Zastosowanie sztucznych systemów immunologicznych w zagadnieniach optymalizacji 26 października 2011
Agenda Wprowadzenie 1 Wprowadzenie 2 Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna 3 4
Podstawowe informacje 1 Naśladowanie natury (podobnie jak algorytmy genetyczne, ewolucyjne, algorytmy rojowe odwołujace się do samoorganizacji mrówek, ptaków, itp.).
Podstawowe informacje 1 Naśladowanie natury (podobnie jak algorytmy genetyczne, ewolucyjne, algorytmy rojowe odwołujace się do samoorganizacji mrówek, ptaków, itp.). 2 Wykorzystanie mechanizmów działajacych w układzie odpornościowym.
Podstawowe informacje 1 Naśladowanie natury (podobnie jak algorytmy genetyczne, ewolucyjne, algorytmy rojowe odwołujace się do samoorganizacji mrówek, ptaków, itp.). 2 Wykorzystanie mechanizmów działajacych w układzie odpornościowym. 3 Rozproszony system przetwarzania, operowanie na chmurze rozwiazań możliwa lepsza eksploracja przestrzeni rozwiazań niż w przypadku algorytmów operujacych w każdym kroku na jednym rozwiazaniu (np. problem znalezienia minimum/maksimum funkcji wielomodalnej).
Przykładowe zastosowania optymalizacja,
Przykładowe zastosowania optymalizacja, eksploracyjna analiza danych (Sławomir Wierzchoń et al. wyodrębnianie jednorodnych grup tematycznych w dużych zbiorach dokumentów tekstowych inspirowane mechanizmem formowania pamięci immunologicznej),
Przykładowe zastosowania optymalizacja, eksploracyjna analiza danych (Sławomir Wierzchoń et al. wyodrębnianie jednorodnych grup tematycznych w dużych zbiorach dokumentów tekstowych inspirowane mechanizmem formowania pamięci immunologicznej), systemy uczace się (STARLAB rozwiazywanie zadań maszynowego uczenia się i wnioskowania w czasie rzeczywistym),
Przykładowe zastosowania optymalizacja, eksploracyjna analiza danych (Sławomir Wierzchoń et al. wyodrębnianie jednorodnych grup tematycznych w dużych zbiorach dokumentów tekstowych inspirowane mechanizmem formowania pamięci immunologicznej), systemy uczace się (STARLAB rozwiazywanie zadań maszynowego uczenia się i wnioskowania w czasie rzeczywistym), uniwersalne systemy antywirusowe (Symantec Digital Immune System, http://www.symantec.com/avcenter/reference/dis.tech.brief.pdf).
Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Warstwowa struktura systemu immunologicznego Naturalny system immunologiczny można przedstawić w strukturze warstwowej: 1 skóra podstawowa bariera ochronna,
Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Warstwowa struktura systemu immunologicznego Naturalny system immunologiczny można przedstawić w strukturze warstwowej: 1 skóra podstawowa bariera ochronna, 2 czynniki fizjologiczne (ph, temperatura) stwarza niekorzystne warunki dla rozwoju obcych organizmów,
Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Warstwowa struktura systemu immunologicznego Naturalny system immunologiczny można przedstawić w strukturze warstwowej: 1 skóra podstawowa bariera ochronna, 2 czynniki fizjologiczne (ph, temperatura) stwarza niekorzystne warunki dla rozwoju obcych organizmów, 3 odporność nieswoista (wrodzona) nie podlega modyfikacjom, jej rola jest natychmiastowe wszczęcie akcji obronnej, co daje czas na przygotowanie odpowiedzi przez adaptacyjna warstwę układu,
Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Warstwowa struktura systemu immunologicznego Naturalny system immunologiczny można przedstawić w strukturze warstwowej: 1 skóra podstawowa bariera ochronna, 2 czynniki fizjologiczne (ph, temperatura) stwarza niekorzystne warunki dla rozwoju obcych organizmów, 3 odporność nieswoista (wrodzona) nie podlega modyfikacjom, jej rola jest natychmiastowe wszczęcie akcji obronnej, co daje czas na przygotowanie odpowiedzi przez adaptacyjna warstwę układu, 4 odporność swoista (adaptacyjna) posiada zdolność do ciagłej adaptacji procesu rozpoznawania nowo pojawiajacych się antygenów, a także przechowywania informacji o już rozpoznanych antygenach (pamięć immunologiczna).
Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Warstwowa struktura systemu immunologicznego
Odporność wrodzona Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki wrodzonego układu odpornościowego to komórki żerne (makrofagi, granulocyty) oraz tzw. dopełniacz.
