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

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

·246· 北京科技大学学报 2005年第2期 2免疫算法 220 P=1- --f nxk (7) 在本文所建立免疫算法中，把免疫细胞简化 2 为抗体，通过研究抗体与抗原之间的相互作用机 当抗体所受到的来自抗原的刺激达到一 理来模拟免疫过程，建立人工免疫模型 定程度时(a>p),免疫系统被激活，抗体开始克隆 通过计算抗体和抗原之间的欧氏距离来定 增殖.抗体的克隆增殖遵循进化论中优胜劣汰的 义抗体抗原之间的匹配程度以及抗体所受到的 原则，只有那些受抗原激励程度高的抗体才进行 抗原的激励水平：利用生物进化论中优胜劣汰的 克隆增殖，那些受抗原激励水平较低的抗体不发 观点来实现抗体的克隆增殖：利用生物变异机制 生克隆增殖.抗体的克隆增殖按以下规则进行： 来实现算法的自适应学习，产生抗体的多样性： 每种抗体细胞克隆增殖的数目与其所受到的激 利用独特型网络的思想来完成抗体记忆细胞的 励水平成正比.受激励越大的抗体克隆的数目越 自然选择过程 多：受激励越小的抗体克隆的数目越少 2.1抗体的克隆选择 由于受抗原X微励所导致的抗体的克隆数 抗体对抗原的识别是免疫系统最重要的功 目为： 能，也是引起免疫应答的首要条件，识别必须满 N(if)= 10-,a>p (8) 足一些条件，当两个具有互补特性的细胞相遇 0,其他 抗体经克隆选择过程后新生成的抗体c为： 时，它们相互之间结合力的大小取决于二者之间 的互补程度. G-Un (9) 将待处理的数据X=(X,X,,X)作为抗原， 相应的抗体X经克隆选择过程后新生成的抗体 对其进行标准化： 矩阵为： X.-IXT X=(c,C2…,cr (10) (1) 2.2抗体的自适应变异 则系统中的抗原为： [XI 生物免疫系统具有自适应调节能力，抗体细 X=:=:.: (2) 胞可根据入侵抗原的情况自适应的进行变异调 X」xa…xm 整，以便使得其与所识别的抗原以更高的亲和力 其中，x∈[0,1]r:i=1,…,m;广=1，m. 相匹配，更好地实现免疫防御的能力，在抗体变 通过产生随机数Y作为候选抗体，组成抗体 异过程中，免疫细胞根据其与抗体的匹配程度及 集合： 其所受到的抗原的激励水平，自适应地调整变异 TY]y…ym 的速率. (3) 抗体变异过程遵循下述规则：在变异过程中 Y对 y1·ym」 每种免疫细胞变异的速率与其受抗原的激励程 其中，八，∈[0,1]m;i=1,,kj=1,…,m 度的大小成反比，其受抗原的激励越大，变异越 对进行归一化处理： 小：其受抗原的激励越小，变异越大， r.-I (4) 定义 作为新生成的抗体，把抗原与抗体间的欧氏距离 B=d(i,j) (11) 作为衡量二者之间匹配程度的一个指标.将抗原 为抗体Y,受到抗原X刺激后的变异速率， 中的每个元素分别与抗体中的每个元素相匹配， 由抗原X的入侵引起的的克隆所生成的抗 对任意抗原X和任意抗体，二者之间的欧氏距 体变异为： 离可通过下式计算： YM=Y+B(X-Y),a>p (12) d》= (x。-y (5) "=,其他 定理】克隆变异后新生成的抗体具有与入 定义 侵抗原更高的亲和度. a=1-di》 (6) 证明因为 为抗体Y受到来自抗原X的激励. X-"=X-[+BX-)] 抗体受抗原激励阈值为： =(1-BX-r

