Российская академия наук дальневосточное отделение

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Институт автоматики и процессов управления

ПрограммНые системы

ДЛЯ решЕНИЯ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ «ХИМИЯ»

(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Владивосток

2006

УДК 004.89

Данная работа содержит обзор литературы по программным средствам, разработанным для решения различных прикладных задач химии. Рассмотрены экспертные системы, программы планирования органического синтеза, программы прогнозирования физико-химических свойств соединений, обучающие программы (на русском языке) и программы, разработанные для работы в среде Интернет.

Работа рассчитана на специалистов в области искусственного интеллекта, знакомых с основами химии, аспирантов и студентов старших курсов соответствующих специальностей.

Для удобства читателей данная работа доступна на сайте http://www.iacp.dvo.ru/es/

Библ. 36.


ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР к.т.н., с.н.с. Артемьева И.Л.
РЕЦЕНЗЕНТ к.т.н., с.н.с. Грибова В.В.

 Институт автоматики и процессов управления

ДВО РАН, 2006

1. Прикладные программы

Программная система основана на метаонтологии. Расширение онтологии фиксируется метаонтологией, которая определяет все группы терминов, которые могут быть определены в онтологии.

Программная система имеет средства настройки редактора знаний на изменения онтологии и позволяет использовать ранее записанные в базу знаний знания при изменении онтологии.

Добавление новых разделов также влечет добавление новых классов решаемых задач, поэтому программная система имеет средства добавления новых методов решения задач или средства автоматического формирования методов при появлении новых классов задач.

В системе E-CELL [2] модель Вещество-Реактор (Substance-Reactor) призвана представлять все химические реакции в клетке. Контейнер объектов, который авторы называют «Система», сделан для оказания помощи пользователю в моделировании сложных сетей реакций, которые охватывают всю клетку.

В системе определены две фундаментальные сущности предметной области для представления химических реакций: Вещества и Реакторы. Вещество – это сущность, у которой название и количество молекулярных групп используются в качестве атрибутов. Реактор – это сущность для реализации химических реакций в качестве программируемых объектов, которые вычисляют изменения в множестве Веществ. Кинетика реакций и их параметры кодируются в эти объекты Реакторов. Существенно, что все химические реакции постоянно изменяют различные характеристики молекул. С использованием модели Вещество-Реактор химическая реакция может быть представлена в виде ориентированного графа.

Клетка не является даже смесью молекул, она скорее является структурной областью, где часто располагаются вещества в клеточном отделении органеллы или мембраны. Клетка может быть рассмотрена как место локализации определенных веществ с целостной культурной средой. Реализовывая контейнер объектов, E-Cell позволяет иерархическое структурирование области и/или функции в окружающей модели клетки. Внутри E-Cell модель клетки определена как объект «Системы», который имеет, так же как и ее атрибуты, несколько других объектов «Систем», представляющий клеточные отделения, такие как мембрана, цитоплазма и хромосома.

«Реактор» в суперсистеме эмулирует транслокацию веществ через соседствующие подсистемы (т.е. перемещение протеинов мембраны из цитоплазмы в плазменную мембрану).

«Реактор» в подсистеме манипулирует «Веществами» в его суперсистеме. Реакции, в которых основания в цитоплазме катализированы протеином мембраны, могут быть представлены, используя этот тип топологического размещения.

«Реактор» в системе мембраны перемещает вещество из одной «Системы» в другую «Систему» (т. е. протон перемещается с помощью протеинов мембраны). «Реактор» в одной системе манипулирует веществами в другой «Системе».

Система E-CELL оснащена несколькими пользовательскими интерфейсами для наблюдения и взаимодействия с моделью клетки в общем или концентрации выбранных веществ.

Работа по моделированию с E-CELL раскрывает следующие моменты:

1. 
   Моделирование клеточного метаболизма как целой клетки осуществимо определением веществ и правил реакции.
   
2. 
   Время процессора, необходимое для модуляции с E-CELL, пропорционально числу правил реакции, и экспоненциально повышающегося поведения нет, что означает использование большого количества биологических свойств без строгой настройки значений параметров.
   

Encore [3] собирает основную химическую информацию так, будто собирается информация для книги или серии книг. Она вносится в энциклопедию для того, чтобы форматировать и структурировать ее, так чтобы она больше подходила для гибкого компьютерного поиска.

Авторы надеются, что их будущий продукт:

• 
  Позволит студентам всех уровней, начиная с первого, определять связи, для создания которых книги и индексированные БД не предназначены.
  
