程序设计及应用

——遗传算法在基因识别中的应用

小组：

姓名：

学号： 学院：信息工程与自动化学院 班级：

指导教师:

昆明理工大学

20xx年7月

目 录

第一章 程序概述?????????????????1 一、java ??????????????????????1

二、运行环境 ?????????????????????1

1．硬件环境

2．软件环境

第二章 遗传算法 ?????????????????3

一、遗传算法方程 ??????????????????3

二、程序流程图 ???????????????????4

第三章 基因识别 ?????????????????5

一、基因及基因识别 ?????????????????5

1.基因

2.基因识别

二、常用算法及程序 ?????????????????5

三、程序代码 ????????????????????6

四、运行结果 ????????????????????8

五、分析 ??????????????????????9

1.程序分析 ????????????????????9

2.结果分析????????????????????11

3.心得体会????????????????????11

第一章、程序概述

一、Java Java是一种程序设计语言，由Sun Microsystem公司于19xx年推出；早在19xx年，Sun公司的开始开发名为Oak的程序设计语言，希望用来控制嵌入在有线电视机顶盒和PDA等设备中的微处理器；19xx年，Oak语言正式更名为Java； Java 技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性，广泛应用于个人PC、数据中心、游戏控制台、科学超级计算机、移动电话和互联网，同时拥有全球最大的开发者专业社群。

Java是功能完善的通用程序设计语言，可以用来开发可靠的、要求严格的应用程序。Sun 公司对 Java 编程语言的解释是：Java 编程语言是个简单、面向对象、分布式、解释性、健壮、安全与系统无关、可移植、高性能、多线程和动态的语言。Java由四方面组成：Java编程语言、Java文件格式、Java虚拟机(JVM)、Java应用程序接口(Java API)

Java运行系统一般由类装载器、字节码校验器、解释器、代码生成器和运行支持库等几个部分组成。开发和运行Java程序，必须依赖和使用由Sun Microsystem公司提供的Java开发工具包（Java Development Kit）。

开发java程序的步骤

（1）创建Java源程序

Java源程序使用任何文本编辑器创建与编辑，用.java作为扩展名，其实就是一个使用Java语言编写的文本文件；

（2）编译源程序

Java编译器读取Java源程序并翻译成Java虚拟机能够明白的指令集合，并以字节码的形式保存在文件中，通常，字节码文件以.class作为扩展名；

（3）运行class（字节码）文件

Java解释器读取字节码文件，取出指令并翻译成计算机能够执行的机器代码，完成运行过程。

二、运行环境

1．硬件环境

处理器：Intel?Core(TM)i5，

CPU：1.80GHz，

硬盘容量：500G，

系统：Windows7(32位)

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2．软件环境

（1）Java 语言的软件开发工具包jdk1.7.0 ，

jdk是 Java 语言的软件开发工具包，jdk 有各种适合操作系统的版本，我们应该选择合适的版本安装，安装完成后还要进行环境变量的配置，否则

Java不能在电脑上使用。安装和配置好环境变量后就可以编写Java程序了，通常我们用记事本来写代码，先把记事本的名字改为英文，后缀改为Java，写完代码再通过cmd控制台对代码进行编译，编译无误就可以运行了。

（2）运行Java程序所需的环境jre7 ，

（3）基于Java的集成开发环境eclipse.

eclipse是Java的集成开发环境。eclipse 是一个开放源代码的、基于Java的可扩展开发平台。就其本身而言，它只是一个框架和一组服务，用于通过插件组件构建开发环境。幸运的是，eclipse 附带了一个标准的插件集，包括Java开发工具JDK。尽管 Eclipse 是使用Java语言开发的，但它的用途并不限于 Java 语言；例如，支持诸如C/C++、COBOL、PHP等编程语言的插件已经可用，或预计将会推出。Eclipse 框架还可用来作为与软件开发无关的其他应用程序类型的基础，比如内容管理系统。

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第二章、遗传算法

一、遗传算法方程 遗传算法是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。遗传算最初是由美国的J. Holland教授于19xx年在他的专著《自然界和人工系统的适应性》中首先提出的，它是一类借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机化搜索算法 。随着著作的出版，GA这个名称才逐渐为人所知，J.Holland教授所提出的GA通常为简单遗传算法（SGA）。

遗传算法对一个个体（解）的好坏用适应度函数值来评价，适应度函数值越大，解的质量越好。适应度函数是遗传算法进化过程的驱动力，也是进行自然选择的唯一标准，它的设计应结合求解问题本身的要求而定。

