膜計(jì)算模型和算法

1、項(xiàng)目名稱膜計(jì)算模型和算法獎(jiǎng)項(xiàng)自然獎(jiǎng)全部完成人張葛祥, 王軍, 張興義, 戴朝華, 彭宏, 榮海娜全部完成單位西南交通大學(xué), 西華大學(xué), 安徽大學(xué)項(xiàng)目簡介本項(xiàng)目屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)理論領(lǐng)域，具有前沿多學(xué)科交叉特性，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)、數(shù)學(xué)等。半個(gè)多世紀(jì)以來，信息技術(shù)發(fā)展嚴(yán)格遵循摩爾定律，到如今，這種飛速發(fā)展趨勢已接近尾聲，觸碰到物理極限。硅基CMOS 在10 納米以下將會(huì)產(chǎn)生短溝道效應(yīng)、器件不穩(wěn)定和難以承受的高能耗密度等問題。因此，迫切需要探索非傳統(tǒng)高性能新型計(jì)算模型和算法。作為新型計(jì)算模型的生物計(jì)算，自美國兩院院士、圖靈獎(jiǎng)獲得者Adleman 于1994年在Science上發(fā)表用DNA

2、解決哈密爾頓路徑問題以來，展示出了巨大潛力。膜計(jì)算是生物計(jì)算重要分支，自歐洲科學(xué)院院士Gh. Pun 于1998 年提出以來，隨即被美國科學(xué)情報(bào)研究所ISI列入計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿領(lǐng)域，其論文成為ISI 快速突破和高被引文章。因?qū)δび?jì)算的突出貢獻(xiàn)，M.J. Prez-Jimnez于2011當(dāng)選歐洲科學(xué)院院士。Pun院士在膜計(jì)算公開問題中指出，如何從生物組織結(jié)構(gòu)和功能中抽象出高效計(jì)算模型、如何解決膜系統(tǒng)可編程性問題、如何構(gòu)建面向應(yīng)用問題求解的膜計(jì)算模型和算法等，是迫切解決的關(guān)鍵問題。本項(xiàng)目在國家自然科學(xué)基金等資助下，研究基于細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的膜計(jì)算模型構(gòu)建方法、進(jìn)化膜計(jì)算和模糊膜計(jì)算建模理論等，獲得如下

3、主要科學(xué)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：1、建立了基于生物組織結(jié)構(gòu)和功能的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)膜計(jì)算模型，獲得了圖靈計(jì)算能力的組織膜系統(tǒng)和成功求解計(jì)算難問題的脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)。該成果被兩位IEEE會(huì)士C. Wen和施路平在Nature出版社期刊評價(jià)為第三代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代表模型。2、建立了進(jìn)化膜計(jì)算理論體系。揭示了進(jìn)化膜計(jì)算機(jī)理，提出了進(jìn)化膜計(jì)算動(dòng)態(tài)行為分析方法，構(gòu)建了進(jìn)化膜計(jì)算模型和算法。被加拿大S.X.Yang教授作為生物智能算法分支專門進(jìn)行綜述，得到了Prez-Jimnez院士和多位IEEE會(huì)士的正面評價(jià)和引用，并被用于成功求解天線陣列優(yōu)化問題。3、提出了模糊脈沖神經(jīng)膜計(jì)算模型和推理算法的構(gòu)建方法。創(chuàng)建了膜計(jì)算模糊神經(jīng)元和模糊激發(fā)

4、規(guī)則，提出了模糊信息處理和模糊推理脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)及推理算法。膜計(jì)算創(chuàng)始人Pun院士評價(jià)該方法求解故障診斷問題是膜計(jì)算的成功應(yīng)用示例。4、提出了膜計(jì)算模型自動(dòng)構(gòu)建方法，建立了膜計(jì)算模型自動(dòng)構(gòu)建平臺(tái)，開啟了解決膜計(jì)算模型可編程性問題思路。羅馬尼亞F. Ipate教授基于此方法成功構(gòu)建語言膜系統(tǒng)。發(fā)表IEEE TFS、IEEE TIE、IEEE TPS和IJNS等相關(guān)領(lǐng)域國際期刊SCI論文86篇（ESI論文2篇），google學(xué)術(shù)他引1529次、SCI他引745次，其中10篇代表作google學(xué)術(shù)他引558次、SCI他引255次。成果獲國際會(huì)議最佳論文獎(jiǎng)兩次，獲授權(quán)發(fā)明專利6件和軟件著作權(quán)2件，其中

5、1件專利已成功應(yīng)用于磁阻電機(jī)。成果得到了膜計(jì)算創(chuàng)始人Gh. Pun院士、膜計(jì)算突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)獲得者Prez-Jimnez院士和包括H. Adeli, C. Wen, P.N. Suganthan, E. Hossain, P.S.R. Diniz, P. Shi, 施路平和王熙照等在內(nèi)的多位IEEE或AAAS會(huì)士的正面評價(jià)和引用。主要完成人當(dāng)選為國際膜計(jì)算學(xué)會(huì)創(chuàng)會(huì)主席、顧問委員會(huì)委員，舉辦了膜計(jì)算國際會(huì)議ACMC2013和ACMC2015。項(xiàng)目組成員入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才1名、四川省教學(xué)名師1名、四川省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選4名，獲得四川省杰出青年基金1項(xiàng)、四川省優(yōu)秀博士學(xué)位論文2篇。排名及學(xué)

