一種含能化合物計算機輔助設計系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含能化合物計算機輔助設計系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：①用戶輸入模塊；②文件輸入/輸出模塊；③分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊；④顯示模塊；⑤爆轟參數(shù)預測模塊；⑥分子組合庫生成模塊，系統(tǒng)還包括：①碎片輸入模塊；②結(jié)構(gòu)預篩模塊；③物化參數(shù)預測模塊。該系統(tǒng)用于輔助設計、開發(fā)新型含能化合物分子結(jié)構(gòu)，具有使用方便、結(jié)構(gòu)設計快、性能預測效率高等特點。
【專利說明】
一種含能化合物計算機輔助設計系統(tǒng)
技術(shù)領域
[0001]本發(fā)明涉及一種計算機輔助設計系統(tǒng)，特別是涉及一種含能化合物計算機輔助設計系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]自20世紀90年代以后，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及藥物化學、分子生物學和計算化學的發(fā)展，計算機輔助分子設計率先在藥物領域發(fā)展成為一門完善和新型的研究領域，大大地促進了藥物設計和新藥開發(fā)的效率，成為了藥物研發(fā)過程中不可或缺的一環(huán)。計算機輔助藥物設計使得藥物設計篩選的效率提高了近千倍，這極大地鼓舞和帶動了計算機輔助設計在其它行業(yè)(如石油化工、含能材料等領域)的發(fā)展，并取得了顯著的效果。如發(fā)明專利號為ZL 2009 I 0021604.3的含能化合物計算機輔助設計系統(tǒng)包括了①可以繪制含能化合物分子二維平面結(jié)構(gòu)的用戶輸入模塊;②可以對已輸入的含能化合物分子結(jié)構(gòu)文件進行讀取、修改和存儲的文件輸入/輸出模塊;③可以將含能化合物分子的二維平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成空間三維結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊;④可以顯不含能化合物分子結(jié)構(gòu)的顯不模塊;⑤可以預測含能化合物分子爆轟參數(shù)的爆轟參數(shù)預測模塊;⑥可以利用組合化學原理生成含能化合物分子組合庫的分子組合庫生成模塊。該系統(tǒng)將傳統(tǒng)的人腦加經(jīng)驗的“畫加打”含能化合物設計模式轉(zhuǎn)變成了先進的計算機快速組合的模式，設計出了一系列性能優(yōu)異的含能化合物結(jié)構(gòu)(如ZL 2013 I 8008757.UZL 2012 I 8003857.0^ZL 20131 8001144.5等)，加快了新型含能化合物的研發(fā)速度。
[0003]然而，含能化合物計算機輔助設計系統(tǒng)還存在如下不足:(I)缺乏智能化的碎片輸入模塊，致使采用分子組合庫生成模塊進行分子結(jié)構(gòu)設計時每次均需要專業(yè)人員進行碎片的smiles碼編寫，使用不便；(2)缺乏結(jié)構(gòu)預篩功能，致使組合出的分子結(jié)構(gòu)過多，帶來后續(xù)篩選性能優(yōu)異的分子結(jié)構(gòu)時工作量大，效率低的問題；(3)缺乏物化參數(shù)大規(guī)模并行計算模塊，致使預測爆轟參數(shù)必需的密度、生成焓必須在計算速度慢的本地計算機上進行預測后直接提取結(jié)果或在其它設備、軟件上進行預測后再手工輸入結(jié)果，帶來了計算速度慢或使用不便的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種含能化合物計算機輔助設計系統(tǒng)，能夠方便、高效地實現(xiàn)成千上萬種新型含能化合物的結(jié)構(gòu)設計與篩選、物化參數(shù)預測及爆轟參數(shù)預測。該系統(tǒng)提供①“傻瓜式”的碎片輸入模塊，用戶只需點擊鼠標就可提取并自動轉(zhuǎn)換為需要組合的含能碎片smiles碼，操作簡單，無需專業(yè)人員編寫相應的smiles碼;②簡便、快速的結(jié)構(gòu)預篩模塊，能夠根據(jù)用戶需求自動、快速地剔除掉大量性能差的分子結(jié)構(gòu)，從而篩選出氧平衡好、撞擊感度低的分子結(jié)構(gòu);③可大規(guī)模并行計算的物化參數(shù)預測模塊，能夠通過大規(guī)模并行計算快速地預測出含能化合物分子物化參數(shù)，并將密度、生成焓預測結(jié)果自動提取到爆轟參數(shù)預測模塊。
