[发明专利]用于模拟生物竞争和进化过程的数字生物系统

说明书

技术领域

本发明属于人工生命的数字生物(digital organism)领域。具体来说，本发明涉及一种计算机仿生工具，该仿生工具中代表数字生物个体的程序可以自主初始化、可以复制子程序、有一定概率产生不同的子程序、子程序之间具有不同的竞争力，并且每个子程序有一定寿命的。本计算机仿生工具可以应用于模拟生物竞争和进化过程的仿生实验。

背景技术

随着20世纪计算机科学和生物科学的发展，在生物科学和计算机科学的交叉前沿领域诞生了一门新的综合学科——人工生命。人工生命是指仿照生物的生命活动规律、自组织进化体系而建立起来的人工系统，它通过对各种生命形式和活动规律的抽象和归纳，试图构造出一种以非生物材料为载体的生命形式。由于人工生命平台有着比自然系统更方便操作、更便于重复和精确控制的特性，所以一方面它以生物个体为学习对象；另一方面建立起人工生命平台后，可以从多个不同层次和角度模拟生命体系进行动态实验，来检验生物学中各种理论假设和所建模型的实验结果，帮助了解自然生命活动的本质特征和进化规律，为现代生物学研究提供了新方法和新工具。人工生命也泛指各种具有自然生命系统行为特征的人造系统，它对自然生命系统中自组织、自我繁殖、新陈代谢、学习和进化等特征进行抽象和归纳，并用计算机模拟这些动态过程，以此来探索生命活动的机制。

数字生物是人工生命领域中的一个重要分支，它以生物进化为模拟对象，以程序编码本身作为单个生物，可以进行自主生存、自我繁衍、变异、死亡和个体间相互竞争等一系列具有生物特征的行为活动。由于数字生物有着与真实的生命现象最接近的基础特征和自组织演化体系的特性，它从诞生之时开始，就成为了人工生命领域中最活跃的研究热点之一，并在生物起源和进化过程、基因组变异、环境压力下的选择作用等多个生物学研究方向中得到应用。

数字生物的设计思想起源于上世纪60年代贝尔实验室的Corwars游戏，1990年Thomas Ray编写了的Tierra系统，宣告数字生物系统的正式诞生。自此以后，除了Tierra系统的后续改进版外，有关学者还进一步研发出Avida、Amoeba、Echo等多个数字生物系统。这些系统都做到了能以独立的线程或进程，来模拟生物的繁殖和变异过程。并且用程序做实验解释了一些有关生物多样性和环境复杂性之间关系、中性进化过程、社会组织结构等生物现象背后的原理。

然而过去的数字生物系统没有很好解决个体之间的自然竞争问题，主要依靠一些单元程序之间互作的游戏规则或运算一系列函数的答案结合评分系统的方式，来产生程序之间的竞争差异，并需要按人为预定规则分配给每个程序不同的运行系统资源(如cpu分配时间)，用这些相应的资源奖励来模拟自然的选择过程。这会导致个体程序之间的竞争不是真正的自由竞争，人为预定的选择规则或评分系统将直接影响实验结果这些数字生物程序不能独立完成整个生命周期，必须依靠某个外部的资源分配或指令才能完整所有生存周期，同时数字生物系统也不是开放性系统，必须在虚拟计算机环境中才能执行。这些缺点都限制了数字生物系统的进一步发展和应用。

发明内容

本发明提供了一种可以模拟生物自由竞争过程和进化过程的数字生物系统。系统中每个计算机程序(数字生物个体)模拟生物个体的出生、变异、生存、繁殖等生命活动，系统中各个计算机程序完成从出生到复制后代的生命周期所需消耗的不等量的cpu等电脑硬件资源，代表了不同表型生物个体完成各自生命周期时所需消耗的环境资源。这样，由于电脑资源利用效率的不同，使得计算机程序之间产生了直接的竞争力差异，可以用它来代表所模拟的生物不同表型之间的竞争差异。用此方法，使得数字生物的竞争和选择过程，不再需要国外数字生物系统中所预先制定人为游戏规则或评分系统，因此本系统中数字生物的竞争过程受人为主观因素的影响较小，实验过程和实验结果也更接近于自然状态下的生物竞争过程和结果。本发明也摆脱了过去仿生数学建模中在模拟竞争环节时需要人为设定适应度函数或选择系数这个环节，并能在实验中反映出数字生物群体的动态演化过程。

附图说明

图1例示根据本发明的实施例的数字生物系统中的一个线程(Worm)。

图2例示根据本发明的实施例的数字生物系统中的线程(Worm)的运行流程。

图3例示在持续出现有利变异的演化过程中，各种表型类型的活动量变化。

图4例示根据本发明的实施例，用数字生物系统模拟图3的演化过程的实验结果。

图5例示在持续出现中性变异的演化过程中，各种表型类型的活动量变化。