تحقیق و توسعه

درک پویایی رشد سرطان یکی از چالش­‌های علوم مدرن می‌­باشد. شبیه‌­سازی رشد سلول‌­های سرطانی در جهت شناخت بیشتر پدیده سرطان و تشخیص بهتر این بیماری، یکی از مهمترین مسائل بیولوژیکی محسوب می­شود. تحقیقات کمی در زمینه رشد تومورها با استفاده از شبیه‌سازی رایانه­‌ای صورت گرفته است که بکار گیری معادلات دیفرانسیل، آتوماتای سلولی، تئوری بازی‌­ها و اخیراً عامل­‌های چندگانه از مهمترین آن­ها می­‌باشد. بیشتر شبیه‌­سازی­‌های رفتار تومور شامل رشد تکثیری تومور می‌­باشد.

شبیه ­سازی رشد و تکثیر سلولی می‌­تواند به شبیه ­سازی رفتار سلول­‌های سرطانی در تقابل با سلول­‌های سالم، دستگاه ایمنی بدن و داروهای شیمیایی مورد استفاده در درمان سرطان و نیز تخمین و اندازه‌گیری میزان سمیت داروها و تأثیرات آن­ها بر روی بافت­‌های سالم بپردازد. یکی از اهداف مهم شبیه‌­‌سازی سرطان، یافتن نحوه و ساختار رشد سلول‌­های سرطانی و تعیین یک الگوی کنترلی مناسب برای تزریق دارو به بیماران است.

در این پژوهش به دنبال شبیه­‌سازی سه سطحی درون سلولی، بین سلولی و برون سلولی خواهیم بود تا بتوان رفتار سلول­‌های سرطانی و سالم را بررسی کنیم. به منظور دقیق­تر کردن مدل پیشنهادی آن را به صورت ترکیبی در نظر خواهیم گرفت بدین معنی که شبیه‌­سازی ما در سطوح مختلف، ترکیبی از روش­‌های پیوسته و گسسته خواهد بود. با استفاده از مفاهیم عامل‌­های چندگانه، سلول‌­های سرطانی و سالم را در سطح سلولی مدل خواهیم کرد. در سطوح داخل و خارج از سلول با استفاده از معادلات دیفرانسیل به بررسی تأثیرات آن بر رفتار آن خواهیم پرداخت. در نهایت به دنبال استخراج ویژگی­‌های لازم از سطوح یاد شده خواهیم بود تا بتوان رفتار سلول­‌های سرطانی و سالم را در تعامل با یکدیگر، در تومور سرطانی پیش­بینی نمود.

کنترل سیستم‌های دینامیک تحت شبکه یک فعالیت‌ بسیار پیچیده است. منظور از کنترل یک سیستم دینامیک، استفاده از استراتژی‌های کم‌هزینه برای هدایت سیستم به وضعیت‌های مورد دلخواه است. این امر مخصوصا در سیستم‌هایی مانند شبکه‌های اجتماعی و اقتصادی که بازیگران هوشمند هستند، به صورت خودخواهانه فعالیت می‌کنند و در راستای بیشینه‌سازی منفعت خود تمام اهتمام خود را به کار می‌گیرند، پیچیده‌تر نیز خواهد شد.

مدل‌سازی این‌گونه سیستم‌ها معمولا با استفاده از مدل‌های مبتنی بر نظریه‌ی بازی صورت می‌گیرد. در این پایان‌نامه نیز، بازی‌های شبکه‌ای مطرح مانند بازی انتشار ایده، بازی ساخت شبکه و بازی شکل‌گیری شبکه‌های علامت‌دار در نظر گرفته‌ شده‌ و با ایجاد پویایی برای آن‌ها به سیستم‌های دینامیک از نوعی که ذکر شد منجر گردید. برای ایجاد پویایی از یکی از ساده‌ترین انواع دینامیک‌ها که به دینامیک بهترین پاسخ و یا بازی  بهترین پاسخ معروف است استفاده گردید. در این دینامیک خیلی ساده فرض می‌کنیم که بازی در گام‌های گسسته انجام می‌شود و در هر گام تحت یک قانون مشخص (مثلا تصادفی و یا به نوبت) یکی از بازیگران انتخاب شده و بهترین عمل خود را در پاسخ به وضعیت کنونی بازی (که از بازی بازیگران در گام‌ها‌ی قبل ایجاد شده است) اجرا می‌کند. بازی هنگامی به پایان می‌رسد که به یکی از وضعیت‌های تعادل نش رسیده‌ باشد. در این نوع دینامیک از بازی هیچ‌گونه حافظه و یا یادگیری برای بازیگران در نظر گرفته‌ نمی‌شود.