[0005]為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案:
[0006]一種含能化合物計算機輔助設計系統(tǒng)，利用計算機對含能化合物分子結(jié)構(gòu)進行設計以及對含能化合物分子物化參數(shù)、爆轟參數(shù)進行預估，以開發(fā)新的含能化合物。系統(tǒng)包括:
[0007]用戶輸入模塊，用于用戶通過鼠標繪制含能化合物分子的二維平面結(jié)構(gòu)；
[0008]文件輸入/輸出模塊，用于對已輸入的含能化合物分子結(jié)構(gòu)文件進行讀取、修改和存儲；
[0009]分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊，用于將含能化合物分子的二維平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成空間三維結(jié)構(gòu)；
[0010]顯示模塊，用于顯示打開的含能化合物分子結(jié)構(gòu)文件或用戶繪制的含能化合物分子結(jié)構(gòu)；
[0011]爆轟參數(shù)預測模塊，用于根據(jù)含能化合物分子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)來預測分子的爆轟參數(shù)；
[0012]分子組合庫生成模塊，用于利用組合化學原理生成含能化合物分子組合庫；
[0013]其特征在于，該系統(tǒng)還包括:
[0014]碎片輸入模塊，用于用戶通過鼠標點擊選取期望組合的含能母環(huán)及基團碎片；
[0015]結(jié)構(gòu)預篩模塊，用于用戶根據(jù)應用需求設定氧平衡、撞擊感度值進行分子結(jié)構(gòu)預篩；
[0016]物化參數(shù)預測模塊，用于根據(jù)含能化合物分子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)來預測分子的物化參數(shù)；
[0017]碎片輸入模塊與分子組合庫生成模塊連接，分子組合庫生成模塊與結(jié)構(gòu)預篩模塊連接，用戶輸入模塊、文件輸入/輸出模塊、分子組合庫生成模塊分別與分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊連接，分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊通過連接的顯示模塊與物化參數(shù)預測模塊和爆轟參數(shù)預測模塊連接，物化參數(shù)預測模塊與爆轟參數(shù)預測模塊連接。
[0018]所述的碎片輸入模塊包括了41個常用環(huán)模板圖形和42個常用基團模板圖形，用戶可以根據(jù)需求直接從中選擇環(huán)和基團進行組合，設計出新的分子結(jié)構(gòu)。
[0019]所述的結(jié)構(gòu)預篩模塊包括了氧平衡預篩模塊和撞擊感度預篩模塊，用戶可以根據(jù)需求對設計的分子結(jié)構(gòu)進行氧系數(shù)0B(a <0B< b)和撞擊感度H5Q(a < Hso < b)的預篩。
[0020]所述的物化參數(shù)預測模塊包括了本地預測模塊和網(wǎng)絡預測模塊。其中網(wǎng)絡預測模塊包括了服務器端和客戶端。服務器端布置在工作站和大型服務器上，用于任務提交和監(jiān)控功能，主要包括任務池管理模塊、任務提交模塊、網(wǎng)絡通信模塊;客戶端主要用于為用戶提供可視化圖形界面及任務提交，包括圖形界面模塊、ftp文件上傳模塊、Socket網(wǎng)絡通信模塊。用戶可以將物化參數(shù)計算任務，包括預測爆轟性能必需的密度、生成焓參數(shù)計算任務傳輸?shù)椒掌鞫诉M行大規(guī)模并行計算并返回結(jié)果。
[0021 ]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的含能化合物計算機輔助設計系統(tǒng)，能夠提供給用戶一套全面、簡便、高效的系統(tǒng)來從頭開始設計含能化合物分子。用戶可以通過用戶輸入模塊來繪制含能化合物分子結(jié)構(gòu)，也可以通過文件輸入/輸出模塊讀取含能化合物分子結(jié)構(gòu)，還可以通過碎片輸入模塊和分子組合庫生成模塊來“傻瓜式”地設計含能化合物分子結(jié)構(gòu)。在進行合成實驗前，用戶可以通過結(jié)構(gòu)預篩模塊、物化參數(shù)預測模塊和爆轟參數(shù)預測模塊對含能化合物進行快速的性能預測，從中篩選出性能優(yōu)異的含能化合物分子結(jié)構(gòu)，從而避免盲目合成新化合物，并對新型含能化合物的設計提供一些理論依據(jù)。該系統(tǒng)具有很好的靈活性、可擴充性，還可以廣泛適用于除含能化合物以外的其它化合物分子的設計。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
