專利名稱：基于網(wǎng)格的計算化學過程可視化系統(tǒng)及控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于計算化學領域。是一種利用計算機技術，網(wǎng)格技術，可視化技術等實現(xiàn)網(wǎng)格上，計算化學過程動態(tài)監(jiān)測的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對網(wǎng)格上的計算化學任務的動態(tài)檢測。
背景技術：
網(wǎng)格是一種分布式系統(tǒng)，但網(wǎng)格不同于傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)。目前影響比較廣泛的兩個網(wǎng)格體系結構網(wǎng)格計算協(xié)議體系結構(Grid Protocol Architecture, GPA)和計算經(jīng)濟網(wǎng)格體系結構(GRACE)模型。網(wǎng)格方法與傳統(tǒng)方法的區(qū)別主要包括開放性、通用性、 集中性、使用模式、標準化、平臺性。網(wǎng)格主要具有以下優(yōu)勢，資源共享，消除資源孤島網(wǎng)格能夠提供資源共享，能消除信息孤島、實現(xiàn)應用程序的互連互通。網(wǎng)格與計算機網(wǎng)絡不同， 計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)的是一種硬件的連通，而網(wǎng)格能實現(xiàn)應用層面的連通。協(xié)同工作網(wǎng)格第二個特點是協(xié)同工作，很多網(wǎng)格結點可以共同處理一個項目。通用開放標準，非集中控制，非平凡服務質(zhì)量這是Ian Foster最近提出的網(wǎng)格檢驗標準。網(wǎng)格是基于國際的開放技術標準，這跟以前很多行業(yè)、部門或者公司推出的軟件產(chǎn)品不一樣。動態(tài)功能，高度可擴展性 網(wǎng)格可以提供動態(tài)的服務，能夠適應變化。同時網(wǎng)格并非限制性的，它實現(xiàn)了高度的可擴展性。計算化學(computational chemistry)是理論化學的一個分支。計算化學的主要目標是利用有效的數(shù)學近似以及電腦程序計算分子的性質(zhì)(例如總能量，偶極矩，四極矩， 振動頻率，反應活性等)并用以解釋一些具體的化學問題。計算化學這個名詞有時也用來表示計算機科學與化學的交叉學科。Java 3D是Java語言在三維圖形領域的擴展，是一組應用編程接口(API)。利用 Java 3D提供的API，可以編寫出基于網(wǎng)頁的三維動畫、各種計算機輔助教學軟件和三維游戲等等。利用Java 3D編寫的程序，只需要編程人員調(diào)用這些API進行編程，而客戶端只需要使用標準的Java虛擬機就可以瀏覽，因此具有不需要安裝插件的優(yōu)點。因此,亟待開發(fā)出一種不同于現(xiàn)有的計算化學的軟件(如GaussView, VMD, JMol 等)的基于網(wǎng)格的計算化學過程可視化系統(tǒng)，不但能夠顯示分子的三維結構，而且與計算化學的計算過程緊密聯(lián)系，可以實時的觀測到計算過程中的分子結構變化，查看分子結構信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過提供一種基于網(wǎng)格的計算化學過程可視化系統(tǒng)及控制方法，不但能夠顯示分子的三維結構，而且與計算化學的計算過程緊密聯(lián)系?？梢詫崟r的觀測到計算過程中的分子結構變化。通過網(wǎng)格模塊來向網(wǎng)格提交作業(yè)，與網(wǎng)格進行交互。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)處理模塊來實時的從網(wǎng)格獲取數(shù)據(jù)，并進行解析，然后進行分子的三維可視化和以曲線的形式顯示分子能量信息。
