基于生物網(wǎng)絡(luò)的突現(xiàn)計算模型研究

基于生物網(wǎng)絡(luò)的突現(xiàn)計算模型研究

1生物免疫網(wǎng)絡(luò)未來的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該集中于用戶的需求。它應(yīng)該具有自擴充性、移動性、開放性、易操作性、安全性、服務(wù)和應(yīng)用程序性的特點。這些需求使我們有必要進一步地優(yōu)化并發(fā)展Internet網(wǎng)絡(luò)的智能體系結(jié)構(gòu),并設(shè)計其應(yīng)用。另一方面,生物信息系統(tǒng)能被啟發(fā)以提供給工程領(lǐng)域各種富有成效的智能技術(shù)和方法,其中,由生物免疫系統(tǒng)引發(fā)的人工免疫系統(tǒng),直到近幾年才得到國內(nèi)外研究學(xué)者的重視。免疫系統(tǒng)通過從不同種類的抗體中構(gòu)造的自己-非己的非線性自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò),在處理動態(tài)變化環(huán)境中起主要作用。生物免疫系統(tǒng)是安全的、可生存的,即使一定比例的個體被入侵者、事故或疾病損傷,它們?nèi)匀荒芷鹱饔谩Ｃ庖呦到y(tǒng)是以一種完全分布式方式實現(xiàn)許多復(fù)雜計算,具有進化學(xué)習(xí)、聯(lián)想記憶和模式識別等能力。目前人工免疫系統(tǒng)的研究結(jié)果主要集中在免疫算法和人工免疫網(wǎng)絡(luò)、并應(yīng)用到控制、故障診斷、模式識別、圖像識別、優(yōu)化設(shè)計、機器學(xué)習(xí)、聯(lián)想記憶和計算機安全性等領(lǐng)域。其中,免疫網(wǎng)絡(luò)模型主要有獨特型網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)耦合免疫網(wǎng)絡(luò)和對稱網(wǎng)絡(luò)等。但是現(xiàn)有的計算模型僅僅是模擬了免疫系統(tǒng)的某一方面,而沒有考慮大規(guī)模免疫網(wǎng)絡(luò)的一些重要特性。通過研究,我們發(fā)現(xiàn)生物免疫系統(tǒng)的一些重要特征,尤其是大規(guī)模免疫網(wǎng)絡(luò)的突現(xiàn)行為,可用于建立生物網(wǎng)絡(luò)突現(xiàn)計算模型。在此基礎(chǔ)上可設(shè)計一種新穎的具有服務(wù)突現(xiàn)和進化能力的生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其仿真平臺,用于仿真復(fù)雜的大規(guī)模的Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與應(yīng)用。本文在現(xiàn)有的互聯(lián)耦合免疫網(wǎng)絡(luò)學(xué)說的基礎(chǔ)上,進一步探討免疫網(wǎng)絡(luò)的突現(xiàn)行為。通過局部免疫網(wǎng)絡(luò)(LIN)之間相互協(xié)調(diào)和控制來形成大規(guī)模的免疫網(wǎng)絡(luò),使其表現(xiàn)出自擴充性、自適應(yīng)性、可生存性及進化等能力,從而構(gòu)建一種新穎的網(wǎng)絡(luò)突現(xiàn)計算模型來滿足生物網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)突現(xiàn)。在生物網(wǎng)絡(luò)仿真平臺上的仿真實驗,也表明該模型可用于Internet網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)服務(wù)突現(xiàn)。2基于互聯(lián)耦合網(wǎng)絡(luò)學(xué)說的突現(xiàn)創(chuàng)造生物免疫系統(tǒng)是生物,特別是脊椎動物和人類所必備的防御機理,它由具有免疫功能的器官、組織、細胞、免疫效應(yīng)分子及有關(guān)的基因等組成,可以保護機體抗御病原體、有害的異物及癌細胞等致病因子的侵害。免疫系統(tǒng)中最重要的細胞是淋巴細胞,主要是B和T兩類淋巴細胞。