Odporność wrodzona Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki wrodzonego układu odpornościowego to komórki żerne (makrofagi, granulocyty) oraz tzw. dopełniacz. Eliminacja antygenów:
Odporność wrodzona Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki wrodzonego układu odpornościowego to komórki żerne (makrofagi, granulocyty) oraz tzw. dopełniacz. Eliminacja antygenów: uszkodzenie powierzchni komórki antygenu, przez co ona obumiera,
Odporność wrodzona Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki wrodzonego układu odpornościowego to komórki żerne (makrofagi, granulocyty) oraz tzw. dopełniacz. Eliminacja antygenów: uszkodzenie powierzchni komórki antygenu, przez co ona obumiera, otoczenie antygenu przez przeciwciała, komórki żerne pochłaniaja obca komórkę, a następnie ja neutralizuja.
Odporność adaptacyjna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki warstwy adaptacyjnej limfocyty B (produkcja przeciwciał rozpoznajacych określony antygen) oraz limfocyty T.
Odporność adaptacyjna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki warstwy adaptacyjnej limfocyty B (produkcja przeciwciał rozpoznajacych określony antygen) oraz limfocyty T. Rodzaje limfocytów T:
Odporność adaptacyjna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki warstwy adaptacyjnej limfocyty B (produkcja przeciwciał rozpoznajacych określony antygen) oraz limfocyty T. Rodzaje limfocytów T: wspomagajace (decyduja o aktywacji limfocytów B oraz komórek żernych),
Odporność adaptacyjna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki warstwy adaptacyjnej limfocyty B (produkcja przeciwciał rozpoznajacych określony antygen) oraz limfocyty T. Rodzaje limfocytów T: wspomagajace (decyduja o aktywacji limfocytów B oraz komórek żernych), cytotoksyczne (rozpoznaja komórki prezentujace obce lub nieprawidłowe białka i niszcza je),
Odporność adaptacyjna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki warstwy adaptacyjnej limfocyty B (produkcja przeciwciał rozpoznajacych określony antygen) oraz limfocyty T. Rodzaje limfocytów T: wspomagajace (decyduja o aktywacji limfocytów B oraz komórek żernych), cytotoksyczne (rozpoznaja komórki prezentujace obce lub nieprawidłowe białka i niszcza je), supresyjne (hamuja nadmiernie aktywne komórki układu odpornościowego),
Odporność adaptacyjna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna Podstawowe składniki warstwy adaptacyjnej limfocyty B (produkcja przeciwciał rozpoznajacych określony antygen) oraz limfocyty T. Rodzaje limfocytów T: wspomagajace (decyduja o aktywacji limfocytów B oraz komórek żernych), cytotoksyczne (rozpoznaja komórki prezentujace obce lub nieprawidłowe białka i niszcza je), supresyjne (hamuja nadmiernie aktywne komórki układu odpornościowego), pamięciowe (pamięć immunologiczna).
Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna 1 Limfocyty występujace w systemie immunologicznym sa bardzo zróżnicowane.
Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna 1 Limfocyty występujace w systemie immunologicznym sa bardzo zróżnicowane. 2 Określony antygen może być rozpoznawany jedynie przez niewielka część limfocytów.
Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna 1 Limfocyty występujace w systemie immunologicznym sa bardzo zróżnicowane. 2 Określony antygen może być rozpoznawany jedynie przez niewielka część limfocytów. 3 Mechanizm selekcji klonalnej (namnożenie odpowiednich przeciwciał, bioracych udział w zwalczaniu antygenu).
Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna 1 Limfocyty występujace w systemie immunologicznym sa bardzo zróżnicowane. 2 Określony antygen może być rozpoznawany jedynie przez niewielka część limfocytów. 3 Mechanizm selekcji klonalnej (namnożenie odpowiednich przeciwciał, bioracych udział w zwalczaniu antygenu). 4 Mechanizm selekcji negatywnej (działa w stosunku do limfocytów rozpoznajacych własne komórki).