در این پایان‌نامه ما چند نمونه از این‌گونه سیستم‌ها را در نظر گرفته و با به کارگیری روش‌های مختلف از جمله بهینه‌سازی ترکیبیاتی، جستجوهای محلی و یادگیری ماشین سعی می‌کنیم کم‌هزینه‌ترین استراتژی‌های کنترل را بیابیم. استراتژی‌های کنترلی که برای این منظور در این پایان‌نامه بررسی شدند، در سه بخش ۱) انتخاب نقطه‌ی آغازین سیستم، ۲) تغییر ساختار شبکه‌‌ و ۳) انتخاب‌ پارامتر‌های بازی دسته‌بندی شده و در هر دسته الگوریتم‌هایی برای انتخاب استراتژی‌های بهینه ارائه شدند. در هر دسته نیز کارایی الگوریتم‌های ارائه‌شده با استفاده از اثبات تئوری و آزمایش و شبیه‌سازی به اثبات رسیده‌است.

الگوریتم تکاملی امروزه در حوزه نرم‌افزار یکی از مهم‌ترین الگوریتم‌ها است. امروزه این الگوریتم در زمینه‌های بسیاری اعم از تولیدات مصنوعی، طراحی خودکار، بیوانفورماتیک، مخابرات و غیره استفاده می‌شود. مقاله‌های متعددی بر روی حالات مختلف این نوع الگوریتم نشر شده است. روش سنجش این الگوریتم معمولاً با دو نوع میزان بهینه بودن پاسخ پیداشده برای مسئله و زمان اجرای الگوریتم است. در این پایان‌نامه هدف طراحی و پیاده‌سازی یک الگوریتم تکاملی با الگوهای موجود در شبکه‌های اجتماعی با توجه به قابلیت اجرا به‌صورت موازی بر روی ابررایانه‌ها است. یکی از مشکلات الگوریتم تکاملی این است که یک یافته خوب در بین افراد یک نسل پخش نمی‌شود و فقط یک اتفاق خوب در یک فرآیند باقی می‌ماند. ایده اصلی ما برای بهبود الگوریتم استفاده از ایده‌های نهفته در شبکه‌های اجتماعی است. در شبکه‌های اجتماعی یک محتوای خوب به‌سرعت به دست همگان در شبکه می‌رسد. این موضوع به این دلیل رخ می‌دهد که افراد هنگامی‌که یک محتوای خوب را دریافت می‌کنند. آن محتوا را به دوستان خودشان نیز ارسال می‌کنند. اگر فردی مطالب و محتوای مفید را به اشتراک بگذارد افراد علاقه‌مند به دوست شدن با این فرد می‌باشند. در این پایان‌نامه از این ایده برای بهبود الگوریتم تکاملی استفاده می‌شود. هدف دوم در این پایان‌نامه استفاده از سخت‌افزارهای موازی برای بالا بردن کارایی الگوریتم است. در چند سال اخیر استفاده از ابررایانه‌ها در پردازش سریع بسیار مرسوم شده است. برای ارزیابی الگوریتم ارائه‌شده از توابع محک استاندارد استفاده می‌شود. خوشبختانه به دلیل ازدیاد الگوریتم‌ها در این حوزه تعدادی توابع چند متغیری به‌عنوان محک وجود دارند و کیفیت پاسخ پیداشده در زمان مشخص ملاک خوبی برای مقایسه دو الگوریتم است.

دسته‌ای از مسائل مورد توجه در دنیای امروزه، مسائل اقتصادی هستند. در این پروژه قصد داریم یکی از مسائل مربوط به این زمینه را که به یافتن نقاط و قیمت مناسب برای عرضه‌ی کالا می‌پردازد، بررسی نماییم. آنچه باعث تغییر کلمه‌ی مناسب می‌شود واکنش مشتریان به دو پارامتر فوق بوده که بر اساس میزان تقاضای مشتری مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.

این مسئله دارای ماهیت ترتیبی است. به این معنی که عوامل تصمیم‌گیرنده در آن به طور همزمان تصمیم خود را انخاذ نمی‌نمایند. تولید‌کنندگان پیش از مشتریان باید در مورد مکان و قیمت عرضه‌ی کالا تصمیم‌گیری نمایند. از طرف دیگر تقریبا تمام مسائل اقتصادی شامل تعدادی عامل می‌شوند که در محیطی رقابتی و یا همکارانه فعالیت می‌کنند. به این ترتیب مدل‌سازی این مسئله در قالب یک بازی و در چارچوب رهبری استکلبرگ بسیار نزدیک به ذهن می‌نماید.