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 免 疫算 法 在 本文 所 建立 免 疫算法 中 ， 把 免疫 细 胞 简化 为抗 体 ， 通 过研 究抗 体 与抗 原之 间 的相 互 作 用机 理 来 模拟 免 疫 过 程 ， 建 立 人 工 免疫模 型 通 过 计 算 抗 体 和 抗 原 之 间 的 欧 氏距 离 来 定 义 抗 体抗 原 之 间 的 匹 配 程 度 以及 抗 体 所 受 到 的 抗 原 的激 励 水 平 利用 生物 进 化 论 中优胜 劣汰 的 观 点来 实现 抗 体 的克 隆增 殖 利 用 生物变异 机制 来 实 现 算 法 的 自适 应 学 习 ， 产 生 抗 体 的多样 性 利 用 独 特 型 网 络 的 思 想 来 完 成 抗 体 记 忆 细 胞 的 自然 选 择 过 程 杭 体 的 克 隆选 择 抗 体 对 抗 原 的识 别 是 免 疫 系 统 最 重 要 的功 能 ， 也 是 引起 免 疫 应 答 的首 要 条 件 识 别 必 须 满 足 一 些 条 件 当两 个 具 有 互 补特 性 的细 胞 相 遇 时 ， 它们 相 互 之 间结合 力 的大 小取 决于 二者 之 间 的互 补 程 度 将 待 处 理 的数 据尤二 ，戈 ， … ，戈 作 为抗 原 ， 对 其 进 行 标 准 化 仁 不等尤纷 门 、 戈 则系统 中 的抗 原 为 「义 〕 、 …二 、 匕弋 ， 、 一 ，。 」 其 中 ， 。 任 〔 ， 」 ” 二 ， … ， ， … ， 通 过 产 生 随机 数 又作 为候 选 抗 体 ， 组 成 抗 体 集 合 艺乏 一 ‘ 一 卫弋又厂 当 抗 体 又所 受 到 的 来 自抗 原 的刺 激 达 到 一 定程 度 时 川 ， 免疫 系 统 被激 活 ， 抗 体 开 始 克 隆 增殖 抗 体 的克 隆增 殖遵循 进 化 论 中优 胜 劣汰 的 原 则 ， 只 有那 些 受 抗 原 激 励 程 度 高 的抗 体 才进 行 克 隆增 殖 ， 那 些 受抗 原激 励 水 平 较低 的抗 体 不 发 生 克 隆增殖 抗 体 的克 隆 增殖 按 以下 规 则进 行 每 种 抗 体 细 胞 克 隆 增 殖 的数 目与 其 所 受 到 的激 励 水 平 成 正 比 受激励越 大 的抗 体 克 隆 的数 目越 多 受激 励 越 小 的抗 体 克 隆 的数 目越 少 ， 由于 受抗 原笼激励 所 导致 的抗 体 鱿的克 隆数 目为 ，、。 一 ’ 一 “ ’ 毓 ‘ ， 抗 体 经 克 隆选 择 过 程 后 新 生 成 的抗 体 为 从勺 心 二 甄 卜以阮︺ 一 鱿熟… 一 其 中 ， 。 任 〔 ， 」 “ ’ ， … ， 积 ， … ， 对 鱿进 行 归 一 化 处 理 ’ 厅 二石 ‘ 作 为 新 生成 的抗 体 把 抗 原与抗 体 间 的欧 氏距 离 作 为衡 量 二者 之 间 匹配程度 的一个 指标 将抗 原 中 的每 个 元 素 分 别 与抗 体 中 的每 个 元 素 相 匹配 ， 对 任 意 抗 原戈和 任 意 抗 体 耳 ， 二 者 之 间 的 欧 氏距 离 可 通 过 下 式 计 算 武，、 井了酥几弄 定 义 一 为 抗 体 耳受 到 来 自抗 原戈 的激 励 抗 体 受 抗 原激励 阂值 为 相 应 的抗 体 经 克 隆 选 择 过 程 后 新 生 成 的抗 体 矩 阵 为 尤 ， … ， 抗 体 的 自适 应 变 异 生物 免 疫 系 统 具 有 自适 应 调 节 能 力 ， 抗 体 细 胞 可 根 据 入 侵 抗 原 的情 况 自适 应 的进 行 变 异 调 整 ， 以便 使得 其 与所 识 别 的抗 原 以更 高 的亲和 力 相 匹 配 ， 更 好 地 实现 免 疫 防 御 的 能 力 ， 在 抗 体变 异 过 程 中 ， 免疫 细胞 根 据 其 与抗 体 的 匹 配 程度 及 其 所 受 到 的抗 原 的激励 水 平 ， 自适 应地 调 整 变 异 的速 率 抗 体 变 异 过程 遵 循 下 述 规 则 在 变 异 过 程 中 每 种 免 疫 细 胞 变 异 的速 率 与 其 受 抗 原 的激 励 程 度 的大 小 成 反 比 其 受 抗 原 的激励 越 大 ， 变 异 越 小 其 受抗 原 的激 励 越 小 ， 变异 越大 ， 定 义 刀 为 抗 体 琴受 到抗 原戈刺 激 后 的变 异 速 率 ， 由抗 原戈 的入侵 引起 的 鱿的克 隆所 生 成 的抗 体 州 变 异为 严 一 犁明比一 黔 ， 。 职” 二 犁 ， 其 他 定 理 克 隆变异 后 新 生 成 的抗 体 具 有 与 入 侵 抗 原 更 高的亲和 度 证 明 因 为 戈一 卿 二 戈一 〔砰 谓氏一 娜 一户氏一 卿

