化學信息學和國外軟件

1、1.什么是化學信息學？ 化學信息學是化學領域中近幾年發(fā)展起來的一個新的分支，是建立在多學科基礎上的交叉學科，利用計算機技術和計算機網(wǎng)絡技術，對化學信息進行表示，管理，分析，模擬和傳播，以實現(xiàn)化學信息的提取，轉化與共享，揭示化學信息的實質與內在聯(lián)系，促進化學學科的知識創(chuàng)新。 化學信息學是一門應用信息學方法來解決化學問題的學科。20世紀中后期，伴隨著計算機技術的發(fā)展，化學家開始意識到，多年來所積累的大量信息，只有通過計算機技術才能讓科學界容易獲得和處理，換言之，這些信息必須通過數(shù)據(jù)庫的形式存在，才能為科學界所用。這一新領域出現(xiàn)以后，沒有一個恰當?shù)拿Q?；钴S在這個領域的化學家總是說他們在“化學信息”

2、領域工作。然而，因為這一名稱難以將處理化學文獻的工作和發(fā)展計算機方法來處理化學信息的研究分別開來。所以，一些化學家就稱之為“計算機化學”，以強調采用計算機技術來處理化學信息工作的重要性?；瘜W信息如何分類? 化學信息學的研究內容的包含范圍，不同的學者有不同闡述。繆強認為包括以下六個方面：“化學、化工文獻學；化學知識體系的計算機表示、管理與網(wǎng)絡傳輸；化學圖形學；化學信息的解析與處理；化學知識的計算機推演；化學教育與教學的現(xiàn)代技術與遠程信息資源”。徐筱杰認為化學信息學內容包括：“化學信息的組織、管理、檢索和使用；分子結構的編碼、描述、三維結構的構建；化學信息的加工、處理及深化；計算組合化學；化學體系

3、中信息的交換及傳遞；分子的物理化學性質預測”。邵學廣等人認為化學信息學的研究內容主要包括：“利用計算機技術和計算機網(wǎng)絡技術對化學信息進行表示和管理；利用計算機網(wǎng)絡技術對化學信息進行收集、傳播和共享；化學體系的計算機模擬或建模；利用計算機技術對復雜的化學信息進行解析，以快捷方便的方式最大限度地提取和利用有用信息”。通過網(wǎng)絡了解國外有哪些分子模擬及化工模擬軟件，并指出每個軟件的優(yōu)缺點以及應用領域。GROMACSGROMACS是用于研究生物分子體系的分子動力學程序包。它可以用分子動力學、隨機動力學或者路徑積分方法模擬溶液或晶體中的任意分子，進行分子能量的最小化，分析構象等。它的模擬程序包包含GROM

4、ACS力場(蛋白質、核苷酸、糖等)，研究的范圍可以包括玻璃和液晶、到聚合物、晶體和生物分子溶液。GROMACS是一個功能強大的分子動力學的模擬軟件，其在模擬大量分子系統(tǒng)的牛頓運動方面具有極大的優(yōu)勢。 優(yōu)點： (1) GROMACS進行了大量的算法的優(yōu)化，使其計算功能更強大。例如：在計算矩陣的逆時，算法的內循環(huán)會根據(jù)自身系統(tǒng)的特點自動選擇由C語言或Fortran來編譯。GROMACS中對Altivec loops的計算，無論是在Linux還是MacOSX.系統(tǒng)上，它都要比其它軟件快3-10倍，而且GROMACS提高計算速度的同時也保證了計算精度。 (2) GROMACS具有友好的用戶界面，拓撲文

5、件和參數(shù)文件都以文檔的形式給出。在程序運行過程中，并不用輸入腳本注釋語言。所有GROMACS的操作都是通過簡單的命令行操作進行的。而且運行的過程是分步的，隨時可以檢查模擬的正確性和可行性，可以減少時間上的浪費。 (3) GRMACS操作簡單，功能豐富，而且對于初學者來說易于上手。而且可以通過詳細的免費使用手冊，用戶可以得到更多的信息。 (4) 在模擬運行的過程中，GROMACS會不斷報告用戶程序的運算速度和進程。 (5) GROMACS具有良好的兼容性。輸入文件和輸出的軌跡文件的格式都是獨立于硬件的。 (6) GROMACS能通過二進制文件來寫入坐標，這樣就提供了一個壓縮性很強的軌跡數(shù)據(jù)存儲方

