基于J2EE框架的免疫系統(tǒng)仿真

摘要：目前盡管科研人員都注意到了“免疫系統(tǒng)仿真”的巨大潛力，但是相關(guān)探索及研究仍處于一般水平。對(duì)于免疫系統(tǒng)軟件的開發(fā)，不具備普適性，并且局限于計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。存在著，研發(fā)周期長(zhǎng)，成本大，并且仿真不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)。因此本文提出了開創(chuàng)性的觀點(diǎn)，“基于J2EE框架的免疫系統(tǒng)仿真”。接下來我們將著重介紹基于J2EE框架免疫系統(tǒng)仿真的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)施性。

一、引言

免疫系統(tǒng)是具有免疫監(jiān)視、防御、調(diào)控的作用生物系統(tǒng)。免疫系統(tǒng)由免疫器官、免疫細(xì)胞，以及免疫活性物質(zhì)組成。免疫系統(tǒng)分為固有免疫（又稱非特異性免疫）和適應(yīng)免疫（又稱特異性免疫），其中適應(yīng)免疫又分為體液免疫和細(xì)胞免疫。

免疫系統(tǒng)是生物信息處理的重要組成部分，它所具有的許多信息處理機(jī)制和功能特點(diǎn)，如智能系統(tǒng)的抗原識(shí)別機(jī)制、學(xué)習(xí)和記憶能力、自適應(yīng)環(huán)境能力以及能與其他系統(tǒng)和組織進(jìn)行協(xié)調(diào)共處的特點(diǎn)等，在許多工程領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力^[1]。這些特點(diǎn)使他與當(dāng)下蓬勃發(fā)展的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳系統(tǒng)具有很大的相同之處。對(duì)于計(jì)算機(jī)科學(xué)家來講，通過免疫系統(tǒng)仿真度研究，對(duì)于研究復(fù)雜系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)以及在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行開拓性變革具有重要的指導(dǎo)意義。所以我們要進(jìn)行免疫系統(tǒng)仿真技術(shù)的研究。

二、國(guó)內(nèi)外人工免疫發(fā)展的歷程

人工免疫的產(chǎn)生與發(fā)展最早起源于國(guó)外。1984年，美國(guó)諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者尼爾斯·杰尼提出的免疫網(wǎng)絡(luò)理論引起了關(guān)注。繼該文 之后，F(xiàn)armer、Perelson、Bersini、Varela 等理論免疫學(xué)者分別在 1986、1989、1990 年發(fā)表了有關(guān)論文，在免疫系統(tǒng)啟發(fā)實(shí)際工程應(yīng)用方面做出了突出貢獻(xiàn)。其中，F(xiàn)armer 的關(guān)于免疫系統(tǒng)與機(jī)器學(xué)習(xí)的研究是具有創(chuàng)造性和開拓性的工作，他們的研究工作為 建立有效的、基于免疫原理的計(jì)算系統(tǒng)及智能系統(tǒng)的發(fā)展開創(chuàng)了道路。Varela 在 1989 年討論了免疫網(wǎng)絡(luò)以某種方式收斂的思想以及免疫系統(tǒng)能夠通過產(chǎn)生不同抗體和變異適應(yīng)新環(huán)境的思想，都為使免疫系統(tǒng)成為有效解決工程問題的靈感源泉做出了巨大貢獻(xiàn)。由此誕生了一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域：人工免疫系統(tǒng)^[2]（Artificial Immune System，簡(jiǎn)稱AIS）。

人工免疫在傳入中國(guó)時(shí)間不長(zhǎng)，但是發(fā)展迅速。最早開始于2000年張克勝將人工免疫原理應(yīng)用于自律機(jī)器人行為控制算法。2001年楊曉宇、周佩玲、傅忠謙三人首次提出人工免疫應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全。同時(shí)間，哈爾濱工程大學(xué)莫宏偉、金鴻章、王科俊在《基于生物體系的計(jì)算智能研究》一文中詳細(xì)的介紹了免疫算法（IA），DNA計(jì)算的概念。至此，人工免疫與計(jì)算機(jī)科學(xué)的相關(guān)研究蓬勃發(fā)展的同時(shí)，人工免疫在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也相繼發(fā)展起來。

