浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程-生物系統(tǒng)模擬-期末整理

1、生物系統(tǒng)模擬第一章：系統(tǒng)與模擬概論系統(tǒng)的定義：系統(tǒng)是由相互聯(lián)系、相互制約、相互依存的若干組成部分(要素)結(jié)合在一起形成的具有特定功能和運動規(guī)律的有機整體。是為達到某一共同目標(biāo)而協(xié)同動作的各子系統(tǒng)的集合。系統(tǒng)的三個要素：實體：組成系統(tǒng)的個體屬性：組成系統(tǒng)的每一實體所具有的全部有效特征活動：實體隨時間推移而發(fā)生的屬性變化證實Verification：是對用計算機代碼表示數(shù)學(xué)模型和程序員的意圖的精度評估。校驗Calibration：調(diào)整模型參數(shù)，使模擬結(jié)果與從真實世界中的測量結(jié)果盡可能地吻合。驗證Validation：模擬結(jié)果與前面參數(shù)估計或校驗時沒有用過的真實系統(tǒng)數(shù)據(jù)相比較的過程。生物系統(tǒng)模型中參

2、數(shù)和常數(shù)：是模型組件的屬性特征，它在模擬過程中不會發(fā)生變化。參數(shù)：值不是那么確定的，但是參數(shù)值在模擬過程中卻是保持不變的。常數(shù)：是一些可信的精確的數(shù)量值。這些數(shù)量值在實驗條件發(fā)生變化，或模型被用于不同尺度時，不會發(fā)生變化。工程型系統(tǒng)：人們?yōu)榱藵M足某種需要或者實驗?zāi)硞€預(yù)定的功能，通過某種手段而構(gòu)造的系統(tǒng)非工程系統(tǒng)：自然和社會在發(fā)展過程中形成的，被人們在長期的生產(chǎn)勞動和社會實踐中逐漸認(rèn)識的系統(tǒng)。BLOB算法的核心思想：就是在一塊區(qū)域內(nèi)，把出現(xiàn)“灰度突變”的范圍找出來。算法實現(xiàn)，一般是基于“邊緣尋找”算法之上。生物系統(tǒng)是一種層次化的組織 系統(tǒng)的環(huán)境：包括除了系統(tǒng)組件以外的任何事物。系統(tǒng)的邊界：是對系

3、統(tǒng)組件進行限定的一個抽象，它把系統(tǒng)組件從環(huán)境中分離出來。很多生物系統(tǒng)模型的一個特點：環(huán)境不會被系統(tǒng)影響，也就是說，我們一般不再對環(huán)境建立模型模型：是所研究的系統(tǒng)、過程、事物或概念的一種表達形式,也可指根據(jù)實驗、圖樣放大或縮小而制作的樣品。系統(tǒng)模型定義：是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達。對相應(yīng)的真實對象和真實關(guān)系中那些有用的和令人感興趣的特性的抽象，是對系統(tǒng)某些本質(zhì)方面的描述，它以各種可用的形式提供被研究系統(tǒng)的信息灰箱模型：在系統(tǒng)的主要層次和主要關(guān)系使用結(jié)構(gòu)模型，在次要層次和次要關(guān)系中則使用統(tǒng)計學(xué)模型。輸入在系統(tǒng)環(huán)境中影響系統(tǒng)行為而不被系統(tǒng)影響的因素可能會隨著時間變化必須有數(shù)量值作為輸入輸出表達了建模者感興趣的

4、系統(tǒng)的行為特征模擬（系統(tǒng)仿真）： 建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計算技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上的 以計算機和其它專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具 利用系統(tǒng)模型對真實或假想的系統(tǒng)進行試驗 并借助于專家經(jīng)驗知識、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和信息資料對試驗結(jié)果進行分析研究 進而做出決策的一門綜合性的和試驗性的學(xué)科計算機模擬 包含實施或求解一個模型來模擬真實世界的必要過程：n 繪制邏輯圖，流程圖n 寫計算機代碼n 在計算機上執(zhí)行代碼，產(chǎn)生輸出狀態(tài)變量 描述系統(tǒng)組件情形的量。 這些狀態(tài)變量會隨著組件之間的交互及組件和系統(tǒng)環(huán)境的交互而發(fā)生改變。 例如：土壤含水量和作物的生物產(chǎn)量科學(xué)性模型 研究的主要目的是增加知識，增加洞察力 關(guān)于

5、作物生理過程假設(shè)的模型（如：不同溫度和CO2濃度下的光合作用的定量模型） 可能不能很好地預(yù)測系統(tǒng)的行為，但是研究本身可能是非常有價值 能夠推斷出哪些方向知識不夠充分，哪些方面需要進一步研究 模型的類型比較重要，它應(yīng)當(dāng)是結(jié)構(gòu)化的，能夠表現(xiàn)出目前科學(xué)對過程的理解，能夠有助于設(shè)計實驗，數(shù)據(jù)采集.工程性模型 主要目的是對一個系統(tǒng)更好的控制與管理 模型達到可接受的精度就可以了； 只要模型是可靠的和準(zhǔn)確的，模型的類型不太重要 一個軟件產(chǎn)品、一個應(yīng)用設(shè)計的軟硬件一體化產(chǎn)品L系統(tǒng)模型 1968年，生物學(xué)家Aristid Lindenmayer從生物形態(tài)學(xué)的角度出發(fā)，提出了一種用以構(gòu)造生物組織生長形態(tài)的并行語法