Vol.27 No.2 位耀光等：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 ·247· 从而， 「W1 w11…w1a 炎器1-a W=:=:. (17) Ww…w 由于X与均为单位空间向量，所以X与之 其中，w,∈0,1]m；i=1,,z;广=1，，m.从而完成 间的欧氏距离0≤d)≤1，即0≤B≤1，从而 了知识的学习和经验的积累，同时实现免疫自稳 1一B<1,所以比"更接近于抗原X,即经克 功能. 隆变异后生成的抗体具有与入侵抗原更高的亲 免疫细胞经历抗体的克隆选择、变异、免疫 和度， 自稳调节等阶段后生成抗体记忆矩阵，该抗体矩 对变异后的个体进行标准化处理： 阵是由于抗原的入侵引起的，其与入侵抗原存在 pnow =Yr可 (13) 着某种对应映射关系，这也就是通常所说的抗体 经过变异过程后免疫系统的抗体为： 是抗原在免疫系统内的内映像，当免疫系统再次 Y=UY (14) 遇到同一抗原或类似抗原的入侵时，由于抗体记 变异保证了新产生的抗体具有充足的多样 忆矩阵的存在，免疫系统迅速产生特定的应答反 性，这是免疫系统自适应、自学习特性的重要体 应，把相应的抗原归为已存在的类别，实现免疫 现.通过变异过程，使得所建立的算法模型具有 系统动态监视的功能. 了自适应、自学习特性，能更好地适应外界环境 综上所述，本文所提出的免疫算法具有以下 特征：通过克隆选择过程建立抗体记忆矩阵来描 的变化.系统通过重复进行上述工作来增强自己 识别抗原的性能， 述原始数据的特征：利用所建立的抗体记忆矩阵 2.3抗体记忆细胞的自然选择 完成对相应数据的识别，在实际计算中，可以利 用它的上述特性来实现模式识别功能， 在抗体细胞经历克隆、变异过程之后，达到 了较高的浓度水平，能够很好的消灭抗原，实现 3 免疫算法在加热炉状态识别中 免疫防御的功能.抗原被消灭之后，由于抗体处 于较高的浓度水平，免疫系统达到新的不平衡开 的应用 始进行自我调节过程，免疫系统的自我调节过程 类似于物种的自然选择过程.经克隆变异后抗体 选取某钢厂的加热炉数据进行状态识别，以 中那些具有较高抗原刺激度的抗体转化为具有 验证本文所提出的免疫算法的有效性，实验选取 较长寿命的记忆细胞，而那些具有较低抗原刺激 加热炉数据进行识别，要求输入的炉子状态有： 度的抗体则随着抗原的消亡而衰老消亡.根据免 均热段、加热I段、加热Ⅱ段的温度、燃料流量、 疫网络学说，抗体不仅能够识别抗原，还能识别 空气流量、燃料压力、空气压力、氧气浓度等18 自身，引起自身免疫应答反应，发生自身免疫性 个特征.加热炉的状态分为四类，即正常、过热、 疾病，因此，为了消除自身免疫，根据免疫网络学 炉压低、炉温低.由于用于分类的18个特征代表 说，需要对那些能够自我识别的抗体进行抑制. 不同的意义，具有不同的量纲.因此需要对数据 定义 进行标准化，采用下式对原始数据进行标准化： 号2i) 等=四j=,18 (18) 6= g(q-1) (15) 其中，为第j个特征的均方差. 由于所选取的样本具有18个特征，使得计算 为系统选择记忆细胞的域值，则抗体经自然选择 的复杂度大大增加，为了消除这些特征之间的相 过程后转化为记忆细胞： [Y p<dliji)< 关性，减少数据冗余，用主成分分析法对这些数 y-0.其他 i,j=1,,9 (16) 据进行预处理，这样经过预处理后原先的数据变 式中，p为抗体抑制域值 为四维， 免疫系统通过对所处理数据的训练学习，获 选取100组数据进行数值实验.实验中，先提 得抗体记忆矩阵W: 取70组作为训练数据，采用本文所提出的算法