• 
  Будет способствовать созданию новых способов обучения органической химии, в которой имеются проблемы управления понятиями, химическими структурами, математическими формулами и экспериментальными методами.
  
• 
  Открывать неизвестные области с помощью обнаружения не обнаруженных ранее связей.
  

Структура Afferent – система управления химическими знаниями. Структура Afferent, являющаяся ядром комплекта Afferent, перечисляет комбинаторные структуры результата, используя подход к библиотечному представлению, основанный на реакциях. Система прослеживает физическое нахождение, идентификационные номера и другие данные, относящиеся к результатам.

Для параллельных и комбинаторных прикладных программ химии, инструменты Структуры Afferent прослеживают последовательность выполняемых действий в целой библиотеке от синтеза до операций. Структура Afferent нумерует библиотечные структуры продуктов.

Структура Afferent теперь включает обширные новые особенности, разработанные для химиков, разрабатывающих индивидуальные составы и использующих параллельные методы в медицинской лабораторной химии.

Структура Afferent может найти любую желаемую информацию в базе знаний. Поиск в базе знаний идет не только на уровне простых структурных запросов, а позволяет интегрировать множественные типы информации, включая синтетические и аналитические данные.

Синтез Afferent – дополнительный модуль. Допускает целостную передачу реактива и информацию о последовательности выполняемых действий между Afferent и известными автоматизированными системами.

Аналитический Afferent – дополнительный модуль. Интегрирует MS, LC/MS и числовые аналитические данные с химическими структурами желаемых результатов и возможных побочных продуктов, синтетических методов, и прослеживания выборки для обеспечения улучшенной интерпретации аналитических данных. Аналитический Afferent управляет данными из наиболее популярных инструментов, используемых для комбинаторного анализа.

EQUICALC [5] – позволяет рассчитывать равновесные состав и свойства сложных химически реагирующих систем. Максимальное число веществ в системе – 700, количество фаз – 60, предусмотрена возможность присутствия в системе одного или двух конденсированных растворов. Для данной версии был разработан новый алгоритм расчета равновесного состава и термодинамических параметров системы. EQUICALC позволяет осуществлять анализ результатов моделирования при помощи графиков, которые отображаются на экране дисплея.

DATANAL – программа, предназначенная для статистического анализа информации, хранящейся в базе данных. DATANAL может помочь установить наличие некоторых корреляций между теми или иными свойствами веществ и в случае необходимости получить оценочное значение неизвестного параметра.

REACT for Windows [6] – программа, состоящая из трех главных частей: редактор химического механизма, расчетный табулятор результатов и графопостроитель. Редактор механизма облегчает вход и редактирование механизма и данных времени реакции. Данные о механизме включают название механизма и любую дополнительную описательную информацию, набор химических реакций, их соответствующие коэффициенты скорости прохождения и начальную концентрацию каждого вида, входящего в механизм. Время реакции – моменты времени, когда интегратор сообщает о данных концентрации и производной времени концентрации для каждого вида.

HSC Chemistry for Windows [7, 8] – это пакет программ, занимающийся химическими реакциями и использующий обширную термохимическую базу данных из более чем 11000 структур. Программа включает 7 различных опций расчетов для вычисления свободной энергии Гибса и констант равновесия для уравнений реакции, температуры и материальных балансов, составов равновесия, весов формул, электрохимического равновесия клетки, диаграмм стабильности стадии и Eh-pH (Pourbaix) диаграмм.

Текущая версия HSC Chemistry предлагает семь опций вычисления для различных типов химических значений. Все эти опции автоматически используют ту же самую базу данных HSC, которая эквивалентна одиннадцати объемным книгам, содержащим термохимическую информацию.

Вычисления полностью управляются меню, имеется система помощи. Диалог помощи содержит краткие инструкции, примеры и теоретическую информацию для того, чтобы помочь в интерпретации результатов, которые могут быть представлены в виде таблиц, картинок и диаграмм.

Kinetics [8, 9] – программа, численно объединяющая скорость уравнения для обратимого мультишага химической реакции и позволяющая определить концентрацию химических классов в системе с учетом времени. Входными данными являются интересующие реакции и связанные константы скорости. Могут быть исследованы системы, содержащие до 100 обратимых реакций и 50 химических элементов. Каждая индивидуальная реакция может содержать 5 реагентов и 5 продуктов, позволяя исследовать большинство интересующих систем. Программа автоматически отслеживает реагенты и продукты, генерирует список химических групп в системе и формулирует необходимые уравнения для числовой интеграции.

