数字微流控生物芯片的布局及调度问题研究

论文摘要

论文针对数字微流控生物芯片系统的布局问题、调度问题和液滴寻址问题进行了研究。分析了多元体液检测与蛋白质分析实验的操作特性,构建了序列图模型和数学模型。提出了一种解决数字微流控生物芯片调度问题的项目调度遗传算法;设计了一种用于动态资源分配的启发式规则;提出了一种拟人免疫遗传算法,解决了数字微流控生物芯片几何级布局问题;提出了数字微流控生物芯片故障系数的估计方法,分析了芯片发生故障的原因,给出了故障重构算法;提出了一种基于网络流的液滴寻址算法;分析了液滴寻址的流体约束和时间约束,构建了液滴寻址的约束模型,实现了液滴寻址的自动控制和智能控制;设计并开发了数字微流控生物芯片的计算机辅助设计系统,实现了从生化检测实验下达,到芯片设计优化的过程。本文的研究结果可以指导数字微流控芯片的设计和制造;所提出的优化算法和开发的计算机辅助设计系统具有普遍应用意义,为数字微流控生物芯片的设计理论打下了基础。

论文目录

• 内容提要
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 微流控生物芯片国内外研究现状
• 1.2.2 数字微流控生物芯片调度问题研究现状
• 1.2.3 数字微流控生物芯片布局问题研究现状
• 1.2.4 数字微流控生物芯片液滴寻址问题研究现状
• 1.2.5 数字微流控生物芯片计算机辅助设计工具研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 数字微流控生物芯片调度问题研究
• 2.1 架构级调度问题描述
• 2.1.1 数字微流控生物芯片的特性
• 2.1.2 多元体液检测
• 2.2 调度序列图模型
• 2.2.1 注入操作
• 2.2.2 混合操作
• 2.2.3 检测操作
• 2.3 调度数学模型
• 2.4 项目调度算法GAPS设计
• 2.4.1 染色体编码方案
• 2.4.2 染色体的评价
• 2.4.3 进化策略
• 2.4.4 项目调度算法GAPS的操作步骤
• 2.5 多元体液检测实验仿真结果及分析
• 2.5.1 仿真实验相关数据
• 2.5.2 实验结果及分析
• 2.5.3 资源邦定的实现
• 2.6 蛋白质分析实验
• 2.6.1 蛋白质分析调度序列图模型
• 2.6.2 数学模型
• 2.6.3 架构级调度算法
• 2.6.4 仿真结果及分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 数字微流控生物芯片布局问题研究
• 3.1 数字微流控模块物理布局问题
• 3.2 数字微流控模块布局算法研究
• 3.2.1 拟人启发式算法设计
• 3.2.2 布局过程
• 3.2.3 免疫遗传算法设计
• 3.2.4 算法仿真
• 3.3 数字微流控生物芯片的容错与重构技术
• 3.3.1 产生故障的原因分析
• 3.3.2 部分重构技术
• 3.3.3 容错系数
• 3.3.4 容错算法及仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 数字微流控生物芯片液滴寻址问题研究
• 4.1 液滴寻址问题概述
• 4.2 液滴寻址的约束条件
• 4.2.1 流体约束
• 4.2.2 时间约束
• 4.2.3 液滴寻址约束模型
• 4.3 液滴寻址算法
• 4.3.1 问题分解
• 4.3.2 寻址算法流程
• 4.3.3 网络临界度计算
• 4.3.4 粗略寻址
• 4.3.5 详细寻址
• 4.4 仿真实验及分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 数字微流控生物芯片计算机辅助设计系统
• 5.1 系统分析
• 5.1.1 系统功能分析
• 5.1.2 系统特点分析
• 5.2 开发环境
• 5.3 系统实施
• 5.4 本章小结
• 第6章 全文总结
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要研究成果
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT