基于有色Petri网的系统生物学多尺度建模与仿真理论、方法和实现

项目名称： 基于有色Petri网的系统生物学多尺度建模与仿真理论、方法和实现

项目编号： No.61273226

项目类型： 面上项目

立项/批准年度： 2013

项目学科： 自动化技术、计算机技术

项目作者： 刘飞

作者单位： 哈尔滨工业大学

项目金额： 80万元

中文摘要： 系统生物学研究已进入多尺度建模时代，因此提出了很多重大的建模挑战，如建模大量的生物物种，建模生物物种的层次化空间排列、变异、运动、通讯等。对于这些挑战，传统的生物学建模方法，如普通Petri网，已经无能为力，有色Petri网则提供了良好的解决方案。在该项目中，基于前期取得的研究结果，面向多尺度建模与仿真挑战，对有色Petri网建模与仿真的几个关键问题进行研究。为支持生物学家自动化的创建有色Petri网，特殊的，为支持基于Petri网的生物网络重构，提出并实现基于子图同构的Petri网折叠方法。为增强其分析能力，从而使用标准的Petri网分析技术，将研究和实现基于约束满足问题的有色Petri网并行展开理论和方法。为支持多尺度建模下对仿真能力的需求，将分别研究和实现普通Petri网层次和有色Petri网层次的并行连续和随机仿真算法。该项目的研究将为系统生物学多尺度建模提供重要的解决方案。

中文关键词： 有色Petri网；多尺度建模与仿真；系统生物学；并行仿真；建模工具

英文摘要： Systems biology has moved to the period of multi-scale modeling, and thus addressed a set of challenges, e.g. modeling a number of species, hierarchically spatial arrangement, variant, movement and communication of them. Traditional modeling methods like Petri nets can not cope with these challenges, which, however, can be done by colored Petri nets. In this project, based on the previous research results, some key problems about modeling and simulation of colored Petri nets will be studied in order to address those challenges. To support automatic modeling of colored Petri nets, especially for biological network construction, a subgraph isomorphism-based folding method of Petri nets will be studied and implemented. For increasing the analysis capability and reusing standard analysis techniques of Petri nets, a constraint satisfaction problems-based parallel unfolding method for colored Petri nets will be researched. For addressing the simulation of multi-scale models, parallel stochastic and continuous simulation algorithms at the Petri net level as well as at the colored Petri net level will be studied and implemented. The research results will provide an important solution for multi-scale modeling in systems biology.

英文关键词： colored Petri nets；multiscale modeling and simulation；systems biology；parallel simulation；modeling tool