遗传算法使用选择运算来实现对群体中的个体进行优胜劣汰操作：适应度高的个体被遗传到下一代群体中的概率大；适应度低的个体，被遗传到下一代群体中的概率小。选择操作的任务就是按某种方法从父代群体中选取一些个体，遗传到下一代群体。SGA中选择算子采用轮盘赌选择方法。

其中轮盘赌选择又称为比例选择算子，实现步骤如下

（1） 计算群体中所有个体的适应度函数值（需要解码）；

（2） 利用比例选择算子的公式，计算每个个体被选中遗传到下一代群体的概率；

（3） 采用模拟赌盘操作（即生成0到1之间的随机数与每个个体遗传到下一代群体的概率进行匹配）来确定各个个体是否遗传到下一代群体中。

轮盘赌选择的基本思想是：各个个体被选中的概率与其适应度函数值大小成正比。设群体大小为n ，个体i 的适应度为 Fi，则个体i 被选中遗传到下一代群体的概率为：

3 Pi?Fi/?Fii?1n

二、 程序流程图

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第三章、基因识别

一、基因及基因识别

1.基因

DNA是生物遗传信息的载体，其化学名称为脱氧核糖核酸。DNA分子是一种长链聚合物，DNA序列由腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C、胸腺嘧啶T这四种核苷酸符号按一定的顺序连接而成。其中带有遗传信息的DNA片段称为基因。

在真核生物的DNA序列中，基因通常被划分为许多间隔的片段，其中编码蛋白质的部分，即编码序列片段，称为外显子，不编码的部分称为内含子。外显子在DNA序列剪接后仍然会被保存下来，并可在蛋白质合成过程中被转录、复制而合成为蛋白质。DNA序列通过遗传编码来储存信息，指导蛋白质的合成，把遗传信息准确无误地传递到蛋白质上去并实现各种生命功能。

2.基因识别

基因识别——使用计算机手段识别DNA序列上的具有生物学特征的片段，其对象主要是蛋白质编码基因，也包括其他具有一定生物学功能的因子，如RNA、mRNA基因等一些非编码基因，基因识别是生物信息学领域里的一个重要研究内容。

二、常用算法及程序

通常的计算机基因识别方法大致可以分为三类：序列相似性方法、从头预测方法、序列相似性和从头预测方法相结合的第三类方法。 遗传算法也是计算机科学人工智能领域中用于解决最优化的一种搜索启发式算法，是进化算法的一种。这种启发式通常用来生成有用的解决方案来优化和搜索问题。进化算法最初是借鉴了进化生物学中的一些现象而发展起来的，这些现象包括遗传、突变、自然选择以及杂交等。遗传算法在适应度函数选择不当的情况下有可能收敛于局部最优 ，而不能达到全局最优。

遗传算法模拟自然选择和自然遗传过程中发生的繁殖、交叉和基因突变现象，在每次迭代中都保留一组候选解，并按某种指标从解群中选取较优的个体，利用遗传算子(选择、交叉和变异)对这些个体进行组合，产生新一代的候选解群，

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重复此过程，直到满足某种收敛指标为止。 遗传算法的基本运算过程如下：

(a)初始化：设置进化代数计数器t=0，设置最大进化代数T，随机生成M个个体作为初始群体P(0)。

(b)个体评价：计算群体P(t)中各个个体的适应度。

(c)选择运算:将选择算子作用于群体。选择的目的是把优化的个体直接遗传到下一代或通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代。选择操作是建立在群体中个体的适应度评估基础上的。

(d)交叉运算：将交叉算子作用于群体。遗传算法中起核心作用的就是交叉算子。

(e)变异运算：将变异算子作用于群体。即是对群体中的个体串的某些基因座上的基因值作变动。

群体P(t)经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体P(t+1)。

(f)终止条件判断:若t=T,则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算。

三、程序代码：

package org.jenetics.example;

import java.io.*;

public class Li{

public static void main(String args[]){

String filePath = "D:\\gene.txt";

StringBuffer sb1=readTxtFile(filePath);

printgene(sb1);

}

static void printgene(StringBuffer sb){

String gene="";

int begin =-1, end,index;

int len=sb.length();

boolean next=true;

while(next){

boolean flag=true;

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begin =sb.indexOf("ATG", begin +1);

if begin >=len-3 || begin <0){

next=false;

flag=false;

