化学分子合成仿真方法及装置

技术领域

本发明涉及化学分子合成技术领域，尤其涉及一种化学分子合成仿真方法及装置。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

在化学分子合成中，存在多种具有类似结构的分子，被称为基础分子，基础分子之间可以以特定的规则进行结合，同时考虑到分子之间弱连接方式的存在，容忍分子之间一定程度上的非规则连接，例如，两个由分子组成的形状之间，大部分相接区域是按照规则连接的，只有小部分是未能按照规则连接的，但是由于大分子之间的连接作用非常紧密，从而容忍了这部分冲突区域的存在。此外，也存在一些相对较小，不计形状的分子，被称为引导分子，这些分子可以阻断或更改基础分子之间的结合关系。当将一部分基础分子和引导分子放置在同一环境中，最终可以合成一种或多种有限形状或无限形状(即可以以规律或不规律的方式无限合成下去)。

对于化学分子合成的研究目的之一在于知道在已知的基础分子和引导分子类别下的全部组合方式(也即合成分子种类的全部子集合)，在各种分子的数量充足、反应时间足够长的理想情况下，最终能够合成的有限形状和无限形状的数量。

但是，在实际的化学反应中，分子的合成往往是缓慢的，通常需要数天乃至数月的时间才能够达到理想反应情况。并且，最终形成的分子形状越大、数量越多，所需时间越长；分子形状越大，最终能够观察到的概率越小。这样一来，研究人员往往需要耗费较长的时间和较多的精力来观察分子合成过程，实验效率较低。

发明内容

本发明实施例提供一种化学分子合成仿真方法，用以快速对不同种类的基础分子和引导分子最终能够合成的形状的数量进行良好的估计，大幅度降低实际化学反应带来的时间成本，该方法包括：

在每一次合成分子前，在预设种类的基础分子和引导分子中分别进行随机采样，得到一个由一种或多种基础分子及零至多种引导分子组成的输入组合；

针对每一个输入组合，从输入组合中随机选择一个基础分子，作为初始形状，针对初始形状，执行下述方法：

遍历输入组合中的引导分子，确定初始形状各可拼接位置上可拼接的引导分子，将所有可拼接的引导分子与初始形状进行拼接，得到合成形状；

从输入组合中随机选择一个基础分子，作为拼接分子；

判断拼接分子能否与合成形状的所有拼接位置中的至少一个拼接位置进行拼接；

如果能，则从所述至少一个拼接位置中随机选择一个拼接位置，将拼接分子与合成形状进行拼接；将拼接后的分子作为新的初始形状，重新执行上述方法；

如果不能，则重新从输入组合中选择拼接分子，并判断拼接分子能否与当前合成形状进行拼接，直至连续选择的n个拼接分子均不能与当前合成形状进行拼接时，根据组成当前合成形状的基础分子数量与分子量阈值的大小关系确定当前合成形状为有限形状或无限形状；

在采样得到的输入组合的数量达到采样数量阈值时，计算所有输入组合得到的有限形状数量与采样数量阈值的比值，将该比值确定为实际化学反应中形成的有限形状的数量与输入组合数量的比值。

本发明实施例还提供一种化学分子合成仿真装置，用以快速对不同种类的基础分子和引导分子最终能够合成的形状的数量进行良好的估计，大幅度降低实际化学反应带来的时间成本，该装置包括：

随机采样模块，用于在每一次合成分子前，在预设种类的基础分子和引导分子中分别进行随机采样，得到一个由一种或多种基础分子及零至多种引导分子组成的输入组合；

针对每一个输入组合，分子选择模块，用于从输入组合中随机选择一个基础分子，作为初始形状，针对初始形状，由拼接模块、分子选择模块和判断模块执行下述方法：

拼接模块，用于遍历输入组合中的引导分子，确定初始形状各可拼接位置上可拼接的引导分子，将所有可拼接的引导分子与初始形状进行拼接，得到合成形状；

分子选择模块，还用于从输入组合中随机选择一个基础分子，作为拼接分子；

判断模块，用于判断拼接分子能否与合成形状的所有拼接位置中的至少一个拼接位置进行拼接；

拼接模块，用于当拼接分子能与合成形状的所有拼接位置中的至少一个拼接位置进行拼接时，从所述至少一个拼接位置中随机选择一个拼接位置，将拼接分子与合成形状进行拼接；将拼接后的分子作为新的初始形状，触发拼接模块、分子选择模块和判断模块重新执行上述方法；