با توجه به NP-سخت بودن این مسئله، روشی مکاشفه‌ای برای حل آن ارائه شده است. روش ارائه شده، مسئله را به دو بخش تعیین مکان و تعیین قیمت مناسب برای عرضه تقسیم می‌کند. نتایح حاصل از پیاده‌سازی این روش نشان می‌دهد که انتخاب حریصانه‌ی مکان، در کنار استفاده از سیاست قیمت‌گذاری ارائه شده می‌تواند بهبود مطلوبی در پاسخ این مسئله به وجود آورد.

امروزه خط تولید نرم‌افزار به رویکردی کاربردی برای صنعت نرم‌افزار تبدیل شده است. در خط تولید نرم‌افزار یک بستر مناسب برای خانواده‌ای از نرم‌افزارها ایجاد می‌شود تا به کمک آن بتوان هرکدام از نرم‌افزار‌های آن خانواده را با تغییرات کم تولید کرد. این رویکرد برای تولید خانواده‌ای از نرم‌افزار‌ها، هزینه‌‌های تولید نرم‌افزار را پایین آورده، زمان تولید را کاهش داده و کیفیت نرم‌افزار را افزایش می‌دهد.

تغییر استاندارد‌ها، ناپایداری کسب‌وکار و تغییر نیازهای ذینفعان در طول زمان باعث به وجود آمدن نیاز برای تغییرات خط تولید می‌شود که لزوما این تغییرات با نقاط تغییرپذیر پیش‌بینی شده در خط تولید قابل پوشش نمی‌باشد و حتی ممکن است نیاز به این تغییرات در زمان اجرای خط تولید به وجود آید. مدیریت و اجرای تغییرات پویا به عنوان یکی از مسائل مطرح در حوزه‌ی خط تولید نرم‌افزار مطرح است که حل این مشکل می‌تواند کاهش هزینه‌ها و افزایش کارایی فوق‌العاده‌ای را در خط تولید نرم‌افزار به همراه داشته باشد.

در این پایان‌نامه فرآیندی برای مدیریت تغییرات پویا در خط تولید نرم‌افزار ارائه می‌کنیم. این فرآیند به صورت چتری در کنار متدولوژی اجرای خط تولید نرم‌افزار قرار خواهد گرفت و در تمام مراحل اجرا مدیریت تغییرات را بر عهده می‌گیرد. رکن اصلی این فرآیند چرخه‌ی اعمال تغییرات است که به کمک مخزن الگو‌های تغییرات و راه‌حل‌های آن‌ها که قبلا پیش بینی شده یا رخ‌ داده است، سعی بر یافتن بهترین راه‌حل و اعمال‌ آن می‌کند. در انتهای چرخه همواره مخزن الگو‌ها و راه‌حل‌ها به‌روزرسانی خواهد شد؛ بنابراین طی یک فرآیند تکرار شونده، روش پیشنهادی قابلیت یادگیری و بهبود خواهد داشت.

در انتها روش پیشنهادی برای مدیریت تغییرات را در یک محط واقعی اجرا کردیم تا اجرایی بودن روش را بسنجیم. پس از اجرای روش پیشنهادی خود، به منظور ارزیابی، از خبرگان ذی‌نفع محیط اجرایی نظرسنجی کردیم. نتایج نظرسنجی بهبود قابل ملاحظه‌ای در فرآیند مدیریت تغییرات محیط اجرایی را نشان می‌دهد

بهبود ساختار شبکه از مهمترین چالش‌ها در پژوهش‌های شبکه‌ای است. بهبود ساختار شبکه با اهداف متعددی مانند بهبود استحکام و مسیریابی انجام می‌شود.

در این پروژه با در نظر داشتن ساختار یک نمونه از شبکه‌های واقعی انتقال داده که بر پایه‌ی مسیریابی بسته‌ای کار می‌کند، تلاش کرده‌ایم با افزودن تعداد محدودی یال به شبکه، کارایی شبکه را در حوزه‌های فوق افزایش دهیم. به این منظور رویکرد‌های موجود در حوزه‌‌های الگوریتم‌های تقریبی، شبکه‌های پیچیده و الگوریتم‌های مکاشفه‌ای مبتنی بر ساختار شبکه را بررسی کرده، ضمن مشخص نمودن نقاط ضعف و قوت هر رویکرد، یک راهبرد اضافه کردن بهینه یال به شبکه پیشنهاد کرده و با شبیه‌سازی و انجام آزمایش مختلف روی گراف‌های تجربی به‌ دست آمده از شبکه‌های واقعی صحت آن رویکرد را مورد بررسی قرار داده‌ایم. 

