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(yùn)動(dòng)規(guī)律的有機(jī)整體。是為達(dá)到某一共同目標(biāo)而協(xié)同動(dòng)作的各子系統(tǒng)的集合。系統(tǒng)的三個(gè)要素：實(shí)體：組成系統(tǒng)的個(gè)體屬性：組成系統(tǒng)的每一實(shí)體所具有的全部有效特征活動(dòng)：實(shí)體隨時(shí)間推移而發(fā)生的屬性變化證實(shí)Verification：是對(duì)用計(jì)算機(jī)代碼表示數(shù)學(xué)模型和程序員的意圖的精度評(píng)估。校驗(yàn)Calibration：調(diào)整模型參數(shù)，使模擬結(jié)果與從真實(shí)世界中的測(cè)量結(jié)果盡可能地吻合。驗(yàn)證Validation：模擬結(jié)果與前面參數(shù)估計(jì)或校驗(yàn)時(shí)沒(méi)有用過(guò)的真實(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)相比較的過(guò)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(guò)程中不會(huì)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(guò)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(shí)驗(yàn)條件發(fā)生變化，或模型被用于不同尺度時(shí)，不會(huì)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(shí)驗(yàn)?zāi)硞€(gè)預(yù)定的功能，通過(guò)某種手段而構(gòu)造的系統(tǒng)非工程系統(tǒng)：自然和社會(huì)在發(fā)展過(guò)程中形成的，被人們?cè)陂L(zhǎng)期的生產(chǎn)勞動(dòng)和社會(huì)實(shí)踐中逐漸認(rèn)識(shí)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(lái)。算法實(shí)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(duì)系

3、統(tǒng)組件進(jìn)行限定的一個(gè)抽象，它把系統(tǒng)組件從環(huán)境中分離出來(lái)。很多生物系統(tǒng)模型的一個(gè)特點(diǎn)：環(huán)境不會(huì)被系統(tǒng)影響，也就是說(shuō)，我們一般不再對(duì)環(huán)境建立模型模型：是所研究的系統(tǒng)、過(guò)程、事物或概念的一種表達(dá)形式,也可指根據(jù)實(shí)驗(yàn)、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(dá)。對(duì)相應(yīng)的真實(shí)對(duì)象和真實(shí)關(guān)系中那些有用的和令人感興趣的特性的抽象，是對(duì)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(jì)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(huì)隨著時(shí)間變化必須有數(shù)量值作為輸入輸出表達(dá)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(jì)算技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上的 以計(jì)算機(jī)和其它專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具 利用系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)或假想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn) 并借助于專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息資料對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究 進(jìn)而做出決策的一門綜合性的和試驗(yàn)性的學(xué)科計(jì)算機(jī)模擬 包含實(shí)施或求解一個(gè)模型來(lái)模擬真實(shí)世界的必要過(guò)程：n 繪制邏輯圖，流程圖n 寫計(jì)算機(jī)代碼n 在計(jì)算機(jī)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(huì)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(shí)，增加洞察力 關(guān)于

5、作物生理過(guò)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(cè)系統(tǒng)的行為，但是研究本身可能是非常有價(jià)值 能夠推斷出哪些方向知識(shí)不夠充分，哪些方面需要進(jìn)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(duì)過(guò)程的理解，能夠有助于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集.工程性模型 主要目的是對(duì)一個(gè)系統(tǒng)更好的控制與管理 模型達(dá)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(gè)軟件產(chǎn)品、一個(gè)應(yīng)用設(shè)計(jì)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(zhǎng)形態(tài)的并行語(yǔ)法

6、，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)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(zhǎng)過(guò)程。 RSmith和Prusinkiewicz等人將L系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)結(jié)合起來(lái)，在計(jì)算機(jī)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(jī)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(jiǎn)化假定條件下，以各學(xué)科專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，通過(guò)分析系統(tǒng)變量間的關(guān)系和運(yùn)動(dòng)規(guī)律而獲得解析型數(shù)學(xué)模型。蒙特卡洛法：利用“隨機(jī)數(shù)”對(duì)模型系統(tǒng)進(jìn)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(qiáng)調(diào)系統(tǒng)變量的循環(huán)與儲(chǔ)存的概念模型的有效工具。這個(gè)模型對(duì)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(gè)狀態(tài)變量的一個(gè)數(shù)量或一個(gè)等級(jí)。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(shí)某點(diǎn)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(jī)理分析建模實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)建模運(yùn)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(shí)法又叫做實(shí)驗(yàn)辨識(shí)法，借助系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)輸入-輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)辨識(shí)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(gè)與所測(cè)系統(tǒng)等價(jià)的模型三個(gè)要素：數(shù)據(jù)、模型類、準(zhǔn)則系統(tǒng)辨識(shí)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(shí)法：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)辨識(shí)基于遺傳算法的系統(tǒng)辨識(shí)基于模糊邏輯的系統(tǒng)辨識(shí)基于小波理論的系統(tǒng)辨識(shí)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(wèn)題，轉(zhuǎn)化為定量計(jì)算，即把復(fù)雜的決策系統(tǒng)層次化，通過(guò)逐層比較各種關(guān)聯(lián)因素的重要性來(lái)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(duì)比較陣 計(jì)算權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn) 計(jì)算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗(yàn)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(jìn)歐拉法、經(jīng)典Rk法見(jiàn)作業(yè)，需要詳細(xì)在回顧，因?yàn)闀?huì)有計(jì)算題。第六章 植物系統(tǒng)GOSSYM棉花生長(zhǎng)模擬模型在GOSSYM中，光合作用是基于天蓬來(lái)估算的，本質(zhì)上是經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的。該模型在生長(zhǎng)季節(jié)中的每天，描述干物重的增長(zhǎng)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(gè)生長(zhǎng)點(diǎn)上。GOSSYM從哪些方面考慮植物生長(zhǎng)的模擬 生物氣候?qū)W（Days to First S