本發(fā)明是采用以下技術手段實現(xiàn)的基于網(wǎng)格的計算化學過程可視化系統(tǒng)，包括配置模塊、能量曲線圖模塊、三維可視化視圖模塊、網(wǎng)格模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及模型數(shù)據(jù)模塊；顯示計算過程中分子的能量趨勢的能量曲線圖模塊與三維可視化視圖模塊與信息通過圖形化用戶界面連接，其信息通過圖形化用戶界面進行顯示；加載系統(tǒng)和用戶的配置信息的配置模塊與圖形化用戶界面連接； 模型數(shù)據(jù)模塊分別與圖形化用戶界面和數(shù)據(jù)處理模塊連接；數(shù)據(jù)處理模塊與網(wǎng)格模塊連接；三維可視化視圖模塊采用統(tǒng)一的接口構建三維分子，提供分子的平移，放大縮小，旋轉； 網(wǎng)格模塊向網(wǎng)格提交和查詢作業(yè)信息，并獲取網(wǎng)格中的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)處理模塊從網(wǎng)格獲取和處理數(shù)據(jù)，抽取出相應的位置信息，獲取本地保存的分子信息；模型數(shù)據(jù)模塊從數(shù)據(jù)處理模塊的信息獲得解析，轉換為可視化的數(shù)據(jù)源。前述的圖形化用戶界面包括用戶登錄界面、作業(yè)提交界面、管理操作界面和作業(yè)信息界面，同時通過這些界面接收用戶輸入。前述的三維可視化視圖模塊，采用場景圖的方式，由內(nèi)容分支和視圖分支組成樹形結構。前述的內(nèi)容分支用于描述場景圖所包含的所有圖形對象以及針對這些對象的空間變換、光照、行為及背景信息。一個場景圖包含多個三維分子，一個三維分子包含多個三維原子，以及多個原子之間的化學鍵。一種基于網(wǎng)格的計算化學過程可視化控制方法，包括網(wǎng)格作業(yè)管理、數(shù)據(jù)處理；還包括以下步驟選擇查看，根據(jù)保存在本地文件系統(tǒng)中信息確定，是否是第一次查看此計算過程；如果是第一次查看，則直接從網(wǎng)格獲取數(shù)據(jù)；如果不是第一次查看，則先從本地文件系統(tǒng)加載已經(jīng)保存的計算過程的數(shù)據(jù)；判斷上一次的查看中，計算過程是否已經(jīng)完成，如果完成，則直接結束，不再從網(wǎng)格獲取任何數(shù)據(jù)；否則，則從上一次斷點的位置開始，繼續(xù)從網(wǎng)格獲取數(shù)據(jù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下明顯的優(yōu)勢和有益效果本發(fā)明借鑒了“斷點續(xù)傳”的思想。系統(tǒng)從網(wǎng)格獲取數(shù)據(jù)的過程中，會同時將數(shù)據(jù)保存在本地。當用戶在查看一個計算的過程中，由于意外的因素或者人為的故意終止了查看，系統(tǒng)會自動的保存當前已經(jīng)查看的位置，在這里設置一個斷點。當用戶再一次查看此計算過程時，系統(tǒng)不需要重頭開始從網(wǎng)格獲取數(shù)據(jù)，只需要從斷點的位置開始從網(wǎng)格獲取數(shù)據(jù)即可。這樣極大的縮短了系統(tǒng)的響應時間，也減輕了網(wǎng)格的負擔。一個場景圖包含多個三維分子，一個三維分子包含多個三維原子，以及很多原子之間的化學鍵。這樣的設計便于擴展和修改。對于原子的修改或者分子的修改不會影響整個設計的其他部分。采用動態(tài)設置檢測的時間間隔的方法，來從網(wǎng)格獲取數(shù)據(jù)。首先，給定一個初始的時間間隔T = to，系統(tǒng)不斷的檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時間。(I)如果下一次網(wǎng)格數(shù)據(jù)獲取時間間隔為n*T(n > I)，則設置T = (n-factorl)木T0(2)如果下一次網(wǎng)格數(shù)據(jù)獲取時間間隔任為T，說明T可能是仍然大于真實的時間間隔，則設置T = factor2^To
其中，factorl e
，factor2 e (0，I)。為了不對系統(tǒng)的實時性造成影響，初始時間間隔t0的設置要盡可能的小,factorl, factor2會隨著計算化學作業(yè)特性的不同而有所不同。


