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一种用于动力系统模型判别的实验设计的鲁棒优化方法。 (英语) Zbl 1280.62092号

摘要:科学与工程交叉学科建模方法的一个高级目标是定量预测系统动力学和基于模型的优化。如果模型要用于机械分析和模型预测,定量建模必须与实验研究密切相关。通常,在找到一个合适的实验系统模型之前,不同的假设模型可能是合理的,并且与先前的知识和可用数据相一致。在估计的置信区间内,模型的参数通常是未知的。因此,必须将不同模型的可能参数配置纳入模型识别算法中,这就需要进行鲁棒化。
我们提出了一种数值算法,该算法计算了一种实验设计,允许在参数范围内,针对最不合适(最坏情况)的参数配置,对给定动力系统的不同假设候选模型进行最佳区分。设计包括初始值、系统扰动和测量时间点的最佳位置,测量次数和时间点取决于设计。
对于这些设置,我们严格地制定了统计判别准则,对于不连续的Heaviside函数建模的情况,给出了以Kullback-Leibler散度为优化目标的推导,在优化过程中用连续近似代替了测量决策。由此产生的问题可以归类为一个半无限优化问题,我们用一种由建议的同伦策略稳定的外近似方法来解决该问题,并证明了该策略的有效性。我们给出了理论框架、算法实现和数值结果。

MSC公司:

62克05 最佳统计设计
90立方厘米 半无限规划
90 C90 数学规划的应用
65C60个 统计中的计算问题(MSC2010)
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参考文献:

[1] Albersmeyer,J.:基于伴随的算法和数值方法,用于大规模动态系统的灵敏度生成和优化。海德堡大学博士论文(2010年)。http://www.ub.uni-heidelberg.de/archiv/11651 ·Zbl 1210.65003号
[2] Albersmeyer,J.,Bock,H.G.:自适应BDF方法中的灵敏度生成。收录:《复杂过程的建模、仿真和优化:第三届高性能科学计算国际会议论文集》。柏林施普林格出版社(2008)
[3] Apgar J.F.、Toettcher J.E.、Endy D.、White F.M.、Tidor B.:细胞信号传递中模型选择和验证的刺激设计。公共科学图书馆计算。生物学4(2),e30(2008)。doi:10.1371/journal.pcbi.0040030·doi:10.1371/journal.pcbi.0040030
[4] Arora,J.S.、Elwakeil,O.A.、Chahande,A.I.、Hsieh,C.C.:工程应用的全局优化方法:综述。结构。多学科。最佳方案。9, 137-159 (1995). http://dx.doi.org/10.1007/BF01743964。doi:10.1007/BF01743964·Zbl 1134.90542号
[5] Atkinson A.C.,Fedorov V.V.:区分两个竞争模型的实验设计。《生物特征》62(1),57-70(1975)。doi:10.1093/biomet/62.1.57·Zbl 0308.62071号 ·doi:10.1093/biomet/62.1.57
[6] Balsa-Canto E.、Alonso A.A.、Banga J.R.:生物系统最佳实验设计的计算程序。IET系统。生物学2(4),163-172(2008)。doi:10.1049/iet-syb:20070069·doi:10.1049/iet-syb:20070069
[7] Bauer I.、Bock H.G.、Körkel S.、Schlöder J.P.:DAE系统最佳实验设计的数值方法。J.计算。申请。数学。120, 1-25 (2000) ·Zbl 0998.65083号 ·doi:10.1016/S0377-0427(00)00300-9
[8] Bell,B.M.:自动区分软件cppad(2010)。http://www.coin-or.org/CppAD/
[9] 贝尔,B.M。;伯克·J·V。;Bischof,C.H.(编辑);Bücker,H.M.(编辑);Hovland,P.D.(编辑);Naumann,U.(编辑);Utke,J.(编辑),隐函数和最优值的算法微分,67-77(2008),柏林·Zbl 1152.65434号 ·doi:10.1007/978-3-540-68942-37
[10] Bernacki J.P.、Murphy R.M.:蛋白质聚集研究中动力学数据的模型识别和机械解释。生物物理学。J.96,2871-2887(2009)。doi:10.1016/j.bpj.2008.12.3903·doi:10.1016/j.bpj.2008.12.3903
[11] Biegler L.T.、Cervantes A.M.和Wächter A.:动态过程优化同步策略的进展。最佳方案。化学。工程科学。57, 575-593 (2001) ·doi:10.1016/S0009-2509(01)00376-1
[12] 比林斯利P.:概率与测度。威利,纽约(1986)·Zbl 0649.60001号
[13] Bock,H.G.:Systemen nichtlinearer Differentialgleichungen中的Randwertproblemmethoden zur Parameteridentifizierung。收录:Bonner Mathematicsche Schriften,第183卷。波恩大学(1987)·Zbl 0622.65064号
