从理工科视角探索系统生物学

系统生物学是在系统水平上研究生物系统,即通过研究因生物系统组成单元之间的相互作用所组成的网络来揭示生命系统的复杂行为和功能。本文扼要介绍近期内笔者在系统生物学领域研究所取得的一些进展。强调从理工科的视角出发,首先在分子水平上结合数据与方法论的整合性观点构建生物网络,然后用相互作用、动态行为等整体论观点来研究该网络,达到探索在不同层面上理解和诠释复杂生命现象的目的。     

一个合成基因网络的电路模型构建

在系统生物学研究中,使用已熟知的工程技术来研究基因网络的行为是公认的有效方法.本文基于一个与细胞振荡放大有关的合成基因网络模型,构建了它的电路模型.使用非线性电路设计方法来维持原模型的非线性特性.分别使用运算放大器方法和MOSFET晶体管方法构建了两种电路模型,并进行了简单比较.结果可为利用电路模型研究更复杂的基因网络提供了一种可能性.     

癌症系统生物学

正2015年7月11~12日,由吉林大学主办的第5届癌症系统生物学国际研讨会在吉林大学举行。会议期间,18位来自国内外著名院校、研究机构、生物信息公司和临床医院的特邀专家(其中9名来自美国,9名来自国内)作了大会报告。特邀专家涉及的研究领域包括癌症大规模组学数据挖掘分析、癌症机理研究、基于计算技术的癌症标志物识别、癌症分型与诊断、临床上癌症的阻断与治疗等。研讨会为来     

大批量制造系统生产能力和设备利用率分析

数学计算和建模仿真是分析制造系统生产能力和设备利用率的常用方法,一个高质量的模型对于提高系统性能分析的效率和精度具有重要意义.该文介绍了时间Petri net(PN)的基本概念,建立了制造系统的时间PN模型.基于此模型,利用Markov理论分析了系统的生产率和设备利用率,该方法在用于复杂系统时会导致Markov方程求解困难.因此又利用ObjectNet仿真软件对建立的时间PN模型进行了分析,结果表明仿真方法明显提高了分析的效率,并得到了精确的结果.该文还讨论了通过仿真方法解决顺序加工单元中间缓冲区的优化配置问题.     

基于Simulink动态仿真方法的混沌保密通信研究

混沌系统是非周期的,确定的,对初始条件的细微变化极为敏感的系统。用计算机动态仿真方法研究基于混沌的保密通信系统,计算机动态仿真是混沌应用研究的重要方法。研究介绍了Matlab环境下Simulink的可视化建模与动态仿真步骤;应用Simulink动态仿真方法,分别对统一混沌系统的动力学特性、统一混沌系统的驱动-响应同步控制方法和基于该同步方法的混沌掩盖保密通信原理进行了仿真研究。研究表明,Simulink动态仿真方法具有模型搭建灵活、结果输出直观和系统性能影响因素可控的特点。     

基于CV模型与改进ME模型的肺癌检测算法

针对CT影像中恶性肺结节病灶难以自动检测的问题,提出了一种基于CV模型与改进ME模型分割区域之间的面积差异的肺部CT影像癌症检测算法.该方法利用在肺部CT影像中结节边界的模糊程度是判断恶性肺结节的最重要指标这一特性,首先通过CV模型和改进ME模型两种交互式目标分割算法分别对肺部CT影像分割,因这两种分割方法收缩效果不同,故得到两种不同的结节区域,再计算这两种区域之间的面积差异得到该区域的模糊程度,最后计算得到模糊程度比较阈值,以此判断是否存在癌症.实验结果表明,该算法对于肺部CT影像中的癌症检测具有较高的准确率.     

一种基于SysML/MARTE/pCCSL的信息物理融合系统协同建模方法

信息物理融合系统(Cyber-Physical Systems, CPS)是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统.针对这种异构系统的建模问题一直是人们研究的重点,但是,缺乏系统性的方法来建模CPS的特性,如异构性、不确定性、软硬协同和非功能属性(Non-Functional Properties, NFP)等.提出了一种基于SysML (System Modeling Language)/MARTE (Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded Systems)/pCCSL (p Clock Constraint Specification Language)的协同建模方法,实现了从不同视角建模CPS的不同特征,包括系统的结构、行为、时钟约束和NFP.该方法的新颖性在于使用pCCSL规约各模型之间的交互和同步,显式地建模模型之间的逻辑一致性.同时,为了捕捉CPS的特性如随机行为和连续行为,扩展了一些SysML/MARTE的元模型.最后,给出了一个智能建筑的案例以展示所提出的协同建模方法的可用性.     

预拌混凝土泵送施工系统的排队仿真与配置优化

基于排队理论研究预拌混凝土泵送施工系统的综合性能与配置优化.运用仿真工具建立混凝土泵送施工系统排队仿真模型,探讨混凝土泵车数量变化对系统综合性能的影响规律,发现随着泵车数量的增大,系统性能逐渐变好,泵车繁忙率降低,排队队长和排队时间降低,可服务的混凝土运输车数量增多,且存在一个最优泵车数量值.通过构建混凝土泵送系统最优配置模型,探讨泵车数量、泵车效率、混凝土运输车间隔时间之间的关系,指出提高混凝土泵送施工系统性能的措施.该排队系统仿真模型与实验结果对施工管理具有一定的理论和实践意义.     

