1.2.1　膜计算简介

人体的构造是非常奇妙的，即使通过最先进的科技手段，也未能完全了解其中的奥秘。但人类机体活动又具有复杂而协调的动作：头脑作为总部的办公处，传达着各种复杂的命令；皮肤的微循环、生化物质进化处理等对体温的调节有重要作用，使体温恒定在37℃左右。生物实际细胞是生命的基石，因而考虑将细胞作为一类生物特征和生物实际抽象出相应计算模型的想法是很自然的。P系统是从活细胞处理化学物质、能量和信息的方式中得到启发而建立的一类分布式并行计算模型［7］。在亿万年生物演化进程中，细胞控制着生化反应完成各种处理过程。受到生物体内活细胞的生物特征和生物实际启发，通过从单一细胞和复杂细胞（如细胞、组织以及人脑）的结构和功能中抽象出计算模型，最终形成了膜计算的理论模型框架。目前主要提出了三种基本类型的膜系统，即类细胞膜系统（cell-like P systems）［8］、类组织膜系统（tissuelike P systems）［9］、类神经膜系统（neural-like P systems）［10］。目前，膜计算中文方面的专著主要有如译著《膜计算导论》［11］，《膜计算：理论与应用》［12］等。其中，《膜计算导论》是由潘林强教授等基于2002年出版的Membrane Computing:An Introduction翻译而成的。该专著详细介绍了膜计算研究领域的一些基本概念与相关重要结论，如关于基本膜系统计算能力与计算效率的介绍，一系列膜计算领域目前尚未解决的公开问题，以及今后值得探索的一些研究主题。《膜计算：理论与应用》一书除了向读者介绍膜计算基本原理和膜计算应用外，重点介绍了膜计算在电力系统故障诊断、移动机器人、控制工程优化和生态系统数据建模等领域中的实际应用，具体地反映了膜计算的应用研究现状和前沿进展。

自2000年篇名为Computing with membranes［8］的论文发表后，膜计算在很多领域的广泛应用价值受到广大科学研究者的关注。在国外，西班牙塞维利亚大学、英国谢菲尔德大学、荷兰莱顿大学等都有从事膜计算研究的团队。在国内，不少高校和研究机构都开始关注该领域的研究，并取得了一定的研究成果。目前膜计算已经成为具有极大潜力的研究领域，它的研究成果为生物分子计算提供了丰富的框架。

据统计，截至目前已发表学术论文2 000多篇，其中还包括30余篇英文博士学位论文、10余篇中文博士学位论文。每年关于膜计算的两个代表性的专题国际会议包括开始于2000年的膜计算会议（Conference on Membrane Computing）以及从2003年开始每年在西班牙塞尔维亚举行的膜计算集体讨论会。从2012开始，亚洲膜计算会议（Asian Conference on Membrane Computing）每年在亚洲地区举办一次。经过近20年的研究，膜计算在理论和实际应用方面都取得了丰硕的成果。在理论研究方面，膜系统的许多不同变体已被证明具有与图灵机等价的计算能力。受到一些生物事实的启发，目前主要有三种方法可以在活细胞中产生新膜：膜（细胞）分裂［13］、膜产生［14］和细胞分割［15］。研究膜系统有效性主要是分析系统能否在可行时间范围内求解NP难问题。在脉冲神经膜系统研究方面，潘林强教授的团队开展了大量工作，并取得了丰硕的成果。另外，在算术运算P系统方面的研究主要如下：2001年，Atanasiu首次提出了算术P系统来实现算术运算［16］；2006年，Alhazov等［17］讨论了算术运算P系统中的多种编码方式。基于类细胞膜系统的算术运算研究取得了一定的进展［18］。在应用研究方面，膜计算理论在多个领域也显示了重要的应用价值，许多电子计算机无法求解的问题有望通过膜计算来实现。由此表明，细胞、组织以及神经都可以作为强大的“计算机”。更多理论方面的研究进展可以查看综述文献［19-20］。

在电子实现方面，有研究人员利用图形处理器（graphics processing unit，GPU）构建P系统求解了NP难问题，并对生物系统进行了建模，开发了相关软件对这些计算过程进行模拟。作为自然计算一个新的研究方向，膜计算本身有很多引人注目的计算优势，例如并行性。从理论上讲，这可以突破传统计算机的计算瓶颈。另外，膜计算可以提供强有力的建模方法，用于解决工程中的实际问题。关于膜计算的仿真和模拟软件可通过网站http：／／ppage.psystems.eu／下载。

综上所述，膜计算是一个充满挑战的新兴领域，其应用前景不可估量。虽然目前已经有许多相关的膜计算模型研究较为成熟，但是还有不少公开问题亟待解决。