6、法，壓縮方式的精度可以由用戶來選擇。 (7) GROMACS還為軌跡分析提供了大量的輔助工具，用戶不必再為常規(guī)分析編寫任何程序。GROMACS還提供了軌跡的可視程序，而且許多可視化工具都可以顯示。 (8) GROMACS允許并行運算，使用標準的MPI通訊。 (9) GROMACS程序包中包括各種常見的蛋白質和核酸的拓撲結構。包括20種標準的氨基酸以及其變異體，4種核苷和4種脫氧核苷，以及糖類和脂類。 GROMACS的運行過程，主要由一系列的文件和命令組成。GROMACS一般的模擬過程可以分成以下三個階段： (1) 前處理過程：生成模擬對象的坐標文件、拓撲結構文件以及平衡參數(shù)及其外力作用參數(shù)等文

7、件。 (2) 模擬過程：首先要對系統(tǒng)進行能量最小化，避免結構的不合理而在模擬中出現(xiàn)錯誤；然后是對系統(tǒng)升溫過程，先給系統(tǒng)的各個原子以Boltzmen分布初速度，再模擬較短的時間以達到初步的平衡；最后進行真正的分子動力學模擬，即平衡過程。此過程一般時間步長為1fs，運行時間在ns量級，以保證模擬系統(tǒng)盡可能找到勢能的最低點。當然，對于其他的操作，如施加外力(模擬AFM加力)需要在平衡之后進行。在MD模擬的過程中，用戶可以運用配套的可視化軟件，如VMD等隨時觀測模擬的過程及系統(tǒng)的狀態(tài)。 (3) 后處理過程：MD模擬結束后，GROMACS會產(chǎn)生一系列文件，如.pdo文件(受力分析文件)、.trr文件(模

8、擬過程結果文件)、.edr文件(能量文件)等。同時，GROMACS本身還提供了多種分析程序，可以對這些文件進行分析，可以得到分子體系的各種信息。缺點：結果可靠性差，重復性難，高檔次分析工具欠缺，分析工具中bug多，并行通信量大GROMACS力場對生物大分子，蛋白質的應用，較amber和charmm力場準確度差對螺旋結構的模擬效果不是很好,螺旋很容易散掉.所以很難用在應用上.不能確定是因為力場還是因為蛋白本身構象轉換NAMDNAMD（NAnoscale Molecular Dynamics）是用于在大規(guī)模并行計算機上快速模擬大分子體系的并行分子動力學代碼。NAMD用經(jīng)驗力場，如Amber，CHA

9、RMM和Dreiding，通過數(shù)值求解運動方程計算原子軌跡。 1. 軟件所能模擬的體系的尺度，如微觀，介觀或跨尺度等 微觀。 是眾多md 軟件中并行處理最好的，可以支持幾千個cpu 運算。在單機上速度也很快。 模擬體系常為為10,000-1,000,000 個原子。 2. 軟件所屬的類型，如MD，DPD，DFT，MC，量化，或交叉等 全原子md，有文獻上也用它做過cgmd。 3. 軟件能研究的相關領域，使用者的背景最好是？ 使用的力場有charmm,x-plor,amber 等，適合模擬蛋白質，核酸，細胞膜等體系。 也可進行團簇和CNT 系統(tǒng)的模擬 軟件原理經(jīng)典，操作簡單。但需要對體系的性質足

10、夠了解。 4. 軟件中主要涉及的理論方法范疇 經(jīng)典的md，以及用多種方法計算自由能和SMD模擬。 數(shù)據(jù)分析時候一般很少涉及復雜的熱力學和統(tǒng)計熱力學的原理，但知道一些最好。 5.軟件主要包含的處理工具 namd 是計算部分，本身不能建模和數(shù)據(jù)分析（unix 的哲學kiss）。但vmd 同namd 系出同門，已同namd 實現(xiàn)無逢鏈接。 vmd 的tcl 腳本一定要搞懂，別的就不多介紹了。2 6.與此軟件密切相關的軟件 vmd，及其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件（excel，OOo-calc 等足夠了）AmberAmber是著名的分子動力學軟件，用于蛋白質、核酸、糖等生物大分子的計算模擬。Amber也指一種經(jīng)

