Összefoglalás, a paradigma története és a legújabb kutatási irányokkutatási irányok

A membránrendszereknek, mint absztrakt számítási modelleknek a biológiai motivációja a sejt, mint membránrendszer. Ez alapján egy absztrakt számítási modell került kidolgozásra, főleg Gheorghe Păun vezetésével, amely alapja a membránhierarchia. A paradigma a múlt század legvégén jelent meg és indult ugrásszerű fejlődésnek (Păun, 2000 és 2002). A membránrendszerek különböző alkalmazásairól részletesen a (Ciobanu et al., 2006) könyv szól. A P-automata megjelenése és rövid leírása a (Csuhaj-Varjú, Vaszil, 2002 és 2010) cikkekben található. A témakör egy friss, naprakész és eközben elég részletes összefoglalása található a (Handbook 2010) könyvben.

Jelen könyvben is többféle modellt vizsgáltunk meg: először az alapmodellt (egyszerű membránrendszer), amely tartalmazhat katalizátorokat, valamint prioritási relációt az ún. evolúciós szabályok között. A számításban szimbólum objektumok vesznek részt, amelyek a membránok közti kommunikációban is részt vesznek. Az aktív membránok osztódni, megszűnni képesek, ezzel hatékonyabbá téve a rendszert. A szimport-antiport rendszerek esetén az evolúciós szabályok helyett kommunikációs szabályok vannak. A rendszer működése a magasszintű párhuzamosságra épül, a számítás akkor áll meg, ha nincs végrehajtható evolúciós szabály. A (Triangle 2011) cikkben a DNS- és membránszámításokban a párhuzamosság szerepéről lehet kicsit bővebben olvasni.

Egy membránrendszerbeli számítás általában a következő:

• adott kezdeti konfigurációból indul,

• egy konfigurációból egy másik konfiguráció közvetlenül elérhető, ha egy lépésben nemdeterminisztikusan maximálisan párhuzamos módon használjuk a szabályokat (vagyis az átmenet két konfiguráció között: az összes régióra végrehajtjuk a rájuk vonatkozó szabályokat nemdeterminisztikus maximálisan párhuzamosan),

• a közvetlen elérhetőség szokásos tranzitív és reflexív lezártjával definiálhatjuk az elérhetőség fogalmát.

A kezdő konfigurációból induló, konfigurációk közti átmenetek sorozata az adott rendszer egy számítása.

Előfordulhatnak olyan konfigurációk is, amelyeket a rendszerben egy adott kezdőkonfigurációból nem lehet elérni. Egy számítás eredményes, ha megáll, vagyis nincs további alkalmazható szabály. Ezt kiegészítve, a P-automaták esetén eredményes számításoknak tekintjük, az elfogadó konfigurációkig tartó számításokat (ha az elfogadott nyelvet ez alapján és nem a halott konfigurációkkal definiáljuk).

A membránszámításokban a párhuzamosság és a nemdeterminizmus szabályozására rendelkezésre állhatnak különböző eszközök, pl. a katalizátorok, a szabályok közti prioritás, kontroll a membrán vastagságának változtatásával, a polarizációval (membránok töltése), valamint az objektumok címezhetőségével (a kommunikációt irányítjuk azzal, hogy megmondjuk, melyik membránba menjen be az objektum); illetve a szimport-antiport rendszerek esetén a gátló és segítő multihalmazok adnak további kontrollt a számításnak.

A matematikai formalizmust tekintve a membránszámítógépek, ugyanúgy mint a DNS-sel történő számítások, a formális nyelvek átírási szabályaival rokonok. A membránrendszerek multihalmazokkal dolgoznak, minden membrán az objektumok multihalmazát tartalmazza minden lépésben. Matematikailag tehát Parikh halmazokról, multihalmaz-nyelvekről van szó. A membránrendszerekkel Parikh értelemben minden rekurzívan felsorolható halmaz generálható, P-automatákkal a környezetfüggő és a rekurzívan felsorolható nyelvosztály is szépen jellemezhető. Példát láttunk nem környezetfüggetlen nyelv generálására/elfogadására. Adhatunk hatékony membránrendszereket, amelyek bonyolult problémákat oldanak meg: példát a Hamilton-út és a SAT probléma megoldására mutattunk. A (CMC 2012) cikk rengeteg SAT megoldó membránrendszert vizsgál meg, viszont általánosan uniform megoldást egyelőre e könyv megírásakor még nem sikerült megadni. Például a P-automatákkal történő végtelen ábécé feletti nyelvek elfogadása jelenthet jó esélyt ilyen megoldás előállítására.

A membránrendszereket tehát, mint számítási eszközöket, használhatjuk nyelvgenerálásra, vagy probléma megoldásra is, a P-automatákkal általában nyelvek elfogadását végezzük. A maximálisan párhuzamos működési mód mellett elképzelhető a szekvenciális működési mód is, amikor minden egyes régióban pontosan egy szabályt alkalmazunk egy lépésben (kivéve, ahol nincs alkalmazható szabály).