[14] Bock,H.G.,Plitt,K.J.:直接求解最优控制问题的多重打靶算法。收录于:布达佩斯第九届国际电子消费品联合会世界大会论文集。牛津大学佩加蒙分校(1984年)·Zbl 1123.62056号
[15] Burnham K.P.,Anderson D.R.:模型选择和多模型推理:一种实用的信息理论方法。柏林施普林格出版社(2002年)·Zbl 1005.62007号
[16] Byrne G.D.,Hindmarsh A.C.:常微分方程数值解的一种多元算法。ACM事务处理。数学。柔和。1(1), 71-96 (1975) ·Zbl 0311.65049号 ·电话:10.1145/355626.355636
[17] Calvo M.,Montijano J.I.,Rández L.:关于多步码步长的变化。数字。算法4283-304(1993)·Zbl 0779.65055号 ·doi:10.1007/BF02144108
[18] Chernoff,H.:大样本理论:参数情况。安。数学。《美国联邦法律大全》第27(1)卷第1-22页(1956年)。http://www.jstor.org/stable/2236974 ·Zbl 0072.35703号
[19] Cooney M.J.,McDonald K.A.:生物反应器模型识别的最佳动态实验。申请。微生物。生物技术。43, 826-837 (1995) ·doi:10.1007/BF02431915
[20] Goldbeter A.:生物化学振荡和细胞节律:周期性和混沌行为的分子基础。剑桥大学出版社,剑桥(1996)·Zbl 0837.92009号 ·doi:10.1017/CBO9780511608193
[21] Hettich,R.,Kortanek,K.O.:半无限规划:理论、方法和应用。SIAM版本35(3),380-429(1993)。http://www.jstor.org/stable/2132425 ·Zbl 0784.90090号
[22] Horn R.:模型识别的统计方法。应用于乙酰胆碱受体通道的门控动力学和渗透。生物物理学。J.51,255-263(1987)·doi:10.1016/S0006-3495(87)83331-3
[23] HSL:用于大规模科学计算的fortran代码集合。请参见http://www.hsl.rl.ac.uk (2007) ·Zbl 0174.47906号
[24] Jain R.、Knorr A.L.、Bernacki J.、Srivastava R.:使用模型鉴别分析研究噬菌体ms2病毒动力学及其对噬菌体治疗的影响。生物技术。进展22(6),1650-1658(2006)。doi:10.1021/bp060161s·doi:10.1021/bp060161s
[25] 克尔克尔,S。;鲍尔,I。;博克·H·G。;施罗德,J.P。;Keil,F.(编辑);Mackens,W.(编辑);Voss,H.(编辑);Werther,J.(编辑),DAE系统非线性优化实验设计的顺序方法(1999),柏林
[26] 克里姆林宫A.、费舍尔S.、加德卡尔K.、多伊尔F.J.、绍特T.、布林格E.、奥尔戈沃尔F.、吉勒E.D.:逆向工程和模型识别方法的基准:问题制定和解决方案。《基因组研究》14(9),1773-1785(2004)。doi:10.101克/克1226004·doi:10.1101/gr.1226004
[27] Kreutz C.,Timmer J.:系统生物学:实验设计。FEBS J.276923-942(2009年)。doi:10.1111/j.1742-4658.2008.06843.x·doi:10.1111/j.1742-4658.2008.06843.x
[28] Kullback S.:信息理论与统计学。纽约多佛(1997)·Zbl 0897.62003号
[29] Lacey L.,Dunne A.:模型鉴别的药代动力学实验设计。《药代动力学杂志》。药物动力学。12, 351-365 (1984) ·doi:10.1007/BF01061725
[30] Leineweber,D.B.:大型稀疏dae模型描述的化学过程优化的高效简化sqp方法。海德堡大学博士论文(1998)·兹比尔0997.65502
[31] Levchenko A.,Iglesias P.:真核生物梯度感应模型:阿米巴和中性粒细胞趋化性的应用。生物物理学。J.82,50-63(2002)。doi:10.1016/S0006-3495(02)75373-3·doi:10.1016/S0006-3495(02)75373-3
[32] López-Fidalgo J.,Tommasi C.,Trandafir P.C.:区分非正态模型的最佳实验设计标准。J.R.统计社会服务。B 69(2),231-242(2007)。doi:10.1111/j.1467-9868.2007.00586.x·Zbl 1123.62056号 ·doi:10.1111/j.1467-9868.2007.00586.x
[33] Melykuti,B.,August,E.,Papachristodoulou,A.,El-Samad,H.:区分竞争生化网络模型:优化实验设计的三种方法。BMC系统。生物学4(1),38(2010)。doi:10.1186/1752-0509-4-38。http://www.biomedcentral.com/1752-0509/4/38
