Основы визуального моделирования

Задача моделирования сложных систем может быть существенно упрощена с точки зрения исследователя путем представления моделей систем в виде диаграмм и использования компьютерных программ, поддерживающих визуальное моделирование.

Визуальное моделирование – это формальное представление, создание моделей и работа с ними в виде графических диаграмм. Численные расчеты проводятся на основе данного представления.

Диаграммы - это двумерные геометрические представления информации в соответствии с соглашениями о графических обозначенияx. Диаграмма состоит из узлов, ребер и компартентов, которые называются элементами диаграммы:

  • узел обычно представляет собой некоторую геометрическую фигуру, например прямоугольник или эллипс;

  • ребро – это линия, соединяющая два узла;

  • компартмент — это особый тип узла, внутри которого могут находиться другие узлы.

BioUML упрощает создание сложных биологических моделей путем визуального моделирования:

  • пользователь создаёт и редактирует модель биологической системы в виде диаграммы;

  • на основе созданной диаграммы ПК BioUML генерирует Java код;

  • сгенерированный Java код компилируется и используется соответствующими решателями для численного моделирования динамики исходной системы.

Графическая нотация

Необходимой составной частью визуального моделирования является графическая нотация (визуальный синтаксис, графический язык), которая позволяет формально и полно описать модель. Графическая нотация может быть представлена несколькими типами диаграмм, позволяющими описать разные аспекты структуры и функционирования сложных систем с разным уровнем формальности и детализации. Далее на основе такого формального графического представления системы (диаграммы) компьютерная программа автоматически генерирует код для численного моделирования динамики этой системы.

Основными компонентами формального определения графической нотации являются:

  • типы вершин и ребер – какие типы биологических (и математических) объектов и их взаимодействий могут быть показаны на диаграмме;

  • правила отрисовки объектов – как биологические объекты должны быть представлены на диаграмме, учитывая их свойства. Например, РНК может быть представлена в виде волнистой линии, белок может быть представлен в виде круга, а маленькие круги на нем могут представлять различные модификации аминокислотных остатков (фосфорилирование, убиквитинирование и т.п.);

  • семантические правила и ограничения – используются для обеспечения семантической целостности диаграммы в процессе ее создания и редактирования. Например, если пользователь удаляет вещество с диаграммы, то все реакции, в которых оно участвует должны быть тоже удалены.

Поддержка SBML и SBGN в BioUML

BioUML полностью поддерживает и активно использует SBML (Systems Biology Markup Language) - язык разметки системной биологии в качестве стандарта для описания математических моделей с обыкновенными дифференциальными уравнениями (ОДУ) и дискретными событиями (https://sbml.org/). Модели, создаваемые в BioUML, в основном подчиняются математическому формализму, описываемому SBML.

Наиболее известной графической нотацией в системной биологии является SBGN (Systems Biology Graphic Notation), которая поддерживается в BioUML (Рисунок 1). Подробное описание графической нотации SBGN можно найти по ссылке (https://sbgn.github.io/).

SBGN нотация в BioUML

Рисунок 1. Адаптированная SBGN нотация в BioUML