11、驗力場(empirical force fields)。 力場和代碼是分開的， 一些軟件中包含amber力場, 而其他的力場也包含在此amber的軟件中。 AMBER提供兩部分內容：用于模擬生物分子的一組分子力學力場（無版權限制，也用于其它一些模擬程序中）；分子模擬程序軟件包，包含源代碼和演示。AMBER主要程序Leap：用于準備分子系統(tǒng)坐標和參數(shù)文件，有兩個程序： xleap：Xwindows版本的leap，帶GUI圖形界面 tleap：文本界面的Leap Antechamber：用于生成少見小分子力學參數(shù)文件的。有的時候一些小分子Leap程序不認識，需要加載其力學參數(shù)，這些力學參數(shù)文件就要

12、antechamber生成 Sander：MD數(shù)據(jù)產(chǎn)生程序，即MD模擬程序，被稱做AMBER的大腦程序。 Ptraj：MD模擬軌跡分析程序。Simsci PRO/II Simsci PRO/II 流程模擬程序,廣泛地應用于化學過程的嚴格的質量和能量平衡。SIMSCI公司是工業(yè)應用軟件和相關服務的主要提供商。這些軟件被廣泛的應用在石油、石化、工業(yè)化工以及工程和制造相關專業(yè)。SIMSCI設計的軟件產(chǎn)品可以降低用戶的成本、提高效益、提高產(chǎn)品質量、增強管理決策。PRO/II適用于：油/氣加工、煉油、化工、化學、工程和建筑、聚合物、精細化工/制藥等行業(yè)，主要用來模擬設計新工藝、評估改變的裝置配置、改進現(xiàn)

13、有裝置、依據(jù)環(huán)境規(guī)則進行評估和證明、消除裝置工藝瓶頸、優(yōu)化和改進裝置產(chǎn)量和效益等。Aspen PlusAspen Plus是一個生產(chǎn)裝置設計、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng)。Aspen Plus是大型通用流程模擬系統(tǒng)，源于美國能源部七十年代后期在麻省理工學院（MIT）組織的會戰(zhàn)，開發(fā)新型第三代流程模擬軟件。該項目稱為“過程工程的先進系統(tǒng)”（Advanced System for Process Engineering，簡稱ASPEN），并于1981年底完成。1982年為了將其商品化，成立了AspenTech公司，并稱之為Aspen Plus。該軟件經(jīng)過20多年來不斷地改進、擴充和提高，已

14、先后推出了十多個版本，成為舉世公認的標準大型流程模擬軟件，應用案例數(shù)以百萬計。1）產(chǎn)品具有完備的物性數(shù)據(jù)庫物性模型和數(shù)據(jù)是得到精確可靠的模擬結果的關鍵。人們普遍認為AspenPlus 具有最適用于工業(yè)、且最完備的物性系統(tǒng)。許多公司為了使其物性計算方法標準化而采用Aspen Plus 的物性系統(tǒng)，并與其自身的工程計算軟件相結合。 Aspen Plus 數(shù)據(jù)庫包括將近6000 種純組分的物性數(shù)據(jù) 1. 純組分數(shù)據(jù)庫，包括將近6000 種化合物的參數(shù)。 2. 電解質水溶液數(shù)據(jù)庫，包括約900 種離子和分子溶質估算電解質物性所需的參數(shù)。 3. 固體數(shù)據(jù)庫，包括約3314 種固體的固體模型參數(shù)。 4.

