D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2005.02.059 第27卷第2期 北京科技大学学报 Vol.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2005 基于生物免疫系统克隆选择机理和 免疫网络理论的免疫算法 位耀光郑德玲付冬梅周颖 北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要提出一种基于生物免疫系统克隆选择机理和免疫网络理论的免疫算法.该算法通 过抗体的克隆选择和变异过程，完成对入侵抗原的清除，实现免疫防侮的功能：利用免疫网 络调节的思想选择抗体记忆细胞，完成知识的学习和积累，实现免疫自稳的功能：利用所建 立的抗体记忆矩阵实现对类似入侵抗原的快速应答，行使免疫监视识别功能.该算法利用生 物变异机制实现抗体的自适应调节，使系统具有自适应、自学习能力，在加热炉状态识别的 应用研究表明，本文所提出的算法在解决数据识别方面具有较好的效果. 关键词人工免疫；克隆选择；自适应；模式识别 分类号TP18 生物免疫系统是生物抵抗外界病原体入侵， 疫自稳、免疫监视三部分，生物免疫系统通过免 保护自身免受外界侵害的重要系统，生物免疫系 疫应答反应清除外界病原体的入侵，实现免疫防 统的主要功能是识别外界病原体，对其产生应 御的功能，生物免疫系统内部各器官之间保持着 答，消灭外界入侵者，生物免疫系统由免疫细胞、 动态的平衡，通过不断的更新免疫细胞，淘汰衰 免疫器官和免疫组织组成，生物免疫系统各部分 老细胞和病变细胞实现免疫自稳的功能.生物免 之间的作用机理非常复杂.随着生物学研究的进 疫系统利用免疫记忆细胞对入侵抗原产生快速 展，对免疫系统机理的认识随之不断增长.研究 的应答反应，实现免疫监视的功能. 表明，生物免疫系统具有学习、记忆、识别功能， 在生物免疫系统中，当B细胞受体与抗原之 是一个自适应、自学习、分布式处理系统.从信息 间的亲和力达到一定程度时，开始进行克隆增殖 处理角度考虑，生物免疫系统的许多作用机理， 从而分泌新的抗体，在克隆增殖过程中，B细胞 如克隆选择、反面选择、免疫网络，可被用于信息 的后裔经历了变异过程，从而使得B细胞能够与 处理的研究.受生物免疫系统的启发，人工免疫 所选择的抗原以更高的亲和力相匹配.抗体与抗 系统四(Artificial immune system:AIS)作为继神经 原相结合导致抗原最终被免疫细胞所消灭，从而 网络、进化计算后的一种新的智能信息处理方法 实现兔疫防御的功能.克隆和变异过程类似于物 被提出来，并被广泛应用于优化)、数据分析、 种的自然选择过程，激活的B细胞中具有较高抗 机器学习、聚类分析阿、模式识别，刀、故障诊断、 原亲和力的部分转化为具有较长寿命的记忆细 机器人控制等各个应用领域，研究结果表明，人 胞，其他的B细胞随着抗原的消除逐渐衰老死 工免疫系统具有良好的数据处理与分析能力. 亡，这种现象称之为免疫自稳现象，系统中保存 下来的免疫记忆细胞对后续的类似抗原的入侵 1生物免疫机理 产生特定的应答反应，实现免疫监视功能.由于 所建立的免疫记忆细胞与入侵抗原之间存在着 生物免疫系统的主要功能包括免疫防御、免 某种对应映射关系，可以利用这种关系来实现 收稿日期：200404-20修回日期：200407-12 抗体记忆矩阵对入侵抗原的识别功能俐.在实际 基金项目：博士学科点专项科研基金N0,20020008004) 应用中，常利用免疫系统的这一特点，实现模式 作者简介：位耀光(1976一)，男，博士研究生 识别的功能，第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 基于生物免疫系统克隆选择机理和 免疫网络理论的免疫算法 位 耀 光 郑德 玲 付冬梅 周 颖 北 京科技 大学 信 息 工 程 学 院 ， 北 京 摘 要 提 出一 种 基 于 生 物免 疫 系 统 克隆选 择机 理 和 免 疫 网 络 理 论 的 免疫 算 法 该 算法通 过 抗 体 的 克隆选 择 和 变异 过程 ， 完 成对入 侵 抗 原 的清 除 ， 实现 免 疫 防御 的功 能 利 用 免疫 网 络 调节 的 思 想 选 择抗 体记 忆 细 胞 ， 完 成 知 识 的学 习 和 积 累 ， 实 现 免疫 自稳 的 功 能 利用 所 建 立 的 抗 体记 忆 矩 阵实现 对 类 似 入 侵 抗 原 