文献引用格式：蒋亚平，张安康，黎星.人工免疫系统的研究进展与展望[J].信息安全与通信保密,2021(2):83-92. JIANG Yaping,ZHANG Ankang,LI Xing.Research Progress and Prospect of Artificial Immune System[J].Information Security and Communications Privacy,2021(2):83-92.
人工免疫系统的研究进展与展望*
蒋亚平，张安康，黎 星
（郑州轻工业大学，河南 郑州 450001）
摘 要：人工免疫是受生物免疫系统的启发而发展起来的，并逐步成为人工智能研究的热点。
首先介绍人工免疫系统的生物原型，并对免疫系统体计算中的免疫学习、免疫记忆、免疫遗传等算法进行描述；对近几年典型的人工免疫算法与系统进行了深入探讨，通过人工免疫算法在不同领域的应用，展示人工免疫系统在解决复杂问题时具有自组织、自适应、鲁棒性的特点。最后提出免疫算法在未来一段时间内的发展趋势与应用领域，尤其是在免疫协同防御、人工免疫系统与模糊系统集成、量子技术与免疫算法的融合以及人工免疫在无人驾驶技术中的应用，是未来人工免疫系统的发展趋势和研究方向。 关键词：人工免疫系统；生物免疫系统；体计算；人工智能
中图分类号：TP393.08 文献标志码：A 文章编号：1009-8054(2021)02-0083-10
Research Progress and Prospect of Artificial Immune System
JIANG Yaping, ZHANG Ankang, LI Xing
（Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou Henan 450001, China）
Abstract: Artificial immunity is inspired by the biological immune system and has gradually become a hot spot of artificial intelligence research. Firstly, the biological prototype of the artificial immune system is introduced, and the immune learning, immune memory, immune genetic algorithm in the immune system population computing are described. Then, the typical artificial immune algorithm and system in recent years are discussed in depth. Through the application of artificial immune algorithm in different fields, it shows that the artificial immune system has self-organization and self-adaptive ability in solving
* 收稿日期：2020-10-19；修回日期：2021-01-21 Received date:2020-10-19; Revised date:2021-01-21
基金项目：国家自然科学基金（No.61272038）；河南省科技厅科技攻关基金（No.0624220084）；河南省基础与前沿技术研究计划（No.122300410255）； 河南省教育厅自然科学基金（No.2010A520044）
Foundation Item: National Natural Science Foundation of China(No.61272038); Science and Technology Research Fund of Henan Science and Technology
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Department(No.0624220084); Basic and Frontier Technology Research Program of Henan Province(No.122300410255); Natural Science Fund of Henan
Education Department(No.2010A520044)
0 引 言
随着生物系统研究的不断进展，人们从生物系统中获取了很多灵感并且进行基于仿生学的人工智能研究。20世纪70年代， Jerne[1-2]首先提出了人工免疫系统的网络假说，并以此开创了独特型网络理论。独特型网络理论为人工免疫系统以后的应用和研究提供了理论指导，并发展成为人工免疫的基础理论之一。Perelson[3]在独特型网络理论的基础上进一步给出了免疫网络的数学框架，从而加快了人
工免疫系统在计算机科学方面的发展。此后Forrest又提出了阴性选择算法，他的工作对于人工免疫系统的发展尤其是在信息安全领域应用的发展具有十分重要意义。20世纪80年代，Farmer[4]等人率先基于免疫网络学说给出了免疫系统的动态模型，并探讨了免疫系统与其它人工智能方法的联系，1997年和1998年IEEE国际会议组织了相关专题讨论了人工免疫系统及其应用。目前，人工免疫系统[5]（Artificial Immune System，AIS）已经发展成为计算智能研究的一个崭新而且尤为重要的分支并且在多个计算机领域有了广泛的应用，并为解决工程实际问题提供了一种强大的信息处理和问题求解范式。
通过介绍人工免疫系统，对近几年典型的人工免疫算法与系统进行了深入探讨，通过人工免疫算法在不同领域的应用，展示人工免疫系统在解决复杂问题时的特点。最后提出免疫算法在未来一段时间内的发展趋势与应用领域。
免疫系统是维持人体自身健康状态所必不可少的关键系统。通过依靠其所具有的免疫防御、免疫监视和免疫自身稳定三大功能。通过发现、消灭外来病原体、防止感染，以及监控体内异常病变细胞，对维持机体内环境的稳态发挥着重要作用。而机体对病原侵害做出的应答反应叫做免疫（Immunity）。
1.1 免疫细胞
免疫系统的主要功能是识别生物体内的细胞，并在识别之后将所有细胞分成“自己”与“非己”两大类的细胞类型，并引发适当的防御机制去除“非己”细胞。“自己”就是生物体自
complex problems Robustness. Finally, the development trend and application fields of immune algorithm in the future are put forward, especially in immune cooperative defense, the integration of artificial immune system and fuzzy system, the fusion of quantum technology and immune algorithm, and the application of artificial immune in unmanned driving technology.