15、Henry 常數(shù)庫，包括水溶液中61 種化合物的Henry 常數(shù)參數(shù)。 5. 二元交互作用參數(shù)庫，包括RidlichKwong Soave、Peng Robinson、Lee Kesler Plocker、BWR Lee Starling，以及Hayden OConnell狀態(tài)方程的二元交互作用參數(shù)約40,000 多個，涉及5,000 種雙元混合物。 6. PURE10 數(shù)據(jù)庫，包括1727 種純化物的物性數(shù)據(jù)，這是基于美國化工學會開發(fā)的DIPPR 物性數(shù)據(jù)庫的比較完整的數(shù)據(jù)庫。 7. 無機物數(shù)據(jù)庫，包括2450 種組分（大部分是無機化合物）的熱化學參數(shù)。 8. 燃燒數(shù)據(jù)庫，包括燃燒產(chǎn)物中常見

16、的59 種組分和自由基的參數(shù)。 9. 固體數(shù)據(jù)庫，包括3314 種組分，主要用于固體和電解質的應用。 10. 水溶液數(shù)據(jù)庫，包括900 種離子，主要用于電解質的應用。 Aspen Plus 是唯一獲準與DECHEMA 數(shù)據(jù)庫接口的軟件。該數(shù)據(jù)庫收集了世界上最完備的氣液平衡和液液平衡數(shù)據(jù)，共計二十五萬多套數(shù)據(jù)。用戶也可以把自己的物性數(shù)據(jù)與Aspen Plus 系統(tǒng)連接。 2）產(chǎn)品線比較長，集成能力很強Aspen Plus 是Aspen 工程套件（AES）的一個組份。AES 是集成的工程產(chǎn)品套件，有幾十種產(chǎn)品。以Aspen Plus 的嚴格機理模型為基礎，形成了針對不同用途、不同層次的AspenT

17、ech 家族軟件產(chǎn)品，并為這些軟件提供一致的物性支持。 如： Polymers Plus： 在Aspen Plus 基礎上專門為模擬高分子聚合過程而開發(fā)的層次產(chǎn)品，已成功地用于聚烯烴、聚酯等過程。 Aspen Dynamics： 在使用Aspen Plus 計算穩(wěn)態(tài)過程的基礎上，轉入此軟件可接著計算動態(tài)過程。 Petro Frac： 專門用于煉油廠的模擬軟件。 Aspen HX-NET： Aspen Plus 可以為夾點技術軟件直接提供其所需要的各流段的熱焓、溫度和壓力等參數(shù)。 B-JAC/ HTFS： 換熱器詳細設計（包括機械計算）的軟件包，Aspen Plus 可以在流程模擬工藝計算之后直

18、接無縫集成，轉入設備設計計算。 Aspen Zyqad： 這是一個工程設計工作流集成平臺，可以供多種用戶環(huán)境下將概念設計、初步設計、工程設計直到設備采購、工廠操作全過程生命周期的各項工作數(shù)據(jù)、報表及知識集成共享。Aspen Plus 有接口可與之自動集成。 Aspen Online 在線工具，將Aspen Plus 離線模型與DCS 或裝置數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)聯(lián)結，用實際裝置的數(shù)據(jù)，自動校核模型，并利用模型的計算結果指導生產(chǎn)。 3）包含兩種算法唯一將序貫（SM）模塊和聯(lián)立方程（EO）兩種算法同時包含在一個模擬工具中。 序貫算法提供了流程收斂計算的初值，采用聯(lián)立方程算法，大大提高了大型流程計算的收斂速

19、度，同時，讓以往收斂困難的流程計算成為可能。節(jié)省了工程師計算的時間。 4）結構完整除組分、物性、狀態(tài)方程之外，還包含以下單元操作模塊： 對于氣/液系統(tǒng)，(6)HYSYS HYSYS 軟件是世界著名油氣加工模擬軟件工程公司開發(fā)的大型專家系統(tǒng)軟件。該軟件分動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩大部分。其動態(tài)和穩(wěn)態(tài)主要用于油田地面工程建設設計和石油石化煉油工程設計計算分析。其動態(tài)部分可用于指揮原油生產(chǎn)和儲運系統(tǒng)的運行。對于油田地面建設該軟件可以解決以下問題： 一、1）在油田地面工程建設中的應用 各種集輸流程的設計、評估及方案優(yōu)化 站內管網(wǎng)、長輸管線及泵站 管道停輸?shù)臏亟?收發(fā)清管球及段塞流的預測 油氣分離 油、氣、水三相分離

