本文關鍵詞：基于甲型流感病毒的免疫反應代理模型構建以及估參問題的研究

  更多相關文章： 免疫系統(tǒng) 基于Agent代理模型 Loess回歸 粒子群優(yōu)化算法 估參

【摘要】：近些年,各種病毒大規(guī)模傳播的情況時有發(fā)生,給人類的健康甚至生命安全帶來了嚴重威脅。其中,很具有代表性的就是甲型流感病毒(Influenza A Virus,IAV)。為了加強人們對病毒的免疫抵抗能力并且抑制病毒的蔓延,學者們對免疫系統(tǒng)進行了大量的研究實驗。在眾多研究方法中,模擬建模實驗一直倍受青睞。其中,基于Agent代理的模型(Agent based models,ABM)和微分方程模型(Differential equations,DE)是兩種應用最為廣泛的模擬建模方法。相對于臨床實驗和生物實驗,模擬建模研究方法利用虛擬的模型縮短了科研的實驗周期,提高了科研效率。在應對流感疫情時,模擬建模方法能夠快速建立模型,在最短的時間內(nèi)掌握傳染機制,避免大規(guī)模疫情的出現(xiàn)。這兩種建模方法給科研工作帶來了極大的幫助,但是也存在著無法被忽視的缺陷。ABM模型在估參時無法有效的與實驗數(shù)據(jù)結合,所以導致估參效果差;另外,復雜的ABM模型還需要依賴于強大的計算機軟硬件資源,估參效率低。DE模型雖然在估參方面表現(xiàn)優(yōu)異,但是在建模方面卻無法對復雜的免疫系統(tǒng)進行多維度多層次的刻畫描述。本文為了解決ABM模型和DE模型在免疫系統(tǒng)建模研究方面的缺陷,研究提出了代理回歸方法(IABMR)。首先,本方法建立了一個基于代理Agent的免疫系統(tǒng)模型,模擬人體肺部在甲型流感病毒感染下的免疫反應情況;然后,把粒子群優(yōu)化算法和Loess回歸模型進行整合,結合真實實驗數(shù)據(jù),完成了免疫系統(tǒng)的建模與估參研究。研究方法具體過程如下。免疫系統(tǒng)建模階段。在分析了細胞生物學知識與實際情況之后,本文把系統(tǒng)中的同一種細胞群細化為三種細胞狀態(tài),增加了模型的維度和層次。同時,確定了系統(tǒng)中的兩層交互關系:不同種類的細胞之間的相互作用;同種細胞不同狀態(tài)之間的相互作用。在此基礎之上,建立細胞狀態(tài)轉換圖和轉換方程。最后,利用基于Agent的建模方法,模擬刻畫了在IAV感染下多維度的肺部免疫系統(tǒng)的ABM模型。尋優(yōu)估參階段。首先利用稀疏網(wǎng)格配點法生成一個四維輸入?yún)?shù)向量空間。然后提取ABM模型多次運算之后的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)對Loess非參回歸進行訓練,直到建立針對免疫系統(tǒng)的Loess回歸模型。非參回歸可以對同一數(shù)據(jù)進行多次不同擬合,以探索數(shù)據(jù)中可能隱藏的某種關系。最后,把粒子群智能優(yōu)化算法PSO與Loess回歸模型結合,對ABM模型進行參數(shù)尋優(yōu)。實驗結果與分析階段。本文在完美實現(xiàn)IABMR本身算法的基礎上,進行了多組對比實驗。首先,對方法本身進行縱向效果對比。通過對向量空間大小、實驗重復次數(shù)、數(shù)據(jù)噪聲以及樣本時間點個數(shù)等關鍵參數(shù)進行不同配置的設置,比較每種配置的平均相對誤差。結果顯示,參數(shù)向量空間越大,重復次數(shù)越多,噪聲越小以及樣本時間點越多都對實驗結果有正向影響。然后,把IABMR方法與貪心ABM方法以及ODE模型進行橫向對比實驗。實驗結果表明,IABMR算法的估參效率和精確度都高于貪心ABM算法,并且模型刻畫的精細程度也優(yōu)于ODE模型。綜上,本文把基于Agent的建模理念、Loess非參回歸以及粒子群優(yōu)化等智能算法進行了有效的結合。建立的IABMR方法既可以對免疫系統(tǒng)進行多維度多層次的建模,又可以結合實驗數(shù)據(jù)對模型進行有效的估參。本研究進一步縮短了實驗時間提高了效率,并且減少了對計算機資源的過度依賴,對流感病毒等傳染性疾病的深入研究有著非常重要的意義。