三、采用計(jì)算機(jī)免疫仿真的優(yōu)點(diǎn)

生物學(xué)上對(duì)免疫系統(tǒng)的研究，采用的方法有酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)，流式細(xì)胞技術(shù)，免疫組化技術(shù)等。其優(yōu)點(diǎn)是，測(cè)得數(shù)據(jù)十分準(zhǔn)確，真實(shí)，具有很高的研究?jī)r(jià)值。但是其缺點(diǎn)也十分突出，不可忽視。實(shí)驗(yàn)操作過程極其復(fù)雜，很容易受到外在環(huán)境而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)器材昂貴，成本過高，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，不利于科學(xué)研究。

與傳統(tǒng)生物學(xué)研究要進(jìn)行的人工實(shí)驗(yàn)相比，計(jì)算機(jī)仿真容易設(shè)計(jì)和分析，成本較低。盡管計(jì)算機(jī)仿真存在著不能提供免疫系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制的確定性知識(shí)的缺點(diǎn)，但可以測(cè)試?yán)碚摬⑹谷藗儗?duì)免疫系統(tǒng)的各組成部分如何一起工作有更深刻的認(rèn)識(shí)。而對(duì)于計(jì)算機(jī)科學(xué)家來說，更重要的是通過免疫系統(tǒng)仿真研究，對(duì)研究復(fù)雜系統(tǒng)和智能系統(tǒng)以及提出新的智能方法有重要指導(dǎo)意義，因此來自不同研究領(lǐng)域的科學(xué)家開始仿真免疫系統(tǒng)^[3]。

四、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對(duì)免疫系統(tǒng)建模與仿真方法大致分為兩種，一種以微分方程、算法或代碼形式實(shí)現(xiàn)的計(jì)算模型，另一種是概念模型根據(jù)描述實(shí)體及其相互作用的規(guī)則的邏輯闡述。

計(jì)算模型分為（1）基于微分方程的免疫模型（2）基于位符串的模型（3）利用遺傳算法。

概念模型分為（1）基于主體的模型[Agent-based Modelling and Simulation]（2）基于Swarm的建模（3）細(xì)胞自動(dòng)機(jī)（4）大規(guī)模仿真。

計(jì)算模型的主要特點(diǎn)是主要依賴于已知的變量之間的關(guān)系。計(jì)算模型中研究人員把免疫過程中參與的物質(zhì)，和中間過程產(chǎn)生的物質(zhì)定義為相關(guān)參數(shù)的值。參數(shù)與參數(shù)之間存在一個(gè)微分方程關(guān)系，由此建立基于現(xiàn)實(shí)生物免疫系統(tǒng)原理的一個(gè)模型。最后通過解微分方程的方式，得到模型模擬的結(jié)果，然后將這個(gè)結(jié)果與生物學(xué)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證。但是計(jì)算模型建立的前提是，參數(shù)直接的關(guān)系已知的情況下。不能夠適應(yīng)于對(duì)于未知問題的模擬與預(yù)測(cè)，只能起到對(duì)已知理論的驗(yàn)證與理解。