在整個生命過程中,B細胞持續(xù)地從骨髓產(chǎn)生,其主要功能是產(chǎn)生抗體,執(zhí)行特異體液免疫功能,其過程由T細胞調(diào)節(jié)。T細胞由胸腺產(chǎn)生,執(zhí)行特異細胞免疫和免疫調(diào)節(jié)功能。T細胞有抑制T細胞和輔助T細胞,分別用于抑制和幫助B細胞對某一刺激的反應(yīng)。最近對免疫學(xué)的研究證實了免疫系統(tǒng)具有區(qū)別自己和非己物質(zhì)的自我識別功能,其所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)稱為免疫網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)學(xué)說的觀點是建立在自身識別上,認為免疫系統(tǒng)是淋巴細胞上分布的特異性抗原受體V區(qū)的網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)是通過免疫細胞相互作用并識別V區(qū)上的抗原決定簇來實現(xiàn)的;對外來抗原的應(yīng)答是建立在識別自身抗原基礎(chǔ)上的反應(yīng)。在免疫網(wǎng)絡(luò)中有兩個學(xué)說占主導(dǎo)地位:細胞選擇學(xué)說和網(wǎng)絡(luò)學(xué)說?；诩毎x擇學(xué)說,Jerne開創(chuàng)了獨特型網(wǎng)絡(luò)的理論。該學(xué)說是以淋巴細胞不是孤立的,而是通過抗體之間相互反應(yīng)和在不同種類的淋巴細胞之間相互通訊為基礎(chǔ)。相應(yīng)地,抗原的識別是由抗原和抗體之間相互反應(yīng)形成的網(wǎng)絡(luò)來完成的。但由于免疫系統(tǒng)的復(fù)雜性,目前抗體之間大規(guī)模的聯(lián)接還沒有用實驗論證。盡管如此,免疫學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)免疫系統(tǒng)是通過抗體之間4個或5個鏈來成功地維持著生物組織,即免疫系統(tǒng)能利用局部的連接來維持生物組織的正常工作。以上學(xué)說就是互聯(lián)耦合免疫網(wǎng)絡(luò)學(xué)說,其基本框架如圖1所根據(jù)互聯(lián)耦合免疫網(wǎng)絡(luò)學(xué)說,我們可以進行進一步分析,來理解免疫系統(tǒng)的突現(xiàn)行為。免疫系統(tǒng)的每個淋巴細胞(如T細胞、B細胞等抗體)可看成生物個體,遵循一組簡單的行為規(guī)則(如遷移、再生、變異和死亡等)。一群個體相互作用、相互通訊形成LIN完成某一特定的任務(wù),多個LIN相互協(xié)調(diào)和控制進而形成大規(guī)模的免疫網(wǎng)絡(luò),展示復(fù)雜的突現(xiàn)行為,如自擴充性、自適應(yīng)性、進化、安全性和自救性等。具體實現(xiàn)時,我們可以考慮如下:將淋巴細胞看作生物實體,多個分布、自治的生物實體與生物實體之間相互作用突現(xiàn)形成的LIN作為超級實體,多個超級實體之間相互協(xié)作和通訊再形成大規(guī)模免疫網(wǎng)絡(luò)(超級實體網(wǎng)絡(luò)),就可以構(gòu)建一種基于互聯(lián)耦合免疫網(wǎng)絡(luò)的突現(xiàn)計算模型,來自組織地提供各種服務(wù)和應(yīng)用。這種突現(xiàn)計算模型可以嵌入到我們所設(shè)計的生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的仿真平臺,將用戶或其它生物實體發(fā)出的請求看作是抗原,對于發(fā)出的請求,如果某個生物實體不能完成該請求,它可以和本地平臺上的其它生物實體聚集成超級實體(本地LIN)來提供服務(wù)。若本地超級實體還是不能完成請求,生物網(wǎng)絡(luò)模型中多個平臺上的超級實體相互協(xié)作和通訊,形成超級實體網(wǎng)絡(luò),來實現(xiàn)請求的突現(xiàn)服務(wù)。3生物實體相互作用為了構(gòu)建突現(xiàn)計算模型,以下我們首先討論生物實體的設(shè)計和實現(xiàn),然后討論生物實體之間是如何相互作用形成超級實體,進而形成超級實體網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)用戶需求的服務(wù)突現(xiàn)。