的快 速应答 ， 行 使免疫 监 视识 别 功 能 该 算 法 利用 生 物 变 异 机 制实现 抗体 的 自适应 调 节 ， 使 系 统 具 有 自适 应 、 自学 习 能 力 在加 热 炉状态识 别 的 应 用 研 究表 明 ， 本 文 所 提 出 的 算 法在解 决数据 识 别 方 面 具 有 较 好 的效 果 关键词 人 工 免疫 克 隆选择 自适应 模 式识 别 分 类号 生 物 免 疫 系 统 是 生物 抵 抗 外 界病 原 体 入 侵 ， 保 护 自身免受外 界侵 害 的重 要 系 统 生物 免 疫 系 统 的主 要 功 能 是 识 别 外 界 病 原 体 ， 对 其 产 生 应 答 ， 消灭 外 界入 侵 者 生 物 免疫 系 统 由免疫 细 胞 、 免疫器 官和 免 疫 组 织 组成 ， 生物 免 疫系 统 各部 分 之 间 的作用 机 理 非 常复 杂 ， 随着 生 物 学研 究 的进 展 ， 对 免 疫 系 统机 理 的认 识 随之 不 断增 长 研 究 表 明 ， 生 物 免 疫 系统 具 有 学 习 、 记 忆 、 识 别 功 能 ， 是 一 个 自适应 、 自学 习 、 分 布式 处 理 系 统 ， 从 信 息 处 理 角度 考 虑 ， 生 物 免 疫 系统 的许 多 作用 机 理 ， 如 克 隆选 择 、 反 面选 择 、 免疫 网络 ， 可 被用 于信 息 处 理 的研究 受 生 物 免 疫 系 统 的启 发 ， 人 工 免 疫 系 统 “ 」沐 作 为 继 神 经 网络 、 进 化 计算 后 的一种 新 的智 能信 息 处 理 方 法 被提 出来 ， 并被 广 泛 应 用 于 优 化 口 ， ” 、 数 据 分析 阱，、 机 器 学 习 、 聚类 分 析 〔 ，、 模 式 识 别 〔， 〕 、 故 障 诊 断 、 机 器 人 控 制等 各 个 应用 领 域 研 究结 果 表 明 ， 人 工 免疫 系 统 具 有 良好 的数 据 处 理 与 分 析 能力 生 物 免疫 机 理 生 物 免 疫 系统 的主 要 功 能包 括 免疫 防御 、 免 收稿 日期 刁 修 回 日期 一 一 基金 项 目 博 士 学 科 点专 项 科研基金倒。 作者 简介 位 耀 光 一 ， 男 ， 博 士 研 究生 疫 自稳 、 免 疫 监 视 三 部 分 生物 免 疫 系 统 通 过 免 疫 应答 反应 清 除外 界病 原体 的入 侵 ， 实现 免 疫 防 御 的功 能 生物 免 疫 系 统 内部 各 器 官之 间保 持着 动 态 的平 衡 ， 通 过 不 断 的更 新 免 疫 细 胞 ， 淘 汰 衰 老 细胞 和 病 变 细 胞 实现 免疫 自稳 的功 能 生物 免 疫 系 统 利 用 免 疫 记 忆 细 胞 对 入 侵 抗 原 产 生 快 速 的应 答 反 应 ， 实现 免 疫 监 视 的功 能 在 生物 免 疫 系 统 中 ， 当 细 胞 受 体 与抗 原之 间 的亲 和 力达 到 一 定程度 时 ， 开 始进 行 克隆增 殖 从 而 分 泌 新 的抗 体 在 克 隆增 殖 过 程 中 ， 细 胞 的后 裔 经 历 了变 异 过 程 ， 从 而 使得 细 胞 能够 与 所 选 择 的抗 原 以更 高 的亲 和 力 相 匹 配 抗 体 与抗 原 相 结合 导致抗 原 最 终被 免 疫 细 胞 所 消 灭 ， 从而 实现 免 疫 防御 的功 能 克 隆和 变异 过程类似 于 物 种 的 自然选 择 过 程 ， 激 活 的 细胞 中具有 较 高抗 原 亲 和 力 的部 分 转 化 为 具 有 较 长 寿 命 的记 忆 细 胞 ， 其 他 的 细 胞 随着 抗 原 的消 除 逐渐 衰 老 死 亡 ， 这 种 现 象 称 之 为 免 疫 自稳现 象 系 统 中保 存 下 来 的免 疫 记 忆 细 胞 对 后 续 的类 似 抗 原 的入 侵 产 生 特 定 的应 答 反 应 ， 实 现 免 疫 监 视 功 能 由于 所 建 立 的 免 疫 记 忆 细 胞 与 入 侵 抗 原 之 间存 在 着 某 种 对 应 映射 关 系 ‘ ， 可 以利 用 这 种 关 系 来 实现 抗 体 记 忆 矩 阵对 入 侵 抗 原 的识 别 功 能 口， ， 在 实 际 应 用 中 ， 常利 用 免 疫 系 统 的这 一 特 点 ， 实现 模式 识 别 的功 能 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．02．059