随机扩散模拟方法研究及cellmatlab 模拟系统的设计论文

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1、ClassifiedIndex:TP391.9U.D.C.:681.5ADissertationfortheDegreeofM.Eng.RESEARCHONSTOCHASTICDIFFUSIONMETHODANDDESIGNOFCELLMATLABSIMULATIONSYSTEMCandidate：ChenShouqingSupervisor：AssociateProf.JiChunguangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：ComputerScienceandTechnolog

2、yAffiliation：SchoolofComputerScienceandTechnologyDateofDefence：July,2007DegreeConferringInstitution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要现在生物信息学已经成为了一门飞速发展的学科，前期研究人员注重对局部数据的处理与分析，随着这种局部数据的增加，人们把注意力移向了更高的层次，希望从系统的角度来研究分析生物学，所以针对生物过程的建模模拟工具成为了人们研究的重点。首先，将具有复杂性和多样性等特点的生物过程，在

3、计算机中直观方便地进行表达并且使其适用于多种模拟方法，是本论文研究的内容之一。在很多复杂的生物过程中，存在着大量重复的简单的反应过程，并且还存在着反应时间的多尺度性。根据这些特点，本论文利用对象的封装性及独立性，改进混合函数Petri网，提出了表达生物过程的面向对象混合函数Petri网(ObjectOrientedHybridFunctionalPetriNet)，并给出了OOHFPN的定义及相关规则。其次，更加全面有效地对建立的生物过程模型进行模拟分析，是研究的另一个主要内容。经过分析发现生物过程存在着随机性，并且在扩散起重要作用的系统中，物质的空间

4、信息也很重要，本论文中提出了在模拟软件中增加随机扩散的模拟方法。本论文中提出的随机扩散模拟方法是基于Smoluchowski模型的，从分子的角度观察系统中物质的运动变化，将反应的发生速度换算成绑定半径，利用绑定半径判断分子间是否反应，从而将重点放在分子扩散运动上。本论文中的算法是对Smoldyn方法的一种改进，提出用时间步来控制分子的扩散运动及反应的精确性，从而避免了Smoldyn中出现的问题。而后，本论文将OOHFPN与多种模拟方法相结合，包括确定的，随机的以及随机扩散模拟方法，构成了模拟软件CellMatlab的主体。本论文利用模型视图控制模式，根

5、据OOHFPN的结构设计并实现了CellMatlab的图形编辑器，支持用户以直观方便的形式建模。另外，为了更好地与其它软件平台进行交互，本论文提出并实现了OOHFPN与SBML之间的转换。在后台利用OOHFPN所提供的信息，用CellMatlab提供的多种模拟方法对其进行模拟。最后，实验模拟了大肠杆菌中质膜表面的配受体的结合过程，分析了扩散和空间信息对于模拟生物过程的影响，进一步验证了随机扩散模拟对于生物过程模拟的重要性。关键词Petri网；面向对象Petri网；扩散过程；建模模拟；生物过程-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractBioin

6、formaticshasbeendevelopedfastnowadays.Researchersfocusondealingandanalyzingoflocaldatafromtheexperimentspreviously.Astheincreaseofthelocaldata,peopletransferfocustoahigherlevel.Theywanttoresearchandanalyzethebiologyinasystematicview.Thisleadstothenecessaryofthesoftwarewiththefun

7、ctionstomodelandsimulatebiologyprocessesinasystemview.Firstly,torepresentthecomplexandhard-analyzedbiologyprocessesintuitivelyandconvenientlyinsilicon,andtoproviderightmodelstodifferentsimulationmethods;botharetheresearchtopicsinthispaper.Inmostbiologyprocesses,therearemanyrepea

8、tedsimplereactionmechanicsandmulti-timescalerea