基于动态网络结构的膜计算系统及其算法研究

As a branch of natural computing, membrane computing not only provides a new type of high performance computing model for computer science, but has potential value of applications in the fields, such as biomedicine, linguistics, economics, cryptography, and robot controller. At present, membrane systems with dynamic network structure are getting more and more attention because of its unique advantage in the aspect of system modeling, algorithm design. This project focuses on membrane systems with dynamic network structure and membrane-inspired algorithms based on these computing models. The main content includes: (1) Construction of membrane systems with dynamic network structure based on the research on dynamic network structure’s influence on computing power. (2) Design of the biological realization scheme of membrane computing models with dynamic network structure combining with the latest research results of DNA nanotechnology. (3) Applications of membrane-inspired algorithms in the framework of membrane systems with dynamic network structure on urban traffic network design. The key points are how to design dynamic connections between “cells” and how the “cell” integrates data storage and evolution characteristics of DNA. The project not only provides a new idea for the biological implementation of membrane systems with dynamic network structure, but also provides the basis for the analysis of the influence of algorithm structure on the performance of membrane-inspired evolutionary algorithms.

作为自然计算的一个分支，膜计算不仅为计算机科学提供了一种新型的高性能计算模型，而且在生物医学、语言学、经济学、密码学、机器人控制器等诸多领域具有潜在的应用价值。目前，具有动态网络结构的膜计算系统因其在系统建模、算法设计等方面的独特优势而逐渐引起关注。本项目拟深入研究基于动态网络结构的膜计算模型以及基于该模型的算法。主要研究内容包含以下几点：（1）深入研究膜结构的动态变化对膜计算系统计算能力的影响，构造基于动态网络结构的膜计算系统；（2）结合DNA 纳米技术的最新研究成果，探讨其生物实现方案；（3）在动态网络膜系统框架下，研究进化膜计算算法及其在城镇运输网络中的应用。研究的关键点是：“细胞”间的动态网络连接方式设计以及如何在“细胞”中融入DNA的数据存储与进化特征。该项目为膜系统的生物实现提供了新思路，也为分析结构框架对进化膜计算算法性能的影响提供了依据。

作为自然计算的一个分支，膜计算不仅为计算机科学提供了一种新型的高性能计算模型，而且在生物医学、语言学、经济学、密码学、机器人控制等诸多领域具有潜在的应用价值。目前，具有动态网络结构的膜计算系统因其在系统建模、算法设计方面的独特优势而逐渐引起关注。本项目深入分析了细胞及细胞网络的动态结构和功能特征，建立了具有动态网络结构的新型膜计算模型，以此模型为框架进行了膜进化算法的研究和基于动态网络结构的膜系统的建模方法的研究，探讨了基于动态网络结构的膜算法在城镇运输网络中的应用。在动态网络结构的膜系统框架下，对规则执行的时间相关性进行了研究，分析了时间无关膜系统的计算有效性即是研究其求解NP完全问题的能力。受到细胞迁移规律的启发，我们在动态网络结构膜系统的框架下，提出了一种新型膜系统，智能决策P系统。该系统中的细胞被看作是具有一定智能的会移动的个体，具有了位移属性。它也可以看作是一种基于细胞迁移过程的新型建模技术。本项目将动态网络结构的框架与优化算法相结合，通过分析膜系统的相关特性对优化算法性能的影响，构建了新型的膜算法。针对物流运输领域的碳排放、多车型、多能源、道路限行等实际问题，提出了基于动态网络结构膜系统的优化模型和求解策略。