A bemutatott modelleken kívül rengeteg egyéb modell ismert.

Egyes membránrendszerekben az objektumok sztringekbe formálódva jelennek meg, és ezen sztringek bizonyos szabályok szerinti átírásával fejlődik a rendszer. Rengeteg olyan modell van amely a DNS-számítások valamelyikét (pl. műveletek, amiket vágó enzimek végeznek) ötvözi a membránrendszerekkel. Egy membránstruktúra foka jó analógiát jelenthet azzal, hogy hány magos processzort tudunk használni a számítás során. Aktív membránokkal ez dinamikusan nőhet is a számítás során. A (JUCS 2006) cikkben egy kézenfekvő analógiát mutatunk a membránrendszerek és a grafikus operációs rendszerek között. Vannak olyan membránrendszerek, ahol a struktúra tetszőleges gráffal írható le (nem csak fa-struktúrájúak lehetnek, ezek a tissue P-rendszerek, ahol több sejt alkot egy szövetet, mint számítási egységet), ilyenkor a kommunikációs szabályokat is át kell alakítani, mert a ki-be irányok helyett a szomszédos régiókat lehet címeznünk. Egyes aktív membrános szabályok akár azt is megengedhetik, hogy azonos szülővel rendelkező membránok egyike bekebelezze a másikat, vagy egy membrán a szülőjéből annak szülőjébe távozzon. Vannak olyan rendszerek, amelyekben a membránokon, mint hártyákon történnek különböző reakciók; illetve a neurális hálók és P-rendszerek ötvözeteként létrejött, ún. spiking neural P-P-rendszerek. A szakterületnek van külön honlapja (P-home), innen szinte bármilyen a témával kapcsolatos anyag letölthető.

1. (Ciobanu et al., 2006) G. Ciobanu, M. J. Pérez-Jiménez, Gh. Păun (szerk.): Applications of Membrane Computing, Natural Computing Series, Springer, 2006.

2. (Csuhaj-Varjú, Vaszil, 2002) E. Csuhaj-Varjú, Gy. Vaszil: P Automata or Purely Communicating Accepting P Systems, International Workshop on Membrane Computing (WMC-CdeA), LNCS 2597 (2002), 219–233.

3. (Csuhaj-Varjú, Vaszil, 2010) E. Csuhaj-Varjú, Gy. Vaszil: P automata, Scholarpedia 5 (2010), 9344.

4. (Triangle 2011) R. Loos, B. Nagy: On the Concepts of Parallelism in Biomolecular Computing, TRIANGLE:

LANGUAGE, LITERATURE, COMPUTATION 6 (2011), 109–118.

5. (JUCS 2006) B. Nagy, L. Szegedi: Membrane computing and graphical operating systems, Journal of Universal Computer Science - JUCS 12/9 (2006), 1312–1331.

6. (CMC 2012) B. Nagy: On Efficient Algorithms for SAT, 13th International Conference on Membrane Computing - CMC 2012, LNCS 7762 (2013), 295–310.

7. (Păun, 2000) Gh. Păun: Computing with Membranes, Journal of Computer and System Sciences, 61, (2000) 108–143, and Turku Center for Computer Science-TUCS Report No. 208 (1998).

8. (Păun, 2002) Gh. Păun: Membrane Computing: An introduction. Springer-Verlag, Berlin, 2002.

9. (Handbook 2010) Gh. Păun, G. Rozenberg, A. Salomaa (szerk.): Handbook of Membrane Computing, Oxford University Press, 2010.

10. (P-home) The P Systems Webpage: http://ppage.psystems.eu/.

5. Ellenőrző kérdések

1. Írja le a formális membrán számítási modellt.

2. Miért hívhatjuk ezeket a számításokat multihalmaz-számításoknak?

3. Mit jelent az, hogy egy nyelv szemilineáris? Hogyan kötődik ez a fogalom a klasszikus formális nyelvek elméletéhez?

4. Mitől „aktívak” az aktív membránok? Hogyan használhatjuk ki őket számítási folyamatokban?

5. Milyen fajta „uniformitásokról” beszélhetünk a membránrendszerekkel történő probléma megoldások során?

6. Adja meg a P-automata fogalmát. Hogyan befolyásolhatja az függvény az elfogadott nyelvet?

7. A segítő és a gátló multihalmazokat hogyan tudjuk használni és mire?

6. Feladatok

1. Generálja a szemilineáris halmazt az rendezett

ábécé felett egyszerű membránrendszerrel kooperatív szabályokkal.

2. Generálja azt az nyelvet, amely pont azokból a szavakból áll, amik pont kétszer annyi -t tartalmaznak, mint -t.

3. Aktív membránok segítségével generálja a nyelvet.

4. Adjon meg P-automatát, ami az lineáris nyelvet fogadja el.

5. (kutatási feladat) Adjon meg általánosan uniform modellt, ami a SAT problémát hatékonyan oldja meg.