20、 油氣分離器的設計計算 天然氣水化物的預測 油氣的相圖繪制及預測油氣的反析點 原油脫水 原油穩(wěn)定裝置設計、優(yōu)化 天然氣脫水（甘醇或分子篩）、脫硫裝置設計、優(yōu)化 天然氣輕烴回收裝置設計、優(yōu)化 泵、壓縮機的選型和計算 2）在石油石化煉油方面的應用 常減壓系統(tǒng)設計、優(yōu)化； FCC 主分餾塔設計、優(yōu)化； 氣體裝置設計與優(yōu)化； 汽油穩(wěn)定、石腦油分離和氣提、反應精餾、變換和甲烷化反應器、酸水分離器、硫和 HF 酸烷基化、脫異丁烷塔等設計與優(yōu)化； 在氣體處理方面：可完成：胺脫硫、多級冷凍、壓縮機組、脫乙烷塔和脫甲烷塔、膨脹裝置、氣體脫氫、水合物生成 / 抑制、多級、平臺操作、冷凍回路、透平膨脹機優(yōu)化。 二、

21、 HYSYS 軟件的國內外應用情況 Hyprotech公司創(chuàng)建于1976 年，是世界上最早開拓石油、化工方面的工業(yè)模擬、仿真技術的跨國公司。其技術廣泛應用于石油開采、儲運、天然氣加工、石油化工、精細化工、制藥、煉制等領域。它在世界范圍內石油化工模擬、仿真技術領域占主導地位。Hyprotech 已有 17000 多家用戶，遍布 80 多個國家，其注冊用戶數(shù)目超過世界上任何一家過程模擬軟件公司。目前世界各大主要石油化工公司都在使用 Hyprotech 的產(chǎn)品，包括世界上名列前茅的前 15 家石油和天然氣公司，前 15 家石油煉制公司中的 14 家和前 15 家化學制品公司中的 13 家。 2002

22、 年 7 月 Hyprotech 公司成為 AspenTech 公司的一部分。 Hyprotech 公司國外用戶： BP 、Chevron 、Dow 、DuPont 、Exxon Mobil 、Fluor Daniel 、Monsanto 、 Glaxo SmithKline 、Rohm Hass 、Bayer 、Shell 、PraxAir 、UOP 等 HYSYS 在國內應用非常廣泛，國內用戶總數(shù)已超過 50 。所有的油田設計系統(tǒng)全部采用該軟件進行工藝設計。下面是部分國內油田用戶名單： 大慶油田設計院、遼河油田設計院、華北油田設計院、大港油田設計院、四川油田設計院、長慶油田設計院、青海油田

23、設計院、中原油田設計院、江漢油田設計院、克拉瑪依油田設計院、克拉瑪依油田研究院、獨山子煉油廠、獨山子石化設計院、廊坊管道勘察設計研究院、中國海洋總公司生產(chǎn)研究中心、中國海洋總公司石油工程公司（天津塘沽）。中國海洋總公司南海分公司、殼牌中國分公司（ Shell ）、遼陽化纖公司、遼陽石化設計院、大慶石化設計院、岳陽石化公司、九江石化公司、南京石化公司、揚子石化公司、揚子石化設計院、撫順石化設計院、撫順石化公司、金陵石化公司、茂名石化設計院、 鎮(zhèn)江煉化工程公司 等 三、 HYSYS 軟件功能 HYSYS 軟件與同類軟件相比具有非常好的操作界面，方便易學，軟件智能化程度高 。 最先進的集成式工程環(huán)境

