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基于改进遗传算法的DNA序列设计

王宾  
【摘要】: 近年来,DNA计算是计算机研究领域的一个研究热点,在分子生物计算机的研究中倍受学者们的关注。1994年Adleman博士在Science上发表了一篇名为“Molecular Computation of Solution to Combinatorial Problems”的论文标志着DNA计算的诞生。DNA分子具有高度的并行性,并且作为信息的载体其储存的容量也非常大,同时DNA分子的资源也非常的丰富,这些也就是DNA计算所具备的优点。随着生物技术的不断发展,DNA计算将会被用来解决越来越多、越来越复杂的实际问题,特别是一些NP问题,最终将会产生一种全新的DNA计算机,它将会给数学、计算机科学等学科带来飞速地发展。 DNA计算中最主要的是DNA分子间的杂交反应,其效率和精度直接影响到DNA计算的结果,因此好的序列编码方法对于提高DNA计算的可靠性和有效性具有十分重要的意义。目前DNA编码研究主要分为两个主要方向:一个是DNA序列编码的质量优化;另一个是DNA序列编码的集合设计。本文针对这两个方向做了较深入地研究,并着重对DNA序列编码的集合进行研究。 DNA序列编码的质量优化研究的主要内容是依据问题的规模来找出满足确定约束条件的一定数量的DNA序列。所采用的约束条件通常是汉明距离约束和热力学约束,主要研究方法包括理论上的构造和计算机搜索两种主要方法。目前DNA编码的质量方面的研究已比较成熟,并已开发出比较好的软件成品。本文中将利用改进的遗传算法对DNA序列进行质量优化,该优化方法得到的DNA序列不仅满足DNA序列的约束条件,而且与前人研究成果相比有了显著地提高。 DNA序列集合设计研究的主要内容是已知序列的长度及其约束条件,找到满足条件的所有的DNA序列的集合的最大值。目前最常用的约束条件是汉明距离约束下的约束条件,热力学约束条件以及他们的组合约束。主要研究方法分为理论研究和算法研究。结合上述约束条件,本文基于DNA序列集合研究的特点,对遗传算法进行更进一步地改进,将其运用于对DNA序列集合进行研究,不仅算法性能上有了显著地提高,而且得到的结果也比前人的成果有了很大地提高。


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