·26 智能系统学报 第4卷 43人工免疫系统应用 2)从人工免疫系统角度看,免疫学对人工免疫 人工免疫系统的研究范围和应用领域还应不断 系统的影响方面有许多问题值得探讨.通过观察现 扩大.人工免疫系统是不同于其他自然计算分支的 在的人工免疫系统的应用研究状态,可以发现,只有 研究领域.此外,进一步拓宽人工免疫系统的应用领 在现有免疫学理论和免疫系统机制基础上,积极寻 域,除了解决诸如网络安全、数据挖掘、图像处理、模 求新的免疫机制和理论,突出免疫学理论的本质,才 式识别、故障诊断、噪声耐受、自适应控制、分布式控 可能获得对人工免疫系统有用的启发思想和过程 制、协调控制、预测控制、机器学习、搜索和优化、进 比如除了己经得到应用的免疫学理论,未来还有那 化设计、疾病预测与诊断等领域的实际问题以外,基 些免疫机制和免疫学理论可以应用?免疫系统的信 于免疫系统机制,不仅可以设计出新的免疫计算方 息处理机制,免疫网络本身的动力学问题对所建立 法,而且可以利用免疫机制开发设计故障诊断系统、 的人工免疫系统产生什么影响?现有的免疫网络、 计算机安全系统、物理安全系统、自然灾害预报系 克隆选择机制是有缺陷的,对人工免疫系统的性能 统、生态环境预测系统、流行病监测系统、并行计算 的影响如何评估?对于一般目的的机器学习应用 系统、免疫控制系统,也可以开发出基于免疫系统计 如识别和分类,能通过观察选择和识别期间的计算 算机制的免疫计算机,类似DNA计算机的计算系统 轨迹以获得有用信息吗?如何利用模型决定免疫系 等等.可以完成或解决人工神经网络等方法不善于 统的哪些机制对正确的人工系统鲁棒功能是必要 解决的问题,在经济学、管理学,甚至农业教育等方 的,哪些机制是不必要的? 面都可以不断应用 3)自然免疫系统是极其复杂的,还有许多理解 基于免疫系统的硬件和软件会随着技术的进步 不透的生物机制.从免疫学研究角度看,下面这些问 而不断发展,比如用于药物和医学实验的虚拟免疫 题值得进一步思索:免疫学理论是否都适用于解决实 系统、具有自我恢复机制的智能硬件系统等 际问题,如何利用实际的免疫系统进行计算?免疫系 44人工免疫系统未来面临的问题 统和其他生物系统工作受基本物理层次影响的程度 面对人工免疫系统的未来,似乎更多的是未知 有多大?免疫应答都能在基本物理层次上实现吗? 的问题.这也是人工免疫系统的生命力所在.作者认 能够利用免疫系统的计算约束来对付一些疾病吗? 为,未来人工免疫系统主要面临以下问题或挑 如何建立真正的控制人类免疫系统的自治系统?如 战39). 何利用模型决定免疫系统哪部分对人工系统功能是 1)跨学科合作.人类社会各个学科本来没有严 必要的,哪部分是不必要的,只是特殊的物理实现? 格的界限,现代社会分工导致学科的出现,而人类社 哪部分仅仅是可能发生的进化的方面?这些问题需 会的发展促使人们重新走向多科学互相融合的道 要免疫信息学、免疫网格、电子学、生物学、生物医学 路.人工免疫系统也不例外,尤其需要计算机科学和 工程纳米,分子操作技术等结合起来才能解决 免疫学以及数学等多学科之间的合作.相对于模糊 4)免疫系统群体涌现智能.免疫识别和效应是 在数学上的完整体系,神经网络相对完整的几种类 由分布在生物机体内部的大量免疫细胞与抗原通过 型,进化计算的基本数学理论,人工免疫系统在理论 相互作用实现的,其中涉及到了免疫细胞问的协调、 层次是很弱的,应用的数学方法也非常有限.需要对 协作等问题.整体任务的完成是由局部单元协同作 这些系统的更深入理解,以在研究中突破,而不是重 用的结果,这些特性在许多人工免疫系统模型中得 新开发旧技术,这需要数学应用上的突破.必须指出 到了具体体现.人工免疫系统的学习和记忆机制是 的是,目前多数人工免疫系统所依据的免疫学理论 在局部单元协作下产生的系统智能涌现,这与其他 及对免疫系统的认识基本停留在经典免疫学的水 涌现计算方法是十分相似的.由于大多数模型只是 平,从自己非己识别到免疫系统认知,都是免疫学领 抽取了免疫系统中的部分机理,对于构成免疫系统 域比较经典和成熟的理论,而多数人工免疫系统研 自适应特性的吞噬细胞、细胞、细胞因子等未加以 究人员对现代免疫学的发展基本上一无所知.这个 考虑因此当环境突然改变时系统缺乏自适应性.所 突现研究领域的成熟需要对免疫系统性质详细和深 以要进一步地研究免疫系统的仿生隐喻机制、免疫 入地理解和研究,也需要与免疫学专家合作.国外这 的记忆、学习与智能涌现模型的数学或计算模型 种合作一直非常普遍,国内还需要加强沟通和合作」 5)人工免疫系统的理论基础.人工免疫系统最 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net4. 3 人工免疫系统应用 人工免疫系统的研究范围和应用领域还应不断 扩大. 人工免疫系统是不同于其他自然计算分支的 研究领域. 