基于Petri网的生物过程建模模拟方法的研究

摘要

在后基因组时代，生物过程的模拟是非常重要的，它可以有力地支持生物学家及其他研究人员在医学和制药等领域的研究。在生物过程模拟的研究中，如何直观地表达复杂的生物模型是一个难题，也是目前研究的焦点之一。
　　本论文利用Petri网可以直观的描述动态自然界现象的特点，采用Petri网作为建立生物过程模型的基础，根据生物过程本身的特性，从一般Petri网，引申到混合Petri网、混合函数Petri网和随机Petri网。
　　针对生物过程本身非常复杂、描述起来难度大，一些典型过程重用率高等特点，本论文提出了面向对象混合函数Petri网。把复杂生物化学反应封装成对象，包括基本的化学反应类型，酶反应机制和基因表达机制等，简化了复杂生化反应的描述；同时对经常使用的典型生物过程，例如转录、翻译过程等，封装成对象，避免了大量重复性的工作，方便用户的使用。
　　对于随机生物过程的模拟，如果只采用随机Petri网模拟生物随机过程，其优点是形象、直观，缺点是随着模型的规模和复杂性的增加，状态的数量呈指数性地增长，出现模型状态空间的爆炸问题，用随机Petri网本身的分析方法很难分析整个系统的性能；如果只采用随机模拟算法模拟，其优点是速度较快，但是缺少形象的图形表达，不利于模拟技术的应用。因此提出前台用随机Petri网描述，后台采用Gillespie-Gibson随机模拟算法进行模拟，进而分析系统的性能，这样既保留了生物过程描述的直观性，又大大提高了模拟的速度。
　　开发了基于随机模拟算法的随机模拟平台，并通过两个生物模型实例进行实际模拟，实验表明，前台采用Petri网的方法进行生物过程直观描述，后台采用快速的Gillespie-Gibson随机模拟算法模拟是可行的。
　　基于Petri网的生物过程模拟方法既具有图形直观化描述的优点，又可以有选择的进行确定模拟和随机模拟。

目录

基于Petri 网的生物过程建模模拟方法的研究

RESEARCH ON MODELING ANDSIMULATION METHOD OFBIOLOGICAL PROCESSES BASED ONPETRI NET

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 课题研究的目的及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 研究内容及章节安排

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究途径

1.4.3 章节安排

第2章 用Petri 网确定性建模生物路径

2.1 Petri 网简介

2.2 传统Petri 网建模思想

2.2.1 一般Petri 网

2.2.2 混合Petri 网

2.2.3 混合函数Petri 网

2.3 面向对象混合函数Petri 网方法的提出

2.3.1 封装简单的生物过程

2.3.2 封装各种不同类型的化学反应

2.4 确定性建模

2.4.1 米曼氏方程确定性建模

2.4.2 一般动力学反应方程

2.5 本章小结

第3章 用随机Petri 网随机建模生物路径

3.1 随机Petri 网

3.2 随机Petri 网建模方式

3.3 模拟方式

3.3.1 随机模拟理论基础

3.3.2 随机模拟算法

3.4 本章小结

第4章 随机模拟平台的搭建与实验验证

4.1 开发环境介绍

4.1.1 B/S 三层体系结构

4.1.2 Web 开发平台Tomcat

4.2 需求分析与功能实现

4.2.1 模型参数的获取

4.2.2 模拟正确性验证

4.2.3 模拟统计结果分析

4.3 构建模型及比较模拟数据

4.3.1 算法正确性验证

4.3.2 热休克模型的模拟

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

致谢