《人工遗传算法方案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《人工遗传算法方案（96页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、ada,第十章 人工免疫算法,汇报人：樊永生,ada,目录,人工免疫算法背景介绍,1,2,人工免疫算法,3,人工免疫算的特点及应用,4,人工免疫系统的生物学基础,基于Matlab语言的免疫算法实现,5,ada,一、概述总体,自古以来，人们就对生物界有着浓厚的兴趣。生物成为许多发明家创新的灵感源泉，他们从生物现象中得到启示，制造出了从机翼到防弹衣等许多产品，从20世纪中叶开始，人们就已经开始注意对生物系统尤其是人类自身功能及结构的模仿，由此产生了许多研究领域。例如，人工神经网络是对人脑结构的模拟，模糊控制与人类模糊思维有着相似之处，而进化算法则是对生物的生存演化进行了描述。 生物免疫系统是一种具
2、有高度分布性的自适应学习系统，具有完善的机制来抵御外来病源的入侵，计算机的安全问题与生物免疫系统遇到的问题惊人的相似，于是就有人提出来：是不是可以把生物免疫系统的这些特性用于计算机领域呢？,ada,一、概述总体,人工免疫系统（Artificial Immune System，AIS）是及人工神经网络、遗传算法和蚁群算法之后，又一种从生物钟获得灵感，用于解决优化问题的生物启发是算法，是生命科学和计算机科学相结合而形成的智能算法。 人工免疫系统作为人工智能领域的重要分支，同神经网络及遗传算法一样也是智能信息处理的重要手段，已经受到越来越多的关注。 它通过类似于生物免疫系统的机能，构造具有动态性和自
3、适应性的信息防御体系，以此来抵制外部无用、有害信息的侵入，从而保证接受信息的有效性与无害性。 人工免疫算法模拟生物免疫系统的识别、学习、进化等免疫原理和机制，针对不同的应用领域设计出各种算法模型。,ada,一、概述起源,1986: Farmer等人基于免疫网络学说给出了免疫系统的动态模型，探讨了免疫系统与其它人工智能方 法的联系，开始了人工免疫系统的研究 1990: H. Bersini等人首次将免疫算法应用于求解问题。 1991: 在我国，靳蕃等指出“免疫系统所具有的信息处理与肌体防卫功能，从工程角度来看，具有非常 深远的意义”。神经网络与神经计算机,ada,一、概述发展,Mid 1990s
4、: S. Forrest 等人将免疫算法用于计算机安全Mid 1990s J. Hunt 等人将免疫算法用于机器学 1996年12月，在日本举行了基于免疫系统的国际题讨论会，首次提出了“人工免疫系统”的概念。 1997和1998年IEEE Systems, Man and Cybernetics 国际会议组织了相关专题讨论，并成立了“人工免疫系统及应用分会”。 90年代后半期开始，在国内，焦李成、王煦法（中科大）、孟繁桢（天津大学）等人也提出了很多免疫算法。但在正规的国际期刊上，最早由国内学者提出的免疫算法应为：L. C. Jiao and L. Wang. A novel genetic a
5、lgorithm,ada,一、概述成熟,ARTIST (An academic network for ARTificial Immune SysTems) 基于人工免疫系统的学术网络 莫宏伟人工免疫系统原理与应用 2002 超过14位英文硕博士论文: L. N. de Castro, J. Timmis, Jung Won Kim, F. Gonzalez,ada,一、概述人物,.,Artificial Immune Systems and Their Applications, D. Dasgupta (Ed.),Special Issue on of the Journal on Gen