}

index=begin+3;

end=index;

while(flag && index<=len-3){

String coden=sb.substring(index,index+3);

if( coden.equals("TAA") || coden.equals("TAG") || coden.equals("TGA")){ end=index+3;

int genelen=end- begin;

System.out.print("启动子:["+ begin +"] ATG");

System.out.println(", 终止子:["+(end-3)+"] "+coden);

System.out.println("编码长度:"+genelen);

gene=sb.substring(begin,end);

System.out.println("编码序列: \n"+gene+"\n");

flag=false;

}

index += 3;

}

}

}

static public StringBuffer readTxtFile(String filePath){

StringBuffer sb=new StringBuffer();

try {

String encoding="GBK";

File file=new File(filePath);

if(file.isFile() && file.exists())

{

InputStreamReader read = new InputStreamReader(

new FileInputStream(file),encoding);

BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(read); String lineTxt = null;

while((lineTxt = bufferedReader.readLine()) != null)

{

sb.append(lineTxt);

}

read.close();

}else{

System.out.println("找不到指定的文件");

}

}

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catch (Exception e) {

System.out.println("读取文件内容出错"); e.printStackTrace();

}

return sb;

}

}

四、运行结果

图4.1 运行结果

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图4.2 运行结果2

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五、分析

1.程序分析

（1）从文件读取基因序列

读取待识别基因的或许可以考虑两种方法：直接在代码中输入基因序列和从文件中读入基因系列，为了保证编写和读取的方便，也确保代码运行的正确性，避免在修改过程中出现错误，选择读取文件的方法更合适。一般可以用定义字符串直接在代码里读取基因；还可以用数组的方式来读取，列三个字符为一个字符串，储存在相应的数组中。

图5.1 从路径读取文件

该程序采用了读取文件的方式来引入需要识别的基因序列（如图5.1）。Main函数中调用readTxtFile实现从相应路径的gene.txt文件中读取字符串，从而获取到需要识别的基因序列。调用printgene函数将基因组传入字符串

StringBuffer中，查找启动子和终止子。

图5.2 判断文件可用性

readTxtFile（）函数主要用于读取文档和判断文档读取是否正确，其中用

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到Java中的if和while等条件判断语句来判断文档的可用性。读取文件时，若找到的不是基因序列文档或内容不符合，则输出“读取文件内容出错”，若对应路径不能找到相关文档，则输出”找不到指定文件”（如图5.2）。

（2）基因序列的识别

基因识别是根据蛋白质编码基因的一般性质和特征进行识别,通过统计筛选出启动子、终止子，以及排除内含子找出相应的编码区（外显子）。首先要解决的是在基因序列中找到启动子和终止子，并要求以3个碱基对为一组一次寻找。

图5.3 识别启动子

整个程序定义字符串String来储存基因序列，定义整型变量begin和end来记录基因的下标和位置。对于变量begin利用条件语句判断先在基因总长度范围内检索出启动子ATG的位置并记录，其中index=begin+3限制了每一次检索3个字符，确保识别出的基因中碱基数是3的整数倍，保证了编码区基因的正确性

图5.4 识别终止子和外显子

利用if和while语句判断是否是终止子 TAA、TAG、TGA，当字符以3个为一

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组检索时，遇到终止子TAA、TAG、TGA就会停下，并记录终止子所在位置存为end，然后通过System.out.print语句输出启动子、终止子和编码序列，并利用begin和end储存的数据计算出编码长度，最后函数返回，继续检索。

2.结果分析

图5.5 基因编码区1

如图5.5所示例子，本次循环识别出的启动子ATG起始于第1553个碱基，终止子TGA起始于第1586个碱基，编码位于区间[1553，1586+3]之间，编码长度即为（1586+3-1553=36）个，为3的整数倍。

图5.6 基因编码区2

3.心得体会

先前对java和遗传算法比较陌生，两周以来的任务促使我们学习新东西。小组成员团结协作，一起讨论完成任务的方法。从一开始不熟悉到有所了解，上网大量地查阅资料、翻译、请教，从java入门和基本的语句算法开始，通过借鉴很多教学视频，熟悉了java语言的语法和语句书写习惯。在明确任务目标后，逐渐有了自己的思路，过程中也跟朋友同学沟通，请教过更在行的人，把想法和他们沟通，虚心接受教导和指点。经过各方面的努力，完成了这次作业。很感谢这次机会，让我们锻炼自己，对陌生的领域有了初步的认识和了解，虽然完成了任务，其中还有很多缺陷和不足，有机会一定继续完善和学习。

