TY - RPRT A1 - Herajy, Mostafa A1 - Liu, Fei A1 - Rohr, Christian A1 - Heiner, Monika T1 - (Coloured) Hybrid Petri nets in Snoopy – user manual N2 - Hybrid simulation of biological processes becomes widely used to overcome the limitations of the pure stochastic or the complete deterministic simulation. In this manual, we present easy-to-follow steps for constructing and executing hybrid models via Snoopy [HHL+12]. Snoopy is a tool to design and animate or simulate hierarchical graphs, i.e., qualitative, stochastic, continuous, and hybrid Petri nets. This manual is concerned with hybrid Petri nets (HPN) [HH12] as well as their coloured counterpart (HPNC) [HLR14]. HPN combine the merits of stochastic and continuous Petri nets into one single class. Moreover, HPN in Snoopy supports state of the art hybrid simulation algorithms (e.g., [HH16]) to execute the constructed HPN models. Simulating a model using Snoopy's hybrid simulation involves first constructing the reaction network via HPN notations and afterwards executing such model. T3 - Computer science reports / Institut für Informatik - 2017,01 KW - Petri net KW - Hierarchical graph KW - Gefärbtes Petri-Netz KW - Hybridsimulation Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-41572 ER - TY - THES A1 - Liu, Fei T1 - Colored Petri Nets for systems biology T1 - Gefärbte Petri-Netze für die Systembiologie N2 - Modeling plays a crucial role in Systems Biology in order to provide a system-level understanding of biological systems. With the rapid development of systems biology, modeling of biological systems has shifted from single scales to multiple scales. This introduces a series of challenges that should be addressed, e.g. repetition of components such as genes and cells, variation of components, or hierarchical organization of components. Traditional modeling approaches, e.g. Petri nets, cannot afford to cope with these challenges, which, however, can be tackled using colored Petri nets. This thesis aims to present a technology based on colored Petri nets and associated techniques to address challenges introduced by multiscale modeling in systems biology and to implement them in our modeling tool, Snoopy. To this aim, we present a colored Petri net framework for systems biology, which relates three modeling paradigms: colored qualitative Petri net (QPNC), colored stochastic Petri net (SPNC) and colored continuous Petri net (CPNC). Using this framework, we can model and analyze a biological system from three different perspectives: qualitative, stochastic and continuous by converting them into each other. We implement this framework in our modeling tool, Snoopy, and therefore in this thesis we explore three key problems concerning the implementation of colored Petri nets. For animating/simulating colored Petri nets, we present an efficient algorithm for the computation of enabled transition instances. In order to utilize the analysis techniques of Petri nets we present an efficient unfolding algorithm for large-scale colored Petri nets. In addition, we discuss three special cases for automatic folding (colorizing): colorizing T-invariants, master nets and twin nets in order to reduce the amount of work for folding Petri nets. Petri nets offer a large variety of analysis techniques ranging from informal techniques, e.g. animation/simulation to formal techniques, e.g. model checking. We summarize those analysis techniques that can be used for colored Petri nets, e.g. structural analysis, numerical and simulative model checking from the application point of view. We discuss some scenarios to illustrate the potential capability of colored Petri nets to cope with challenges in systems biology. Moreover, we apply our colored Petri net technology and techniques to three case studies, C. elegans vulval development, coupled Ca2+ channels and membrane systems. These case studies not only demonstrate how to use the colored Petri net framework and related analysis techniques for modeling and analyzing biological systems, but also show how to address the challenges of systems biology. N2 - Die Modellierung ist für die Systembiologie von zentraler Bedeutung, um biologische Systeme ganzheitlich auf einer Systemebene zu verstehen. Mit der rasanten Entwicklung der Systembiologie hat sich die Modellierung biologischer Systeme von single-skalen zu multi-skalen Systemen verschoben. Dies führt zu einer Reihe von Herausforderungen, die bewältigt werden müssen, unter anderem die Modellierung der Vervielfältigung, Variation und hierarchischen Organisation von Komponenten, z. B. Gene und Zellen. Traditionelle Modellierungsansätze, wie z. B. Petri-Netze, sind diesen Herausforderungen nicht gewachsen; sie können jedoch mit gefärbten Petri-Netzen in Angriff genommen werden. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Einführung einer Technologie, die auf gefärbten Petri-Netzen und zugehörigen Techniken beruht, um den Herausforderungen in der Systembiologie durch Multiskale-Modellierung zu begegnen, und deren Implementierung in unserem Modellierungswerkzeug Snoopy. Für diesen Zweck präsentieren wir für die Systembiologie ein Framework, das auf gefärbten Petri-Netzen beruht und drei Modellierungsparadigmen umfasst: gefärbte qualitative Petri-Netze (QPNC), gefärbte stochastische Petri-Netze (SPNC) und gefärbte kontinuierliche Petri-Netze (CPNC). Mit diesem Framework können wir ein biologisches System aus drei Perspektiven modellieren und analysieren: qualitativ, stochastisch und kontinuierlich, unterstützt durch deren Umwandelbarkeit untereinander. Wir implementieren dieses Framework in unserem Modellierungswerkzeug Snoopy und untersuchen dazu in der vorliegenden Arbeit drei wesentliche Probleme bei der Umsetzung der gefärbten Petri-Netze. Zur Animation/Simulation gefärbter Petri-Netze stellen wir einen effizienten Algorithmus zur Berechnung von schaltfähigen Transitionsinstanzen vor. Um die Analyse-Techniken von Petri-Netzen zu nutzen, stellen wir einen effizienten Algorithmus zur Entfaltung sehr großer gefärbter Petri-Netze vor. Um den Aufwand für die Färbung von Petri-Netzen zu reduzieren, diskutieren wir außerdem drei Sonderfälle für die automatische Faltung (Färbung): Färbung von T-Invarianten, von Master-Netzen sowie von Twin-Netzen. Petri-Netze bieten eine große Vielfalt von Analysetechniken an, die von der informellen Analyse, z. B. Animation/Simulation, bis zu formalen Techniken, z. B. Modelchecking, reichen. Wir geben aus Anwendersicht einen Überblick über die Analysetechniken, die für gefärbte Petri-Netze verwendet werden können, z. B. Strukturanalyse sowie analytisches und simulatives Modelchecking. Wir diskutieren einige Szenarien, in denen gefärbte Petri-Netze weiterhelfen, um ihr Potential bei der Bewältigung der Herausforderungen in der Systembiologie zu illustrieren. Um die Anwendbarkeit unseres Ansatzes zu demonstrieren, wenden wir unsere Methode der gefärbten Petri-Netze auf drei Fallstudien an, C. Elegans, gekoppelte Ca2+-Kanäle und Membran-Systeme. Diese Fallstudien zeigen nicht nur, wie das Framework der gefärbten Petri-Netze und der zugehörigen Analyse-Techniken für die Modellierung und Analyse praktischer biologischer Systeme genutzt werden kann, sondern zeigen auch, wie man den Herausforderungen der Systembiologie begegnen kann. KW - Petri-Netz KW - Datenstruktur KW - Systembiologie KW - Gefärbte Petri-Netze KW - Stochastische Petri-Netze KW - Kontinuierliche Petri-Netze KW - Analyse-Techniken KW - Systems Biology KW - Colored Petri Nets KW - Stochastic Petri Nets KW - Continuous Petri Nets KW - Analysis techniques Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-23656 ER -