Key words: artificial immune system; biological immune system; population computing; artificial intelligence
平谷地震身的组织；“非己”是非生物体自身的组织或者某一物质。免疫应答则是指机体的免疫系统识别“自己”与“非己”，并对自身成分产生天然免疫耐受，对抗原异物产生排除作用的生理过程。生物免疫系统是由免疫分子、免疫细胞、免疫组织和免疫器官组成的复杂系统。免疫细胞广义上包括造血干细胞、淋巴细胞、单核吞噬细胞等。免疫分子包括免疫细胞膜分子、免疫球蛋白分子等[6]。
1.2 T细胞与B细胞
T细胞的主要功能是调节细胞的活动或者直接对抗原进行攻击。B细胞主要是依靠产生抗体进而对入侵
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抗原进行攻击。成熟的B细胞产生于骨髓中，成熟的T细胞产生于胸腺之中。T细胞与B细胞成熟之后进行克隆增值、分化并表达其具有的功能。大多数抗原物质在刺激B细胞形成抗体过程中，需T细胞的协助；在某些情况下，T细胞亦有抑制B细胞的作用。同样，在某些情况下，B细胞也可控制或增强T细胞的功能。两种淋巴细胞共同作用并相互影响和控制对方功能，形成了机体内部高度规律的反馈型免疫网络。
1.3 树突状细胞
树突状细胞广泛分布于全身组织和脏器，数量较少。树突状细胞主要参与免疫应答的诱导和启动。根据树突状细胞的成熟状态，将其分为未成熟树突状细胞和成熟树突状细胞。未成熟的树突状细胞在外周组织器官接触和摄取抗原或受到某种刺激后逐渐成熟，同时通过输入淋巴管或血液循环迁移到外围免疫器官发育成为成熟树突状细胞。人民检察院民事行政抗诉案件办案规则
2 人工免疫算法
人工免疫系统是通过研究生物免疫系统，运用仿生技术建立的体系。从信息处理的角度来看，生物免疫系统具备强大的自学习、免疫记忆、个体多样性以及鲁棒性等特性，国内外专家学者根据免疫的特性建立了基于免疫的数学模型，用于信息处理和复杂问题求解。人工免疫系统仿生机理和算法的主要内容如图1所示。
图1 人工免疫算法的研究
2.1 免疫学习
免疫学习机理是对进入机体的细菌病毒进行不断识别的过程。最常见的免疫学习，是在对新的信息进行模式识别时，机体出现初次应答阶段，在这个阶段中，免疫系统要产生相应的抗体，而这一种抗体是第一次出现在体内，故而免疫学习过程较慢，时间较长。在非第一次遇见相同的信息进行识别过程中，机体会出现再次应答阶段，该过程称为二次应答。免疫学习阶段中，由于免疫记忆机制的作用，免疫系统对已经出现过的抗原应答速度大大提高，
并且产生高亲和度的抗体处理相对应的抗原。再次应答阶段属于增强式学习过程。
免疫学习是发生在免疫识别过程中的过程之一。免疫学习的基本方式具有以下四种：（1）增强式学习。当抗体对抗原进行第一次识别之后，机体对抗原的识别程度尚未达到100%的识别，而在之后的识别过程中会加强对这一新抗原的专一性识别，在形成专一性识别的过程中，每一次对抗原的识别都是增强式学习。
（2）遗传式学习。免疫过程中，同一种抗原的抗体在识别过程中不断进化，并且遗传上一代抗体的进化结果，使每一代的抗体对同一个抗原的亲和度逐渐成熟。比如，人工进化（Evolutionary Algorithm，EA）[7]属于遗传式学习。
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（3）联想式学习。在交叉反应过程中，对于不同的病毒但因为具有相同抗原的因素，将会产生同一种抗体对不同的病毒均产生免疫，这种产生抗体的过程称为联想式学习。
（4）重复式学习。当免疫系统获取的抗原少而次数多时，就会进行重复的训练学习。
2.2 免疫记忆
免疫记忆机制目前在智能优化[8]和增强学习[9]方面得到了一定程度的应用，对各种智能优化和增强学习的算法都有提升计算效率的作用。2017年，黄光球[10]提出一种基于人类记忆机制构造了人工记忆
优化机制，在文中提出根据记忆细胞的三种不同记忆状态，瞬时记忆状态、短期记忆状态和长期记忆状态，每种状态都可以被接受的刺激增强或减弱力量。以下是三种记忆状态的基本概念：
（1）瞬时记忆状态是物质刺激或原始信息通过一个或多个感觉器官进入瞬时记忆存储的直接图像，其存储容量是感觉器官的生理极限，也可以定义为信息保持时间受到衰减的限制[11]。
（2）短期记忆状态由大脑中的当前信息组成，通常被称为工作记忆，其信息来自瞬时记忆和长期记忆的识别和提取[12]。