Программа обеспечивает интерфейс, позволяющий пользователям создавать сложные системы реакции. В программу также включен графический пакет для отображения и печати результатов моделирования. Можно получить графический вывод результатов или сгенерировать файл, подходящий для использования в программе крупноформатных таблиц.

Kinetics позволяет рассмотреть течение химических реакций на молекулярном уровне. Есть возможность управлять температурой, добавлять катализаторы и проследить порядок разложения. Существует возможность приостановить процесс для более подробного изучения.

TEP (Thermal Equilibrium Program) [8] – диалоговый химический инструмент анализа сгорания, для оценки результата сгорания при условиях равновесия, использующий минимизацию свободной энергии Гибса.

HyperChem, ChemPlus and HyperNMR – пакет молекулярного моделирования. HyperChem предлагает набор инструментов для изучения и предсказания молекулярных структур и свойств. Программа включает множество вычислительных опций (геометрическую оптимизацию, молекулярную динамику и т.д.), использующих несколько известных молекулярных механик и полуэмпирических вычислительных методов.

ChemPlus добавляет 9 расширений к HyperChem, включая молекулярное распределение, конформационный поиск, RMS наложение молекул, редактирование последовательности, построение кристалла и сахара, а также вычисление QSAR свойств.

HyperNMR вычисляет химические изменения и константы сцепления используя квантовые механики, а также моделирует NMR спектр.

Khimera [10] – инструмент для исследователей, работающих в области атомистического моделирования в сгорании, плазменной химии, и науке материалов для квантовой электроники, а также использующих квантово-химические пакеты программ.

Khimera основан на результатах квантовых химических вычислений элементарных реакций газовой стадии.

Функции программной системы:

• 
  вычисление термодинамических потенциалов для начальных реагентов и результатов, вычисление энергии, энтальпии и свободной энергии реакций в указанных условиях давления и температуры;
  
• 
  вычисление скорости констант элементарных мономолекулярных и бимолекулярных реакций, используя статистические теории;
  
• 
  моделировать кинетики макроскопической газовой стадии, основываясь на моделях Хорошо Размешиваемого Реактора (Well Stirred Reactor) и Калориметрического Реактора Бомбы (Calorimetric Bomb Reactor) с анализом чувствительности.
  

Текущая версия Khimera (3.0) включает просмотрщик квази-трехмерных молекул и графическое представление результатов вычисления. Khimera также имеет набор способностей импорта/экспорта для облегчения взаимодействия различных приложений, которые включают механизмы реакции и анализ кинетик.

Построитель Механизма основан на наборе современных реакторных моделей и позволяет исследователю или инженеру описывать комплекс физико-химических процессов для широкого диапазона потока, высокой температуры и условий массового перемещения, а также дает возможность строить и проверять механизмы процессов газовой стадии. Построитель Механизма позволяет пользователю создавать и проверять химический механизм газовой стадии химических процессов, работая в ручном режиме и используя автоматическую процедуру Генерации Механизма Реакции, основанного на объединенной Базе данных. Для кинетической информации, недостающей в Базе данных, поддерживается автоматический доступ к диалоговой Базе знаний. Анализ Чувствительности доступен для улучшения неточности результатов и сокращения механизма. Широкий диапазон Реакторных Моделей можно использовать для того, чтобы проверить полученный механизм на различный ход, высокую температуру и условия передвижения масс.

База данных содержит термодинамическую и кинетическую информацию о химических процессах и отдельных молекулах. Она обеспечивает возможности для построения сложных механизмов реакции. База данных включает несколько объединенных баз данных: Базу данных структурных и термодинамических свойств, содержащую приблизительно 3000 атомов, молекул и радикалов; Базу данных параметров взаимодействия для столкновения молекул; и кинетическую Базу данных, содержащую несколько тысяч констант скорости для реакций газовой стадии. Пользователь может добавлять новые данные в существующие базы данных.

База знаний включает современные модели элементарных процессов обмена энергии газовой стадии, химических реакций и плазменных химических реакций и позволяет исследователю компенсировать недостающие кинетические данные.

База знаний включает приблизительно 100 моделей, оцененных ведущими Российскими учеными в области элементарных газовых и плазменных процессов. Эти модели позволяют оценить взаимные секции и скорость констант эластичного рассеивания нейтральных и заряженных частиц, вращательные и колебательные неэластичные столкновения, электронный обмен энергии, равновесие и неравновесие химических реакции и плазменных химических реакций.

Каждая модель имеет помощь, где описано физическое значение всех параметров и рассмотрен уровень применимости и точности модели. Для всех моделей даются примеры применения к реальным процессам.