6、術(shù)貢獻(xiàn)排名姓名學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)1張葛祥本項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)人。組織本項(xiàng)目研究工作，確定總體研究方向和方案。是科學(xué)發(fā)現(xiàn)一、科學(xué)發(fā)現(xiàn)二、科學(xué)發(fā)現(xiàn)三和代表性論文1，5，7，9，10的主要完成人。在本項(xiàng)目中，主要完成了以下工作：1、提出了近似求解計(jì)算難問題的優(yōu)化脈沖神經(jīng)膜計(jì)算模型；2、建立了進(jìn)化膜計(jì)算理論體系。構(gòu)建了進(jìn)化膜計(jì)算模型和算法，提出了動(dòng)態(tài)行為分析方法，揭示了進(jìn)化膜計(jì)算機(jī)理。3、提出了梯形模糊數(shù)模糊脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)和加權(quán)模糊脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)，并應(yīng)用于求解電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)和牽引供電網(wǎng)故障診斷；4、提出了膜計(jì)算模型自動(dòng)構(gòu)建方法，建立了膜計(jì)算模型自動(dòng)構(gòu)建平臺(tái)，開啟了解決膜計(jì)算模型可編程性問題思路。2王軍本項(xiàng)目研究工作的

7、主要合作者之一，是科學(xué)發(fā)現(xiàn)三和代表性論文3和8的主要完成人。在本項(xiàng)目中，主要完成了以下工作：1、提出了模糊信息處理的脈沖神經(jīng)膜計(jì)算模型的構(gòu)建方法，2、建立了加權(quán)模糊脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)、帶語言項(xiàng)的模糊脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)和帶梯形模糊數(shù)的模糊推理脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)；3、提出了一種加權(quán)反向推理算法；4、設(shè)計(jì)了基于模糊膜計(jì)算模型的故障診斷框架，并應(yīng)用于變壓器、電力輸電網(wǎng)和變電站等的故障診斷。3張興義本項(xiàng)目研究工作的主要合作者之一，是科學(xué)發(fā)現(xiàn)一和代表性論文2的主要完成人。在本項(xiàng)目中，主要完成了以下工作：1、提出了與圖靈機(jī)等價(jià)計(jì)算能力的脈沖神經(jīng)膜計(jì)算模型；2、建立了多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)求解計(jì)算困難問題的組織膜計(jì)算模型及算法。4

8、戴朝華本項(xiàng)目研究工作的主要合作者之一，是科學(xué)發(fā)現(xiàn)二和代表性論文4和6的主要完成人。在本項(xiàng)目中，主要完成了以下工作：1、深入研究了進(jìn)化計(jì)算的理論、算法和性能分析方法，系統(tǒng)分析了進(jìn)化計(jì)算“勘探”與“開采”間平衡、“Nearer is Better”和“Nearer is Worse”間轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)行為；2、通過模擬人群搜索/覓食行為，提出了一種新的群體智能算法搜尋者優(yōu)化算法；3、利用搜尋者優(yōu)化算法求解了數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)無功優(yōu)化、燃料電池建模等典型復(fù)雜優(yōu)化問題。5彭宏本項(xiàng)目研究工作的主要合作者之一，是科學(xué)發(fā)現(xiàn)三和代表性論文3和8的主要完成人。在本項(xiàng)目中，主要完成了以下工作：1、建立了模糊推理實(shí)

9、數(shù)脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)；2、提出了模糊脈沖神經(jīng)膜計(jì)算模型推理算法的構(gòu)建方法，并設(shè)計(jì)了基于矩陣運(yùn)算的前向推理算法；3、建立了自適應(yīng)模糊脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)，并提出了相應(yīng)的學(xué)習(xí)算法；4、提出了基于膜計(jì)算模型的圖像分割和圖像融合方法。代表性論文/論著論文專著名稱/刊名/作者通訊作者/第一作者An optimization spiking neural P system for approximately solving combinatorial optimization problems/International Journal of Neural Systems/G. Zhang, H. Rong, F.

10、 Neri, M.J. Prez-Jimnez張葛祥/張葛祥Tissue P systems with cell separation: attacking the partition problem/Science China, Information Sciences/X. Zhang, S. Wang, Y. Niu, L. Pan潘林強(qiáng)/張興義Weighted Fuzzy Spiking Neural P Systems/IEEE Transactions on Fuzzy Systems/J. Wang, P. Shi, H. Peng, M.J. Prez-Jimnez, T Wa

11、ng王軍/王軍Seeker Optimization Algorithm for Optimal Reactive Power Dispatch/IEEE Transactions on Power Systems/ C. Dai, W. Chen, Y. Zhu, X. Zhang戴朝華/戴朝華A hybrid approach based on differential evolution and tissue membrane systems for solving constrained manufacturing parameter optimization problems/App

12、lied Soft Computing/G. Zhang, J. Cheng, M. Gheorghe, Q. Meng張葛祥/張葛祥Seeker Optimization Algorithm for Digital IIR Filter Design/ IEEE Transactions on Industrial Electronics/C. Dai, W. Chen, Y. Zhu戴朝華/戴朝華Enhancing distributed differential evolution with multicultural migration for global numerical optimization/Information Sciences/J. Cheng, G. Zhang, F. Neri張葛祥/程吉祥Fuzzy reasoning spiking neural P system for fault diagnosis/Information Sciences/ H. Peng, J. Wang, M.J. Prez-Jimnez, H. Wang, J. Shao, T. Wang彭宏/彭宏A quantum-inspired evolutionary algorithm based on P syste