[0023]圖2是本發(fā)明的流程圖
[0024]圖3是本發(fā)明碎片輸入模塊工作流程圖
[0025]圖4是本發(fā)明結(jié)構(gòu)預篩模塊工作流程圖
[0026]圖5是本發(fā)明物化參數(shù)預測模塊工作流程圖
[0027]圖6是本發(fā)明撞擊感度計算的流程圖
[0028]圖7是本發(fā)明服務器端和客戶端的通信過程圖
[0029]圖8是圖3、圖4、圖5效果的一個具體實施例圖
[0030]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍不僅限于這些實施例。
【具體實施方式】
[0031]本發(fā)明的含能化合物計算機輔助設計系統(tǒng)，其設計思路是提供給用戶一套全面、簡便、高效的系統(tǒng)來從頭開始設計含能化合物分子。用戶可以根據(jù)自身的需要自行選擇或者繪制符合其技術(shù)條件的含能分子結(jié)構(gòu)，也可以從通過碎片輸入模塊、分子組合庫生成模塊、結(jié)構(gòu)預篩模塊設計篩選的成千上萬個新型含能化合物分子結(jié)構(gòu)中選擇需要的含能化合物分子。選擇出的含能化合物分子結(jié)構(gòu)可以通過分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊由二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為三維結(jié)構(gòu)，并通過顯示模塊以三維形式顯示出來。顯示出的含能化合物分子結(jié)構(gòu)可以通過物化參數(shù)預測模塊進行快速的物化參數(shù)預測，并將分子式、分子量、密度、生成焓的值提取到爆轟參數(shù)預測模塊進行爆轟參數(shù)的預測。爆轟參數(shù)的預測也可以將已知的分子式、分子量、密度、生成焓的值直接輸入進行預測。
[0032]參見圖1，本發(fā)明的含能化合物計算機輔助設計系統(tǒng)，利用計算機對含能化合物的分子結(jié)構(gòu)進行設計以及對含能化合物分子性能進行預測，以開發(fā)新的含能化合物，由九個主要單元模塊構(gòu)成，各單元模塊具有各自不同的功能。系統(tǒng)采用Visual Stud1 2005開發(fā)，使用C++語言進行程序開發(fā)，圖形庫使用OpenGL。
[0033]該系統(tǒng)包括:
[0034]用戶輸入模塊，用于用戶通過鼠標繪制含能化合物分子的二維平面結(jié)構(gòu)；
[0035]文件輸入/輸出模塊，用于對已輸入的含能化合物分子結(jié)構(gòu)文件進行讀取、修改和存儲；
[0036]分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊，用于將含能化合物分子的二維平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成空間三維結(jié)構(gòu)；
[0037]顯示模塊，用于顯示打開的含能化合物分子結(jié)構(gòu)文件或用戶繪制的含能化合物分子結(jié)構(gòu)；
[0038]爆轟參數(shù)預測模塊，用于根據(jù)含能化合物分子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)來預測分子的爆轟參數(shù)；
[0039]分子組合庫生成模塊，用于利用組合化學原理生成含能化合物分子組合庫；
[0040]該系統(tǒng)還包括:
[0041]碎片輸入模塊，用于用戶通過鼠標點擊選取期望組合的含能母環(huán)及基團碎片；
[0042]結(jié)構(gòu)預篩模塊，用于用戶根據(jù)應用需求設定氧平衡、撞擊感度值進行分子結(jié)構(gòu)預篩；
[0043]物化參數(shù)預測模塊，用于根據(jù)含能化合物分子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)來預測分子的物化參數(shù)。
[0044]碎片輸入模塊與分子組合庫生成模塊連接，分子組合庫生成模塊與結(jié)構(gòu)預篩模塊連接，用戶輸入模塊、文件輸入/輸出模塊、分子組合庫生成模塊分別與分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊連接，分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊通過連接的顯示模塊與物化參數(shù)預測模塊和爆轟參數(shù)預測模塊連接，物化參數(shù)預測模塊與爆轟參數(shù)預測模塊連接。