此外 ,进一步拓宽人工免疫系统的应用领 域 ,除了解决诸如网络安全、数据挖掘、图像处理、模 式识别、故障诊断、噪声耐受、自适应控制、分布式控 制、协调控制、预测控制、机器学习、搜索和优化、进 化设计、疾病预测与诊断等领域的实际问题以外 ,基 于免疫系统机制 ,不仅可以设计出新的免疫计算方 法 ,而且可以利用免疫机制开发设计故障诊断系统、 计算机安全系统、物理安全系统、自然灾害预报系 统、生态环境预测系统、流行病监测系统、并行计算 系统、免疫控制系统 ,也可以开发出基于免疫系统计 算机制的免疫计算机 ,类似 DNA计算机的计算系统 等等. 可以完成或解决人工神经网络等方法不善于 解决的问题 ,在经济学、管理学 ,甚至农业、教育等方 面都可以不断应用. 基于免疫系统的硬件和软件会随着技术的进步 而不断发展 ,比如用于药物和医学实验的虚拟免疫 系统、具有自我恢复机制的智能硬件系统等. 4. 4 人工免疫系统未来面临的问题 面对人工免疫系统的未来 ,似乎更多的是未知 的问题. 这也是人工免疫系统的生命力所在. 作者认 为 ,未来人工免疫系统主要面临以下问题或挑 战 [ 39 ] : 1) 跨学科合作. 人类社会各个学科本来没有严 格的界限 ,现代社会分工导致学科的出现 ,而人类社 会的发展促使人们重新走向多科学互相融合的道 路. 人工免疫系统也不例外 ,尤其需要计算机科学和 免疫学以及数学等多学科之间的合作. 相对于模糊 在数学上的完整体系 ,神经网络相对完整的几种类 型 ,进化计算的基本数学理论 ,人工免疫系统在理论 层次是很弱的 ,应用的数学方法也非常有限. 需要对 这些系统的更深入理解 ,以在研究中突破 ,而不是重 新开发旧技术 ,这需要数学应用上的突破. 必须指出 的是 ,目前多数人工免疫系统所依据的免疫学理论 及对免疫系统的认识基本停留在经典免疫学的水 平 ,从自己非己识别到免疫系统认知 ,都是免疫学领 域比较经典和成熟的理论 ,而多数人工免疫系统研 究人员对现代免疫学的发展基本上一无所知. 这个 突现研究领域的成熟需要对免疫系统性质详细和深 入地理解和研究 ,也需要与免疫学专家合作. 国外这 种合作一直非常普遍 ,国内还需要加强沟通和合作. 2)从人工免疫系统角度看 ,免疫学对人工免疫 系统的影响方面有许多问题值得探讨. 通过观察现 在的人工免疫系统的应用研究状态 ,可以发现 ,只有 在现有免疫学理论和免疫系统机制基础上 ,积极寻 求新的免疫机制和理论 ,突出免疫学理论的本质 ,才 可能获得对人工免疫系统有用的启发思想和过程. 比如除了已经得到应用的免疫学理论 ,未来还有那 些免疫机制和免疫学理论可以应用 ? 免疫系统的信 息处理机制 ,免疫网络本身的动力学问题对所建立 的人工免疫系统产生什么影响 ? 现有的免疫网络、 克隆选择机制是有缺陷的 ,对人工免疫系统的性能 的影响如何评估 ? 对于一般目的的机器学习应用 , 如识别和分类 ,能通过观察选择和识别期间的计算 轨迹以获得有用信息吗 ? 如何利用模型决定免疫系 统的哪些机制对正确的人工系统鲁棒功能是必要 的 ,哪些机制是不必要的 ? 3) 自然免疫系统是极其复杂的 ,还有许多理解 不透的生物机制. 从免疫学研究角度看 ,下面这些问 题值得进一步思索 :免疫学理论是否都适用于解决实 际问题 ,如何利用实际的免疫系统进行计算 ? 免疫系 统和其他生物系统工作受基本物理层次影响的程度 有多大 ? 免疫应答都能在基本物理层次上实现吗 ? 能够利用免疫系统的计算约束来对付一些疾病吗 ? 如何建立真正的控制人类免疫系统的自治系统 ? 如 何利用模型决定免疫系统哪部分对人工系统功能是 必要的 ,哪部分是不必要的 ,只是特殊的物理实现 ? 哪部分仅仅是可能发生的进化的方面 ? 这些问题需 要免疫信息学、免疫网格、电子学、生物学、生物医学 工程、纳米、分子操作技术等结合起来才能解决. 4)免疫系统群体涌现智能. 免疫识别和效应是 由分布在生物机体内部的大量免疫细胞与抗原通过 相互作用实现的 ,其中涉及到了免疫细胞问的协调、 协作等问题. 整体任务的完成是由局部单元协同作 用的结果 ,这些特性在许多人工免疫系统模型中得 到了具体体现. 人工免疫系统的学习和记忆机制是 在局部单元协作下产生的系统智能涌现 ,这与其他 涌现计算方法是十分相似的. 由于大多数模型只是 抽取了免疫系统中的部分机理 ,对于构成免疫系统 自适应特性的吞噬细胞、T细胞、细胞因子等未加以 考虑 ,因此当环境突然改变时系统缺乏自适应性. 所 以要进一步地研究免疫系统的仿生隐喻机制、免疫 的记忆、学习与智能涌现模型的数学或计算模型. 5)人工免疫系统的理论基础. 人工免疫系统最 ·26· 智 能 系 统 学 报 第 4卷 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net