24、: 由于使用了面向目標的新一代編程工具，使集成式的工程模擬軟件成為現(xiàn)實。在這種集成系統(tǒng)中，流程、單元操作是互相獨立的、流程只是各種單元操作這種目標的集合，單元操作之間靠流程中的物流進行聯(lián)系。在工程設計中穩(wěn)態(tài)和動態(tài)使用的是同一個目標，然后共享目標的數(shù)據(jù)，不需進行數(shù)據(jù)傳遞。 因此在這種最先進且易于使用的系統(tǒng)中用戶能夠得到最大的效益。內置人工智能：在系統(tǒng)中設有人工智能系統(tǒng)，它在所有過程中都能發(fā)揮非常重要的作用。當輸入的數(shù)據(jù)能滿足系統(tǒng)計算要求時，人工智能系統(tǒng)會驅動系統(tǒng)自動計算。當數(shù)據(jù)輸入發(fā)生錯誤時，該系統(tǒng)會告訴你哪里出了問題。 數(shù)據(jù)回歸包： 數(shù)據(jù)回歸整理包提供了強有力的回歸工具。用實驗數(shù)據(jù)或庫中的標準

25、數(shù)據(jù)通過該工具用戶可得到焓、氣液平衡常數(shù) K 的數(shù)學回歸方程 ( 方程的形式可自定 ) 。用回歸公式可以提高運算速度，在特定的條件下還可使計算精度提高。 嚴格物性計算包： HYSYS 提供了一組功能強大的物性計算包，它的基礎數(shù)據(jù)也是來源于世界富有盛名的物性數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并經(jīng)過本公司的嚴格校驗。這些數(shù)據(jù)包括 20,000 個交互作用參數(shù)和 4,500 多個純物質數(shù)據(jù)。 功能強大的物性預測系統(tǒng)：對于 HYSYS 標準庫沒有包括的組分，可通過定義假組分，然后選擇 HYSYS 的物性計算包來自動計算基礎數(shù)據(jù)。 DCS 接口： HYSYS 通過其動態(tài)鏈接庫 DLL 與 DCS 控制系統(tǒng)鏈接。裝置的 DCS

26、數(shù)據(jù)可以進入 HYSYS，而 HYSYS的工藝參數(shù)也可以傳回裝置。通過這種技術可以實現(xiàn)：1) 在線優(yōu)化控制；2) 生產(chǎn)指導；3) 生產(chǎn)培訓；4) 儀表設計系統(tǒng)的離線調試。 事件驅動：將模擬技術和完全交互的操作方法結合，使 HYSIM 獲得成功。而利用面向目標的技術使 HYSYS 這一交互方式提高到一個更高的層次，即事件驅動。當你在研究方案時，需要將許多工藝參數(shù)放在一張表中，當變化一種或幾種變量時，另一些也要隨之而變，算出的結果也要在表中自動刷新。這種幾處顯示數(shù)據(jù)隨計算結果同時自動變化的技術就叫事件驅動。通過這種途徑能使工程師對所研究的流程有更徹底的了解。 工藝參數(shù)優(yōu)化器：軟件中增加了功能強大的

27、優(yōu)化器，它有五種算法供您選擇，可解決無約束、有約束、等式約束及不等式約束的問題。其中序列二次型是比較先進的一種方法，可進行多變量的線性、非線性優(yōu)化，配合使用變量計算表，你可將更加復雜的經(jīng)濟計算模型加入優(yōu)化器中，以得到最大經(jīng)濟效益的操作條件。 窄點分析工具：利用 HYSYS 的窄點分析技術可對流程中的熱網(wǎng)進行分析計算，合理設計熱網(wǎng)，使能量的損失最小。 方案分析工具：某些變量按一定趨勢變化時，其它變量的變化趨勢如何呢？了解這些對方案分析非常重要。比如，當研究塔的回流比和產(chǎn)品質量的變化對熱負荷、產(chǎn)量、溫度的影響時，在 HYSYS 的方案分析中選回流比和產(chǎn)品質量作為自變量，給出它們的變化范圍和步長,HYSYS 就開始計算，最后會給出一個匯總表。 各種塔板的水力學計算： HYSYS 增加了浮閥、填料、篩板等各種塔板的計算，使塔的熱力學和水力學同時解決。 任意塔的計算：我們以前接觸的軟件中所有分餾塔都是軟件商提供了一個最全的塔，然后讓用戶自己選擇保留部分。試問，若用戶有一個塔，其上部分為吸收 - 解析塔，下部分為提餾塔，這種塔該如何計算呢？ HYSYS 就可以。由于采用了面向目標的編程工具，塔板、重沸器、泵、回流罐等等都是相互獨立的目