محاسبات نظیر-به-نظیر روشی متداول در محاسبات توزیع‌شده است، که در کاربردهایی که شامل تبادل اطلاعات میان منابع متعدد هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در چنین کاربردهایی، مقادیر زیاد داده میان منابع متعدد و پراکنده، توزیع شده است. بنابراین، تحلیل و کاوش داده‌ها با عنایت به هزینه‌های محاسباتی، ذخیره‌سازی و ارتباطی چالش‌‌انگیز خواهد بود. علاوه بر آن، داده‌ها کمتر به صورت ایستا باقی‌مانده و تغییرات مداوم داده، به سرعت مدل‌های از پیش استخراج شده را منسوخ می‌نماید.

داده‌کاوی توزیع‌شده سعی در تطابق الگوریتم‌های داده‌کاوی سنتی با شرایط سیستم‌های توزیع‌شده دارد. روش‌های موجود داده‌کاوی توزیع‌شده به دلایلی همانند استفاده از همگام‌سازی یا ارتباطات سراسری، عدم تطابق با پویایی سیستم و عدم مقیاس‌پذیری، نوعا فاقد ویژگی‌های مطلوب اجرا در سیستم‌های نظیر-به-نظیر هستند. در این رساله، به بررسی راهکارهای داده‌کاوی در ساختارهای مختلف نظیر-به-نظیر می‌پردازیم. در معماری ساخت‌یافته، روگستر لایه‌ای L-overlay را برای مدیریت داده و پردازش پرس‌وجوهای پیچیده در سیستم‌های نظیر-به-نظیر پیشنهاد داده‌ایم. روگستر پیشنهادی در ادامه برای رده‌بندی بر مبنای نزدیک‌ترین همسایه و اجرای الگوریتم‌ها بیر ساده مورد استفاده قرار گرفته است.

در سیستم‌های نظیر-به-نظیر غیر ساخت‌یافته، شایعه‌پراکنی روش ارتباطی کارا و در عین حال ساده می‌باشد که قادر است با شرایط پویا در سیستم تطبیق پیدا کند. با تکیه بر این روش ارتباطی، الگوریتم توزیع‌شده GoSCAN را برای خوشه‌بندی مبتنی بر چگالی ارائه داده‌ایم که قابلیت تطابق با پویایی سیستم را داراست. با توسعه مدل ارائه شده، روشی عمومی برای خوشه‌یندی توزیع‌شده با عنوان GDCluster پیشنهاد شده است که اولین روش خوشه‌بندی عمومی کاملا توزیع‌شده در شرایط پویا می‌باشد.

روش‌های پیشنهادی مقیاس‌پذیر بوده و در شرایط پویا مدل داده‌کاوی را به صورت تدریجی به روز می‌کنند. تحلیل‌ها و شبیه‌سازی‌های گسترده، صلابت، کارایی و مقیاس‌پذیری الگوریتم‌های پیشنهادی را در شرایط ایستا و پویا، و تحت انواع روش‌های اختصاص داده نشان می‌دهند. همچنین برتری الگوریتم‌ها از نظر دقت و پیچیدگی ارتباطی در مقایسه با روش‌های اخیر مثل SSW و LSP2P، نشان داده شده است. 

شبکه‌های اجتماعی برخط به عنوان نمودی از روابط اجتماعی واقعی موجود در جامعه برای به دست آوردن دانش سطح بالا از وضعیت اجتماعی، اقتصادی، سیاسی و ... جامعه بسیار قابل توجه هستند. تمام اهمیت شبکه‌های اجتماعی و ارزش اصلی آن‌ها برای محققان از این نکته بر‌می‌خیزد که مجموعه‌ داده‌ی حجیم و قابل ذخیره‌سازی را در اختیار آنها قرار می‌دهد. این داده‌ها علاوه بر ارزش علمی با شرکت هرچه‌ بیشتر کاربران دنیای مجازی در شبکه‌های اجتماعی برخط از اهمیت بیشتری برخوردار شده است چرا که برای خود کاربران نیز تاریخچه‌ای از زندگی مجازی آنها است.

متاسفانه تا به حال تحقیقات کمی در زمینه‌ی ارائه‌ی پیشنهاد‌هایی برای کمک در مدیریت این حجم داده چه به منظور مدل‌سازی انتزاعی آن و چه به منظور ایجاد یک قالب یکپارچه برای نمایش داده‌های شبکه‌های اجتماعی متعدد انجام شده است.

