組織P系統(tǒng)的計算能力探究

李燕　王煥庭

關(guān)鍵詞：膜計算;組織P系統(tǒng)

基金項目：2019年校級自然科學重點項目——組織P系統(tǒng)在細胞分裂中的計算能力研究（項目編號TCSZ2019KJzd01）

維持人類生存的自然系統(tǒng)，與生俱來的錯綜復(fù)雜的相互作用機制可以看成一個龐大的計算系統(tǒng)。自然環(huán)境中蘊藏的一些計算規(guī)律經(jīng)過分析研究，重新演繹，生成新的計算過程，這就是生物計算。如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是利用信息處理技術(shù)，對人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進行抽象而建立起來的一種運算模型;進化計算，是受自然界生物進化過程中“優(yōu)勝劣汰”的自然選擇機制影響的智能計算。

細胞作為一個基本的生命系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精巧;各組分之間分工協(xié)作，結(jié)構(gòu)與功能緊密聯(lián)系，生命活動得以在變化的環(huán)境中自我調(diào)控。細胞膜將細胞與外界環(huán)境分隔開，防止細胞外物質(zhì)自由進入細胞，為細胞的生命活動提供了相對穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境。生物膜把各種細胞器分隔開，如同一個個小的區(qū)室，作為每一個膜內(nèi)部的反應(yīng)相對獨立的空間，多種化學反應(yīng)可以同時進行，并且互不干擾，使細胞生命活動高效有序地進行?？茖W家們對生物膜內(nèi)物質(zhì)的各種化學反應(yīng)和細胞膜間物質(zhì)的信息交流、能量交換進行抽象和概括，衍生出一種新型的生物計算——膜計算，又稱P系統(tǒng)，它是一種新穎的分布式并行計算模型。

P系統(tǒng)是膜計算的基本模型，主要通過細胞膜中對象的進化而實現(xiàn)信息的計算和處理。膜將整個系統(tǒng)劃分成不同的區(qū)域，每個區(qū)域中放置各自的進化對象及進化規(guī)則。字母表中的字符或字符串相當于計算變量，是計算直接作用的對象。進化規(guī)則類似于運算符，對象按所處區(qū)域中的規(guī)則進行演化。按照膜結(jié)構(gòu)，P系統(tǒng)可分為三大類型：細胞型P系統(tǒng)、組織型P系統(tǒng)和神經(jīng)型P系統(tǒng)。

組織型P系統(tǒng)由多個單膜細胞組成，它們依賴指定的通道進行交流。通過處理字符串和研究同一環(huán)境中多個細胞間的相互作用，組織型P系統(tǒng)實現(xiàn)計算機制。其基本膜結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個細胞中包含了不同的對象集，單個細胞與細胞之間以及細胞與環(huán)境之間采用轉(zhuǎn)運規(guī)則進行通信。組織型P系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運規(guī)則可以發(fā)生在細胞1和細胞2之間，也可以發(fā)生在細胞1和細胞3之間，或者細胞1和細胞m之間，具體取決于通信通道的建立。

圖1 組織型P系統(tǒng)的膜結(jié)構(gòu)示意圖

給出的組織P系統(tǒng)實例形式為：

Π=（ V，u，ε，φ1，…，φd，R，iin，，iout）

其中：

（1）V= {a，b，c，d，e};是字母表中的5個字母;

（2）u=[[]1[]2[]1]0 ，將環(huán)境看作是系統(tǒng)最外層的膜;

（3）ε= {a，b}，是環(huán)境中的字母表;

（4）φ1=ab4c，φ2=ab2d，φ3=c4d，分別是膜1、膜2、膜3中的初始對象，

（5）R={r1= （1，b /d ，3），r2= （2，a / c，3），r3 =（1，a / b，2），

r4 =（3， e/d2 ，0），r5= （1，d /λ，0）}，是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運規(guī)則集;

（6）iin= 1，iout= 0，前者表示輸入膜是膜1，后者表示輸出膜是環(huán)境。

圖2 組織型P系統(tǒng)實例示意圖

從（a）圖中，我們看見了P系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及膜1、膜2、膜3中包含的不同對象。（b）圖讓我們看到，通過規(guī)則集的運用，三個膜中的對象都發(fā)生了變化。實例中，R包含了r1、r2、r3、r4、r5五種轉(zhuǎn)運規(guī)則。當膜1中包含一個對象b、膜3中包含一個對象d時，膜1輸送一個b給膜3、膜3轉(zhuǎn)運一個d給膜1。當膜2中包含一個對象a、膜3中包含一個對象c時，膜2輸送一個a給膜3、膜3轉(zhuǎn)運一個c給膜2。當膜1中包含一個對象a并且膜2中包含一個對象b時，膜1和膜2中就會發(fā)生物質(zhì)交換，稱作一次交流。規(guī)則四發(fā)生在膜3與環(huán)境之間，膜3輸送給環(huán)境一個對象e，又從環(huán)境中獲得兩個對象d。規(guī)則五表示膜1輸送給環(huán)境一個對象d，而環(huán)境不需要輸送任何對象給膜1。

在組織P系統(tǒng)的每一步運行中，所有可執(zhí)行的對象都要求同時被執(zhí)行規(guī)則，并且所有規(guī)則都以一種高度并行的方式運行。細胞被生物膜分成多個區(qū)域，各區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)同步的數(shù)據(jù)處理，多個計算單元可以合作并行的進行計算，相比傳統(tǒng)的獨個單元的計算，計算能力也有了顯著的提高。

參考文獻

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