浙江大学生物系统工程-生物系统模拟-期末整理资料.docx

PAGE \* MERGEFORMAT24 生物系统模拟 第一章：系统与模拟概论 系统的定义： 系统是由相互联系、相互制约、相互依存的若干组成部分(要素)结合在一起形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。是为达到某一共同目标而协同动作的各子系统的集合。 系统的三个要素： 实体：组成系统的个体 属性：组成系统的每一实体所具有的全部有效特征 活动：实体随时间推移而发生的属性变化 证实Verification：是对用计算机代码表示数学模型和程序员的意图的精度评估。 校验Calibration：调整模型参数，使模拟结果与从真实世界中的测量结果尽可能地吻合。 验证Validation：模拟结果与前面参数估计或校验时没有用过的真实系统数据相比较的过程。 生物系统模型中 参数和常数：是模型组件的属性特征，它在模拟过程中不会发生变化。 参数：值不是那么确定的，但是参数值在模拟过程中却是保持不变的。 常数：是一些可信的精确的数量值。这些数量值在实验条件发生变化，或模型被用于不同尺度时，不会发生变化。 工程型系统：人们为了满足某种需要或者实验某个预定的功能，通过某种手段而构造的系统 非工程系统：自然和社会在发展过程中形成的，被人们在长期的生产劳动和社会实践中逐渐认识的系统。 BLOB算法的核心思想： 就是在一块区域内，把出现“灰度突变”的范围找出来。算法实现，一般是基于“边缘寻找”算法之上。 生物系统是一种层次化的组织  系统的环境：包括除了系统组件以外的任何事物。 系统的边界：是对系统组件进行限定的一个抽象，它把系统组件从环境中分离出来。 很多生物系统模型的一个特点： 环境不会被系统影响，也就是说，我们一般不再对环境建立模型 模型：是所研究的系统、过程、事物或概念的一种表达形式,也可指根据实验、图样放大或缩小而制作的样品。 系统模型定义： 是系统的数学表达。对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本质方面的描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的信息 灰箱模型： 在系统的主要层次和主要关系使用结构模型，在次???层次和次要关系中则使用统计学模型。 输入 在系统环境中影响系统行为而不被系统影响的因素 可能会随着时间变化 必须有数量值作为输入 输出 表达了建模者感兴趣的系统的行为特征 模拟（系统仿真）： 建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的 以计算机和其它专用物理效应设备为工具 利用系统模型对真实或假想的系统进行试验 并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究 进而做出决策的一门综合性的和试验性的学科 计算机模拟 ? 包含实施或求解一个模型来模拟真实世界的必要过程： n 绘制逻辑图，流程图 n 写计算机代码 n 在计算机上执行代码，产生输出 状态变量 ? 描述系统组件情形的量。 ? 这些状态变量会随着组件之间的交互及组件和系统环境的交互而发生改变。 ? 例如：土壤含水量和作物的生物产量 科学性模型 ? 研究的主要目的是增加知识，增加洞察力 ? 关于作物生理过程假设的模型（如：不同温度和CO2浓度下的光合作用的定量模型） ? 可能不能很好地预测系统的行为，但是研究本身可能是非常有价值 ? 能够推断出哪些方向知识不够充分，哪些方面需要进一步研究 ? 模型的类型比较重要，它应当是结构化的，能够表现出目前科学对过程的理解，能够有助于设计实验，数据采集…. 工程性模型 ? 主要目的是对一个系统更好的控制与管理 ? 模型达到可接受的精度就可以了； ? 只要模型是可靠的和准确的，模型的类型不太重要 ? 一个软件产品、一个应用设计的软硬件一体化产品 L系统模型 ? 1968年，生物学家Aristid Lindenmayer从生物形态学的角度出发，提出了一种用以构造生物组织生长形态的并行语法，简称为L系统，此方法的创造性在于形式化地描述了植物或其他生物的结构特征和生长过程。 ? R．Smith和Prusinkiewicz等人将L系统与计算机图形学结合起来，在计算机上产生了大量栩栩如生的植物形态 第二章 常用系统建模方法 机理分析法： 也叫直接分析法或者解析法，应用最广，一般是在若干简化假定条件下，以各学科专业知识为基础，通过分析系统变量间的关系和运动规律而获得解析型数学模型。 蒙特卡洛法： 利用“随机数”对模型系统进行模拟以产生数值形式的概率分布。 “隔舱”分析法： 是分析强调系统变量的循环与储存的概念模型的有效工具。 这个模型对于概念化连续系统特别有用，一阶微分方程形式的系统数学模型可以很容易的直接从隔舱模型图中推出 隔舱：是被定义为一个状态变量的一个数量或一个等级。隔舱代表了系统中的状态变量，或状态变量的转化。这些状态变量可以是：质量、体积、电荷、人口 层次：代表某