网格相关技术及其在药物网格中的应用研究

【摘要】：随着X射线衍射以及核磁共振等技术的发展,越来越多的生物大分子的三维结构被测定出来,计算机辅助药物设计呈现出了突飞猛进之势,药物分子虚拟筛选是其中的重要环节。然而,进行虚拟筛选不仅要搜索化合物小分子库,而且要对库中的小分子进行分子筛选,即便对柔性小分子,粗略估计其在设计空间中也至少含10~(30)个解,再加上庞大的数据库搜索,需要耗费的计算机时间十分巨大,并且对计算环境也有较高的要求。建立网格平台,将网格技术应用于药物分子虚拟筛选是解决上述问题的有效途径。 本文论述了当前基于网格的药物分子设计发展状况,并从药物网格环境下的数据传输、网格资源管理、任务调度、安全性以及虚拟筛选软件性能等方面具体论述了药物网格所面临的主要问题,针对上述问题,本文主要做了以下工作: 1.提出了数据传输优化模型和算法,充分利用了药物分子配体库的易分割性和分子筛选过程的独立性等特点,克服了传统数据传输方法中由于负载的动态性和传输环境的不确定性引起的传输性能随时间波动大的问题,使数据传输能够自主地、动态地向每一时刻或者相对较小的时间段内的较优者聚集。 2.提出一种基于市场机制的动态自适应的网格资源管理方法:运用市场价格体系对动态变化环境的良好适应能力来处理网格资源分配中的异构性和动态性等难题;给出了网格资源管理框架;提出了基于多目标规划的资源管理优化数学模型,并引入了资源分配优化求解的近似算法;利用“交易后改变价格”的方法避免了因价格频繁波动而给用户带来不便等市场机制的负效应;同时,提出了资源组的原子性分配,提高了相关资源的协同分配,并避免了资源申请的死锁问题和资源的无效占用。 3.提出了RDHTS(Reliable Dynamic Heterogeneous Task Scheduling)任务调度算法。该方法与传统方法的显著不同体现在如下两个方面:用“通讯开销”矩阵COST来表示各任务间的通讯开销情况,COST矩阵本身相应于RTTs(Round Trip Time)值的周期变化而动态变化;通过分析网格中各结点自身中断事件发生次数的数学期望和方差,得出各结点的即时可靠性评价参数,增强了任务调度的可靠性,从而较好地适应了网格结点状态的non-dedicated特性。 4.建立了负责签发各主体认证证书的认证中心CA,为各主体颁发认证证书,通过公钥等技术对证书真伪加以鉴别,并通过在网格主体的全局名称与主体的本地局部名称之间建立映射关系,来保证本地安全机制的有效性。 5.将上述研究的方法和技术用于构建药物发现应用网格的研究,通过对区域、结点计算性能的量化,实现了对药物分子虚拟筛选任务的动态分配、数据传输的优化处理和网格资源的优化分配;并建立了认证中心,保证了平台使用的安全性;通过分析网格中各结点自身中断事件发生次数的数学期望和方差,使得在计算结点进行药物分子虚拟筛选任务的可靠性得到了改善。测试表明了药物分子虚拟筛选服务与网格技术相结合的合理性及有效性。