圖I是系統(tǒng)不意圖2是網(wǎng)格模塊意圖3是系統(tǒng)模塊連接示意圖4是三維場景圖5是分子分支圖6是原子分支圖I是化學鍵分支圖8是觀察者更新體系圖。
具體實施方式
以下結合說明書附圖對本發(fā)明加以進一步說明
請參閱圖I為系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)通過網(wǎng)格模塊來向網(wǎng)格提交作業(yè)，與網(wǎng)格進行交
互。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)處理模塊來實時的從網(wǎng)格獲取數(shù)據(jù)，并進行解析，然后進行分子的可視化和以曲線的形式顯示分子能量信息。請參閱圖2為網(wǎng)格模塊示意圖。模型模塊負責描述計算作業(yè)信息，作業(yè)信息被組織成一個包含作業(yè)標示、作業(yè)名等內(nèi)容的數(shù)據(jù)結構。這些信息來源于用戶提交作業(yè)時的描述以及網(wǎng)格運行作業(yè)時的反饋，通過封裝的API從網(wǎng)格中獲取。隨著操作的進行，作業(yè)信息會實時自動更新。視圖模塊負責作業(yè)管理器狀態(tài)的顯示，包含用戶登錄界面、作業(yè)提交界面、管理操作界面和作業(yè)信息界面，同時通過這些界面接收用戶輸入。一旦模型模塊的狀態(tài)發(fā)生改變， 就會通知視圖模塊更新界面。用戶關心作業(yè)狀態(tài)信息也都會在視圖模塊得到不同方式的呈現(xiàn)。控制器負責將三維可視化視圖模塊接收的用戶操作映射到模型模塊，并觸發(fā)模型模塊改變狀態(tài)。所有的用戶操作，包括提交作業(yè)、更新作業(yè)列表、重啟作業(yè)，殺死作業(yè)等都將經(jīng)由控制器統(tǒng)一調(diào)度，再交由模型模塊對數(shù)據(jù)進行相應的整合與修改。請參閱圖3是系統(tǒng)模塊連接示意圖。為了使系統(tǒng)達到低耦合，高重用性的特點，同時為了屏蔽網(wǎng)格中間件的變化對系統(tǒng)造成的影響，這里采用了如下的設計。配置模塊，用來加載系統(tǒng)和用戶的配置信息，它允許用戶根據(jù)自己的偏好進行配置，使系統(tǒng)更加的人性化。系統(tǒng)會默認的在用戶的目錄下的OPTView文件夾下創(chuàng)建 0PTView_User. properties文件,用來保存用戶的配置信息。能量曲線圖模塊，動態(tài)的顯示計算過程中分子的能量趨勢，用戶可以動態(tài)的查看計算過程中每一步的分子能量。三維可視化視圖模塊提供了一個統(tǒng)一的接口用來構建三維分子，并且提供了分子的平移，放大縮小，旋轉等操作。圖形化用戶界面為用戶提供了一個友好的可操作的界面，便于與系統(tǒng)的交互。網(wǎng)格模塊，提供一個統(tǒng)一的網(wǎng)格訪問的接口，通過此模塊，可以登陸登出網(wǎng)格,查看網(wǎng)格作業(yè)隊列信息，向網(wǎng)格提交作業(yè)，查詢提交的作業(yè)狀態(tài)信息，獲取網(wǎng)格中的文件內(nèi)容
坐寸ο數(shù)據(jù)處理模塊一方面用來不斷的從網(wǎng)格獲取數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，抽取出相應的位置信息；另一方面也可以獲取本地保存的分子信息。模型數(shù)據(jù)模塊為從網(wǎng)格獲得解析，可視化的數(shù)據(jù)源。以下對本發(fā)明進行進一步說明在一個計算過程中，分子包含的原子種類和數(shù)量是不會變化的，不斷變化的是每個原子的位置，以及原子之間的化學鍵。一般實現(xiàn)來說，當計算由一個階段，到達另一個階段時，我們可以完全重新構建整個三維分子，但這樣會造成內(nèi)存的大量浪費，而且如果分子體系很大的話，重新構建三維分子的速度會非常的緩慢。仔細研究便可以知道，由于分子包含的原子是不會變化的，變化的只是它的位置，因此我們完全可以將原子進行重用，只需要不斷移動它在空間中的位置，并重構原子之間的化學鍵即可?