位 耀 光 等 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 从 而 ， 矍习翌 戈一 鲜 拟 一 厂 由于戈与 耳均 为单 位 空 间 向量 ， 所 以戈与 耳之 间 的 欧 氏 距 离 ‘ ‘ ， 即 ‘ 刀‘ ， 从 而 一刀 ， 所 以 州 比 衅 更 接 近 于 抗 原戈 ， 即经 克 隆变 异 后 生 成 的抗 体 具 有 与 入 侵 抗 原 更 高 的亲 和 度 对 变 异 后 的个 体进 行 标 准 化 处 理 班 ‘ ’ 尸 一 二 一 城 ， 其 中 ， ， 任 阳 ， 」 “ 二 ， … ， 不 从 而 完 成 、了 一月 ﹃ 、了， 姗 护 半 经 过 变 异 过 程 后 免疫 系统 的抗 体 为 二 宁 叭 了 变 异 保 证 了新 产 生 的抗 体 具 有 充 足 的 多样 性 ， 这 是 免 疫 系 统 自适 应 、 自学 习 特 性 的重 要 体 现 通 过 变 异 过 程 ， 使得 所 建 立 的算 法 模 型 具 有 了 自适 应 、 自学 习 特 性 ， 能 更 好 地 适 应 外 界环 境 的变化 系 统 通 过 重 复进行 上述 工 作来 增 强 自己 识 别 抗 原 的性 能 抗 体 记 忆细 胞 的 自然 选 择 在抗 体 细 胞 经 历 克 隆 、 变异 过 程 之 后 ， 达 到 了较 高 的浓 度 水 平 ， 能够 很 好 的消 灭 抗 原 ， 实现 免疫 防御 的功 能 抗 原 被 消 灭 之 后 ， 由于 抗 体 处 于较 高 的浓 度 水平 ， 免疫 系 统达 到新 的不 平 衡 开 始进行 自我 调 节 过 程 免疫 系统 的 自我 调 节 过程 类 似 于 物种 的 自然 选 择 过程 经 克 隆变异 后 抗 体 中那 些 具 有 较 高 抗 原 刺 激 度 的抗 体 转 化 为 具 有 较 长 寿命 的记 忆 细胞 ， 而那 些 具有较低 抗 原 刺 激 度 的抗 体则 随着 抗 原 的消亡 而 衰 老 消亡 根据 免 疫 网络 学 说 ， 抗 体 不 仅 能够 识 别 抗 原 ， 还 能 识 别 自身 ， 引起 自身 免 疫 应 答 反应 ， 发 生 自身 免疫 性 疾病 因此 ， 为 了消 除 自身免疫 ， 根据 免疫 网 络 学 说 ， 需要 对 那 些 能够 自我 识 别 的抗 体 进行 抑 制 定 义 了知 识 的学 习 和 经验 的积 累 ， 同时实现 免疫 自稳 功 能 免 疫 细 胞 经 历 抗 体 的克 隆选 择 、 变 异 、 免 疫 自稳 调 节 等 阶 段 后 生成 抗 体记 忆 矩 阵 ， 该抗 体矩 阵是 由于抗 原 的入 侵 引起 的 ， 其 与入 侵 抗 原存 在 着 某 种 对 应 映射 关 系 ， 这 也 就 是通 常所 说 的抗 体 是抗 原在 免 疫 系 统 内的 内映像 当免 疫 系 统 再 次 遇 到 同一 抗 原或类 似抗 原 的入侵 时 ， 由于 抗 体记 忆矩 阵 的存 在 ， 免疫 系 统迅速 产 生特 定 的应 答 反 应 ， 把 相 应 的抗 原 归 为 已 存 在 的类 别 ， 实现 免疫 系 统 动 态 监 视 的功 能 综 上 所 述 ， 本 文 所 提 出 的免 疫算法 具有 以下 特 征 通 过 克 隆选 择 过程 建立 抗 体记 忆 矩 阵来 描 述 原始 数 据 的特 征 利 用 所 建 立 的抗 体 记 忆矩 阵 完 成 对 相 应 数据 的识别 在 实 际计 算 中 ， 可 以利 用 它 的上 述特 性 来 实现 模 式 识 别 功 能 二色全 气 一不不 望左二 卫 为系 统选 择 记 忆 细胞 的域 值 ， 则 抗 体经 自然 选择 过 程 后 转 化 为记 忆 细 胞 耳 ， 咨 ， 其 他 ， ， 一 ， 式 中 ， 为 抗 体 抑 制 域值 免疫 系 统通 过对 所 处 理 数 据 的训 练 学 习 ， 获 得 抗 体记 忆 矩 阵 砰 免疫 算 法 在 加 热 炉 状 态 识 别 中 的应 用 选 取 某钢 厂 的加 热 