【關鍵詞】：免疫系統(tǒng) 基于Agent代理模型 Loess回歸 粒子群優(yōu)化算法 估參
【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP18;O175
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 第1章 緒論9-14
• 1.1 研究背景及意義9
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀9-11
• 1.2.1 基于Agent代理模型的建模方法10
• 1.2.2 基于數(shù)學方法的微分方程模型方法10-11
• 1.3 主要研究內(nèi)容與創(chuàng)新點11-13
• 1.4 論文組織結構13-14
• 第2章 免疫系統(tǒng)建模的相關理論研究14-26
• 2.1 基于Agent代理模型理論14-17
• 2.1.1 Agent的基本概念和認知模型14-15
• 2.1.2 智能Agent15-16
• 2.1.3 多Agent系統(tǒng)16
• 2.1.4 基于Agent的建模思想16-17
• 2.2 微分方程模型理論17-19
• 2.2.1 微分方程基礎認知17
• 2.2.2 常微分方程與偏微分方程17-18
• 2.2.3 微分方程模型的建立與求解18-19
• 2.3 本論文引用的數(shù)學算法19-25
• 2.3.1 稀疏網(wǎng)格19-20
• 2.3.2 Loess回歸20-21
• 2.3.3 粒子群優(yōu)化算法21-23
• 2.3.4 正交多項式和高斯積分23-24
• 2.3.5 伽馬分布24-25
• 2.4 本章小結25-26
• 第3章 基于代理模型的免疫系統(tǒng)建立26-34
• 3.1 模型背景26-27
• 3.2 ABM模型的理論分析27-29
• 3.3 ABM模型的建立29-33
• 3.4 本章小結33-34
• 第4章 模型估參34-44
• 4.1 基于正交多項式的一維參數(shù)回歸34-37
• 4.1.1 算法原理介紹34-36
• 4.1.2 回歸流程說明36-37
• 4.1.3 結果與分析37
• 4.2 基于非參回歸的多維建模估參37-43
• 4.2.1 確定輸入?yún)?shù)以及樣本向量空間38
• 4.2.2 建立Loess數(shù)學模型38-39
• 4.2.3 粒子群算法PSO尋優(yōu)估參39-40
• 4.2.4 新搜索域中尋優(yōu)40-43
• 4.3 本章小結43-44
• 第5章 實驗結果與分析44-57
• 5.1 初次尋優(yōu)估參實驗結果44-46
• 5.1.1 獲取樣本空間數(shù)據(jù)44-45
• 5.1.2 真實實驗數(shù)據(jù)45
• 5.1.3 參數(shù)尋優(yōu)結果45-46
• 5.2 新搜索域中尋優(yōu)估參實驗結果46-49
• 5.2.1 建立新Loess回歸模型46-47
• 5.2.2 獲取模擬實驗數(shù)據(jù)47
• 5.2.3 計算平均相對誤差47-49
• 5.3 平均相對誤差結果分析49-54
• 5.3.1 輸出時間點對結果的影響49-50
• 5.3.2 干擾噪聲對結果的影響50-51
• 5.3.3 參數(shù)向量空間對結果的影響51-54
• 5.4 IABMR方法建模與估參效果的對比驗證54-55
• 5.4.1 估參效果對比54-55
• 5.4.2 建模效果對比55
• 5.5 本章小結55-57
• 第6章 總結與展望57-60
• 6.1 論文工作總結57-58
• 6.2 未來工作展望58-60
• 參考文獻60-63
• 致謝63-64
• 研究生期間發(fā)表學術論文64

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本文編號：917534