基于人工智能算法和分岔分析的生化过程模型化研究

Artificial intelligence algorithms are programming codes for simulating complex system behavior in natural world, it connects the operation logic of a computer with phenomena happened in complex processes, therefore, comparing traditional differential equations methods, artificial algorithms have better description capability for biochemical processes. In this project, B-Z (Belousov-Zhabotinsky) reaction is picked as an example, the chemical oscillation and the formation mechanism of chaos in this system are discussed in detail. Combining intelligent simulation and bifurcation analysis, an artificial algorithm framework with mathematical support is modeled to describe the mechanism of B-Z reaction. Network thermodynamics is used to study multi-stability, morphogenesis, and self-organization in biochemical system, and the condition of this complex behavior will be demonstrated by artificial intelligent algorithms, then to establish a pattern for biochemical process modeling and analysis in general. It is expected to develop an artificial intelligence algorithm with the cross validation of bifurcation analysis, to simulate general biochemical processes, and provide an industrial guidance in industrial practice.

在生化行业日趋活跃的背景下，如何利用计算机模拟手段指导生物技术创新及生命科学研究具有重要意义。. 人工智能算法是一种借助计算机实现复杂系统模拟的程序语言，它桥联计算机物理运算逻辑与自然界复杂过程的类似性，因此对生化过程具有很好的描述能力。本课题拟使用B-Z（Belousov-Zhabotinsky）反应体系为研究对象，讨论该体系化学振荡及混沌的形成机制；采用智能模拟与分岔分析相结合方式的构造具有机理框架的智能算法模型，进而运用网络热力学推理手段探讨生化系统在形态发生、多态稳定性、自组织等复杂过程的条件，并借助计算机辅助智能算法加以演示验证，以期建立生化过程模型化及分析的一般模式。为形成一项具有自主知识产权的采用分岔理论为数学支撑的人工智能算法模型化工具建立理论基础，为生化过程实践提供工业指导。

随着对生物过程/复杂系统研究的深入，涵盖生物-化工技术的过程系统集成优化问题愈发凸显其重要性。传统理论不再适用于囊括生物过程的广义过程系统。因此，本研究以耗散结构理论为基础，探讨一类具有周期性结构的远离热力学平衡的非传统过程系统。其中，很多复杂过程表现出自组织、协同及形态发生等特性。本项目基于现有的Hopf分岔及最优周期性控制理论，具体探讨下列几个具有周期性结构特征的案例：a. 时不变/时间滞后模型的时-频域Hopf分析探讨自振荡发酵过程的建模；b. Belousov-Zhabotinsky振荡反应体系中周期性结构稳定性及远离平衡态热力学（开放系统的负熵流导致系统生成自组织的图斑）c. 基于最优周期控制理论的药物递送系统设计；d.侯氏制碱法中的NaCl循环形成周期性结构，并且解决母液回收难题；e. 传染病形成周期性反复的发生条件。通过上述案例及理论的介绍，期望从不同的运用、研究视角探讨周期结构系统，并抽象出周期性耗散结构的一般特征，为进一步研究一般周期性结构系统提供理论和研究素材。通过上述案例的讨论，本研究最终期望将周期性生物过程作为一种典型的耗散结构系统抽提出来，为定性、定量研究复杂生物过程提供理论依据，为复杂生物-化工过程、疫情传播及药物递送系统提供新的思路和方法，为新兴生物技术的运用提供数学及算法支撑。