3.1實體環(huán)境間的關(guān)系生物實體由屬性、本體和行為三部分組成:(1)屬性部分包含生物實體本身的信息(如ID號、所屬的超級實體、本體類型、能量水平、年齡、關(guān)系等)。關(guān)系包含生物實體和所處的環(huán)境之間的關(guān)系類型(如超級實體、團體、本地)、關(guān)系強度和生物實體的信息。如果一個生物實體知道另一個和它有關(guān)系的生物實體的ID號和位置,它將直接與之作用,否則該實體將向所有或部分與之相關(guān)的生物實體廣播它的信息。(2)本體部分包含與生物實體提供的服務(wù)相關(guān)的資料、如數(shù)據(jù)或用戶信息(不能執(zhí)行的數(shù)據(jù))和程序代碼(可執(zhí)行的代碼)。(3)生物實體的行為有:資源購買行為、遷移行為、復(fù)制/再生行為、死亡行為、關(guān)系行為、保護行為、通訊行為等。3.2超級實體的特性在生物網(wǎng)絡(luò)中,生物實體之間建立關(guān)系,與其它生物實體相互作用,形成超級實體。超級實體不是在特定網(wǎng)絡(luò)中的生物實體,而是指基于生物實體的自治行為、相互作用和關(guān)系建立的突現(xiàn)行為。通過超級實體的突現(xiàn)行為來提供服務(wù)。生物實體之間的相互作用完成生物實體的請求服務(wù)、提供服務(wù)和接收服務(wù)。3.2.1生物實體的監(jiān)視功能生物實體所發(fā)出的請求可以是明確請求,也可以模糊請求。在明確工作模式中,一個生物實體向具有特定服務(wù)的生物實體明確地提出請求。發(fā)出請求的生物實體事先知道可得到哪些服務(wù)(如超級實體)和哪些超級實體能提供期望的服務(wù)。在模糊工作模式中,生物實體或用戶不發(fā)送服務(wù)請求,而是能提供服務(wù)的生物實體以一定方式監(jiān)視用戶的行為。這種模式適用于用戶不知道提出何種請求，也不知道它們能否創(chuàng)建服務(wù)。為了能有效地偵聽,一個生物實體可以向它所處的環(huán)境廣播它自身的信息(如它所代表的用戶行為和個人信息),也可以讓其它生物實體能訪問它的信息以使其能監(jiān)聽到這些信息。該模式中,能提供服務(wù)的生物實體自動地向其它生物實體提供服務(wù),生物實體選擇它需要的服務(wù)。3.2.2開放模式中多個生物實體的服務(wù)生物實體間相互作用可以是限定的,也可以是開放的。在限定模式中,生物實體與特定的實體或超級實體相互作用。這些實體有特定的ID號、位置及明確的服務(wù)請求。該模式中,提出請求的生物實體只將請求發(fā)送給特定的一些生物實體,明確指明一個服務(wù),也就是說,超級實體提供的服務(wù)是靜止的。在開放模式中,一個生物實體將服務(wù)請求發(fā)送給它所處的環(huán)境中的所有實體。這些實體收到請求并理解請求,只有能處理請求的那些生物實體響應(yīng),其它實體對請求不響應(yīng),發(fā)出響應(yīng)的生物實體提供服務(wù)。該實體所處環(huán)境中的任何生物實體能夠響應(yīng)服務(wù)請求,但不能保證提出請求的生物實體能得到滿意的服務(wù)。在這兩種模式中,多個生物實體(或超級實體)都可以提供服務(wù)。生物實體通過偵聽環(huán)境(如能提供相同服務(wù)的生物實體數(shù)量以及所擁有的能量等)和學(xué)習(xí)與其它生物實體的關(guān)系來選擇不同的提供服務(wù)策略。3.2.3接受服務(wù)根據(jù)它收到的服務(wù),生物實體記錄超級實體的名稱并與超級實體中的生物實體建立較強的關(guān)系,以便以后再次訪問這個服務(wù)。3.3基于互聯(lián)耦合免疫網(wǎng)絡(luò)的超級實體如果一個生物實體需要服務(wù)(該實體也可代表一個用戶),它創(chuàng)建一個服務(wù)請求并將該請求發(fā)送給它所處環(huán)境中的其它生物實體,以期望超級實體能提供所請求的服務(wù)。如果沒有超級實體提供服務(wù),那么超級實體中的每個實體將輪流詢問與它相關(guān)的其它實體,與其它實體形成的超級實體相互通訊,從而通過多個超級實體之間的相互作用形成超級實體網(wǎng)絡(luò)提供給請求的服務(wù)。