[0045]上述所述的碎片輸入模塊包括了41個常用環(huán)模板圖形和42個常用基團模板圖形，用戶可以根據(jù)需求直接從中選擇環(huán)和基團進行組合，設計出新的分子結(jié)構(gòu)。
[0046]上述所述的結(jié)構(gòu)預篩模塊包括了氧平衡預篩模塊和撞擊感度預篩模塊，用戶可以根據(jù)需求對設計的分子結(jié)構(gòu)進行氧平衡0B(a <0B< b)和撞擊感度H5Q(a < H50 < b)的預篩。
[0047]上述所述的物化參數(shù)預測模塊包括了本地預測模塊和網(wǎng)絡預測模塊。其中網(wǎng)絡預測模塊包括了服務器端和客戶端。服務器端布置在工作站和大型服務器上，用于任務提交和監(jiān)控功能，主要包括任務池管理模塊、任務提交模塊、網(wǎng)絡通信模塊;客戶端主要用于為用戶提供可視化圖形界面及任務提交，包括圖形界面模塊、ftp文件上傳模塊、Socket網(wǎng)絡通信模塊。用戶可以將物化參數(shù)計算任務，包括預測爆轟性能必需的密度、生成焓參數(shù)計算任務傳輸?shù)椒掌鞫诉M行大規(guī)模并行計算并返回結(jié)果。
[0048]系統(tǒng)程序界面使用MFC編寫，使用的是單文檔結(jié)構(gòu)，用戶執(zhí)行可執(zhí)行程序之后進入程序界面，程序界面中上部是菜單條和工具欄;左邊是樹形列表，用樹形結(jié)構(gòu)來表示分子結(jié)構(gòu)；下部是命令編輯框兼輸出框，用于輸入命令和輸出計算結(jié)果;右部是顯示區(qū)域，用來顯不分子結(jié)構(gòu)。
[0049]圖2為本發(fā)明的【具體實施方式】流程圖。
[0050]用戶可以根據(jù)自身的需要選擇繪制方式、輸入方式或生成方式。其中，生成方式即用戶通過碎片輸入模塊、分子組合庫生成模塊及結(jié)構(gòu)預篩模塊生成并篩選出符合需要的分子結(jié)構(gòu)，然后通過分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、物化參數(shù)預測模塊以及爆轟參數(shù)預測模塊獲得物化參數(shù)、爆轟參數(shù)滿足需求的分子結(jié)構(gòu)。
[0051]參照圖3所示，用戶借助碎片輸入模塊進行分子設計時，只需用鼠標點擊分別打開母環(huán)碎片模板和基團碎片模板，選擇需要的母環(huán)和基團碎片，碎片便可自動轉(zhuǎn)換為對應的smile表達式，進入分子組合庫生成模塊進行分子的設計。
[0052]參照圖4所示，用戶借助結(jié)構(gòu)預篩模塊進行結(jié)構(gòu)預篩時，只需輸入滿足需求的氧系數(shù)和撞擊感度值，系統(tǒng)便可計算并篩選出滿足要求的分子結(jié)構(gòu)。
[0053]參照圖5所示，用戶借助物化參數(shù)預測模塊進行密度、生成焓等物化參數(shù)預測時，只需輸入或選擇合適的計算方法和參數(shù)名稱，便可得到需要的參數(shù)值。
[0054]以下是發(fā)明人給出的一些具體實施例，需要說明的是本發(fā)明不限于這些實施例。
[0055]圖6是本發(fā)明撞擊感度計算的流程圖，以下結(jié)合圖6說明其流程:
[0056]第一步為讀取分子結(jié)構(gòu)，第二步為分析分子中各種元素的數(shù)目，第三步為進行子結(jié)構(gòu)搜尋，a)對分子結(jié)構(gòu)進行分解，分解成環(huán)和碎片基團；b)對目標結(jié)構(gòu)進行分解，分解出環(huán)部分和基團部分;c)將兩部分分別進行匹配，去除基團和環(huán)不相連的結(jié)構(gòu);d)得到相匹配的子結(jié)構(gòu)，第四步為根據(jù)不同參數(shù)計算撞擊感度。
[0057]圖7是本發(fā)明服務器端和客戶端的通信過程圖，以下結(jié)合圖7說明其通信過程:
[0058](a)服務器等待客戶端連接；(b)客戶端發(fā)送連接請求；(c)服務器發(fā)送當前服務器狀態(tài)；(d)客戶端上傳任務；(e)服務器接收任務；(f)客戶端發(fā)送任務提交申請；(g)服務器根據(jù)任務池情況，運行任務或者等待；(h)任務完成，通知客戶端任務完成。
[0059]實施例1
[0060]圖8是圖3、圖4、圖5效果的一個具體實施例圖，以下結(jié)合圖8進行說明:
[0061 ] 隨機選取苯環(huán)、I，3，5-三嗪環(huán)為母環(huán)，選取氨基、硝基為基團進行分子設計，碎片輸入模塊可以讓用戶采取只需在模板上畫“I”選擇苯環(huán)、I，3，5_三嗪環(huán)、氨基、硝基的簡單方式進入分子組合庫生成模塊進行分子設計，無需再手動輸入苯環(huán)、I，3，5-三嗪環(huán)、氨基、硝基的smiles化學表達式。結(jié)構(gòu)預篩模塊可以將滿足用戶需求條件為0.45《氧系數(shù)<1.15，30cm <撞擊感度H5q < 500cm的3550個分子結(jié)構(gòu)從43636個分子中篩選出來，設計速度也由86分鐘縮短為8分鐘。物化參數(shù)預測模塊可以采取服務器并行計算的模式，從而將3550個分子結(jié)構(gòu)的物化性能在幾小時?幾十天時間內(nèi)獲得，可比采取本地PC機計算的模式時間縮短幾十甚至幾百倍。
【主權(quán)項】
1.一種含能化合物計算機輔助設計系統(tǒng)，利用計算機對含能化合物分子結(jié)構(gòu)進行設計以及對含能化合物分子物化參數(shù)、爆轟參數(shù)進行預估，以開發(fā)新的含能化合物;系統(tǒng)包括: 用戶輸入模塊，用于用戶通過鼠標繪制含能化合物分子的二維平面結(jié)構(gòu)； 文件輸入/輸出模塊，用于對已輸入的含能化合物分子結(jié)構(gòu)文件進行讀取、修改和存儲； 分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊，用于將含能化合物分子的二維平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成空間三維結(jié)構(gòu)； 顯示模塊，用于顯示打開的含能化合物分子結(jié)構(gòu)文件或用戶繪制的含能化合物分子結(jié)構(gòu)； 爆轟參數(shù)預測模塊，用于根據(jù)含能化合物分子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)來預測分子的爆轟參數(shù)； 分子組合庫生成模塊，用于利用組合化學原理生成含能化合物分子組合庫； 其特征在于，該系統(tǒng)還包括: 碎片輸入模塊，用于用戶通過鼠標點擊選取期望組合的含能母環(huán)及基團碎片；結(jié)構(gòu)預篩模塊，用于用戶根據(jù)應用需求設定氧平衡、撞擊感度值進行分子結(jié)構(gòu)預篩；物化參數(shù)預測模塊，用于根據(jù)含能化合物分子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)來預測分子的物化參數(shù)；碎片輸入模塊與分子組合庫生成模塊連接，分子組合庫生成模塊與結(jié)構(gòu)預篩模塊連接，用戶輸入模塊、文件輸入/輸出模塊、分子組合庫生成模塊分別與分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊連接，分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模塊通過連接的顯示模塊與物化參數(shù)預測模塊和爆轟參數(shù)預測模塊連接，物化參數(shù)預測模塊與爆轟參數(shù)預測模塊連接。2.如權(quán)利要求1所述的含能化合物計算機輔助設計系統(tǒng)，其特征在于，所述的碎片輸入模塊包括了 41個常用環(huán)模板圖形和42個常用基團模板圖形，用戶可以根據(jù)需求直接從中選擇環(huán)和基團進行組合，設計出新的分子結(jié)構(gòu)。3.如權(quán)利要求1所述的含能化合物計算機輔助設計系統(tǒng)，其特征在于，所述的結(jié)構(gòu)預篩模塊包括了氧平衡預篩模塊和撞擊感度預篩模塊，用戶可以根據(jù)需求對設計的分子結(jié)構(gòu)進行氧系數(shù)OB(a <0B< b)和撞擊感度H5Q(a < Hso < b)的預篩。4.如權(quán)利要求1所述的含能化合物計算機輔助設計系統(tǒng)，其特征在于，所述的物化參數(shù)預測模塊包括了本地預測模塊和網(wǎng)絡預測模塊;其中網(wǎng)絡預測模塊包括了服務器端和客戶端;服務器端布置在工作站和大型服務器上，用于任務提交和監(jiān)控功能，主要包括任務池管理模塊、任務提交模塊、網(wǎng)絡通信模塊;客戶端主要用于為用戶提供可視化圖形界面及任務提交，包括圖形界面模塊、ftp文件上傳模塊、Socket網(wǎng)絡通信模塊;用戶可以將物化參數(shù)計算任務，包括預測爆轟性能必需的密度、生成焓參數(shù)計算任務傳輸?shù)椒掌鞫诉M行大規(guī)模并行計算并返回結(jié)果。
【文檔編號】G06F19/16GK105844028SQ201610182584
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月28日
【發(fā)明人】來蔚鵬, 張鑫賁, 劉英哲, 尉濤, 廉鵬, 任淦, 朱維良, 葛忠學, 王伯周
【申請人】西安近代化學研究所