特征系统实现算法中的模型定阶方法研究

特征系统实现算法中,模型定阶是最关键的一步,在研究了现有工作模态定阶方法的基础上,提出了奇异值差值法的模型定阶方法.通过两个试验对该模型定阶方法进行了验证,结果证明该方法是有效的、可行的.     

基因表达模型的研究进展:概率分布

定量化基因表达(包括数学建模及定性与定量分析)是理解细胞内部过程的重要一步,也是当今系统生物学的核心研究内容.基因表达模型已从最初的单状态简单模型发展到考虑细化生物过程、众多生物因素的多状态复杂模型.基于生物学的中心法则,综述了有关基因表达模型的最新研究进展,聚焦于数学模型的完善、mRNA 与蛋白质数目的概率分布等研究方面.通过综述,试图总结出有关基因表达的某些一般性规律,并提出今后需要进一步研究的问题与发展方向     

复杂系统理论在创新研究中的应用——兼谈复杂理论视角下创新的起源、结构和演化

人类的创新过程作为社会活动的一部分具有复杂系统的特征.在此,综合介绍了学者们用复杂系统理论对创新活动研究的一些成果,特别介绍了近期在创新的起源、结构和演化方面的进展.然而,这方面大多数的研究都是基于复杂系统理论在生物系统中所建立的模型来诠释创新活动的规律,而社会系统和生物系统是完全不在一个层次的复杂系统.因此,在发现不同层次的复杂系统的通用规律之时,也需要思考社会系统,包括创新活动的独特规律.另外,创新研究是一个新兴的交叉学科,由于自然科学家和人文科学家知识结构互补,如果联合研究,将使该项研究迈上一个崭新的台阶.     

系统经济学进展(1988-2010)

系统经济学是在系统时代背景下应运而生的一种新探索。本文简要回顾了1988-2010年系统经济学的主要研究进展,内容包括系统时代的含义及其对经济学的影响,系统经济学的哲理框架、数理模型基础,和三个主要研究专题:制度边界理论、资源位理论和系统战略。最后,对系统经济学的未来发展进行了展望。     

21世纪高师生物学实验教学规范化体系研究

根据生物科学发展的动态和趋势,结合我国２１世纪生物学人才培养的模式,生物学专业和生物学课程两个层次上探讨了２１世纪高师生物学实验教学规范化体系,对面向２１世纪高师生物学专业呈现 体系改革具有重要的意义。     

Computational approaches to cellular rhythms

Oscillations arise in genetic and metabolic networks as a result of various modes of cellular regulation. In view of the large number of variables involved and of the complexity of feedback processes that generate oscillations, mathematical models and numerical simulations are needed to fully grasp the molecular mechanisms and functions of biological rhythms. Models are also necessary to comprehend the transition from simple to complex oscillatory behaviour and to delineate the conditions under which they arise. Examples ranging from calcium oscillations to pulsatile intercellular communication and circadian rhythms illustrate how computational biology contributes to clarify the molecular and dynamical bases of cellular rhythms.     

具有竞争机理局部稳定的两种群模型及其保解析性

通过对一类具有竞争机理局部稳定的两种相互作用生态种群模型保解析性的讨论，进一步将生态环境系统的调控严谨化，给一类生态系统的动态分析与调控优化提供了一种有价值的方法与手段．这不仅对于两种互相竞争和互惠互存的生态系统的建模与分析具有重要意义，而且对于更为复杂的生态环境系统的动态分析与宏观调控也具有较大的指导作用与应用价值．     

MATLAB在“信号与系统”实验教学中的应用

为了克服“信号与系统”硬件实验系统干扰强、易故障等缺点,利用MATLAB的图形用户界面GUI开发“信号与系统”的相关仿真实验．通过仿真实验,能够帮助学生更加深刻地理解“信号与系统”课程中抽象的概念和复杂的数学运算,明显地提高了实验教学效果．     

系统动力学软件STELLA在生态学中的应用

计算机建模试验是生态学试验的一项重要内容，它有助于人们理解复杂的生态过程，培养系统思考能力.系统动力学是一种描述并仿真复杂反馈系统的方法，适合解决生态学中多因子相互作用问题.系统动力学建模工具STELLA软件因其功能强大、操作简便等特点，在国外已被广泛应用于生态学及其它学科的教学和科研.在简要介绍系统动力学方法及其工具软件STELLA基础上，通过3个应用案例种群离散增长模型、臭氧损耗模型和大熊猫种群动态模型，说明系统动力学软件STELLA在生态学中的应用.     

一类非线性切换系统的稳定域

在生物学超循环(Hypercycle)系统的基础上,提出了非线性循环系统和非线性循环切换系统的概念,并建立了数学模型,这类系统具有广泛的实际背景.分别研究了非线性循环系统和非线性循环切换系统的稳定域问题,并通过系统循环矩阵的特征值,给出了非线性循环切换系统在任意切换律和确定切换律下的稳定域.仿真实验进一步检验了结论的正确性.