圖2所示是構(gòu)建的一種生物網(wǎng)絡(luò)突現(xiàn)計算模型,可自組織地提供各種服務(wù)和應(yīng)用。圖2中,單個生物實體,如生物實體5能向用戶或網(wǎng)絡(luò)中的其它生物實體提供簡單的服務(wù),它遵循簡單的行為規(guī)則。在一個生物實體LIN中,生物實體相互作用并突現(xiàn)為超級實體,所形成的超級實體能提供更復(fù)雜的服務(wù)。同時一個生物實體,如生物實體8可以同時存在于不同的生物實體LIN中。對于單個超級實體不能單獨完成的服務(wù),則由超級實體網(wǎng)絡(luò)中的多個超級實體相互作用來提供服務(wù)和應(yīng)用。生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的超級實體和超級實體網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)變化的,通過自然選擇過程,生物網(wǎng)絡(luò)中的超級實體讓具有優(yōu)勢的生物實體得以生存,而使劣勢的生物實體從中消除,從而滿足用戶需求的動態(tài)自適應(yīng)性?；诨ヂ?lián)耦合免疫網(wǎng)絡(luò)建立的超級實體(即服務(wù)和應(yīng)用)將共享一組共同的重要特性,如:(1)自擴充性。超級實體是可擴充的,因為它包含的所有生物實體是基于它們的環(huán)境的局部信息被設(shè)計成自治和局部的。例如,一個生物實體可以與鄰近的生物實體建立關(guān)系,提供一種相似的或互補的服務(wù)以擴充超級實體;(2)自適應(yīng)性。超級實體通過它的生物實體的突現(xiàn)行為和關(guān)系來適應(yīng)異構(gòu)和動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)條件。同時,生物實體的各種行為也有利于服務(wù)的多樣性形成,通過自然選擇過程如服務(wù)進化提高生物網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性;(3)進化。生物網(wǎng)絡(luò)可以通過多樣性和自然選擇(如生物實體的復(fù)制、再生行為)等機理來提供服務(wù)的進化;生物網(wǎng)絡(luò)中超級實體提供的服務(wù)是通過多樣服務(wù)(如服務(wù)突現(xiàn))和自然選擇來實現(xiàn)的。多樣服務(wù)通過動態(tài)創(chuàng)建和修改超級實體的關(guān)系來突現(xiàn)的,如通過動態(tài)地刪除和增加超級實體中的生物實體來得到新的超級實體,實現(xiàn)生物網(wǎng)絡(luò)的進化;(4)簡單性。僅需要設(shè)計單個生物實體的相對簡單的行為,且生物實體可以自治地學(xué)習(xí)它所在的超級實體與其它鄰近超級實體間的關(guān)系,使超級實體的構(gòu)建得以簡化；(5)安全性和可生存性。超級實體有多種突現(xiàn)的安全性和可生存性行為,它們可作為抵御攻擊和預(yù)防失敗的附加層,添加到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)中。4網(wǎng)絡(luò)仿真模擬以上基于互聯(lián)耦合免疫網(wǎng)絡(luò)的突現(xiàn)計算模型可用于設(shè)計大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息服務(wù)和應(yīng)用。下面我們以Web信息檢索系統(tǒng)為例,在生物網(wǎng)絡(luò)仿真平臺上、通過設(shè)計和實現(xiàn)生物實體、超級實體和超級實體網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用,來驗證基于互聯(lián)耦合免疫網(wǎng)絡(luò)計算模型的突現(xiàn)服務(wù)能滿足用戶的請求。在Web信息檢索系統(tǒng)中,系統(tǒng)接收到用戶的查詢請求后,若采用明確工作模式,則通過搜索引擎來發(fā)現(xiàn)能提供它期望的服務(wù)的超級實體,并獲得屬于那個超級實體的生物實體的地址和ID號。然后,用戶直接向那些生物實體發(fā)送信息檢索請求。如果該生物實體不能滿足用戶的請求,可通過生物實體LIN中的實體自組織形成一個新的超級實體提供給請求的服務(wù)。