膜系统通常也称为P系统,是一类分布式并行计算模型。受生物细胞、组织以及器官功能与结构的启发,形成了膜计算最基本的理论模型框架。不少研究成果已经证明,很多膜系统的计算能力与图灵机是等价的,从理论上讲可作为理想的计算机器。对于标准膜系统,过去都假定每条规则的执行时间为一个单位时间。但是,该假设过于理想化,实际中的生化反应通常受到多种因素的影响,它们的执行时间往往难以预知。基于该生物现象,本文主要研究了时间无关模式下P系统的计算能力、计算有效性以及计算效率等性能。本文通过对现有膜系统研究范围进行扩展建立了时间膜系统,从而建立了容错性能更好的计算系统。另外,受到一些生物特征和生物现象的启发,为了建立计算效率更高的时间膜系统,本文提出了基于促进剂的时间活性膜P系统和基于对象进化规则的内稳态组织膜系统。最后,受到膜系统中一些特征的启发,提出了一种新的分类算法。具体的研究成果主要包括以下几个内容:(1)提出了一种基于促进剂的时间活性膜P系统,分别构造了半统一和统一的膜算法并在多项式时间内求解了SAT问题,证明了任何图灵可计算数都可通过该类膜系统产生。在这类模型中,规则的应用可以通过促进剂来进行控制,并且系统中每个膜上只有两类电荷。证明结果表明,与现有的相关方法对比,构建的P系统求解SAT问题需要更少的计算资源和RS步,显示了其求解NP完全问题的高效性。(2)针对膜上带蛋白的时间膜系统,构造了两种统一的膜算法在多项式时间内求解SAT问题。在第一种方法中,系统使用基本膜分裂替代非基本膜分裂,并将系统中进化规则的最大长度减小为4,改进了现有的研究结果。在第二种方法中,提出了触发型膜上带蛋白的时间膜系统(每种蛋白质仅有两种可达状态),证明了SAT问题可以被一族触发型膜上带蛋白的时间膜系统在多项式时间内求解,扩展了时间膜系统的研究范围。(3)针对类组织膜系统,本文使用带细胞分裂的时间组织膜系统,证明了在时间无关模式下该系统在多项式时间内仅使用最大规则长度为3即可求解SAT问题。最后,通过一个实例对系统的有效性进行验证。(4)提出了一种基于类组织膜系统新的变体——基于对象进化规则的内稳态组织膜系统。构造了两种统一算法分别求解了SAT问题和三着色问题,并证明了任何图灵可计算数都可通过该类膜系统产生。在这类系统中,去除了“环境中可以包含任意多份物质”这个条件,并引入了对象进化规则。首先,使用规则最大长度仅为2在线性时间内就能得到SAT问题的统一解。然后,将时间无关的概念引入到这类系统中,并证明了在时间无关模式下,构建的系统可以得到三着色问题统一解。(5)受到活性膜P系统基本框架以及进化规则的启发,提出了基于分类噪声过滤的分类算法。该算法一方面能够避免使用交叉验证,具有良好的算法效率和稳定性;另外一方面,通过在膜内进行反复迭代以及对整体数据验证KKT条件,使得该算法相比同类算法能够保留更多的支持向量,从而获得更好的泛化预测能力。公开数据上的仿真结果验证了算法的有效性和高效性。研究结果表明,本文研究的膜系统中规则的执行时间长短不影响系统计算结果,从计算的角度反映了生物系统的鲁棒性,并且在求解NP难问题时具有良好的计算效率。另外,建立的分类算法克服了现有分块算法支持向量损失过多的问题,能够取得更好的平均预测精度。