6、etic Programming and Evolvable Machines. J. Timmis,Artificial Immune Systems: A New Computational Intelligence Approach, L. N. de Castro,1994年，将免疫系统应用到 Computer Security,ada,一、概述应用,目前，人工免疫算已趋于完善，经过科研人员的 不断的改进，已成功应用于如下领域： 自动控制 故障诊断 模式识别 图象识别 优化设计 机器学习 网络安全 具体应用将在本章第四小节做详细介绍。,ada,一、概述计算机免疫学,计算机免疫学（Com
7、puter Immunology）一词最早由Forrest等人提出，他认为计算机免疫学是一门基于生物免疫学、人工免疫、以及计算机科学等的交叉学科，主要利用最新计算机科学技术，研究有关人工免疫的理论、规则、算法、模型等，并将这些理论应用于具体的应用系统中，解决实际的应用课题。目前国内还没有统一说法。 现在，计算机免疫学的同义词有很多。例如，计算机免疫系统、免疫计算、免疫计算机、人工免疫、基于免疫的系统等。 总之，计算机免疫学是一门多学科领域的、边缘交叉学科。,ada,二、人工免疫系统生物学基础,人工免疫系统是对生物免疫系统的模拟，因此涉及一些生物学免疫相关的概念和理论，本节的主要指导思想是结合生
8、物免疫学原理，学习如何思考得出人工免疫系统。 首先我们先对生物免疫学理论做一个较为详细的了解。,ada,2.1、生物免疫定义,1,免疫性（immunity）：是指机体接触抗原义务后，能产生一种 特异排除这些异物的保护性生理反应。 近代免疫概念是指机体对“自我”和“非我”的识别并排除“非我”的能力。,免疫,获得性免疫,先天性免疫,特征：在外来物入侵之前就已存在的免疫性，是先天的并且可以代代遗传。执行此功能的主要有皮肤、黏膜、酸碱度等物理和化学屏障。及一些具有吞噬作用的细胞,特征：外来物与机体相接触之后才获得的免疫，通过个体发育过程中体细胞基因重组而产生的抗原识别细胞，包括B、T淋巴细胞。具有正对
9、性。只有脊椎动物又该项免疫功能,ada,2.1、生物免疫定义,2,免疫系统由免疫器官、免疫细胞、免疫分子和淋巴循环网络组成。,免疫器官,外周免疫器官,中枢免疫器官,特征：是免疫细胞发育成熟的场所。,特征：成熟淋巴细胞定居和产生免疫的场所,胸腺,骨髓,淋巴结,脾脏,黏膜,淋巴组织,ada,2.1、生物免疫定义,2,免疫细胞泛指执行免疫功能的各种细胞。,免疫细胞,B细胞,T细胞,吞噬细胞,自然杀伤（NK） 细胞,造血干细胞,说明：免疫细胞的成熟过程实际上是造血干细胞的发育分化过程。,ada,2.1、生物免疫定义,2,免疫分子是执行免疫细胞合成和分泌各种分子的统称。,免疫分子,抗体,补体,细胞因子,
10、主要组织 相容性复合体,淋巴循环网络为免疫细胞核免疫分子进行免疫响应和免疫补充提供了一个流动的环境，他与血液循环系统相联系。,ada,2.1、生物免疫定义,3,免疫系统和免疫响应中的几个重要概念,抗原,抗体,概念：一组能被淋巴细胞识别的有机物质，包括多肽、脂酸等小分子。 特点：细胞识别的标志和免疫反应具有特异性物质的基础。,概念：一种能特异识别、结合和清除抗原的免疫球蛋白分子。 特点：不同的抗体可以与不同特异性的抗原相结合。抗体的抗原性是Jerne提出的免疫网络理论基础。,ada,2.1、生物免疫定义,3,免疫系统和免疫响应中的几个重要概念,B淋巴细胞,T淋巴细胞,概念：是介导体液免疫的主要免
11、疫细胞，他是淋巴系干细胞在骨髓中新成的细胞。 特点：经过活化成熟的B细胞称为浆细胞，它能够分泌抗体。B细胞表面有各种受体，已接受外界的化学信号。,概念：是介导体液免疫的主要免疫细胞，他是淋巴系干细胞在胸腺的微环境下逐渐发育成熟的细胞。 特点：T细胞受体根据氨基酸变化程度分为可变区和恒定区。,ada,2.1、生物免疫定义,人体免疫系统三大功能 功能 正常表现 免疫防御 抗感染 (immunologic defense) 免疫稳定 消除炎症或衰老细胞 (immunologic homeostasis) 免疫监视 控制癌变细胞 (immunologic surveillance),ada,2.2、生
