• search hit 9 of 14
Back to Result List

Fuzzy coloured Petri nets for modelling biological systems with uncertain kinetic parameters

Fuzzy-farbige Petri-Netze für die Modellierung biologischer Systeme mit unsicheren kinetischen Parametern

  • Over the last twenty years, Petri nets have been increasingly adopted for modelling and simulating biological systems, as they offer an intuitive and graphical approach for this purpose. Their usability convenience comes from the fact that they offer many types of elements to describe systems in a qualitative and quantitative way. Coloured Petri nets are particularly useful to model systems with repeated components in a compact fashion. Our tool Snoopy for modelling and simulating Petri nets is one of the most well-known tools supporting a family of related Petri net classes comprising stochastic, continuous and hybrid Petri nets, and covering uncoloured and coloured Petri nets alike. However, kinetic information of a biological system, i.e. kinetic parameters may be uncertain, due to many reasons, e.g. environmental factors. Besides, coloured Petri nets as they were previously supported in Snoopy suffered from some inconsistencies. Due to these inconsistencies, exploring the model behaviour using different sizes (scaleability) wasOver the last twenty years, Petri nets have been increasingly adopted for modelling and simulating biological systems, as they offer an intuitive and graphical approach for this purpose. Their usability convenience comes from the fact that they offer many types of elements to describe systems in a qualitative and quantitative way. Coloured Petri nets are particularly useful to model systems with repeated components in a compact fashion. Our tool Snoopy for modelling and simulating Petri nets is one of the most well-known tools supporting a family of related Petri net classes comprising stochastic, continuous and hybrid Petri nets, and covering uncoloured and coloured Petri nets alike. However, kinetic information of a biological system, i.e. kinetic parameters may be uncertain, due to many reasons, e.g. environmental factors. Besides, coloured Petri nets as they were previously supported in Snoopy suffered from some inconsistencies. Due to these inconsistencies, exploring the model behaviour using different sizes (scaleability) was not feasible. Both challenges call for a new and more powerful approach integrating the modelling of uncertainties together with modelling features supporting repeated structures in a compact and scalable way. This thesis comprises two major contributions: Firstly, we introduce the definition and present the simulation algorithm for both uncoloured and coloured fuzzy Petri nets, by extending the existing quantitative uncoloured and coloured Petri nets in Snoopy. This includes discretising the uncertain kinetic parameters to crisp values by using sampling strategies. Secondly, we harmonise coloured Petri nets in Snoopy with their uncoloured counterparts and we extend the Snoopy’s coloured Petri nets by all the features, which are supported by the coloured abstract net description language - an exchange format of coloured Petri nets in our PetriNuts tool family. By performing fuzzy simulation, one can obtain two kinds of output: fuzzy bands of each output variable and their corresponding timed-membership functions. Each fuzzy band describes the uncertainties associated with the input, whereas membership functions give more accurate information about the associated uncertainties. The most important features that we obtain by harmonising coloured Petri nets are to develop scaleable models, by defining scaling factors as constants and unifying the usage of coloured Petri nets with the other tools in our PetriNuts tool family.show moreshow less
  • In den letzten zwanzig Jahren wurden Petri-Netze zunehmend für die Modellierung und Simulation von biologischen Systemen eingesetzt. Sie bieten dafür sowohl eine qualitative als auch quantitative Modellierungsmethode an. Farbige Petri-Netze sind nützlich für die Modellierung von Systemen mit sich wiederholenden Komponenten. Snoopy ist eines der bekanntesten Werkzeuge, das eine Familie von Petri-Netzen unterstützt, darunter sowohl ungefärbte als auch gefärbte stochastische, kontinuierliche und hybride Petri-Netze. In dieser Dissertation werden zwei Themen behandelt. Einerseits können Biologische Systeme aus vielen Gründen unbestimmt sein, zum Beispiel aus Umweltgründen, anderereseits hatten farbige Petri-Netze in Snoopy Inkonsistenzen, die den Bau skalierbarer Modelle verhindern. Die Ergebnisse der Fuzzy-Simulation sind sowohl das Fuzzy-Band jeder interessierenden Variablen als auch zeitliche Zugehörigkeitsfunktionen für jede Variable, damit man die Unsicherheiten erforschen kann, die mit der Eingabe verbunden sind. Durch dieIn den letzten zwanzig Jahren wurden Petri-Netze zunehmend für die Modellierung und Simulation von biologischen Systemen eingesetzt. Sie bieten dafür sowohl eine qualitative als auch quantitative Modellierungsmethode an. Farbige Petri-Netze sind nützlich für die Modellierung von Systemen mit sich wiederholenden Komponenten. Snoopy ist eines der bekanntesten Werkzeuge, das eine Familie von Petri-Netzen unterstützt, darunter sowohl ungefärbte als auch gefärbte stochastische, kontinuierliche und hybride Petri-Netze. In dieser Dissertation werden zwei Themen behandelt. Einerseits können Biologische Systeme aus vielen Gründen unbestimmt sein, zum Beispiel aus Umweltgründen, anderereseits hatten farbige Petri-Netze in Snoopy Inkonsistenzen, die den Bau skalierbarer Modelle verhindern. Die Ergebnisse der Fuzzy-Simulation sind sowohl das Fuzzy-Band jeder interessierenden Variablen als auch zeitliche Zugehörigkeitsfunktionen für jede Variable, damit man die Unsicherheiten erforschen kann, die mit der Eingabe verbunden sind. Durch die Harmonisierung von farbigen Petri-Netzen können wir skalierbare Modelle konstruieren und dann das Verhalten des Modells mit verschiedenen Größen des vorliegenden Modells untersuchen.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Search Google Scholar Stastistics
Metadaten
Author: George AssafORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-58516
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-5851
Referee / Advisor:Prof. Dr. Monika HeinerORCiD
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of final exam:2021/12/15
Release Date:2022/03/29
Tag:Modellierung; Petri-Netze; Simulation; Software Hamonisierung; Unbestimmte Systembiologie
Colouring fuzziness; Fuzzy logic; Petri nets; Software harmonisation; Uncertain biological systems
GND Keyword:Gefärbtes Petri-Netz; Systembiologie; Fuzzy-Logik
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Datenstrukturen und Softwarezuverlässigkeit
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-SA - Namensnennung - Nicht kommerziell - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International
Einverstanden ✔
Diese Webseite verwendet technisch erforderliche Session-Cookies. Durch die weitere Nutzung der Webseite stimmen Sie diesem zu. Unsere Datenschutzerklärung finden Sie hier.