《不完全信息代謝網路廣義和混雜系統建模及最佳化控制》是依託福建師範大學，由葉劍雄擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：不完全信息代謝網路廣義和混雜系統建模及最佳化控制
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：葉劍雄
- 依託單位：福建師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
生物代謝系統是由代謝物和代謝反應所構成複雜網路，其信息往往不能完全獲悉。本項目擬從以下三方面對一類代謝系統進行研究：第一，針對代謝網路信息不完全和缺少代謝物觀測數據等問題，利用結構動力學建模和代謝控制分析等方法，構建廣義動力學模型，對系統進行定性分析和預測，並確定關鍵代謝物和代謝反應；第二，針對關鍵代謝路徑機理不清問題，綜合運用經驗和機理建模方法，依生物魯棒性建立並求解一簇非線性混雜動力系統約束的混合最佳化參量辨識問題；第三，利用不連續微分方程理論、非光滑最佳化、變分原理和一致逼近理論等數學工具，研究混雜狀態空間度量、混雜系統適定性及最優控制等問題。本項目涉及生物數學、控制論、生物化工、系統科學、工程學和計算機科學等領域，是多學科交叉的新興學科分支。該項研究可為不完全信息的代謝系統研究提供有力的分析和計算方法，為基因工程改造和生化過程控制提供參考，並可豐富廣義和混雜系統建模和最佳化的研究。
結題摘要
數學方法和計算軟體是生化系統研究的重要工具，特別是在生物代謝水平的研究中，實驗技術的限制以及生物代謝系統的複雜性，使得代謝系統往往不能完全地被認知。而數學工具可以作為一種輔助方法，通過對複雜代謝系統的分析，能夠提供有用的信息，有助於對系統的了解。代謝系統建模是運用數學方法研究生物系統的基礎。本項目以生物代謝系統的建模方法和最佳化控制為研究對象，自項目開展以來，考慮並解決了如下三個問題：第一，針對信息不完全的克雷伯氏菌中甘油代謝還原途徑，建立了結構動力學模型，分析了基因調控過量表達關鍵酶對代謝系統的穩定性的影響，該項工作為菌種改造效果提供了一種預測分析方法；第二，運用混雜系統建模刻畫了具有信息不完全的代謝系統的動力學行為，並在缺乏足夠實驗數據的情況下，從生物系統的魯棒性出發，給出了一種魯棒性定量定義，作為系統辨識的性能指標，研究了該指標的性質，並給出了逼近計算方法，該項工作彌補了項目組以往關於生物魯棒性定義的不適定問題，搭建了一種生物魯棒性嚴格化定義和項目組以往近似定義的關係，使得項目組在生物魯棒性的理論工作更加完善；第三，基於混雜系統最優控制理論與算法，設計了微生物發酵系統最優控制問題的數值算法，並給出了最優控制策略和自動控制方案設計，該項工作從參數靈敏度的角度設計了混雜系統的數值最優控制算法，避免了（倒向）協態方程的數值求解，豐富了混雜系統數值最優控制的套用，同時也為一種典型的微生物發酵批式流加控制系統提供了數值計算方法。