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第二篇：学期工作报告总结

20xx—20xx学年度第二学期教育教学工作总结

在区教育局和主管部门的正确领导下，全镇教学工作以科学发展观为统领，坚持深化改革，严格管理，规范办学，走内涵发展道路，教育教学质量又上新台阶。具体总结如下：

一、加强教学管理，推动学校内涵发展。

1、坚持不懈地抓实抓好基础教育课程改革和实施的推进工作。 各校组织教师进一步学习贯彻《基础教育课程改革纲要》、《课程标准》，明确课程培养目标，切实加强新课程、新教材、新的课堂教学模式的学习研讨，努力实现“教学观念”向“教学行为”转化的飞跃，强调师生互动、生生互动，不断创新课堂教学模式，提高课堂教学效率，校本培训效果好。

坚持听课制度，学校领导带头听课，中心校主管业务同志听课在30节以上。听新教师亮相课、青年教师汇报课、骨干教师优质课、学科带头人示范课，同年级、同学科教师互听互评，不同年级、不同学科间也互听互议，理清教材间的纵横联系，矿小等校教师人均听课15节以上。

2、以“课堂教学效益年”为抓手，扎实做好教学“五认真”工作。

各校认真落实“五优”工程，敦促教师切实履行自身岗位职责。①优化备课，大力倡导集体备课制度，发挥群体智慧。镇小充分发挥年级组、备课组作用，集体备课达6节以上，做到两周一活动。②优化课堂，依据课改精神，坚持“以人为本”，强调自主、合作、探究，凸现“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三维目标的整合的。东王小学、矿小等校课堂教学研究扎实。③矿小结合小班化试点，优化作业的研究，以切实减轻学生过重的课业负担

为目标，作业少而精，批改严而细，做到作业有发必收、有收必改、有改必讲、有错必纠，严禁布置惩罚性作业；④优化课外辅导，主要解决尖子生的培养、薄弱学科、边缘生提高三大问题；⑤优化考试、讲评，及时反馈，对共性问题集体补救，对个性问题逐一落实。管好用好教辅用书，杜绝只做不批、只考不改现象，确保学生课课过关、单元过关，抓好两头，保证中间,让每位学生都得到发展。

3、充分发挥教学评估的导向、激励和诊断功能。

组织教师认真学习全区小学质量评价体系、初中评估方案、《南京市小学素质教育综合督导评估方案》等，进一步强化“教学中心、质量为先”的理念，注重过程管理，重视终端质量评价，做到定期检查和随机检查相结合，定性评价和定量评价相结合，坚持实事求是，客观公正。镇内组织了期中和期末两次检测活动，全部实行单人单桌背向，镇内调批调改。在区教育局的两次抽测中，矿小、东小等取得了好的名次，特别是矿小五年级英语学科，取得了全区第一的成绩，远远高出区名校。在20xx区综合评估中，我镇喜获丰收：矿中获取一等奖，矿小获区二等奖，东小获区二等奖，中心园获二等奖，镇中心学校获区二等奖。

4、以系列活动为载体，积极营造学校良好的育人氛围。

各校要坚持把德育工作与校园文化建设有机结合起来，充分利用各种活动载体，将德育工作落到实处。镇小通过校园雕塑、壁画、橱窗、板报等阵地，着力创设健康向上的文化环境；二是组织各种兴趣小组开展活动，在中小学生田径运动会上，我镇小学代表队获得区团体第四名的好成绩。

5、以创建活动为载体，提升学校办学品味。

本学期我镇狠抓省合格学校的创建工作，在区局投入大量设备的前提下，各校多方努力，筹措经费三十多万元，添置设备，修葺

校舍，美化环境，改进管理，规范使用，11月通过省级合格学校验收，得到好评，认为冶山工作做得好，一校一品，是六合区的精品工程、示范工程、形象工程。

二、加强教师队伍建设，提高学校内涵发展的核心竞争力。

1、加强干部队伍建设。

全体中小学领导干部以办人民满意的教育为己任，积极参加干部培训，不断提高自身的管理水平。坚持带头任教主要学科，经常深入教学第一线，及时了解教情、学情，切实掌握领导教学工作的主动权，中学汪校长身兼数职，坚持听课、评课，还亲自制作课件，为年轻教师上指导课。

