自然计算是模拟自然界的结构、功能或者层次关系等的一系列计算模型与算法。按照计算模型的启发源分类,自然计算可以分为物理层次、生命层次和文化层次的计算模型。计算机领域中常见的遗传算法、蚁群算法、神经网络等都属于生命层次的自然计算。膜计算作为一个近些年发展迅猛的自然计算分支,在理论和应用上均有很好的发展。本文基于膜计算相关理论,提出了两种新的膜计算变体并对这两种变体的应用进行了研究。服务组合中的孤岛问题需要实现孤岛与系统的通信,即系统与外界环境的交流。而软件产品线的演化问题需要实现在已有的系统中添加新的变化机制这个过程。已有的膜计算模型无法解决这两类问题。因此,本文在已有的膜计算理论研究的基础上,通过对膜计算中主要研究对象进行扩展,提出了适用于解决服务组合中孤岛问题的通道膜演算以及适用于对软件产品线演化问题建模的通信膜演算。本文的主要研究贡献总结如下:（1）已有的膜计算模型规定,对象和膜必须在同一表层膜内才能发生转移。这种定义意味着已有的膜计算模型无法描述两种不同环境之间的通信。因此,本文提出了一种新的计算方法——通道膜演算。这种方法对膜演算的反应规则进行了扩展,定义了对象和膜可以通过通道和膜进行通信的信息传递方式。在定义中,通道的建立并不局限于同一个表层膜,因此不同的表层膜可以通过通道进行信息（对象和膜）的传递。这种演算方法适合对孤岛问题进行建模。（2）已有的膜计算模型规定,对象和膜必须按照反应规则定义的方式发生变化。这种定义方式意味着这些方法的反应规则无法动态变化,因此不善于对变化方式不固定的系统进行建模。本文提出了一种新的膜计算变体——通信膜演算。通信膜演算在原有的膜计算模型定义的基础上增加了规则的传递、复制和删除的计算模式,使得反应规则也具有了动态变化的能力。因此通信膜演算比已有的膜计算模型具有更多的通信机制与变化机制。通信膜演算适用于对系统演化过程进行建模,如软件产品线的演化。（3）将本文提出的通信膜演算和通道膜演算与相关的膜计算模型进行了对比。利用后继状态和到达路径等概念,从静态结构描述能力和动态演化能力两个方面对几种计算模型进行了详细比较,对比结果表明:通道膜演算适用于对静态结构进行描述,通信膜演算适用于动态演化问题建模。（4）传统的软件产品线特征模型的构建大多依赖领域专家的分析,每当软件产品线发生演化时,领域专家都需要对特征模型进行重构。这个重构过程完全依赖领域专家对软件产品线和演化需求的理解,不能保证特征模型演化的正确性。因此,本文提出了一种基于演化需求的软件产品线特征模型自动生成方法,利用通信膜演算来描述特征模型的结构和演化过程。该方法利用通信膜演算抽象表示特征模型和演化需求,进而使得特征模型可以根据演化需求自动变化,得到演化后的特征模型。本文提出的方法可以自动确定软件产品线特征模型的演化范围,自动改变特征模型;可以减少特征模型演化过程中的领域专家的工作量,同时避免人为修正特征模型时产生的错误。