炉数 据 进 行 状 态 识 别 ， 以 验 证 本 文 所 提 出 的 免疫 算法 的有 效 性 实验选 取 加 热 炉 数 据 进 行 识 别 ， 要 求 输 入 的炉 子 状 态 有 均 热 段 、 加 热 段 、 加 热 段 的温 度 、 燃 料 流 量 、 空气 流 量 、 燃 料 压 力 、 空 气 压 力 、 氧 气 浓 度 等 个 特 征 加 热 炉 的状 态 分 为 四类 ， 即 正 常 、 过 热 、 炉 压 低 、 炉温 低 由于用 于 分类 的 个 特 征 代 表 不 同 的意 义 ， 具 有 不 同 的量 纲 因此 需要 对 数 据 进 行 标 准 化 ， 采 用 下 式对 原始 数 据 进 行 标 准 化 ‘ 一 晋 一 ‘ ， 一 一 ，一 ‘ ‘ 其 中 ， 瓦为勤个 特 征 的均 方 差 由于 所 选 取 的样 本 具有 个特 征 ， 使 得计 算 的复 杂度 大 大 增 加 为 了 消 除这 些特 征 之 间 的相 关 性 ， 减 少 数 据 冗 余 ， 用 主 成 分 分 析 法 对 这 些 数 据进 行 预 处 理 这样 经 过 预 处理 后 原先 的数据 变 为 四维 选 取 组 数 据进行 数值 实验 实验 中 ， 先提 取 组 作 为 训 练 数 据 ， 采 用 本 文 所 提 出 的算 法

.248· 北京科技大学学报 2005年第2期 对其进行训练学习，通过建立起抗体记忆矩阵完 描述原始数据特征.为了研究最终抗体矩阵规模 成知识的学习与积累，而后把余下的30组数据 随p变化情况，定义数据压缩率C为： 作为检测样本，用以检验其识别能力，在实验过 C。-n-sM×100 S(Y) (19) 程中，通过改变抗体抑制域值P,来研究其对识别 式中，S()表示原始样本数：SM0表示抗体记忆矩 正确率的影响.实验结果如图1所示 阵样本数， 由图1可以看出，该算法具有较高的识别能 实验中，通过逐渐改变P的大小来研究其对 力，能够正确识别出加热炉的四种状态，从图中 抗体记忆矩阵的影响.实验结果如图2所示. 可以看出，只要选取合适的P值，就可以保证算法 从图2可以看出：取值较小时抗体矩阵规模 具有较好的识别效果， 大于原始数据规模：随着P的增大，抗体记忆矩阵 最终抗体矩阵规模的大小直接关系着运算 规模迅速减小，在实际应用中，为了提高运算效 的效率，如果抗体记忆矩阵规模过大，则易造成 率，同时保证系统具有较好的识别效果，p取值为 运算效率降低：抗体矩阵规模过小，则不能很好 0.15比较合适. 100 100 50 80 40 -50 -100 0.05 0,10 0.15 0.20 0.05 0.10 0.15 0.20 图1p对识别率的影响 图2P对压缩率的影响 Fig.1 Effect ofp on recognition ratio Fig.2 Effect of p on compression ratio 4结论 (CEC).Canbara,2003.123 [2】郑德玲，梁瑞鑫，付冬梅，等.人工免疫系统及人工免疫遗 本文中介绍了一种基于生物克隆选择机理 传算法在优化中的应用.北京科技大学学报，2003,25(3)： 284 和免疫网络理论的免疫算法，该算法通过克隆选 []梁瑞鑫，郑德玲，免疫遗传算法在高炉焦比目标优化中的 择、抗体变异过程来识别抗原，实现免疫监视功 应用，第二十一屈中国控制会议论文集。杭州：浙江大学 能.在抗体变异过程中，采用自适应方法对抗体 出版社，2002 进行自适应调整，使得所建立的系统具有较好的 [4]位耀光，郑德玲，周颗.一种新的免疫应答模型的研究及 应用.