；诖藨玫奶攸c，這里給出了針對此應用的可視化的設計。我們這里以最為常見的球棍模式為例進行闡述。這里進行如下的約定BG表示Java3D中的BranchGroup, TG表示Java3D中的 TransformGroup, TD 表不 Java3D 中的 Transform3D。圖4中三維場景圖，為了更好的重用，減少內(nèi)存的使用將三維場景圖和分子分支圖進行了分離。三維場景圖提供了通用性的背景設置，光線的設置，以及一些分子的行為設置等。對于不同的分子可視化，只需要替換相應的分子分支圖即可，其中內(nèi)容分支提供了這種替換分子分支圖的能力。如圖5所示分子分支圖(Molecule3D)，平移分支(MoleculeTG)用來提供分子的整體放大縮小，平移等功能。內(nèi)容分支(MoleculeBG2)用來包含三維原子結構(Atom3D) 以及分子之間的化學鍵分支圖(BondBG)，它提供了化學鍵分支圖的替換的能力。鍵分支 (BondBG)包含了分子之間的化學鍵。如圖6所示原子分支圖(Atom3D)，平移分支(AtomTG)用來提供原子的平移，和放大縮小的行為。在計算的過程中原子的位置可能是不斷變化的，平移分支(AtomTG)就允許你不斷地進行對原子進行平移，而不需要在新的位置進行重新構建，這樣就大大的提高了可視化的效率。在這里用一個球(sphere)來代表一個原子。如圖7所示，這里用圓柱來模擬化學鍵。為了提高效率，減少內(nèi)存的使用，化學鍵可以共享一個表面(Appearance)。通過以上的設計，隨著計算的深入，分子中原子的位置和原子之間的化學鍵不斷變化時，只需要不斷的平移原子的位置，同時計算原子之間的化學鍵，并刪除舊的化學鍵， 添加新的化學鍵即可。這樣避免了對整個分子的重新構建，提高了可視化的效率，縮短了系統(tǒng)響應的時間。同時，當需要可視化不同的分子時，只需要刪除舊的分子分支圖，添加新的分子分支圖即可，也不需要重新設置背景，光線，以及分子所具有的行為。關于數(shù)據(jù)處理模塊，由于系統(tǒng)需要動態(tài)的檢測網(wǎng)格中的計算，當計算進行到新的階段時，需要動態(tài)的更新能量曲線圖和三維分子圖。一般來說，我們可以每隔一段時間定時的去查看從網(wǎng)格獲取的數(shù)據(jù)是否有更新，如果發(fā)生更新則更新能量曲線圖和三維分子圖。但是，這就造成了在數(shù)據(jù)的兩次更新之間，對數(shù)據(jù)的大量的查看是無效的。尤其是當查看的時間間隔很短時，會對系統(tǒng)的效率造成很大的影響。為了解決這個問題，這里采用了觀察者的模式。如圖8所示，首先模型數(shù)據(jù)會繼承主題，曲線圖和三維分子圖會實現(xiàn)觀察者接口， 并且注冊為模型數(shù)據(jù)的觀察者。當從網(wǎng)格獲取的計算數(shù)據(jù)發(fā)生改變時，作為主題的模型數(shù)據(jù)會發(fā)生改變，這時候它會通知在該主題上注冊的相應的觀察者(曲線圖和三維分子圖) 進行更新。這樣就達到了實時更新的效果，并且不會增加額外的系統(tǒng)負擔。我們對采用上面提到的可視化方式，以及采用普通的分子重新構建的可視化方式，兩步之間切換，可視化所需要的時間進行了測試。測試環(huán)境為JDK1. 6. 0,Java3Dl. 5. 2， Windows XP操作系統(tǒng)，Intel Pentium(R)D 2. 80GHz處理器，2G內(nèi)存。具體的測試結果如表I所示表I兩種可視化模式可視化速度對比
權利要求