2、各校重视中小学教师继续教育工作，促进教师专业化发展。 学校的发展靠教师，教师的发展靠培训。各校组织教师认真学习贯彻教育部《中小学教师教师继续教育规定》等文件精神，引导广大教师充分认识到继续教育和校本培训工作，是教师应有的权利和应尽的义务，是教师自身成长和教育可持续发展的力量与源泉，要求教师积极参加各种培训、学习、研讨活动。各校在加强理论研究的同时，要注重教师的反思性实践，瞄准学校和教师的主体性需要，不断提高全体教师实施素质教育的能力与水平，全镇教师参学率达100℅。全镇符合年龄的教师全部参加教师教育技术能力的考试，合格率达98℅。语文教师参加普通话学习达98℅。镇中、镇小还组织班主任校本培训工作，取得了显著的成绩。

3、重视青年教师培养，搭建青年教师成长平台。

积极开展“青蓝工程”、师徒结对活动，全镇有3对师徒获奖。利用教师节进行新教师拜师学艺，签定师徒协议，做到携手共进。组织开展青年教师赛课、教学基本功竞赛等活动，让青年教师有崭露头角的机会，构筑展示自我的平台，镇小吴宝燕获区教坛新秀。

三、加大“控辍”力度，严格治理流生。

义务教育是国家规定每一个适龄儿童、少年必须依法接受一定年限的国民教育。认真贯彻落实省教育厅苏教基（20xx）20号《省教育厅关于做好控制义务教育阶段学生辍学工作的意见》和区教育局“控辍”工作目标，高水平、高质量、高位均衡地实施义务教育。

1、提高认识。各校充分认识到：保障每一位适龄儿童、少年按时接受九年义务教育是学校校长和每一位教师义不容辞的职责，充分认识控辍工作的重要意义，进而增强了自身工作的使命感、责任感和紧迫感。

2、明确目标任务，全力推进控辍工作。完成区教育局下达的控辍工作目标：今年，我镇小学阶段在校生巩固、毕业升学率均为100%，辍学率为0；初中年辍学率控制在区控线内。

3、切实转变观念，树立全面质量观和人才观。全镇教师坚决摒弃歧视后进生、“问题学生”的不良行为，大力给予后进生和问题学生更多的关爱，让他们进得来，留得住，学得好。确保一个都不能少。

4、实施“扶贫助学”工程。积极扶助贫困家庭学生，组织开展“希望工程”、“结对帮扶”、“师生献爱心”、助学券等多种形式的扶贫助学活动，并在系统内广泛开展捐资助学活动，帮助每一位家庭困难学生，切实做到决不让一位学生因贫而失学。全镇各项资助总额达到三万元。

5、高度重视“留守儿童”的义务教育工作。镇中等校重视和研究做好“留守学生”的教育工作，尽可能为“留守学生”提供较好的生活条件和后勤服务。要更多的关注“留守学生”的心理教育、行为品德养成和学习能力的提高，促使他们健康成长。

6、严格学籍管理。全镇中小学生按学区就近入学，严格按照学

籍变动程序，对学生的流动情况及时记入档案。做好中、小、幼的 “无缝对接”，确保每一个小学毕业生升入初中学习。

7、完善“双线负责制”。中学采取“宣传月”、“告家长书”等形式，加大《义务教育法》的宣传力度，强化社会和家庭依法保障孩子接受义务教育的法制意识。镇中采用捆绑法奖惩措施，领导、班主任、科任教师齐动员，加大综合治理流生工作的力度，取得了很好的效果。

8、加强监督考核。镇中心校将把学生巩固率纳入对学校工作的考核范畴，并实行“一票否决”，流生超标学校不得评优。各校也把控辍工作作为衡量教师、班主任工作实绩的重要指标，作为教师评优、晋级的主要依据之一。

在取得成绩的同时，我们也要意识到不足，还存在着：一是教育质量还不够优秀，特别是有些科目成绩还低于区均分，个别小学成为镇内老大难的学校。二是名特优教师的培养管理还不够规范，人数不足，效率还未发挥出来。三是学校管理水平仍有差异，个别学校还不够精细。在今后的工作中，我们将采取有效措施，切实加以提升，打造优质教育，提升教育质量，提高管理水平，提升冶山镇在全区的位次，奋力拼搏，再创辉煌。

六合区冶山镇中心学校

二○○八年元月二十六日