（3）长期记忆状态的形成是进入短期记忆的信息经过进一步处理后，可以得到更好的保存，然后转入长期记忆[13]。
2.3 克隆选择
人工免疫系统的克隆选择是具有高鲁棒性和广泛适用性的全局优化方法，同时也是具有自组织、自适应、自学习的特性，能够不受问题性质的限制，有效地处理传统优化算法难以解决的复杂问题。在进化算法中更能体现克隆选择的优点与特性。当前的进化算法包括进化规划[14]、遗传变异[15]、遗传算法[16]和进化策略等。
近些年来，根据克隆选择原理，人们提出了很多的克隆选择算法，并得到了很好的应用。莫宏伟等人[
17]通过利用免疫算法全局并行的特性，将免疫算法用于解决TSP问题中的退化现象。焦李成等[18]提出了一种基于合作模型的协同免疫多目标优化算法，并在算法中在抗体繁殖上结合了克隆选择，用于解决多目标优化问题。李涛等人[19]提出一种基于免疫原理重构TSP问题的模型，该方法通过使用克隆选择解决组合优化问题。重力搜索克隆选择算法（Gravity Search Clonal Selection Algorithm，GSCSA）是Gao等人[20]提出的，将克隆选择算法（Clonal Selection Algorithm，CSA）和重力搜
索算法（Gravity Search Algorithm，GSA）结合起来，而Qu和Mo[21]则用它们的生物地理优化克隆选择算法（Biogeographical Optimization Clonal Selection Algorithm，BOCSA）处理数值优化问题，将克隆选择算法与基于生物地理学的优化（Biogeography Optimization，BO）结合起来。一些克隆选择算法将其他技术结合起来解决约束优化问题。Chen[22]提出了一种称为免疫激发进化策略（Immune Inspired Evolutionary Strategy，IIES）的方法。克隆选择算法近年来也被用于求解组合优化问题，包括旅行商问题（TSPs）、车辆路径问题（VRPs）和调度问题。Hsu等人[23]针对车辆路径问题，提出了ASIG-VRPCT算法。Pan等人[24]提出了一种新方法HIA以解决TSP 问题。
2.4 免疫遗传
免疫遗传算法是将免疫算法和遗传算法进行结合，在免疫算法中加入遗传算子，在没有附加复杂的操作和降低遗传算法鲁棒性的情况下，算法兼顾了搜索速度、全局搜索能力和局部搜索能力。免疫遗传
算法具有下述功能：克服通常遗传算法收敛方向无法控制的缺陷，把目标函数和制约条件作为抗原，这就能在保证所生成的抗体直接与问题相关联的情况下，收敛方向能得以控制。并对抗原亲合力高的抗体进行记忆，能提高二次快速求解，即当遇到同类抗原时可以快速生成与之对应的抗体。
免疫遗传算法在处理实际问题的时候，面对不同的问题，由于自身具有的进化算子，故而无论所要解决的问题是离散的还是连续的都会有很好的解决方式。免疫遗传算法因其自身的特点广泛应用于自动控制、故障诊断、模式识别、图像识别和机器学习、网络安全等各个领域。
3 人工免疫系统的应用
人工免疫系统在工程中的实际应用，最主要的是利用了模式识别的特性。比如，抗原与抗体之间的识别，免疫系统对“自己”与“非己”之间的识别等。近几年来，研究者通过对免疫系统中存在的模式识别的不断研究，并且结合现实中出现的问题加以实现，已经有了不少的成果。
Yasmine Serdouk等人[25]提出了一种基于人工免疫识别系统（Artificial Immune Recognition System，AIRS）的离线签名验证的新方法用于手写签名认证，通过实验证明，基于人工免疫识别系统的离线签名验证方法优于现存在的技术。Mikherskii等人[26]通过对人工免疫系统在视觉模式识别中的适用性讨论，提出了一种新的人工免疫系统的算法和软件实现方法，在此基础上利用网络摄像机进行实时模式识别。在保障信息安全、工程调度等方面都用到了模式识别机制。
3.1 信息安全
目前人工免疫算法在网络安全领域的研究已经有所成就，尤其是在网络的入侵检测技术上，已经有了较为全面的研究。2007年，蒋亚平整理出人工免疫算法与入侵检测的相似性，进而使入侵检测与人工免疫算法有了更加清晰的比对[27]，如图2所示。随后，有更多的研究者在人工免疫系统与信息安全领域有所研究。
>腐蚀试验
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