6、，簡稱為L系統(tǒng)，此方法的創(chuàng)造性在于形式化地描述了植物或其他生物的結(jié)構(gòu)特征和生長過程。 RSmith和Prusinkiewicz等人將L系統(tǒng)與計算機圖形學(xué)結(jié)合起來，在計算機上產(chǎn)生了大量栩栩如生的植物形態(tài)第二章 常用系統(tǒng)建模方法機理分析法：也叫直接分析法或者解析法，應(yīng)用最廣，一般是在若干簡化假定條件下，以各學(xué)科專業(yè)知識為基礎(chǔ)，通過分析系統(tǒng)變量間的關(guān)系和運動規(guī)律而獲得解析型數(shù)學(xué)模型。蒙特卡洛法：利用“隨機數(shù)”對模型系統(tǒng)進行模擬以產(chǎn)生數(shù)值形式的概率分布。“隔艙”分析法：是分析強調(diào)系統(tǒng)變量的循環(huán)與儲存的概念模型的有效工具。這個模型對于概念化連續(xù)系統(tǒng)特別有用，一階微分方程形式的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可以很容易的直接

7、從隔艙模型圖中推出隔艙：是被定義為一個狀態(tài)變量的一個數(shù)量或一個等級。隔艙代表了系統(tǒng)中的狀態(tài)變量，或狀態(tài)變量的轉(zhuǎn)化。這些狀態(tài)變量可以是：質(zhì)量、體積、電荷、人口層次：代表某時某點的系統(tǒng)狀態(tài)Source和sink：表示系統(tǒng)的環(huán)境 用隔艙分析法，可以獲取系統(tǒng)的一階微分方程。直接相似法：是以相似理論為基礎(chǔ)實現(xiàn)系統(tǒng)之間變量等效的一種建模方法相似定理：1、 自反性：SS2、 對稱性：若S1S2則 S2S13、 傳遞4、 相似的系統(tǒng)具有相同的數(shù)學(xué)描述5、 表征相似系統(tǒng)的對應(yīng)量在思維空間互相匹配且呈一定的比例關(guān)系6、 各對應(yīng)量的比值不是任一的而是彼此約束的數(shù)學(xué)建模的方法及分類機理分析建模實驗統(tǒng)計建模運籌學(xué)相關(guān)方

8、法： 線性規(guī)劃 層次分析定性推理建模系統(tǒng)辨識法又叫做實驗辨識法，借助系統(tǒng)實驗輸入-輸出觀測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)辨識理論與技術(shù)建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的現(xiàn)代方法。就是在輸入輸出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從一組給定的模型中，確定一個與所測系統(tǒng)等價的模型三個要素：數(shù)據(jù)、模型類、準(zhǔn)則系統(tǒng)辨識的方法：傳統(tǒng)的最小二乘法極大似然法脈沖響應(yīng)法新型的系統(tǒng)辨識法：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)辨識基于遺傳算法的系統(tǒng)辨識基于模糊邏輯的系統(tǒng)辨識基于小波理論的系統(tǒng)辨識層次分析法：以系統(tǒng)分析理論為基礎(chǔ)，利用層次分析數(shù)學(xué)方法，把半定性、半定量的問題，轉(zhuǎn)化為定量計算，即把復(fù)雜的決策系統(tǒng)層次化，通過逐層比較各種關(guān)聯(lián)因素的重要性來分析、決策，提供定量的依據(jù)。（A-E）x

9、=0為特征之 x為特征向量一致性指標(biāo)CI一致性比率CR ：層次分析法的步驟： 建立層次結(jié)構(gòu)模型 構(gòu)造成對比較陣 計算權(quán)向量并做一致性檢驗 計算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗第三章 連續(xù)系統(tǒng)的建模與模擬拉普拉斯變換：歐拉法、改進歐拉法、經(jīng)典Rk法見作業(yè)，需要詳細在回顧，因為會有計算題。第六章 植物系統(tǒng)GOSSYM棉花生長模擬模型在GOSSYM中，光合作用是基于天蓬來估算的，本質(zhì)上是經(jīng)驗性質(zhì)的。該模型在生長季節(jié)中的每天，描述干物重的增長是植物年齡，大小，生理狀態(tài)，環(huán)境條件的函數(shù)，并且把干物重分配到植物的各個生長點上。GOSSYM從哪些方面考慮植物生長的模擬 生物氣候?qū)W（Days to First S