10、quare；從現(xiàn)蕾到開(kāi)完；鈴成熟期和鈴的大?。恢鬏S的節(jié)點(diǎn)，結(jié)鈴節(jié)點(diǎn)，分枝；展葉期和節(jié)間生長(zhǎng)） 光合作用 器官的生長(zhǎng)（葉片；莖；根） 質(zhì)量的積累（葉片、莖稈、根、棉鈴） 脅迫的計(jì)算 土壤相關(guān)過(guò)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(guò)一條公理和幾條產(chǎn)生式，進(jìn)行有限次迭代，對(duì)產(chǎn)生字符串進(jìn)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(gè)形式符號(hào)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(zhǎng)，字w包含字符的個(gè)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(dòng)的動(dòng)作，“龜圖”是將L-系統(tǒng)用幾何圖形進(jìn)行表達(dá)的理想方法。有分枝的L-系統(tǒng)使用符號(hào)“”將當(dāng)前狀態(tài)壓入堆棧，表示分枝開(kāi)始；使用“”從堆棧中彈出儲(chǔ)存的一個(gè)狀態(tài)作為當(dāng)前狀態(tài)，F(xiàn)=F-FF+FF節(jié)點(diǎn)重寫法和邊界重寫法（看不懂）上下文無(wú)關(guān)的確定性系統(tǒng)，D（確定的）0（上下無(wú)關(guān)）L-系統(tǒng)：確定性系統(tǒng)：每一個(gè)字符都對(duì)應(yīng)一個(gè)產(chǎn)生式隨機(jī)性系統(tǒng)：每一個(gè)字符對(duì)應(yīng)一個(gè)以上的產(chǎn)生式規(guī)則）需要（需要有一個(gè)方法確定合適應(yīng)用何種規(guī)則）上下文無(wú)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(zhǎng)問(wèn)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(guò)程。

12、逐年記錄某個(gè)生物種群的死亡個(gè)數(shù)，得到該種群從出生到死亡為止的各年齡死亡率，并進(jìn)一步構(gòu)成表格式模型靜態(tài)生命表：根據(jù)某一特定時(shí)間，對(duì)種群做一個(gè)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(shí)期出生的一群個(gè)體稱為一個(gè)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(zhǎng)力r:在特定的實(shí)驗(yàn)條件下的最大增長(zhǎng)率存活曲線：種群增長(zhǎng)模型簡(jiǎn)單模型：種群的幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)：馬爾薩斯人口增長(zhǎng)模型同上種群的阻滯增長(zhǎng)模型（Logistic）增長(zhǎng)假設(shè)資源有限，設(shè)為1，一個(gè)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(guò)高的內(nèi)稟增長(zhǎng)率r會(huì)導(dǎo)致種群數(shù)量

13、的大幅度波動(dòng)，對(duì)種群是毀滅性的。密度依存性：某種群的個(gè)體數(shù)或生物量的增減因素作用強(qiáng)度與該種群密度的聯(lián)系性-3/2自疏法則個(gè)體重量與密度的雙對(duì)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(gè)數(shù)小于a的時(shí)候就會(huì)收斂，導(dǎo)致種群滅亡種群增長(zhǎng)的時(shí)滯效應(yīng)一個(gè)具有離散世代的種群，其t時(shí)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(jìng)爭(zhēng)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(shí)的間接抑制）洛特卡-沃爾泰勒（Lotka-Volterra）種群競(jìng)爭(zhēng)模型假設(shè)：兩個(gè)物種單獨(dú)存在時(shí)呈邏輯斯諦增長(zhǎng)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(dòng)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(qiáng)度決定信號(hào)傳遞的強(qiáng)弱3） 神經(jīng)元之間的連接強(qiáng)度是可以隨訓(xùn)練改變的4） 信號(hào)可以是起刺激作用的，也可以是起