北京科技大学学报，2004,26(4)：322 自适应、自学习能力，利用免疫网络调节的思想 [5]Marwah G,Boggess L.Artificial immune systems for classifica- 建立抗体记忆矩阵，完成知识的学习和积累，实 tion:some issues.In:Proceedings of ICARIS 2002.Canterbury, 现免疫自稳，使系统具有良好的自学习能力，本 2002.149 文对所提出的算法模型用于加热炉的状态识别， [6]Watkins,Timmis J.Artificial immune recognition system (AIRS):Revisions and refinements.In:Proceedings of ICARIS 实验结果表明该模型具有较好识别效果 2002.Canterbury,2002,173 [7]de Castro L N,von Zuben F J.An artificial immune network for 参考文献 data analysis.In:Abbas HA,Sarker RA,Newton CS,et al.Data [1]Dasgupta D,Ji Z,Gonzilez F.Artificial immune system (AIS) Mining:A Heuristic Approach.Idea Group Publishing,2001. research in the last five years.In:The Proceedings of the Inter- 231 national Conference on Evolutionary Computation Conference

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 对 其 进 行 训 练 学 习 ， 通 过 建 立起 抗 体记 忆 矩 阵完 成 知 识 的学 习 与 积 累 而 后 把 余 下 的 组 数 据 作 为 检 测 样 本 ， 用 以检 验 其 识 别 能力 在 实验 过 程 中 ， 通 过 改变 抗 体抑制 域值 ， 来研 究其 对 识 别 正 确 率 的影 响 实验 结 果 如 图 所 示 由 图 可 以看 出 ， 该 算 法 具 有 较 高 的识 别 能 力 ， 能够 正 确 识 别 出加 热 炉 的 四种 状 态 从 图 中 可 以看 出 ， 只 要选 取 合适 的 值 ， 就 可 以保 证 算法 具 有 较 好 的识 别 效 果 最 终 抗 体 矩 阵 规 模 的 大 小 直 接 关 系 着 运 算 的效 率 如 果 抗 体 记 忆 矩 阵规 模 过 大 ， 则 易造 成 运 算 效 率 降低 抗 体 矩 阵规 模 过 小 ， 则 不 能 很 好 描 述 原 始数 据特 征 为 了研 究 最 终抗 体 矩 阵规模 随 变 化 情 况 ， 定 义 数 据 压 缩 率 为 七 。 一 约一 习 动 － 下不东石不 己气 一 又 式 中 ， 力表 示 原始 样 本 数 卿表 示 抗 体记 忆 矩 阵样 本 数 实验 中 ， 通 过 逐 渐 改变 的大 小 来研 究其对 抗 体 记 忆 矩 阵 的影 响 实验 结 果 如 图 所 示 从 图 可 以看 出 取 值 较 小 时抗 体 矩 阵规 模 大 于 原始 数据 规模 随着 的增 大 ， 抗 体 记 忆矩 阵 规 模迅速 减 小 在 实 际 应 用 中 ， 为 了提 高 运 算 效 率 ， 同时保 证 系 统 具有 较好 的识 别 效 果 ， 取 值 为 巧 比较 合 适 、 、呱 米八 、 带 半深带带 半 带 芳 沐一餐米条米 厂带米 奋 ‘ ‘ 丫 厂一厂 一 ” ‘ 一 了一 “ 排蠕田次 卜 屯 一 图 对 识 别 率 的 影 响 一 图 对 压 缩 率 的 影 响 结 论 本 文 中介 绍 了一 种 基 于 生 物 克 隆 选 择 机 理 和 免 疫 网络 理 论 的免疫 算法 ， 该算 法 通 过 克 隆选 择 、 抗 体 变 异 过 程 来 识 别抗 原 ， 实 现 免 疫 监 视 功 能 在 抗 体 变 异 过 程 中 ， 采 用 自适应 方 法对 抗 体 进 行 自适 应 调 整 ， 使 得 所建 立 的系 统 具 有 较 好 的 自适 应 、 自学 习 能力 利 用 免 疫 网络 调 节 的思 想 建 立 抗 体 记 忆 矩 阵 ， 完 成 知 识 的学 习 和 积 累 ， 实 现 免 疫 自稳 ， 使 系 统 具有 良好 的 自学 习 能 力 本 文对 所 提 出 的算 法 模 型用 于 加热 炉 的状态 识 别 ， 实验 结 果表 明该模 型 具 有 较 好 识 别 效 果 参 考 文 献 ， 。 