概念模型相比于計(jì)算模型功能顯得更加強(qiáng)大。因?yàn)槔酶拍钅Ｐ停粌H能夠觀察到生物免疫系統(tǒng)產(chǎn)生的結(jié)果，也能觀察到，免疫細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)的整體機(jī)制。文獻(xiàn)^[4]基于主體模型使用自下而上的方法進(jìn)行建模。這種模型，對(duì)于免疫系統(tǒng)細(xì)節(jié)的詳細(xì)仿真，使得研究人員能夠更加徹底的觀察免疫過程。文獻(xiàn)^[5]提出了一個(gè)基于Swarm的模型。該模型通過對(duì)免疫系統(tǒng)的初次應(yīng)答與二次應(yīng)答的模擬，驗(yàn)證了抗體在第二次遇到相應(yīng)抗原時(shí)候，免疫應(yīng)答時(shí)間縮短，應(yīng)答功能得到了提高，相應(yīng)的驗(yàn)證了免疫系統(tǒng)具有記憶性的特點(diǎn)。1992年，de Boer等研究人員提出了一個(gè)基于Jerne網(wǎng)絡(luò)理論的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模擬免疫系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)指出了免疫的主要原因是B細(xì)胞群體的相互作用后的網(wǎng)絡(luò)突現(xiàn)。當(dāng)然細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型一般只能處理規(guī)模比較小的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，對(duì)于大型復(fù)雜系統(tǒng)難以進(jìn)行仿真。同一時(shí)間，IMMSIM模型被Celada和Seiden提出，該模型的優(yōu)點(diǎn)就是保持了免疫系統(tǒng)的真實(shí)性。該模型的提出主要是為了解決對(duì)于免疫應(yīng)答細(xì)節(jié)方面的仿真，方便與研究人員觀察相同抗原兩次注入后免疫因子的反應(yīng)，并且對(duì)兩次應(yīng)答時(shí)間進(jìn)行比較。接著Meier-Schelleshim和Mack兩人又提出了在3D格子上運(yùn)行的SIMMUNE模型，將主體的初始量、細(xì)胞因子擴(kuò)散速度、細(xì)胞自然死亡周期等量化。Hofmeyr提出了一種具備分布性、多樣性、動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)、錯(cuò)誤耐受、自我檢測(cè)。自適應(yīng)等特性的ARTIS免疫系統(tǒng)模型。

國(guó)內(nèi)相關(guān)科研人員也有一定研究成果。莫宏偉和郭茂祖將CS模型進(jìn)行了改進(jìn)，該模型是的實(shí)驗(yàn)設(shè)置更透明，結(jié)果更容易解釋。楊曉飛提出了一個(gè)關(guān)于免疫系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，借助計(jì)算機(jī)的方法來研究復(fù)雜的免疫系統(tǒng)。曹新學(xué)提出了一個(gè)對(duì)自然免疫系統(tǒng)進(jìn)行建模，并對(duì)細(xì)胞進(jìn)行可視化仿真的可視化計(jì)算模型。鄒盛榮，陽(yáng)雪平，滕滕等人對(duì)細(xì)胞因子網(wǎng)格進(jìn)了了建模，雖然考慮的細(xì)胞因子較少，但是該模型的通俗易懂很具有企業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

綜上陳述，目前盡管科研人員都注意到了“免疫系統(tǒng)仿真”的巨大潛力，但是相關(guān)探索及研究仍處于一般水平。對(duì)于免疫系統(tǒng)軟件的開發(fā)，不具備普適性，并且局限于計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。存在著，研發(fā)周期長(zhǎng)，成本大，并且仿真不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)。因此本文提出了開創(chuàng)性的觀點(diǎn)，“基于J2EE框架的免疫系統(tǒng)仿真”。接下來我們將著重介紹基于J2EE框架免疫系統(tǒng)仿真的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)施性。

五、J2EE的優(yōu)勢(shì)

J2EE體系結(jié)構(gòu)具有很多的優(yōu)點(diǎn)。首先是簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，J2EE框架支持簡(jiǎn)化的、基于組件開發(fā)模型。由于J2EE體系結(jié)構(gòu)已將中間層的集成框架提供給用戶，是的能夠在無需太多費(fèi)用的情況下，實(shí)現(xiàn)軟高性能、高擴(kuò)展的需求。并且J2EE平臺(tái)規(guī)范是一個(gè)由SUN公司制定的用于分布式應(yīng)用開發(fā)與基于組件技術(shù)部署的模式。中間層的集成框架的提供和組件技術(shù)的采用，極大程度的簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，減少了多層開發(fā)的復(fù)雜性。由于J2EE提供的多層次分布式應(yīng)用模型和一系列統(tǒng)一的開發(fā)技術(shù)規(guī)范，是的軟件開發(fā)變得快捷，極大地縮短了開發(fā)的周期。J2EE能夠在異構(gòu)的環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行開發(fā)，無需依賴特定的操作系統(tǒng)、中間件和硬件。