Selekcja klonalna i negatywna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna
Selekcja klonalna i negatywna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna 1 Selekcja negatywna usuwane sa te limfocyty, które ulegaja stymulacji poprzez komórki własne organizmu. 2 Selekcja klonalna: Uaktywnione limfocyty B zaczynaja się intensywnie dzielić, produkujac wiele krótko żyjacych klonów, Klony podlegaja hipermutacji, Populacja zmutowanych klonów jest poddawana ocenie stopnia dopasowania do antygenu; klony słabo wiaż ace antygen sa usuwane, natomiast klony o wysokim stopniu dopasowania przekształcaja się po pewnym czasie w komórki plazmatyczne lub komórki pamięciowe, Komórki plazmatyczne produkuja wolne przeciwciała, które łacz ac się z antygenem wskazuja go komórkom żernym do eliminacji, komórki pamięciowe pozostaja w organizmie przez dłuższy czas i biora aktywny udział we wtórnej odpowiedzi immunologicznej.
Pamięć immunologiczna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna FAKT System immunologiczny utrzymuje przez dłuższy czas informacje o rozpoznanym antygenie, tak, że przy kolejnym jego pojawieniu się jest on natychmiastowo rozpoznawany i likwidowany (wtórna odpowiedź immunologiczna).
Pamięć immunologiczna Struktura układu odpornościowego Adaptacja i dywersyfikacja systemu immunologicznego Pamięć immunologiczna FAKT System immunologiczny utrzymuje przez dłuższy czas informacje o rozpoznanym antygenie, tak, że przy kolejnym jego pojawieniu się jest on natychmiastowo rozpoznawany i likwidowany (wtórna odpowiedź immunologiczna). TEORIE Okres życia komórek pamięciowych, w odróżnieniu od zwykłych limfocytów, może być porównywalny z okresem życia całego organizmu. Komórki immunologiczne sa bezustannie stymulowane, co pozwalala im zostać aktywnymi.
(De Castro, Von Zuben, Timmis) Generacja nowej populacji P osobników (komórek) rozwiazań kandydujacych, zawierajacej podzbiór komórek pamięciowych + pozostała populacja,
(De Castro, Von Zuben, Timmis) Generacja nowej populacji P osobników (komórek) rozwiazań kandydujacych, zawierajacej podzbiór komórek pamięciowych + pozostała populacja, Wybór n-osobników z najwyższym stopniem dopasowania,
(De Castro, Von Zuben, Timmis) Generacja nowej populacji P osobników (komórek) rozwiazań kandydujacych, zawierajacej podzbiór komórek pamięciowych + pozostała populacja, Wybór n-osobników z najwyższym stopniem dopasowania, Klonowanie każdego z wybranych osobników w ilości proporcjonalnej do jego stopnia dopasowania (liczba klonów wytwarzana przez pojedyncza komórkę jest zazwyczaj proporcjonalna do jej stopnia dopasowana, jednakże istnieja także rozwiazania, w których ilość ta jest stała dla każdej z wybranych komórek),
(De Castro, Von Zuben, Timmis) Hipermutacja sklonowanych osobników odwrotnie proporcjonalnie do stopnia dopasowania:
(De Castro, Von Zuben, Timmis) Hipermutacja sklonowanych osobników odwrotnie proporcjonalnie do stopnia dopasowania: punktowa zmiana pojedynczego, losowo wybranego elementu,
(De Castro, Von Zuben, Timmis) Hipermutacja sklonowanych osobników odwrotnie proporcjonalnie do stopnia dopasowania: punktowa zmiana pojedynczego, losowo wybranego elementu, wielopunktowa zmiana kilku losowych pozycji,
(De Castro, Von Zuben, Timmis) Hipermutacja sklonowanych osobników odwrotnie proporcjonalnie do stopnia dopasowania: punktowa zmiana pojedynczego, losowo wybranego elementu, wielopunktowa zmiana kilku losowych pozycji, probabilistyczna każda pozycja jest mutowana z określonym prawdopodobieństwem,
(De Castro, Von Zuben, Timmis) Hipermutacja sklonowanych osobników odwrotnie proporcjonalnie do stopnia dopasowania: punktowa zmiana pojedynczego, losowo wybranego elementu, wielopunktowa zmiana kilku losowych pozycji, probabilistyczna każda pozycja jest mutowana z określonym prawdopodobieństwem, Ponowny wybór ulepszonych osobników, utworzenie z nich zbioru komórek pamięciowych M,
(De Castro, Von Zuben, Timmis) Hipermutacja sklonowanych osobników odwrotnie proporcjonalnie do stopnia dopasowania: punktowa zmiana pojedynczego, losowo wybranego elementu, wielopunktowa zmiana kilku losowych pozycji, probabilistyczna każda pozycja jest mutowana z określonym prawdopodobieństwem, Ponowny wybór ulepszonych osobników, utworzenie z nich zbioru komórek pamięciowych M, Zastapienie określonej liczby d osobników z populacji P lepszymi klonami, osobniki z niższym stopniem dopasowania maja większe prawdopodobieństwo zastapienia.
