DNA计算编码设计优化方法研究

论文摘要

DNA计算是以DNA分子和生物酶等为载体,以生化反应作为“信息处理工具”的一种崭新的计算模式。DNA计算编码问题就是指DNA编码集合的计算问题。核酸编码质量的优劣决定了DNA计算的效率,核酸编码数量的多少决定了DNA计算可求解问题的规模,因此核酸编码是DNA计算研究中的重要课题。本文研究了DNA计算中核酸编码理论及其算法的设计,具体内容安排如下：研究了DNA计算中编码序列设计的影响条件,并分析总结了各类数学约束条件,建立了一套多目标评价体系的DNA编码序列组合优化模型,并且设计出了适应度函数的具体实现。提出一种基于全局人工鱼群算法的DNA编码序列组合优化方法。将人工鱼群算法纳入编码序列组合优化模型框架,同时利用人工鱼群算法具备并行处理能力和全局搜索能力等方面的特点,使DNA编码质量更加稳定可靠。使用Java实现了DNA计算的通用编码设计系统。DNA计算通用编码设计系统General Sequence Design System(简称GSDS)中包含四个模块：GSDS/序列：序列生成模块；GSDS/报告：分析模块；GSDS/绘点：可视化模块；GSDS/实验仿真：生物实验仿真模块。采用四层结构设计有利于增加或修改删除独立的模块。有利于新技术和新算法的扩展,或对现有算法的修正。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 研究现状综述
• 1.2.1 DNA计算问题研究
• 1.2.2 DNA编码问题研究
• 1.2.3 DNA编码算法研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本文的内容安排
• 第2章 DNA编码原理
• 2.1 DNA计算基本理论
• 2.2 DNA编码的生物学基础
• 2.3 DNA编码的定义
• 2.4 DNA编码的约束条件
• 2.4.1 汉明距离约束条件
• 2.4.2 相似度约束条件
• 2.4.3 H-measure约束条件
• 2.4.4 序列3’端H-measure约束条件
• 2.4.5 重叠子序列约束（最小子串约束）
• 2.4.6 发卡结构约束条件
• 2.4.7 连续性约束条件
• 2.4.8 GC含量约束条件
• 2.4.9 解链温度约束条件
• 2.4.10 化学自由能约束条件
• 2.4.11 限定子序列约束条件
• 2.4.12 DNA模板序列约束条件
• 第3章 多目标优化DNA编码约束模型建立
• 3.1 DNA编码问题及复杂性分析
• 3.2 DNA编码约束约束条件分析
• 3.3 DNA编码约束条件
• 3.3.1 H-measure约束改进
• 3.3.2 相似度约束（Similarity）
• 3.3.3 连续性（Continuity）
• 3.3.4 发卡结构（Hairpin）
• 3.3.5 解链温度（Tm）
• 3.3.6 GC含量（GC）
• 3.4 DNA编码约束数学模型
• 3.4.1 建立DNA编码约束数学模型
• 3.4.2 DNA编码序列的适应度函数
• 3.5 小结
• 第4章 基于全局人工鱼群的DNA编码序列算法
• 4.1 引言
• 4.2 全局人工鱼群优化算法设计
• 4.2.1 相关定义
• 4.2.2 人工鱼的行为描述
• 4.2.3 人工鱼视野和步长调整方法
• 4.2.4 全局人工鱼群优化算法实现流程
• 4.3 基于全局人工鱼群的编码序列优化算法设计
• 4.3.1 DNA编码序列的编码方式
• 4.3.2 组合优化适应度函数
• 4.3.3 GAFSA算法流程
• 4.4 实验结果与分析
• 4.4.1 与遗传算法的实验比较
• 4.4.2 和多目标进化算法的实验比较
• 4.4.3 和遗传粒子群算法的编码比较
• 4.5 小结
• 第5章 综合编码系统
• 5.1 系统整体框架设计
• 5.1.1 系统体系架构设计
• 5.1.2 程序运行流程图
• 5.2 系统应用举例
• 5.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间主要研究成果