了计算量和对计算的要求,同时也提高了计算效率.通过理论分析与实验仿真,本文提出的方法可以实现网络的覆盖和连通.     

相依网络在不同攻击策略下的鲁棒性

相依网络的鲁棒性是网络科学研究的重点问题之一,目前很多重要的工作都致力于这一问题的研究.基于此,系统研究了相依网络在几种蓄意攻击策略下的级联失效过程,发现了同时考虑两个网络中相依节点度的特性比考虑单侧网络节点度的特性的攻击策略更有效.研究成果不但有助于理解相依网络级联失效的过程,而且为找到相依网络的弱点并进行有效的保护和攻击提供了有益的提示.     

基于遗传算法的环形供热网可及性分析

针对集中供热环形网提出了可及性分析的概念,建立了相应的数学模型。在算法上,针对这一复杂的多变量非线性优化问题的特点,提出关于环形网的几个定理,并在此基础上对问题进行简化处理,采用最佳保留机制的变形标准遗传算法ＶＣＧＡ进行求解,利用遗传算法的强鲁棒性寻找问题空间的全局最优解。为弥补遗传算法后期局部搜索不力的缺陷,在ＶＣＧＡ搜索的基础上,采用直接搜索的方法进行局部微调,形成了一种混合算法。本文提出的可及性分析方法,可以为环形供热网的运行调节和优化调度提供指导,为系统的扩容改造提供依据。本方法已经在几个集中供热网等工程中具体应用。     

基于参数化的特种装备专家系统平台开发

基于自顶向下的设计理念，提出一种结构框架模型的概念，通过EXCEL表进行框架模型全尺寸驱动，并在此基础上实现三维数模的生成；同时，利用有限元分析软件的二次开发技术，引入基于参数策略的改进粒子群算法，编写有限元分析程序，实现先进算法理论与工程优化问题的联合求解，完成整机关键部件的参数化工程分析；最后对相关程序高度集成，完成专家系统的平台搭建.用户通过交互界面输入设计参数，即可得到三维参数化数模与有限元分析结果，从而指导实际设计.斗轮堆取料机轮体算例应用表明，该平台对于大型特种装备的产品系列化开发，具有较好的指导意义.     

协作中继和网络编码在车载网络中的应用

对于出行者来说,通过路边热点来进行文件共享和内容分发以及车辆间相互通信的车载网已经成为蜂窝网络重要的互补网络.车载网络独有的特点给这些网络的内容分发和连接性等带来了挑战.提出结合协作中继和符号级网络编码来提高车载网络的连接性和信息传输的效率和鲁棒性.通过仿真评估了所提出机制的性能,证明了该机制可以提高网络的误码率和吞吐量.     

Size and form in efficient transportation networks.

Many biological processes, from cellular metabolism to population dynamics, are characterized by allometric scaling (power-law) relationships between size and rate. An outstanding question is whether typical allometric scaling relationships--the power-law dependence of a biological rate on body mass--can be understood by considering the general features of branching networks serving a particular volume. Distributed networks in nature stem from the need for effective connectivity, and occur both in biological systems such as cardiovascular and respiratory networks and plant vascular and root systems, and in inanimate systems such as the drainage network of river basins. Here we derive a general relationship between size and flow rates in arbitrary networks with local connectivity. Our theory accounts in a general way for the quarter-power allometric scaling of living organisms, recently derived under specific assumptions for particular network geometries. It also predicts scaling relations applicable to all efficient transportation networks, which we verify from observational data on the river drainage basins. Allometric scaling is therefore shown to originate from the general features of networks irrespective of dynamical or geometric assumptions.     

Biological networks to the analysis of microarray data

Microarray technology, which permits rapid and large-scale screening for patterns of gene expressions, usually generates a large amount of data. How to mine the biological meanings under these data is one of the main challenges in bioinformatics. Compared to the pure mathematical techniques, those methods incorporated with some prior biological knowledge generally bring better interpretations. Recently, a new analysis, in which the knowledge of biological networks such as metabolic network and protein interaction network is introduced, is widely applied to microarray data analysis. The microarray data analysis based on biological networks contains two main research aspects: identification of active components in biological networks and assessment of gene sets significance. In this paper, we briefly review the progress of these two categories of analyses, especially some representative methods.     

运河水网水量数学模型的研究和应用

本文分析了运河水网的水文和水力学特性,并针对这些特性建立了运河水网水量计算的混合模型.该模型兼含结点-河道模型和单元划分模型的优点,适用于大型复杂平原河网地区的水量计算.本文还对河网的概化和产流分配计算、用水量计算等问题提出了一系列具体处理措施,保证了水网水量计算的顺利进行.计算结果表明,本文提出的混合模型和相应的处理措施能够很好地适应象运河水网系统这样大型复杂水网的水量计算,计算结果能满足工程实际的要求.     

基于概率密度演化理论的地震概率安全评估

基于概率密度演化理论,通过引入随机地震动模型,可以获得某一场地在一定时期内遭遇不同地震动强度的超越概率,并且有望解决地震易损性分析中如何选择地震动的关键问题.在此基础上,通过调幅随机地震动模型的基底幅值参数,并与地震易损性研究中的增量调幅思想相结合,可以获得工程结构在遭遇不同超越概率的地震作用时,结构性能达到各极限状态的超越概率.这一将地震易损性曲线的地震动强度度量指标赋予概率意义的工作,可以避免以往采用不同地震动强度度量指标时,由于计算方法的不同,生成的地震易损性曲线具有较大不同的缺点.这一工作,进一步与基于性能的地震工程全概率决策框架相结合,可为工程结构的地震概率安全评估提供坚实的理论基础.     