Zalety sztucznych systemów immunologicznych Uniwersalne narzędzie do rozwiazywania problemów o różnym stopniu złożoności,
Zalety sztucznych systemów immunologicznych Uniwersalne narzędzie do rozwiazywania problemów o różnym stopniu złożoności, Dobrze przystosowane do przeszukiwania wielowymiarowej, złożonej przestrzeni rozwiazań,
Zalety sztucznych systemów immunologicznych Uniwersalne narzędzie do rozwiazywania problemów o różnym stopniu złożoności, Dobrze przystosowane do przeszukiwania wielowymiarowej, złożonej przestrzeni rozwiazań, Łatwe w implementacji,
Zalety sztucznych systemów immunologicznych Uniwersalne narzędzie do rozwiazywania problemów o różnym stopniu złożoności, Dobrze przystosowane do przeszukiwania wielowymiarowej, złożonej przestrzeni rozwiazań, Łatwe w implementacji, Algorytmy immunologiczne sa z natury równoległe.
Wady sztucznych systemów immunologicznych Brak gwarancji osiagnięcia optimum w określonym czasie,
Wady sztucznych systemów immunologicznych Brak gwarancji osiagnięcia optimum w określonym czasie, Dla każdego problemu konieczne strojenie algorytmu; niewłaściwie dobrane parametery powoduja, że algorytm "utyka",
Wady sztucznych systemów immunologicznych Brak gwarancji osiagnięcia optimum w określonym czasie, Dla każdego problemu konieczne strojenie algorytmu; niewłaściwie dobrane parametery powoduja, że algorytm "utyka", Brak formalnego aparatu matematycznego umożliwiajacego precyzyjna analizę ich własności (stosuje się np. analizę probabilistyczna).
Źródła Wprowadzenie Sławomir Wierzchoń, Sztuczne systemy immunologiczne. Teoria i zastosowania, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2001
Źródła Wprowadzenie Sławomir Wierzchoń, Sztuczne systemy immunologiczne. Teoria i zastosowania, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2001 Sławomir Wierzchoń, Algorytmy immunologiczne w działaniu: Optymalizacja funkcji niestacjonarnych, www.ipipan.waw.pl/ stw/ais/pubs/szi2001.pdf
Źródła Wprowadzenie Sławomir Wierzchoń, Sztuczne systemy immunologiczne. Teoria i zastosowania, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2001 Sławomir Wierzchoń, Algorytmy immunologiczne w działaniu: Optymalizacja funkcji niestacjonarnych, www.ipipan.waw.pl/ stw/ais/pubs/szi2001.pdf Anna Świtalska, Sztuczne systemy immunologiczne zastosowanie w optymalizacji kombinatorycznej, http://www.ipipan.waw.pl/ stw/ais/ks/index.html
Źródła Wprowadzenie Sławomir Wierzchoń, Sztuczne systemy immunologiczne. Teoria i zastosowania, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2001 Sławomir Wierzchoń, Algorytmy immunologiczne w działaniu: Optymalizacja funkcji niestacjonarnych, www.ipipan.waw.pl/ stw/ais/pubs/szi2001.pdf Anna Świtalska, Sztuczne systemy immunologiczne zastosowanie w optymalizacji kombinatorycznej, http://www.ipipan.waw.pl/ stw/ais/ks/index.html Joanna Kołodziejczyk, Obliczenia z wykorzystaniem sztucznej inteligencji, wykład V Sztuczne systemy immunologiczne, http://wikizmsi.zut.edu.pl/uploads/7/74/ozwsi_i_s1_w5.pdf
Źródła Wprowadzenie Sławomir Wierzchoń, Sztuczne systemy immunologiczne. Teoria i zastosowania, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2001 Sławomir Wierzchoń, Algorytmy immunologiczne w działaniu: Optymalizacja funkcji niestacjonarnych, www.ipipan.waw.pl/ stw/ais/pubs/szi2001.pdf Anna Świtalska, Sztuczne systemy immunologiczne zastosowanie w optymalizacji kombinatorycznej, http://www.ipipan.waw.pl/ stw/ais/ks/index.html Joanna Kołodziejczyk, Obliczenia z wykorzystaniem sztucznej inteligencji, wykład V Sztuczne systemy immunologiczne, http://wikizmsi.zut.edu.pl/uploads/7/74/ozwsi_i_s1_w5.pdf http://www.artificial-immune-systems.org/
Dziękuję za uwagę!