در این پایان‌نامه با معرفی نیاز‌های داده‌ای شبکه‌های اجتماعی سعی در ارائه دیدی کامل از پشتیبانی مدل‌های داده‌ای از نیاز‌های شبکه‌های اجتماعی شده است. به این منظور، ابتدا استفاده از مدل‌های موجود مانند مدل رابطه‌ای و افزونه‌های آن‌ها بررسی شده و سپس سعی در جمع‌آوری مدل‌های پیشنهاد شده تخصصی برای شبکه‌های اجتماعی شده است. سپس مدل‌ها بر روی یک مثال واحد اجرا شده است و با توجه به نتایج، کاستی‌های تحقیقات و مدل‌های فعلی و روش‌های بهبود برای آن‌ها توصیه شده است. 

در این پایان نامه بازی ساخت شبکه‌ای مورد بررسی قرار گرفته است که در آن هر بازیکن (راس) مقدار محدودی بودجه برای ایجاد پیوند به سایر بازیکنان دارد. در مدل ما ساخت هر یال هزینه‌ی واحد دارد و هر بازیکن سعی می‌کند تا ضرر خود را کمینه سازد. ضرر هر بازیکن برابر است با قطر محلی بازیکن و یا مجموع فاصله‌ی این بازیکن تا سایر بازیکنان در گراف بی جهت ساخته شده (گراف زمینه) از روی گراف نهایی بازی.  دو نمونه از بازی مورد بررسی قرار گرفته است: در مدل MAX ضرر هر بازیکن برابر است با بیشینه‌ی فاصله‌ی بازیکن تا سایر بازیکنان و در مدل SUM ضرر هر بازیکن برابر است با مجموع فاصله‌ی این بازیکن از سایر رئوس. ثابت می‌کنیم با وجود  اینکه در هر دو مدل محاسبه‌ی بهترین پاسخ ان-پی تمام است، تعادل نش برای هر یک از دو مدل وجود دارد.

در گام بعدی طول قطر گراف‌های تعادل با n راس را مورد بررسی قرار می‌دهیم. برای مدل MAX درخت‌های تعادلی با قطر (θ(n می‌سازیم. ثابت می‌کنیم قطر در‌ختهای تعادل در مدل SUM، از ((O(log(n است. همچنین برای مدل SUM یک درخت تعادل ارائه می‌دهیم که قطر آن ((Ω(log(n است. در گام بعدی حالت خاص دیگری را بررسی می‌کنیم که بودجه‌ی تمام بازیکنان یک واحد در نظر گرفته می‌شود. در این حالت ثابت ‌می‌کنیم قطر تمام تعادل‌ها (O(1 است. در انتها فرض می‌کنیم بودجه‌ی تمام بازیکنان حداقل یک واحد است. برای مدل MAX یک گراف تعادل نشان ‌می‌دهیم که قطر آن ((Ω(√log(n است. این گراف تعادل نشان می‌‌دهد که در مدل MAX برخلاف تصوری که به نظر بدیهی می‌رسد با افزایش بودجه‌ی بازیکنان قطر گراف کم نمی‌شود. درنهایت ثابت می‌کنیم در مدل SUM هر گراف تعادل که قطر آن ازسه بیشتر است و بودجه‌ی تمام بازیکنان حداقل k  می‌باشد k-همبند است.

در پایان دامنه‌های تحقیق متنوعی را برای ادامه‌ی کار این پایان‌نامه معرفی می‌کنیم و با ارائه‌ی برخی نتایج اولیه ثابت می‌کنیم این دامنه‌ها، سوالات جالبی را از لحاظ نظری در اختیار محققان قرار خواهند داد.

تبدیل خودکار مدل‌های تولید شده در چرخه‌ی ساخت نرم‌افزار به سامانه نهایی با معرفی معماری‌های پیشرفته‌تر مبتنی بر مدل امکان پذیر شده است. با این حال بر روی تبدیل مهمترین این مدل‌ها، UML، به کد پیاده‌سازی شده در چارچوب‌های برنامه‌نویسی تحت وب اقدامات زیادی انجام نشده است. در این پایان‌نامه سعی شده با استفاده از ابزار‌های قدرتمندی که بر پایه‌ی بالغ‌ترین استاندارد معماری مدل - پیشرو ایجاد شده‌اند، الگویی برای انجام این تبدیل به کد symfony، که یکی از چارچوب‌های PHP قوی و محبوب می‌باشد، معرفی شود.