D0I:10.13374/i.issn1001053x.2001.01.051 第26卷第4期 北京科技大学学报 VoL.26 No.4 2004年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2004 一种基于生物免疫原理的识别算法 周颖四郑德玲》位耀光)付冬梅) 1)北京科技大学信息工程学院，北京1000832)河北工业大学电气与自动化学院，天津300130 摘要提出了一种人工免疫识别算法.该算法将所识别的数据作为抗原，利用抗体、抗原 的亲和作用，通过刺激/抑制有关抗体的活动建立一个抗体记忆集合，识别和表示数据结构组 织，它具有识别多样性、自我调节功能等特点，通过对二维实数空间的数据和Iis数据进行实 验，结果表明该方法聚类效果好，识别率高，且具有较好的泛化能力， 关键词免疫识别：亲和作用：抗体记忆：识别率 分类号TP18 自然界生物免疫系统是一个高度复杂的分 由骨髓产生并通过分祕抗体来实现抗原的识别 布协调自适应系统.该系统具有“自我/非我”识 和清除，T细胞在免疫反应过程中能刺激和抑制 别、自组织和学习、免疫记忆和免疫宽容等一系 B细胞的增殖和分化，对免疫调节也起着重要作 列独特的功能，能够有效地抵御入侵体内的细 用， 菌，构成了生物体免受病毒、异体侵害的天然屏 由于外部异己物千差万别，抗原入侵后，对 障，从而维持生命体的生存和进化.因此，抽取生 于免疫系统首次遇见的抗原，首先是抗体对抗原 物免疫系统特有的信息处理机制，建立人工免疫 进行识别（匹配），对于那些达到一定匹配度的抗 模型是人工智能研究领域中的重大课题之一，近 体就被激活并发生“克隆选择”和“细胞超变异”， 几年，许多学者利用免疫系统机制设计出多种免 以产生与抗原更好匹配的抗体以及能应付抗原 疫算法和模型，其研究成果涉及到控制、优化学 多样性，随着抗原被消灭，抗体的数目也大幅度 习、故障诊断等许多领域-刃.但有的算法和模型 下降.自然免疫系统具有一个记住原来入侵抗原 研究还处于研究阶段，存在着不少缺陷需要改 的机制，这就是免疫记忆.当同类抗原再次侵入 进.本文针对免疫系统能够识别无限多的抗原、 时，就会对相应的免疫记忆产生刺激作用，破坏 具有自我调节功能和对已识别的抗原具有快速 网络的稳定状态，使网络中的抗体急剧增加，从 响应的特点，针对文献[4]中ainet免疫网络，提出 而快速消灭抗原可， 一种人工免疫识别算法，用该算法对二维实数空 这一现象也说明了免疫系统的另一特点即 间的数据和著名的Fisher Iris数据进行实验，结果 抗体细胞的数量、特性都会随环境变化而变化 表明该方法聚类效果好，识别率高，且具有较好 因此，免疫系统实质上是一个动态随机系统.设 的泛化能力. b为时刻t的抗体数，则抗体的变化率可描述为： db 01=m-db(1-a)+rab (1) 1生物免疫原理 其中，m为来自骨髓的B细胞数（即抗体数）：a为 免疫是机体的一种特异性生理反应，免疫系 被激活的抗体比率，0≤a≤1,1-a为未被激活的抗 统通过分布在全身的淋巴细胞识别和清除侵入 体比率；式(1)中右边第二项表示抗体的死亡，第 生物体的抗原性异物，维持内环境的稳定，T细 三项表示抗体的增值（抗体-抗体刺激和抗原-抗 胞和B细胞是淋巴细胞的两种主要类型，B细胞 体刺激)，r和代表增殖和死亡的速率. 免疫系统对外来抗原的识别过程是一个寻 收稿日期200305-29 周颗女，32岁，博士研究生 找能够与抗原结合力最大的抗体的过程.本文利 *高校博士点专向科研基金资助项目No.20020008004)第 ‘ 卷 第 期 佣 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 比 ’ 一 一种基于生物免疫原理 的识别算法 周 颖 ’， 郑德 玲 ” 位 耀光 ” 付冬梅 ” 北 京 科 技 大学信息 工程学 院 ， 北 京 河 北 工 业 大学 电气 与 自动化 学 院 ， 天津 摘 要 提 出 了一 种 人工 免疫 识 别 算法 该 算法将 所 识别 的 数据 作为抗 原 ， 利 用 抗 体 、 抗 原 的亲和作用 ， 通 过刺 激 抑制有 关抗体 的活动 建立 一 个抗 体记忆集合 ， 识别 和表示数据 结构组 织 ， 它 具 有 识 别 多样 性 、 自我调 节 功 能等特 点 通过 对 二 维 实数 空 间的数据 和 数据进 行 实 验 ， 结 果表 