网格相关技术及其在药物网格中的应用研究

论文题目: 网格相关技术及其在药物网格中的应用研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 计算机应用技术

作者: 郭权

导师: 王希诚

关键词: 网格,药物分子设计,数据传输,任务调度,资源分配,计算平台

文献来源: 大连理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 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1030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。

论文目录:

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 问题的提出以及论文的研究背景

1.1.1 计算机辅助药物分子设计

1.1.2 药物设计与网格计算

1.2 药物网格面临的问题

1.2.1 数据传输问题

1.2.2 资源管理问题

1.2.3 任务调度问题

1.2.4 安全性问题

1.2.5 药物分子设计软件自身性能的优化问题

1.3 本文的主要研究内容和工作

1.3.1 数据传输优化方法

1.3.2 资源优化管理

1.3.3 任务调度优化

1.3.4 药物分子设计软件自身优化

1.3.5 药物网格平台搭建

1.4 本文的组织结构

2 网格计算技术

2.1 网格的基本概念和分类

2.2 网格的特征

2.3 网格的体系结构

2.3.1 传统网格体系结构

2.3.2 开放网格服务体系结构

2.4 网格关键技术

2.5 网格计算工具包及框架的组织

2.5.1 SETI Home

2.5.2 Globus

2.5.3 Legion

2.5.4 AppLeS

2.5.5 Nimrod

2.5.6 Nimrod/G

2.5.7 Popcorn

2.5.8 Bond

2.5.9 Harness

2.5.10 Infospheres

2.5.11 MILAN

2.5.12 Bayanihan

2.6 小结

3 药物虚拟筛选中的分子对接原理

3.1 互补匹配原则

3.2 构象搜索算法

3.2.1 蒙特卡罗模拟方法

3.2.2 模拟退火算法

3.2.3 遗传算法

3.2.4 禁忌搜索算法

3.2.5 分子动力学方法

3.3 典型分子对接软件

3.3.1 AutoDock

3.3.2 DOCK

3.3.3 FlexX

3.3.4 FlexiDock

3.3.5 Affinity

4 数据传输问题优化方法

4.1 研究背景

4.2 数据传输方案和优化模型

4.3 优化模型和符号说明

4.4 数据访问优化算法

4.5 算法性能测试

4.6 小结

5 基于经济模式的网格资源分配

5.1 问题提出的背景

5.2 资源分配的总体框架结构

5.2.1 应用代理层

5.2.2 资源代理层

5.3 动态自适应的网格资源分配工作原理

5.4 资源代理的迭代算法

5.5 算法测试

6 任务调度问题优化方法

6.1 传统任务调度算法

6.2 任务调度优化算法DHTS和RDHTS

6.2.1 相关概念及符号说明

6.2.2 DHTS任务调度算法

6.2.3 RDHTS任务调度算法

6.3 小结

7 分子对接设计模型GAsDock

7.1 分子对接演化设计模型

7.1.1 分子对接问题的数学模型

7.1.2 模型转化

7.2 基于空间收缩的多种群遗传算法

7.2.1 概述

7.2.2 空间收缩因子

7.2.3 小种群策略

7.2.4 参数自适应设计

7.2.5 算法实现

7.2.6 数值测试

7.3 小结

8 网格安全策略

8.1 相关技术及标准

8.1.1 Kerberos

8.1.2 SSH

8.1.3 SSL/TLS

8.1.4 PKIX

8.2 网格安全策略

8.3 网格安全的具体实现

8.3.1 认证中心的建立

8.3.2 认证证书

8.3.3 用户映射机制

8.4 小结

9 平台实现及实例测试

9.1 概述

9.2 平台的总体设计

9.2.1 实现分子对接任务的一般流程

9.2.2 平台的框架结构

9.3 平台的后台实现

9.3.1 计算性能的量化

9.3.2 相关符号及变量

9.3.3 调度任务图

9.3.4 PCA算法

9.3.5 主要程序及其主体结构

9.4 实例与测试

9.4.1 基于环氧合酶-2的分子对接计算

9.4.2 基于PPARγ晶体结构的分子对接

9.5 小结

10 结论与展望

10.1 结论

10.2 展望

参考文献

创新点摘要

攻读博士学位期间发表论文情况

致谢

发布时间: 2005-07-04

参考文献

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[7].网格服务挖掘中网格服务部署关键技术研究[D]. 卢暾.四川大学2006
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