J2EE采用的是Java語(yǔ)言，具有較強(qiáng)的可移植性并且EJB體系結(jié)構(gòu)在Bean和支持該Bean的容器之間提供了一套標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序編程接口，這使開發(fā)人員能夠?qū)ean從一種操作環(huán)境移植到另一種操作環(huán)境，而無需重新編寫其源代碼。由于在EJB模型中，各個(gè)軟件組件都是嚴(yán)格分離的，因此可以從現(xiàn)有的軟件組件裝配出服務(wù)器端應(yīng)用程序使軟件能夠重用。基于組件的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的維護(hù)。由于組件可以被獨(dú)立地更新和替代，通過更新應(yīng)用程序中特定的組件，新的功能可以被很容易地增加。J2EE 體系的最大優(yōu)勢(shì)在于十分的非穩(wěn)定和強(qiáng)壯，充分利用了JVM 實(shí)現(xiàn)一致性，并支持他們長(zhǎng)期的可用性。

六、J2EE應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)

J2EE（Java 2 Platform，Enterprise Edition）即Java2平臺(tái)企業(yè)版，它提供了基于組件的方式來設(shè)計(jì)、開發(fā)、組裝和部署企業(yè)應(yīng)用。J2EE使用多層分布式的應(yīng)用模型，這個(gè)多層通常通過三層或四層來實(shí)現(xiàn)：

①客戶層，運(yùn)行在客戶計(jì)算機(jī)上的組件。

②?Web層，運(yùn)行在J2EE服務(wù)器上的組件。

③業(yè)務(wù)層，同樣是運(yùn)行在J2EE服務(wù)器上的組件。

④企業(yè)信息系統(tǒng)層（EIS），是指運(yùn)行在EIS服務(wù)器上的軟件系統(tǒng)。

Servlet（Server Applet）：小服務(wù)程序或服務(wù)連接器，在Web應(yīng)用中擔(dān)任重要角色。Servlet運(yùn)行于Servlet容器中，可以被 Servlet容器動(dòng)態(tài)加載，來擴(kuò)展服務(wù)器的功能，并提供特定的服務(wù)。Servlet 按照請(qǐng)求相應(yīng)得方式工作。在 J2EE 平臺(tái)下，控制器組件就是由Servlet來構(gòu)成的。

JSP（Java Server Pages）：Java服務(wù)器頁(yè)面，在傳統(tǒng)的HTML文件中加入 Java程序代碼和JSP標(biāo)簽，就構(gòu)成了JSP頁(yè)面。Java 程序段可以操控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)、重新定向網(wǎng)頁(yè)以及發(fā)送 E-mail等，實(shí)現(xiàn)建立動(dòng)態(tài)網(wǎng)站所需要的功能

JavaBean組件：由三部分組成，分別是屬性，方法和事件。JavaBean是一種符合特定規(guī)范的Java對(duì)象，在JavaBean中定義了一系列的屬性，并提供了訪問和設(shè)置這些屬性的公共方法。在JSP文件中，可以通過專門的標(biāo)簽來定義或者訪問JavaBean。

EJB（Enterprise Java Bean）：EJB是基于標(biāo)準(zhǔn)分布式系統(tǒng)對(duì)象技術(shù)、CORBA和RMI的服務(wù)器端Java組件。JavaBean組件與EJB組件它們的根本區(qū)別在于：EJB組件總是分布式的，Sun公司制定的EJB組件模型要求 EJB組件運(yùn)行于EJB服務(wù)器中，而JavaBean 組件可以和Servlet 或JSP運(yùn)行在由Servlet/JSP容器提供的同一個(gè)Java虛擬機(jī)中^[6]。

XML語(yǔ)言：（Extensible Markup Language）即可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言，是一種用來創(chuàng)建自定義標(biāo)記的標(biāo)記語(yǔ)言。

七、基于J2EE框架的免疫系統(tǒng)仿真的優(yōu)勢(shì)