1.一種基于網(wǎng)格的計算化學過程可視化系統(tǒng)，其特征在于包括配置模塊、能量曲線圖模塊、三維可視化模塊、網(wǎng)格模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及模型數(shù)據(jù)模塊；顯示計算過程中分子的能量趨勢的能量曲線圖模塊與三維可視化模塊與信息通過圖形化用戶界面連接，其信息通過圖形化用戶界面進行顯示；加載系統(tǒng)和用戶的配置信息的配置模塊與圖形化用戶界面連接；模型數(shù)據(jù)模塊分別與圖形化用戶界面和數(shù)據(jù)處理模塊連接；數(shù)據(jù)處理模塊與網(wǎng)格模塊連接；所述的三維可視化模塊采用統(tǒng)一的接口構建三維分子，提供分子的平移，放大縮小，旋轉;所述的網(wǎng)格模塊向網(wǎng)格提交和查詢作業(yè)信息，并獲取網(wǎng)格中的文件內(nèi)容；所述的數(shù)據(jù)處理模塊從網(wǎng)格獲取和處理數(shù)據(jù)，抽取出相應的位置信息，獲取本地保存的分子信息；所述的模型數(shù)據(jù)模塊從數(shù)據(jù)處理模塊的信息獲得解析，轉換為可視化的數(shù)據(jù)源。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于網(wǎng)格的計算化學過程可視化系統(tǒng)，其特征在于圖形化用戶界面包括用戶登錄界面、作業(yè)提交界面、管理操作界面和作業(yè)信息界面，同時通過這些界面接收用戶輸入。
3.根據(jù)權利要求I所述的基于網(wǎng)格的計算化學過程可視化系統(tǒng)，其特征在于所述的 3D可視化模塊，采用場景圖的方式，由內(nèi)容分支和視圖分支組成樹形結構。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于網(wǎng)格的計算化學過程可視化系統(tǒng)，其特征在于所述的內(nèi)容分支用于描述場景圖所包含的所有圖形對象以及針對這些對象的空間變換、光照、行為及背景信息。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于網(wǎng)格的計算化學過程可視化系統(tǒng)，其特征在于一個場景圖包含多個三維分子，一個三維分子包含多個三維原子，以及多個原子之間的化學鍵。
6.一種基于網(wǎng)格的計算化學過程可視化控制方法，包括網(wǎng)格作業(yè)管理、數(shù)據(jù)處理；其特征在于還包括以下步驟選擇查看，根據(jù)保存在本地文件系統(tǒng)中信息確定，是否是第一次查看此計算過程；如果是第一次查看，則直接從網(wǎng)格獲取數(shù)據(jù)；如果不是第一次查看，則先從本地文件系統(tǒng)加載已經(jīng)保存的計算過程的數(shù)據(jù)；判斷上一次的查看中，計算過程是否已經(jīng)完成，如果完成，則直接結束，不再從網(wǎng)格獲取任何數(shù)據(jù)；否則，則從上一次中斷的位置開始，繼續(xù)從網(wǎng)格獲取數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種基于網(wǎng)格的計算化學過程可視化系統(tǒng)及控制方法，包括配置模塊、能量曲線圖模塊、三維可視化視圖模塊、網(wǎng)格模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及模型數(shù)據(jù)模塊；能量曲線圖模塊與三維可視化視圖模塊與信息通過圖形化用戶界面連接，其信息通過圖形化用戶界面進行顯示；加載系統(tǒng)和用戶的配置信息的配置模塊與圖形化用戶界面連接；模型數(shù)據(jù)模塊分別與圖形化用戶界面和數(shù)據(jù)處理模塊連接；數(shù)據(jù)處理模塊與網(wǎng)格模塊連接；該控制方法從網(wǎng)格獲取數(shù)據(jù)的過程中，會同時將數(shù)據(jù)保存在本地。終止后，系統(tǒng)會自動的保存當前已經(jīng)查看的位置，設置斷點，系統(tǒng)不需要重頭開始從網(wǎng)格獲取數(shù)據(jù)，只需要從斷點的位置開始從網(wǎng)格獲取數(shù)據(jù)即可。這樣極大的縮短了系統(tǒng)的響應時間，也減輕了網(wǎng)格的負擔。
文檔編號G06F19/00GK102609604SQ20111002395
公開日2012年7月25日 申請日期2011年1月21日 優(yōu)先權日2011年1月21日
發(fā)明者劉倩, 張寶花, 遲學斌, 金鐘, 陳建華 申請人:中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心