如果還是不能滿足用戶的請求,生物網(wǎng)絡(luò)模型中多個平臺上的超級實體就會相互協(xié)作和通信,形成超級實體網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)信息檢索的突現(xiàn)服務(wù)。若采用模糊工作模式,通過監(jiān)視各種提供該信息檢索請求的網(wǎng)頁,用戶可以自動地收到關(guān)于該服務(wù)請求的最新消息。在仿真中,為了驗證生物網(wǎng)絡(luò)的突現(xiàn)行為,我們采用明確工作模式。先仿真網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點較少的情況(小網(wǎng)絡(luò)),再仿真網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點較多的情況(大網(wǎng)絡(luò))。在小網(wǎng)絡(luò)中,首先,對仿真平臺進行初始化配置,網(wǎng)絡(luò)中有24個節(jié)點,各個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的位置不同。網(wǎng)絡(luò)中有能提供各種Web頁服務(wù)的生物實體。配置生物實體行為的參數(shù),如行為的類別、因素名稱、因素值及其范圍等。再對仿真器進行配置,如仿真周期、輸出數(shù)據(jù)周期等,并選擇生物實體在仿真中是否有遷移、復(fù)制/再生和死亡等行為。假定用戶每秒請求一個Web頁,一個生物實體每秒內(nèi)能服務(wù)20個Web頁。用戶的查詢請求在節(jié)點1上,系統(tǒng)將查詢請求向距離用戶最近的生物實體發(fā)送,并搜索能提供該Web頁的生物實體,這些生物實體不斷地向節(jié)點1遷移。隨著用戶請求的不斷增多,系統(tǒng)將用戶請求放在隊列中,等待有更多的生物實體提供服務(wù)。而網(wǎng)絡(luò)中提供該Web頁服務(wù)的生物實體由于數(shù)量較少而不能及時滿足用戶的請求,因此對生物實體不斷地復(fù)制/再生,并利用關(guān)系發(fā)現(xiàn)提供相似服務(wù)的其它生物實體。這些生物實體也向節(jié)點1遷移并相互作用形成超級實體,迅速向用戶提供服務(wù),滿足了用戶的請求,節(jié)省了用戶的搜索時間。在大網(wǎng)絡(luò)中,我們采用18×12的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)中共有216個節(jié)點。同樣,要對仿真平臺上的生物實體和仿真器進行初始化配置。初始條件下,網(wǎng)絡(luò)中能向用戶提供Web頁的9個生物實體分布在不同的節(jié)點上。然后,仿真器開始運行,隨機地產(chǎn)生服務(wù)請求,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點上用戶向其它生物實體發(fā)出使用Web頁的服務(wù)請求,這些生物實體向較近的服務(wù)請求遷移,它們相互作用形成超級實體,向用戶提供服務(wù)。在第22425仿真周期時中斷仿真,此時整個網(wǎng)絡(luò)中生存28個生物實體,死亡了56個生物實體。這是因為網(wǎng)絡(luò)中用戶請求較少時,生物實體不斷在網(wǎng)絡(luò)中遷移并且不提供服務(wù),消耗了它自身的能量,以至于死亡。而當服務(wù)請求較多時,超級實體中的生物實體通過復(fù)制/再生行為提供相同的服務(wù)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中生物實體數(shù)量及遷移仿真可以看出,若用戶請求增多,則生物實體遷移頻繁;而當向用戶提供服務(wù)后,網(wǎng)絡(luò)中請求減少時,生物實體遷移減少。并且,我們也計算了等待時間、跳躍次數(shù)、獲取和消耗的能量等性能指標,其結(jié)果也可說明生物實體在網(wǎng)絡(luò)中相互作用形成超級實體,并實現(xiàn)服務(wù)突現(xiàn)。另外,我們還進行了生物實體各種工作模式的組合,通過仿真實驗驗證了所構(gòu)建的互聯(lián)耦合免疫網(wǎng)絡(luò)突現(xiàn)計算模型能滿足服務(wù)請求者的需求,從而