以往存在的免疫系統(tǒng)仿真，都是基于較為過時(shí)的開發(fā)平臺(tái)基礎(chǔ)之上。存在著開發(fā)的周期長(zhǎng)，開發(fā)難度系數(shù)大，成本高，兼容性差，可移植性差等弊端。而本文開創(chuàng)性的提出了“基于J2EE框架的免疫系統(tǒng)仿真”技術(shù)。J2EE框架的提出就是為了解決一些大型的，復(fù)雜的問題。本文前面也詳細(xì)探討了，生物免疫系統(tǒng)仿真本身存在著很大的挑戰(zhàn)性。至今為止，免疫系統(tǒng)仿真領(lǐng)域仍沒有質(zhì)的進(jìn)展。采用基于J2EE框架的免疫系統(tǒng)仿真，是一個(gè)開拓性的嘗試。因?yàn)槲覀儗⒚庖呦到y(tǒng)參與的物質(zhì)進(jìn)行參數(shù)量化，采用基因匹配算法，算出細(xì)胞的親和度，然后進(jìn)行模擬。因?yàn)閰?shù)，都可以由用戶自己設(shè)定，所以具有很強(qiáng)大模擬實(shí)驗(yàn)的能力。參數(shù)量化的方法，能讓生物學(xué)研究人員更準(zhǔn)確的把握免疫的全過程。免疫系統(tǒng)本身可以看作一個(gè)并行信息處理系統(tǒng)，可以通過外來抗原的刺激進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，能夠不斷地適應(yīng)新環(huán)境，對(duì)模式具有分布式記憶^[7]。免疫系統(tǒng)可以看成是一個(gè)分布式自治系統(tǒng)，每個(gè)免疫因子可以看作為相對(duì)獨(dú)立的模塊，模塊與模塊直接存在一定的接口進(jìn)行連接。J2EE中的企業(yè)Bean技術(shù)本質(zhì)上是一個(gè)基于組件的分布式計(jì)算結(jié)構(gòu)體系規(guī)范^[8]。而本文將J2EE開發(fā)應(yīng)用到了，免疫系統(tǒng)仿真，使得我們的系統(tǒng)具有更好的維護(hù)性，可擴(kuò)充性及發(fā)展性和分布式計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)。

八、未來展望

如今很多科學(xué)的理論與研究成果都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：通過模仿自然界生命系統(tǒng)，借鑒仿生學(xué)的思想，基于生物體系的生物進(jìn)化，細(xì)胞免疫，神經(jīng)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)等某些機(jī)制，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言抽象出計(jì)算模型，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真。而生物免疫中最為重要的免疫算法，對(duì)于人工智能，網(wǎng)絡(luò)安全，生物計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域皆有重大的影響力。文獻(xiàn)中，劉克勝，張軍等人^[9]，首次利用免疫學(xué)的細(xì)胞克隆選擇學(xué)說和Jerne網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)理論，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自律移動(dòng)，增強(qiáng)機(jī)器人在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的自適應(yīng)能力。2018年，孫海洋，郭黎黎，謝鵬飛，王先一再一次嘗試，將人工免疫算法應(yīng)用到機(jī)器人路徑規(guī)劃中，初步實(shí)現(xiàn)了最短路徑的選擇^[10]。人工免疫也可以應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全。隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，不僅給人們生活帶來巨大的便利，也對(duì)社會(huì)，國(guó)家?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)效應(yīng)。與此同時(shí)，也給不法之徒帶來了可乘之機(jī)。目前一般采用構(gòu)建防火墻的措施，不能從根本上解決網(wǎng)絡(luò)安全問題。于是，文獻(xiàn)，提出了將人工免疫應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)安全^[11]?；诿庖咴淼挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)比一般的操作系統(tǒng)支持的系統(tǒng)更有辨別和保護(hù)能力。人工免疫系統(tǒng)必將成為網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的主流，并同時(shí)帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此基于J2EE的免疫系統(tǒng)仿真，將會(huì)對(duì)未來計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全性，網(wǎng)絡(luò)安全，人工智能等領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響?；贘2EE的免疫仿真，將會(huì)有巨大的科學(xué)研究?jī)r(jià)值以及不可忽視的商業(yè)價(jià)值。

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基金項(xiàng)目：本文系揚(yáng)州大學(xué)2018年度大學(xué)生科創(chuàng)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)x20180318

作者簡(jiǎn)介：彭政，男，1997，漢族，江蘇宿遷，揚(yáng)州大學(xué)本科在讀，信息工程學(xué)院.