基于随机失效率的网络抗毁性评价方法

由于对复杂网络的拓扑结构知之甚少,其抗毁性测度的研究一直是个比较困难的问题。从网络连通性的角度出发,在随机失效率的前提下对网络的抗毁性测度进行定义。并分别在只有选择性攻击和随机性攻击的情况下验证所提的全网连通度的有效性,进一步对无标度网络和随机网络的抗毁性能进行比较和分析。结果表明考虑了随机失效率的网络抗毁度定义更加确切有效。     

Stochastic gene expression out-of-steady-state in the cyanobacterial circadian clock

Recent advances in measuring gene expression at the single-cell level have highlighted the stochastic nature of messenger RNA and protein synthesis. Stochastic gene expression creates a source of variability in the abundance of cellular components, even among isogenic cells exposed to an identical environment. Recent integrated experimental and modelling studies have shed light on the molecular sources of this variability. However, many of these studies focus on systems that have reached a steady state and therefore do not address a large class of dynamic phenomena including oscillatory gene expression. Here we develop a general protocol for analysing and predicting stochastic gene expression in systems that never reach steady states. We use this framework to analyse experimentally stochastic expression of genes driven by the Synechococcus elongatus circadian clock. We find that, although the average expression at two points in the circadian cycle separated by 12 hours is identical, the variability at these two time points can be different. We show that this is a general feature of out-of-steady-state systems. We demonstrate how intrinsic noise sources, owing to random births and deaths of mRNAs and proteins, or extrinsic noise sources, which introduce fluctuations in rate constants, affect the cell-to-cell variability. To distinguish experimentally between these sources, we measured how the correlation between expression fluctuations of two identical genes is modulated during the circadian cycle. This quantitative framework is generally applicable to any out-of-steady-state system and will be necessary for understanding the fidelity of dynamic cellular systems.     

Probabilistic Analysis on Connectivity for Sensor Grids with Unreliable Nodes

0 IntroductionWireless sensor networks consist of manynodes , each containing application-specificsensors ,a wirelesstransceiver ,anda si mple proces-sor[1-4]. Sensor networks have extensive applica-tions . A large number of research results can beseenin Refs .[5-7] .This paper mainly concerns with sensor net-works that are inherently unreliable. We consider anetwork with mn nodes ,arranged in a grid over asquare region of areaA. This model was presentedin[8 ,9].Each nodeis a sensor ,and can…     

公路网络规划,工程可行性研究及管理一体化系统框架设计

通过对“公路网络规划、管理及工程可行性研究一体化系统”的框架设计，提出了“一体化系统”各模块的功能和作用，从而为建立一套集公路网络规划、管理及工程可行性研究于一体的交通需求分析基础理论以及基于该理论的实用方法奠定基础，并进而为我 今后的现代化交通管理系统、交通诱导系统、交通通信系统及交通控制系统提供理论基础。     

无线网络基于距离的位置管理建模和开销分析

针对无线网络如何精确计算位置管理开销这一问题,采用嵌入式马尔科夫链作为移动模型描述移动终端在二维蜂窝网络的运动,通过建立两个连续呼叫间隔内位置更新的模型分析呼叫到达和小区驻留时间均为一般分布时基于距离的位置管理方案的位置更新次数和位置管理总开销,对无线网络进行性能评估。通过分析得到如下结论：（1）位置更新次数是距离闽值的减函数;（2）位置管理开销是距离阂值的凸函数;（3）当所选取的距离阈值较小时,位置更新开销影响位置管理开销较大;当所选取距离阈值较大时,寻呼开销影响位置管理开销较大。通过仿真分析验证了理论分析的正确性。     

科学与工程应用中自适应网格方法进展

 自适应网格方法是科学与工程应用中的关键技术之一。基于拉格朗日方法计算过程中网格的处理方式,论述了耦合型和后处理型两种自适应网格类型。在耦合型自适应网格方法下,论述了网格细化技术、移动网格和自适应坐标法。在后处理型自适应网格方法下,描述了网格重分、邻域重连、邻域可变和邻域优化等自适应网格技术。对各种自适应网格方法的基本理论、效果、适应物理特征能力和特色等优缺点进行了分析与对比,为使自适应网格技术真正走向科学与工程领域提供了参考。     

非完全信道下认知中继网络中断概率及功率分配

基于最大信道增益的中继选择方法,分析了在不完全信道状态信息（CSI,channel state information）和受主用户干扰情况下认知中继网络的中断概率;进一步提出了在主用户干扰约束和保证认知用户服务质量（QoS,quality of service）条件下最大化认知中继网络频谱效率的数学优化模型,利用拉格朗日对偶松弛法获得了该优化问题的解,在保证主用户传输性能不受影响的前提下,提高了认知中继网络的频谱效率。仿真结果表明该文提出的功率分配方案与等功率分配方案相比提高了性能增益。同时表明在非完全信道条件下获得的频谱效率与完全信道条件下的频谱效率近似,但减少了系统信息的反馈量和实现的复杂度,有利于该方案的工程应用。     

基于SiPESC平台的通用脚本语言表示代理模型构架

基于面向服务的开放式软件平台SiPESC,引进流行的用于描述数学符号结构和内容的MathML语言,实现了一种通用脚本语言表示代理模型构架.该构架的核心思想是使用MathML描述各种代理模型(如径向基函数、响应面、Kriging等)函数表达式结果,方便以文本形式表示和保存,并使用工厂设计模式管理各种脚本(如JavaScript、Python、Matlab等)的转换工具,实现MathML数据到脚本的灵活转换.采用MathML可以提高代理模型结果表达的通用性,而工厂设计模式可以提高转换工具的灵活性,使其能适用于不同工程和研究.实践表明,该构架可提高代理模型结果表示、查看和使用的效率,为工程中的优化、近似模拟、快速显示提供便利.