膜計算模型和算法

1、項目名稱膜計算模型和算法獎項自然獎全部完成人張葛祥, 王軍, 張興義, 戴朝華, 彭宏, 榮海娜全部完成單位西南交通大學, 西華大學, 安徽大學項目簡介本項目屬于計算機科學技術(shù)的基礎(chǔ)理論領(lǐng)域，具有前沿多學科交叉特性，涉及計算機科學、生物學、數(shù)學等。半個多世紀以來，信息技術(shù)發(fā)展嚴格遵循摩爾定律，到如今，這種飛速發(fā)展趨勢已接近尾聲，觸碰到物理極限。硅基CMOS 在10 納米以下將會產(chǎn)生短溝道效應(yīng)、器件不穩(wěn)定和難以承受的高能耗密度等問題。因此，迫切需要探索非傳統(tǒng)高性能新型計算模型和算法。作為新型計算模型的生物計算，自美國兩院院士、圖靈獎獲得者Adleman 于1994年在Science上發(fā)表用DNA

2、解決哈密爾頓路徑問題以來，展示出了巨大潛力。膜計算是生物計算重要分支，自歐洲科學院院士Gh. Pun 于1998 年提出以來，隨即被美國科學情報研究所ISI列入計算機科學前沿領(lǐng)域，其論文成為ISI 快速突破和高被引文章。因?qū)δび嬎愕耐怀鲐暙I，M.J. Prez-Jimnez于2011當選歐洲科學院院士。Pun院士在膜計算公開問題中指出，如何從生物組織結(jié)構(gòu)和功能中抽象出高效計算模型、如何解決膜系統(tǒng)可編程性問題、如何構(gòu)建面向應(yīng)用問題求解的膜計算模型和算法等，是迫切解決的關(guān)鍵問題。本項目在國家自然科學基金等資助下，研究基于細胞結(jié)構(gòu)和功能的膜計算模型構(gòu)建方法、進化膜計算和模糊膜計算建模理論等，獲得如下

3、主要科學發(fā)現(xiàn)點：1、建立了基于生物組織結(jié)構(gòu)和功能的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)膜計算模型，獲得了圖靈計算能力的組織膜系統(tǒng)和成功求解計算難問題的脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)。該成果被兩位IEEE會士C. Wen和施路平在Nature出版社期刊評價為第三代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代表模型。2、建立了進化膜計算理論體系。揭示了進化膜計算機理，提出了進化膜計算動態(tài)行為分析方法，構(gòu)建了進化膜計算模型和算法。被加拿大S.X.Yang教授作為生物智能算法分支專門進行綜述，得到了Prez-Jimnez院士和多位IEEE會士的正面評價和引用，并被用于成功求解天線陣列優(yōu)化問題。3、提出了模糊脈沖神經(jīng)膜計算模型和推理算法的構(gòu)建方法。創(chuàng)建了膜計算模糊神經(jīng)元和模糊激發(fā)

4、規(guī)則，提出了模糊信息處理和模糊推理脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)及推理算法。膜計算創(chuàng)始人Pun院士評價該方法求解故障診斷問題是膜計算的成功應(yīng)用示例。4、提出了膜計算模型自動構(gòu)建方法，建立了膜計算模型自動構(gòu)建平臺，開啟了解決膜計算模型可編程性問題思路。羅馬尼亞F. Ipate教授基于此方法成功構(gòu)建語言膜系統(tǒng)。發(fā)表IEEE TFS、IEEE TIE、IEEE TPS和IJNS等相關(guān)領(lǐng)域國際期刊SCI論文86篇（ESI論文2篇），google學術(shù)他引1529次、SCI他引745次，其中10篇代表作google學術(shù)他引558次、SCI他引255次。成果獲國際會議最佳論文獎兩次，獲授權(quán)發(fā)明專利6件和軟件著作權(quán)2件，其中

5、1件專利已成功應(yīng)用于磁阻電機。成果得到了膜計算創(chuàng)始人Gh. Pun院士、膜計算突出貢獻獎獲得者Prez-Jimnez院士和包括H. Adeli, C. Wen, P.N. Suganthan, E. Hossain, P.S.R. Diniz, P. Shi, 施路平和王熙照等在內(nèi)的多位IEEE或AAAS會士的正面評價和引用。主要完成人當選為國際膜計算學會創(chuàng)會主席、顧問委員會委員，舉辦了膜計算國際會議ACMC2013和ACMC2015。項目組成員入選教育部新世紀優(yōu)秀人才1名、四川省教學名師1名、四川省學術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選4名，獲得四川省杰出青年基金1項、四川省優(yōu)秀博士學位論文2篇。排名及學

