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DNA计算中的编码设计优化算法

作　者: 任晓娜
导　师: 张大方；王泽平
学　校: 湖南大学
专　业: 软件工程
关键词: DNA计算 编码设计 约束条件 粒子群优化 文化算法
分类号: TP301.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 86次
引　用: 1次
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内容摘要


DNA计算是以DNA分子和生物酶等为载体,以生化反应作为“信息处理工具的”一种崭新的计算模式。由于DNA计算所具有的巨并行性、海量存储以及低能耗等优点,DNA计算显示了巨大的生命力。但生化反应中由于各种外界因素以及编码本身的缺陷,会存在非特异性杂交,这种随机性为后续计算进程带来了很大的不确定性,严重的可能会导致生化反应不可控,进而造成计算失败,有效的编码设计能够提高DNA计算的可靠性。本文重点研究了DNA编码问题,研究重点主要集中在如何设计出可以减少不合法反应的DNA编码序列集合。介绍了DNA编码的相关约束条件,并进行数学建模,研究现有流行的智能进化算法。在此基础上提出两种DNA编码的优化算法。本文的主要工作包括：1.分析DNA计算中编码序列设计的影响因素、总结了现有研究主要考虑的六个数学约束条件：H-measure约束、连续性约束、相似度约束、发夹结构约束、解链温度、GC含量。建立一套基于以上六个约束条件的多目标评价体系的DNA编码序列组合优化模型,设计出了适应度函数Fitness的具体实现。2.提出一种基于离散粒子群的DNA编码优化方法(简称DPSO)。根据DNA编码问题离散量的特点,对DPSO算法粒子的位置、速度等量及运算规则进行了重新定义,满足了六种约束条件,引入基于权重的适应度函数来评价DNA序列集合,并设计出了DPSO算法的具体实现。经实验验证,DPSO算法大大降低了计算复杂度,并且参数设置和调整非常方便。3.提出一种基于文化粒子群(cultural-based PSO, CBPSO)的DNA编码序列优化方法。种群空间利用了DPSO的快速演化能力,通过接收精英个体送入信念空间。同时利用文化算法模型中的遗传操作,对个体选择,交叉,变异等,影响种群空间的粒子来增加DPSO群体多样性和全局搜索能力。并设计出CBPSO的具体实现,经实验验证得到了较高质量的DNA编码序列,验证算法的有效性。4.用Java实现了DNA计算编码设计系统。系统架构采取了五层框架,分别是表现层,算法层,约束层,对象层,数据库层,层和层之间松散耦合。其框架是灵活的,可扩展的。经实验证明,GPSDS可以帮助验证不同的DNA编码优化算法模型。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
插图索引  11-12
附表索引  12-13
第1章 绪论  13-21
  1.1 课题背景和意义  13-15
  1.2 研究现状综述  15-19
    1.2.1 DNA计算国际研究进展  15-16
    1.2.2 DNA计算国内研究进展  16
    1.2.3 DNA编码研究现状与问题  16-19
  1.3 本文的主要工作  19
  1.4 论文结构  19-21
第2章 DNA计算与DNA编码基本理论  21-28
  2.1 DNA计算  21-24
    2.1.1 DNA计算的开创性试验  21-22
    2.1.2 DNA计算基本理论  22-24
  2.2 DNA编码问题  24-27
    2.2.1 DNA编码的生物学基础  24-26
    2.2.2 DNA编码的定义  26-27
  2.3 小结  27-28
第3章 DNA计算中编码序列约束模型研究  28-34
  3.1 引言  28
  3.2 DNA编码序列设计的影响因素  28-30
    3.2.1 化学自由能变化  28-29
    3.2.2 解链温度  29-30
  3.3 DNA编码约束数学模型  30-33
    3.3.1 DNA编码约束条件  30-33
    3.3.2 DNA编码序列组合优化模型  33
  3.4 小结  33-34
第4章 基于离散粒子群的DNA编码序列组合优化方法研究  34-44
  4.1 引言  34
  4.2 离散粒子群优化算法基本方法  34-36
    4.2.1 粒子群优化基本原理  34-35
    4.2.2 基本粒子群优化算法  35-36
    4.2.3 粒子群优化算法流程  36
  4.3 基于DPSO的编码序列算法设计  36-39
    4.3.1 DNA编码序列的编码方式  37
    4.3.2 组合优化适应度函数  37
    4.3.3 粒子位置  37
    4.3.4 粒子运动公式  37-38
    4.3.5 DPSO算法流程  38-39
  4.4 实验结果分析  39-43
    4.4.1 实验环境  39-40
    4.4.2 约束条件选择  40
    4.4.3 结果分析  40-43
  4.5 小结  43-44
第5章 基于文化粒子群算法的DNA编码序列优化方法研究  44-63
  5.1 引言  44
  5.2 文化粒子群优化算法  44-51
    5.2.1 文化算法基本原理及算法流程  44-49
    5.2.2 文化粒子群基本思想  49-50
    5.2.3 文化粒子群算法流程  50-51
  5.3 基于CBPSO的编码序列算法设计  51-55
    5.3.1 初始种群的生成  51
    5.3.2 适应度函数的设计  51
    5.3.3 信念空间的初始化  51-52
    5.3.4 接受函数accept()的设计  52
    5.3.5 信念空间的更新  52-53
    5.3.6 影响函数influence()的设计  53-54
    5.3.7 CBPSO算法设计思想及流程  54-55
  5.4 实验研究  55-62
    5.4.1 实验环境  55-56
    5.4.2 约束条件选择  56
    5.4.3 结果分析  56-62
  5.5 小结  62-63
第6章 DNA计算编码设计系统及应用  63-69
  6.1 系统整体框架设计  63-66
    6.1.1 系统体系架构设计  63-65
    6.1.2 程序运行流程图  65-66
  6.2 系统应用举例  66-68
  6.3 小结  68-69
结论  69-70
参考文献  70-75
致谢  75-76
附录 攻读学位期间主要研究成果  76

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 一般性问题 > 理论、方法 > 算法理论
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