注 ， ， 郑 德 玲 ， 梁 瑞 鑫 ， 付 冬梅 ， 等 人工 免疫 系统 及人工 免疫遗 传算法在 优化 中 的应 用 北 京 科技 大 学 学报 ， ， 梁瑞鑫 ， 郑 德 玲 免疫遗传 算法在 高炉焦 比 目标优 化 中 的 应用 ， 第二 十一届 中国控 制会 议 论文 集 杭州 浙 江 大 学 出版社 ， 口 位耀 光 ， 郑 德 玲 ， 周 颖 一 种 新 的免 疫 应答模 型 的研究 及 应 用 北京 科技 大 学学报 ， ， 【 ， ， 【 ， ， 川刀 爪 ， ， ， ， 刀 】刀 玩 ， ， ，

Vol.27 No.2 位耀光等：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 ·249· Artificial immune algorithm based on biological immune clone selection and im- mune network theory WEI Yaoguang,ZHENG Deling,FU Dongmei,ZHOU Ying Information Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The paper proposed an immune algorithm based on the mechanism exhibited in biological immune clone selection and the immune network theory.The algorithm eliminates antigen by clone selection and mutation, accumulates knowledge by selection of antibody memory cells which inspired by the immune network theory,and realizes immune homeostasis.The function of antibody memory cells is immune surveillance.The self-adaptation of antibody is realized by the immune mutation mechanism,which makes the algorithm self-learning and self-ad- aptive.The results of an application study on the pattern recognition of heat furnaces shows that the algorithm has good abilities of pattern recognition and data compress. KEY WORDS artificial immune;clone selection;self-adaptation;pattern recognition (上接第239页) dies of obround ladles during preheating and use.I&SM,1993(6): [13]刘青，卢灼洪，李秋民，等，方坯高效连铸钢包运行系统的 37 物理模型.钢铁，1999,34（增刊）：476 [11]李顶宜，钢包热循环过程传热物理数学模型的研究及应 [14]刘青，田乃媛，殷瑞钰，炼钢厂系统的运行原则与调控策 用研究：[学位论文].