6、術(shù)貢獻排名姓名學術(shù)貢獻1張葛祥本項目主要負責人。組織本項目研究工作，確定總體研究方向和方案。是科學發(fā)現(xiàn)一、科學發(fā)現(xiàn)二、科學發(fā)現(xiàn)三和代表性論文1，5，7，9，10的主要完成人。在本項目中，主要完成了以下工作：1、提出了近似求解計算難問題的優(yōu)化脈沖神經(jīng)膜計算模型；2、建立了進化膜計算理論體系。構(gòu)建了進化膜計算模型和算法，提出了動態(tài)行為分析方法，揭示了進化膜計算機理。3、提出了梯形模糊數(shù)模糊脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)和加權(quán)模糊脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)，并應(yīng)用于求解電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)和牽引供電網(wǎng)故障診斷；4、提出了膜計算模型自動構(gòu)建方法，建立了膜計算模型自動構(gòu)建平臺，開啟了解決膜計算模型可編程性問題思路。2王軍本項目研究工作的

7、主要合作者之一，是科學發(fā)現(xiàn)三和代表性論文3和8的主要完成人。在本項目中，主要完成了以下工作：1、提出了模糊信息處理的脈沖神經(jīng)膜計算模型的構(gòu)建方法，2、建立了加權(quán)模糊脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)、帶語言項的模糊脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)和帶梯形模糊數(shù)的模糊推理脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)；3、提出了一種加權(quán)反向推理算法；4、設(shè)計了基于模糊膜計算模型的故障診斷框架，并應(yīng)用于變壓器、電力輸電網(wǎng)和變電站等的故障診斷。3張興義本項目研究工作的主要合作者之一，是科學發(fā)現(xiàn)一和代表性論文2的主要完成人。在本項目中，主要完成了以下工作：1、提出了與圖靈機等價計算能力的脈沖神經(jīng)膜計算模型；2、建立了多項式時間內(nèi)求解計算困難問題的組織膜計算模型及算法。4

8、戴朝華本項目研究工作的主要合作者之一，是科學發(fā)現(xiàn)二和代表性論文4和6的主要完成人。在本項目中，主要完成了以下工作：1、深入研究了進化計算的理論、算法和性能分析方法，系統(tǒng)分析了進化計算“勘探”與“開采”間平衡、“Nearer is Better”和“Nearer is Worse”間轉(zhuǎn)換的動態(tài)行為；2、通過模擬人群搜索/覓食行為，提出了一種新的群體智能算法搜尋者優(yōu)化算法；3、利用搜尋者優(yōu)化算法求解了數(shù)字濾波器設(shè)計、電力系統(tǒng)無功優(yōu)化、燃料電池建模等典型復雜優(yōu)化問題。5彭宏本項目研究工作的主要合作者之一，是科學發(fā)現(xiàn)三和代表性論文3和8的主要完成人。在本項目中，主要完成了以下工作：1、建立了模糊推理實

9、數(shù)脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)；2、提出了模糊脈沖神經(jīng)膜計算模型推理算法的構(gòu)建方法，并設(shè)計了基于矩陣運算的前向推理算法；3、建立了自適應(yīng)模糊脈沖神經(jīng)膜系統(tǒng)，并提出了相應(yīng)的學習算法；4、提出了基于膜計算模型的圖像分割和圖像融合方法。代表性論文/論著論文專著名稱/刊名/作者通訊作者/第一作者An optimization spiking neural P system for approximately solving combinatorial optimization problems/International Journal of Neural Systems/G. Zhang, H. Rong, F.

10、 Neri, M.J. Prez-Jimnez張葛祥/張葛祥Tissue P systems with cell separation: attacking the partition problem/Science China, Information Sciences/X. Zhang, S. Wang, Y. Niu, L. Pan潘林強/張興義Weighted Fuzzy Spiking Neural P Systems/IEEE Transactions on Fuzzy Systems/J. Wang, P. Shi, H. Peng, M.J. Prez-Jimnez, T Wa

11、ng王軍/王軍Seeker Optimization Algorithm for Optimal Reactive Power Dispatch/IEEE Transactions on Power Systems/ C. Dai, W. Chen, Y. Zhu, X. Zhang戴朝華/戴朝華A hybrid approach based on differential evolution and tissue membrane systems for solving constrained manufacturing parameter optimization problems/App

12、lied Soft Computing/G. Zhang, J. Cheng, M. Gheorghe, Q. Meng張葛祥/張葛祥Seeker Optimization Algorithm for Digital IIR Filter Design/ IEEE Transactions on Industrial Electronics/C. Dai, W. Chen, Y. Zhu戴朝華/戴朝華Enhancing distributed differential evolution with multicultural migration for global numerical optimization/Information Sciences/J. Cheng, G. Zhang, F. Neri張葛祥/程吉祥Fuzzy reasoning spiking neural P system for fault diagnosis/Information Sciences/ H. Peng, J. Wang, M.J. Prez-Jimnez, H. Wang, J. Shao, T. Wang彭宏/彭宏A quantum-inspired evolutionary algorithm based on P syste