10、quare；從現(xiàn)蕾到開完；鈴成熟期和鈴的大?。恢鬏S的節(jié)點，結(jié)鈴節(jié)點，分枝；展葉期和節(jié)間生長） 光合作用 器官的生長（葉片；莖；根） 質(zhì)量的積累（葉片、莖稈、根、棉鈴） 脅迫的計算 土壤相關(guān)過程與-COMAX專家系統(tǒng)結(jié)合L-系統(tǒng)基本原理本質(zhì)是字符重寫系統(tǒng)，通過一條公理和幾條產(chǎn)生式，進行有限次迭代，對產(chǎn)生字符串進行幾何解釋，生成非常復(fù)雜的圖形。L-系統(tǒng)的基本定義字符表：有a b c 等字母或其他一些字符構(gòu)成的一個形式符號有限集合VV*表示V上所有字符串（字）的集合公理也稱起始因子，是由字符表V中的字符構(gòu)成的字符串w字長，字w包含字符的個數(shù)產(chǎn)生式（又稱改寫規(guī)則）P:a w龜圖：能夠?qū)⒆址蛄械罐D(zhuǎn)成“

11、海龜“在二維平面上移動的動作，“龜圖”是將L-系統(tǒng)用幾何圖形進行表達的理想方法。有分枝的L-系統(tǒng)使用符號“”將當(dāng)前狀態(tài)壓入堆棧，表示分枝開始；使用“”從堆棧中彈出儲存的一個狀態(tài)作為當(dāng)前狀態(tài)，F(xiàn)=F-FF+FF節(jié)點重寫法和邊界重寫法（看不懂）上下文無關(guān)的確定性系統(tǒng)，D（確定的）0（上下無關(guān)）L-系統(tǒng)：確定性系統(tǒng)：每一個字符都對應(yīng)一個產(chǎn)生式隨機性系統(tǒng)：每一個字符對應(yīng)一個以上的產(chǎn)生式規(guī)則）需要（需要有一個方法確定合適應(yīng)用何種規(guī)則）上下文無關(guān)的L系統(tǒng)（一般的）上下文相關(guān)的L系統(tǒng)參數(shù)化的L系統(tǒng)：解決前面幾種L系統(tǒng)的共同局限性：步長問題，難以捕獲連續(xù)變化的現(xiàn)象種群生命表最清楚最直接展示種群死亡和存活過程。

12、逐年記錄某個生物種群的死亡個數(shù)，得到該種群從出生到死亡為止的各年齡死亡率，并進一步構(gòu)成表格式模型靜態(tài)生命表：根據(jù)某一特定時間，對種群做一個年齡結(jié)構(gòu)的調(diào)查，并根據(jù)其結(jié)果編制而成世代：大體上是同時期出生的一群個體稱為一個世代。世代重疊：前后世代間表現(xiàn)出明顯重疊的現(xiàn)象稱之為世代重疊。化性：活歷較短的昆蟲在一年內(nèi)發(fā)生的世代數(shù)。內(nèi)稟增長力r:在特定的實驗條件下的最大增長率存活曲線：種群增長模型簡單模型：種群的幾何級數(shù)增長：馬爾薩斯人口增長模型同上種群的阻滯增長模型（Logistic）增長假設(shè)資源有限，設(shè)為1，一個人正常生存需要1/P*(假定極限承載人口數(shù)為P*)在此模型中過高的內(nèi)稟增長率r會導(dǎo)致種群數(shù)量

13、的大幅度波動，對種群是毀滅性的。密度依存性：某種群的個體數(shù)或生物量的增減因素作用強度與該種群密度的聯(lián)系性-3/2自疏法則個體重量與密度的雙對數(shù)曲線是一條斜率為-3/2的直線 密度擬依存性：密度上升導(dǎo)致繁殖率增高，也叫做Allee效應(yīng)當(dāng)種群個數(shù)小于a的時候就會收斂，導(dǎo)致種群滅亡種群增長的時滯效應(yīng)一個具有離散世代的種群，其t時代的生殖率不是與本世代的種群密度呈線性相關(guān)，而是與t-1世代的種群呈線性相關(guān)。競爭類型：直接干涉型（一種物種直接抑制另一種）資源利用型（資源缺乏時的間接抑制）洛特卡-沃爾泰勒（Lotka-Volterra）種群競爭模型假設(shè)：兩個物種單獨存在時呈邏輯斯諦增長三種結(jié)果：X被排斥、Y被排斥、共存捕食者-獵物模型生物生產(chǎn)系統(tǒng)空間變異性產(chǎn)生的原因：1、 歷史背景2、 環(huán)境因素3、 局部結(jié)合動態(tài)導(dǎo)致整體格局形成神經(jīng)和遺傳人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生物神經(jīng)網(wǎng)六大基本特征：1） 神經(jīng)元及其連接2） 神經(jīng)元之間的連接強度決定信號傳遞的強弱3） 神經(jīng)元之間的連接強度是可以隨訓(xùn)練改變的4） 信號可以是起刺激作用的，也可以是起