北京：清华大学热能系，1994 略.过程工程学报，2003,32)：171 [12]王秋履，贺世成。25t转炉炉外铜水温降规律研究总结. [15]刘青.现代长材型转炉炼钢厂的模式优化研究：[学位论 炼钢，1996,12(5)：14 文1.北京：北京科技大学，2002 Control strategy for ladle running LIU Qing,ZHAO Ping,WU Xiaodong,TIAN Naiyuan 1)Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Xinjiang Tianji Iron and Steel Co.Ltd.,Kuitun 833200,China, 3)School of Material Science,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China ABSTRACT The theory of metallurgical process engineering was applied to further analysis of steel ladle cycling, and general research was done to extensively optimize the temperature of liquid steel in steelmaking production.A ladle running control technology was summarized,which included six contents:process analysis of ladle cycle, mathematical description of ladle running time,three calculating methods of employed ladle,temperature drop of ladle cycling,frequency of ladle operating,and optimization of ladle turnaround.This technology has been put into five converter plants,and good effects were acquired. KEY WORDS metallurgical process engineering;BOF steelmaking shop;ladle running;time parameter;tem- perature parameter

、勺 位耀 光 等 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 一 砂百 ， 刀 ， 切 刀之 ， 八， 万 飞 ， 】 雌 ， ， 」刀 油 加 ， 勿 取 仁 ， 吞 仁 勿 助 · 上 接 第 页 雌 ， 【川 李顶 宜 钢 包 热 循环 过程传热 物 理数 学模 型 的研 究及应 用 研 究 学位 论文 北 京 清 华大 学 热 能 系 ， 【 王 秋 霞 ， 贺世成 转炉 炉 外钢 水 温 降规 律研究总 结 炼 钢 ， ， 刘 青 ， 卢 灼洪 ， 李秋 民 ， 等 方 坯高 效连铸钢 包 运 行系 统 的 物 理模 型 钢 铁 ， ， 增 刊 【 刘 青 ， 田 乃 媛 ， 殷瑞饪 炼钢 厂 系 统 的运行 原 则 与 调 控策 略 过 程 工 程 学报 ， ， 「习 刘 青 现 代长 材型 转 炉 炼钢 厂 的模式 优 化研究 仁学位论 文 北 京 北 京 科 技大 学 ， ，乙从哎口 刀 ，环 尸 犷气了又咬 ” ， 群 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 】 飞双刀〕 ， ， ， 叮 ， ， ， ， ·