明该 方 法 聚 类 效 果 好 ， 识 别率 高 ， 且 具 有 较好 的泛化 能 力 关键词 免疫 识 别 亲和 作用 抗体记忆 识 别 率 分 类号 自然 界 生 物 免 疫 系统 是 一 个 高 度 复 杂 的分 布 协 调 自适 应 系 统 该 系 统具 有 “ 自我 非 我 ” 识 别 、 自组 织 和 学 习 、 免 疫 记 忆 和 免 疫 宽容 等 一 系 列 独 特 的功 能 ， 能 够 有 效 地 抵 御 入 侵 体 内 的细 菌 ， 构 成 了生 物 体 免 受病 毒 、 异 体 侵 害 的天 然 屏 障 ， 从而 维 持 生命 体 的生存 和 进 化 因此 ， 抽 取 生 物 免疫 系统 特 有 的信息 处 理机 制 ， 建 立 人 工 免 疫 模 型是 人 工 智 能研 究领 域 中的重 大课题 之 一 近 几 年 ， 许 多学 者 利 用 免疫 系统机制 设 计 出多种 免 疫 算 法 和 模 型 ， 其 研 究 成 果 涉 及 到 控制 、 优 化 学 习 、 故 障 诊 断等 许 多 领 域 ‘，川 但 有 的算 法和 模 型 研 究 还 处 于 研 究 阶 段 ， 存 在 着 不 少 缺 陷 需 要 改 进 本文 针 对 免疫 系 统 能够 识 别 无 限 多 的抗 原 、 具 有 自我 调 节 功 能 和 对 己 识 别 的抗 原 具 有 快 速 响应 的特 点 ， 针 对 文 献 」中 免 疫 网络 ， 提 出 一种 人 工 免疫 识 别 算 法 ， 用 该算 法对 二 维 实数 空 间 的数据 和 著 名 的 数 据 进 行 实验 ， 结 果 表 明该 方 法 聚 类 效 果 好 ， 识 别 率 高 ， 且 具 有 较 好 的泛 化 能 力 生 物 免疫 原 理 免疫 是 机体 的一 种 特 异 性 生理 反应 ， 免 疫 系 统 通 过 分 布 在 全 身的淋 巴 细 胞 识 别 和 清 除侵 入 生物 体 的抗 原性 异 物 ， 维持 内环 境 的稳 定 细 胞 和 细 胞 是 淋 巴 细 胞 的两 种 主 要 类 型 ， 细 胞 收稿 日期 刁 佗 周 颖 女 ， 岁 ， 博 士研 究生 高校博 士 点专 向科研基金 资助 项 目 由骨 髓 产 生 并 通 过 分 泌 抗 体 来 实现 抗 原 的识 别 和 清 除 细 胞 在 免 疫 反 应 过 程 中能刺激 和 抑 制 细 胞 的增 殖 和 分 化 ， 对 免 疫 调 节 也起 着重 要 作 用‘，， 由于 外 部 异 己 物 千 差 万 别 ， 抗 原 入 侵 后 ， 对 于 免疫 系统 首 次遇 见 的抗 原 ， 首先 是抗 体对抗 原 进 行 识 别 匹配 ， 对 于 那 些 达 到 一 定 匹配 度 的抗 体 就 被激 活 并发生 “ 克隆选 择 ” 和 “ 细 胞超 变异 ” ， 以产 生 与 抗 原 更 好 匹 配 的抗 体 以及 能应 付 抗 原 多样 性 随着抗 原 被 消 灭 ， 抗 体 的数 目也 大 幅度 下 降 自然 免疫 系 统 具 有 一个 记 住 原 来 入侵抗 原 的机制 ， 这 就 是 免疫 记 忆 当 同类 抗 原再 次侵 入 时 ， 就 会对 相 应 的 免 疫记 忆 产 生 刺 激 作用 ， 破坏 网络 的稳 定状 态 ， 使 网 络 中 的抗 体 急剧 增加 ， 从 而快 速 消 灭抗 原川 这 一 现 象 也 说 明 了 免 疫 系统 的 另 一 特 点 即 抗 体 细 胞 的数 量 、 特 性 都 会 随环 境 变 化 而 变 化 因 此 ， 免 疫 系统 实质 上 是 一 个 动 态 随机 系 统 ， 设 为 时刻 的抗 体 数 ， 则 抗 体 的变 化 率可 描述 为 嚣 一 一 一 其 中 ， 为 来 自骨 髓 的 细 胞 数 即 抗 体 数 为 被 激 活 的抗 体 比率 ， ‘ ‘ ， 一 为未 被激 活 的抗 体 比率 式 中右 边 第 二 项 表 示 抗 体 的死亡 ， 第 三 项表 示 抗 体 的增 值 抗 体一抗 体刺 激和 抗 原一抗 体 刺激 ， 和 代 表 增 殖 和 死 亡 的速 率 免 疫 系 统 对 外 来 抗 原 的 识 别 过 程 是 一 个 寻 找 能够 与抗 原 结合 力最 大 的抗 体 的过程 本文 利 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2004．04．051