12、物免疫系统工作原理,免疫系统保护身体免于被微生物病原体(如病毒、细菌、寄生虫)所感染 ,一旦病原体侵入肌体 ,首先被单核巨噬细胞吞噬、消化 ,然后将其分解为抗原片段.这些片段能和主组织相容复合体结合 ,结合物位于细胞膜上 ,可被 T细胞识别 ,使 T细胞活化、激发 ,释放出细胞因子.细胞因子作为第二信号 ,加速已结合抗原的 B 细胞活化、增殖和分化 ,产生浆细胞.B 细胞不仅产生大量的分泌型的抗体 ,也产生膜结合型的抗体.在B 细胞的增殖、分化过程中 ,细胞同时经历着超变异.,ada,2.2、生物免疫系统工作原理,抗体与抗原发生特异性结合后 ,通过中和、溶解和调理等作用 ,最终使抗原从体内清除
13、.另有一些 B 细胞变成了长期存活的记忆细胞 ,它通过血液和淋巴组织循环 ,暂不分泌抗体.记忆细胞的存在 ,为下一次快速、高效的消除相同或者类似抗原引起的感染奠定了基础. 从本质意义上讲，免疫系统的基本功能是识别和排除“非我”，维持自身一致性的表现。,ada,2.2、生物免疫系统工作原理,生物免疫系统的工作过程具体如下：,抗原识别,初次免疫应答,免疫选择过程,二次免疫应答,行为：区分“自我”和“非我”的过程。 特征：手提和抗体之间不需要完全匹配，只要亲和度 超过一定水平即可激活免疫应答。,行为：细胞分化和活化阶段，最终使系统平衡。 特征：选择亲和度高的B细胞克隆分化，T抑加上B排 低亲和度的B
14、细胞自动消亡。,行为：启动克隆选择功能，达到系统新平衡。 特征：高亲和度的B细胞一部分分化为记忆细胞，实 施存储及记忆功能，以应付二次免疫应答。,行为：再次抗原识别，记忆B细胞也参与进来。 特征：如果记忆B细胞管用，则直接克隆该记忆B细 胞，直接产生高亲和度抗体。,ada,2.2、生物免疫系统工作原理,生物免疫系统的工作过程图解如下：,ada,人体的免疫机制中有三个阶段：自体耐受、免疫应答、免疫反馈。 自体耐受（self tolerance ）是对自体抗原不应答的一种免疫耐受，如图是免疫系统区分自体/非自体抗原时的反应状态。,人体的免疫机制,ada,免疫应答 抗原进入机体后，免疫细胞对抗原分子
15、的识别和效应过程，称为免疫应答（immume response ）。可分为三个阶段。 抗原提呈 抗原提呈是指能免疫细胞能捕获、加工、处理抗原,并将抗原提呈给抗原特异性淋巴细胞。人体内的B细胞可以利用其表面的BCR（B细胞受体）免疫球蛋白分子（抗体）直接与抗原结合，诱导产生免疫应答。 免疫系统特异识别 抗原被提呈后，将发生免疫系统特异识别。免疫细胞表面的受体和抗原表面的抗原决定基产生化学结合。受体和抗原决定基都是复杂的含有电荷的三维结构，二者的结构和电荷越互补，就越有可能结合，结合的强度称为亲和力（affinity）下图为B细胞的模式识别。,A,人体的免疫机制,ada,BCR或抗体 B细胞受体
16、抗原决定基 B细胞的模式识别,人体的免疫机制,ada,人体的免疫机制,体细胞高频变异和免疫记忆 人体是部最精密、最复杂的机器，人体内的免疫细胞是怎样繁殖的呢？其核心是克隆选择原理 克隆选择原理主要思想： 1.免疫系统要产生数十亿种类的有抗体受体的B细胞； 2. 抗原提呈导致能与抗原结合的抗体克隆扩增和分化； B细胞活化后，可在淋巴结内，也可在骨髓内以极高的频率分裂，同时产生克隆选择，其中一部分分化为浆细胞，它不能继续增殖，其寿命仅为数日，但是浆细胞产生抗体的能力特别强，高峰期一个浆细胞每分钟可分泌数千个抗体分子，另一部分变成记忆细胞，形成免疫记忆，能存活数年，再被激活时，可重复以前的变化，一部分化为效应细胞，一部分仍为记忆细胞。,ada,人体的免疫机制,克隆删除（否定选择） 克隆扩增 选择 记忆细胞 分化 浆细胞 克隆删除（否定选择） 克隆选择原理
