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基于元胞自动机的复杂生物系统演化模型研究

贺兴平  
【摘要】: 复杂系统(Complexity System)是指由一些相对简单的个体部件由于相互之间错综复杂的作用而形成的一个统一而复杂的整体。复杂系统涵盖极广,几乎无处不在,包括经济系统、社会系统、工程系统和生物系统等。研究复杂系统的学科称为复杂性科学(Complexity Science)。在人们对生命的研究过程中,生命向来都被认为是非常复杂的。生物种类繁多,数量庞大,生命现象十分错综复杂,所以生物复杂系统(Biocomplexity System)也是可以被誉为“复杂巨系统”,是所有复杂系统中复杂性最强的一类。当前,对复杂系统的研究不仅是系统科学发展的前沿,也是许多其他学科研究的前沿和热点,被许多科学家誉为“21世纪的科学”。因此对复杂系统进行深入的研究有十分重要的意义,也对各交叉学科的共同发展有促进作用。 本文采用系统仿真的方法来研究复杂生物系统,依据元胞自动机原理建立了四个生物系统动力学的仿真模型。在文中分别对细菌信息通讯中的群体感应、介质中激发波的传播、鱼群高度趋向游动和蚁群最短寻食路径的动力学行为建立了模型,并进行了计算机模拟。我们发现,系统仿真的时序图与系统真实的演化过程非常的相似,这就说明采用系统仿真的方法来研究复杂生物系统是具有可行性的。并且相比于传统的数学方法,它简单易懂,便于在计算机上实现,仿真结果清楚明白、生动形象,非常具有说服力。通过观察分析复杂生物系统仿真的时序图,我们发现复杂生物系统一般具有如下几个方面的动力学行为特征:非线性性、多层次性、自组织性、开放性和动态性。 本文的创新点在于: ●在采用系统仿真的方法研究复杂生物系统时,我们运用了元胞自动机原理来建立复杂生物系统动力学模型。元胞自动机是一种时间、空间、状态均离散,具有时空计算特征的网格动力学模型,非常适合用来研究具有时滞性的复杂系统,并且建模简单,便于在计算机上实现。本文中元胞自动机的这些特点得到了很好的体现和发挥。 ●对四种有有代表性的复杂生物系统(细菌群、介质中激发波、鱼群和蚁群)的相关动力学行为进行了建模研究,并在计算机上对其动力学行为进行了仿真。从仿真的结果可以观察到这几类生物系统动力学行为的演化过程和一些生物系统共有的特征。


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