[34] Myung J.I.,Pitt M.A.:模型判别的最佳实验设计。心理学。版本116(3),499-518(2009)。doi:10.1037/a0016104·doi:10.1037/a0016104
[35] Polak E.:关于优化算法的收敛性。Française Informat牧师。Recherche Opérationnelle 3(16),17-34(1969)·Zbl 0174.47906号
[36] Polak,E.:关于工程设计中不可微分优化的数学基础。SIAM Rev.29(1),21-89(1987)。http://www.jstor.org/stable/2030936
[37] Polak,E.:关于在解决半无限优化和最优控制问题中使用一致近似。数学。程序。62, 385-414 (1993). http://dx.doi.org/10.1007/BF01585175。doi:10.1007/BF01585175·Zbl 0805.90107号
[38] Polak E.:优化:算法和一致逼近。柏林施普林格(1997)·Zbl 0899.90148号
[39] Pronzato,L.,Walter,E.:通过maximin优化进行稳健实验设计。数学。Biosci公司。89(2), 161-176 (1988). doi:10.1016/0025-5564(88)90097-1。http://www.sciencedirect.com/science/article/B6VHX-45FKF3H-4W/2/2d1d3988042e1e36ffb9cafde61c1634 ·Zbl 0654.62059号
[40] Pérez,V.,Renaud,J.,Watson,L.:近似内点优化中的同伦曲线跟踪。最佳方案。工程10,91-108(2009)。http://dx.doi.org/10.1007/s11081-008-9042-6。doi:10.1007/s11081-008-9042-6·Zbl 1273.90239号
[41] 鲑鱼D.:Minimax控制器设计。IEEE传输。自动化。控制13(4),369-376(1968)。doi:10.1109/TAC.1968.1098941·doi:10.1109/TAC.1968.1098941
[42] Shimizu K.,Aiyoshi E.:通过松弛过程求解min-max问题和算法的必要条件。IEEE传输。自动化。控制25(1),62-66(1980)·兹比尔0426.49008 ·doi:10.1109/TAC.1980.1102226
[43] Skanda D.,Lebiedz D.:动态生化系统中模型识别的最佳实验设计方法。生物信息学26(7),939-945(2010)。doi:10.1093/bioinformatics/btq074·doi:10.1093/bioinformatics/btq074
[44] Stewart W.E.,Shon Y.,Box G.E.P.:多响应机制模型的区分和拟合优度。AIChE J.44(6),1404-1412(1998)。数字对象标识代码:10.1002/aic.690440618·数字对象标识代码:10.1002/aic.690440618
[45] Stoer J.,Bulirsch R.:《数值分析导论》,第3版。应用数学课文第12名。斯普林格,纽约(2002)·Zbl 1004.65001号
[46] Stricker C.、Redman S.和Daley D.:突触传递的统计分析:模型识别和置信限。生物物理学。J.R.统计社会服务。B 67,532-547(1994)
[47] Takors R.、Wiechart W.、Weuster-Botz D.:宏观动力学模型识别和模型识别的实验设计。生物技术。比昂。56(5), 564-576 (1997) ·doi:10.1002/(SICI)1097-0290(19971205)56:5<564::AID-BIT10>3.0.CO;2-C型
[48] Timmer J.、Muller T.G.、Swameye I.、Sandra O.、Klingmüller U.:细胞信号转导的非线性动力学建模。国际J.分叉。混沌14(6),2069-279(2004)·Zbl 1065.92018年 ·doi:10.1142/S0218127404010461
[49] Uciñski,D.,Bogacka,B.:多响应动态异方差模型的T最优设计。摘自:Bucchianico,A.D.,Lauter,H.(编辑)《第七届面向模型的设计与分析国际研讨会论文集》,第191-199页。Physica Verlag,纽约(2004)·Zbl 1439.62041号
[50] 瓦希特,A.:大规模非线性优化的内点算法及其在过程工程中的应用。卡内基梅隆大学博士论文(2002)
[51] Wächter A.,Biegler L.T.:关于大规模非线性规划的原对偶内点滤波器线搜索算法的实现。数学。程序。106(1), 25-57 (2006). doi:10.1007/s10107-004-0559-y·Zbl 1134.90542号 ·doi:10.1007/s10107-004-0559-y
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