[发明专利]基于网格的计算化学应用整合系统

说明书

技术领域

本发明属于计算化学领域，是一种利用网格技术，可视化技术的计算化学应用整合方案。

背景技术

目前，计算化学领域包括的应用程序已经有数百种，但各类应用侧重的方向不同，即便一些主流的应用，计算方法也不尽相同，譬如Gaussian，Molpro，Q-Chem侧重于非经验方法(Non-empirical Methods)；AMPAC，MOPAC，WebMO侧重于半经验方法(Semiempirical Methods)；Alchemy，AMBER，Tinker侧重于分子力学和力场方面(Molecular Mechanic&Force Field)；GROMACS，NAMD侧重于分子动力学方面的计算(Molecular Dynamics)。然而，计算化学家往往同时需要多种软件来完成计算任务，但各种软件本身存在异构性，在计算能力上也存在差异，即便同一类型的计算软件，在计算化学家群体也存在不同的使用偏好。

常见的解决方案是构造一个整合各类主流计算化学应用的跨平台系统。WebMO采用浏览器/服务器(Browser/Server)架构，用户通过浏览器可提交作业到远程计算服务器；GridChem是UIUC的网格子项目，提供部分计算化学软件的远程作业提交功能；CSE-Online(Computational Science and Engineering-Online)是基于TeraGrid的一个整合平台，提供计算化学、分子生物学和力学方面的计算；CCG(ComputationalChemistry Grid)是美国自然科学基金支持的整合分布式计算化学资源的项目。总而言之，越来越多的计算化学应用倾向于基于网格，主要有以下两方面的原因：

在同一台主机上安装多个计算化学软件存在兼容性问题；大规模耗时的作业远远超出了单机的计算能力。

目前国内还没有类似的系统整合计算化学资源。随着国家网格(CNGrid)的发展，使得整合分布是资源有了一个较好的平台。

首先，网格是一个协调资源共享的软硬件基础设施，可以利用高性能计算机或闲置资源完成大规模计算。基于网格，一方面可以屏蔽底层不同应用的异构性，网格能够组织各种不同应用，而暴露给用户的只是封装好的服务，因此，用户不必关心应用的组织形式和存在位置；另一方面丰富的网格资源为高性能计算提供保障，按照网格的设计理念，任何并行计算机、集群都可以作为网格结点，多个地域上不同的结点协同工作，组成一个超级资源库。

其次，集成环境是一个对不同应用进行再封装的概念，兼具各种不同应用的特点。计算化学应用软件种类的多样，就决定了其用户界面和操作的差异。构建一个统一的平台，吸收各种应用的优点，使用户能够通过这个平台进行分子建模、可视化、计算以及结果获取，享受便捷的一站式服务，无疑提升了用户体验。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种基于网格的计算化学应用整合系统，以使用户能够通过这个系统进行分子建模、可视化、计算以及结果获取，享受便捷的一站式服务。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种基于网格的计算化学应用整合系统，该整合系统是一个架构在网格中间件上的前后端处理三层结构，包括：分布式的化学资源部、网格中间件部、操作界面部；分布式的化学资源部分布在不同的网格结点，该部内设有安装了计算化学应用软件的计算资源和与化学领域相关的概念及方法的化学知识单元；

网格中间件部屏蔽后端应用异构性，实现对资源的共享和协作，并形成一个超过单机能力的计算平台；包括服务接口单元、作业调度单元以及知识库单元；

操作界面部包括，将分子结构模型转换成计算机内部的数据结构的分子建模单元，采用显示分子的三维结构的分子可视化单元，协助用户将作业提交到网格，并监控、操作和下载的作业管理单元以及管理社区单元；

分子建模单元，设定原子是建模的最小单位，原子之间存在化学键，分子为链式结构，分子为链的集合，链由在空间中重叠的三维结构原子球构成；每一个原子球σ(p_i，r_i)有两部分，p_i为原子球的中心位置，r_i为原子半径，所有原子球重叠在一起，构成了集合AG；当两个原子之间存在化学键构成时，所有化学键构成了集合BG。原子球集合和化学键集合的并集构成了分子链C，而多个分子链构成了分子M；以下是分子建模的数学定义：