分子选择模块，还用于当拼接分子不能与合成形状的所有拼接位置中的至少一个拼接位置进行拼接时，重新从输入组合中选择拼接分子，并触发判断模块判断拼接分子能否与当前合成形状进行拼接，直至连续选择的n个拼接分子均不能与当前合成形状进行拼接时，触发确定模块根据组成当前合成形状的基础分子数量与分子量阈值的大小关系确定当前合成形状为有限形状或无限形状；

确定模块，还用于在采样得到的输入组合的数量达到采样数量阈值时，计算所有输入组合得到的有限形状数量与采样数量阈值的比值，将该比值确定为实际化学反应中形成的有限形状的数量与输入组合数量的比值。

本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述化学分子合成仿真方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述化学分子合成仿真方法的计算机程序。

本发明实施例中，通过计算机仿真模拟实际化学反应过程，通过仿真得到的有限形状的数量估计实际化学反应中形成的有限形状的数量，可以大幅度降低实际化学反应带来的时间成本，快速得到在基础分子和引导分子种类庞大的情况下能过最终形成的合成形状数量的良好估计。同时，通过仿真也能够得到部分有限形状和无限形状的形态，能够对无限形状的情况得到更多有用的信息，为未来推断无限形状的特征做好准备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中一种化学分子合成仿真方法的流程图；

图2为本发明实施例中另一种化学分子合成仿真方法的流程图；

图3为本发明实施例中另一种化学分子合成仿真方法的流程图；

图4为本发明实施例中一种化学分子合成仿真装置的结构示意图；

图5为本发明实施例中一种计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

下面将先对本发明中的技术术语进行简要解释。

1)基础分子：合成环境中的、具有类似结构的、用于拼接的最小单元分子；

2)引导分子：合成环境中的、相对基础分子较小从而可在形状合成中忽略形状的、对基础分子的合成起到引导作用(如阻碍或更改合成方式)的小分子；

3)输入组合：某些基础分子和引导分子种类组成的分子种类集合；

4)可拼接位置：基础分子上可以和其他基础分子进行合成的位置，如矩形分子中有上下左右四个可拼接位置。

本发明实施例提供了一种化学分子合成仿真方法，如图1所示，该方法包括步骤101至步骤107：

步骤101、在每一次合成分子前，在预设种类的基础分子和引导分子中分别进行随机采样，得到一个由一种或多种基础分子及零至多种引导分子组成的输入组合。

其中，该预设种类的基础分子和引导分子由用户设定。示例性的，用户设定了A、B、C三种基础分子，随机采样得到的输入组合可能仅包含A、仅包含B、仅包含C、包含AB、包含AC、包含BC，或者同时包含ABC等。

需要说明的是，随机采样只选择组成输入组合的基础分子和引导分子的种类，认为输入组合中每种基础分子和每种引导分子的数量是无限的。并且，允许随机采样得到相同的输入组合。

步骤102、针对每一个输入组合，从输入组合中随机选择一个基础分子，作为初始形状，针对初始形状，执行下述步骤103至105，并根据步骤105的判断结果执行步骤106或步骤107。

步骤103、遍历输入组合中的引导分子，确定初始形状各可拼接位置上可拼接的引导分子，将所有可拼接的引导分子与初始形状进行拼接，得到合成形状。

引导分子的拼接机制是，当分子(包括基础分子和合成后的分子)上任意可拼接位置可与引导分子进行拼接时，则引导分子将与分子进行拼接，且能与引导分子进行拼接的所有可拼接位置均与引导分子进行拼接。也就是说，若分子上有3个可拼接位置可与引导分子进行拼接时，该3个可拼接位置均与引导分子进行拼接。

一个引导分子与分子拼接时，可能占用分子的一个可拼接位置，不产生新的可拼接位置，也可能占用分子的一个拼接位置，同时转换出一个新的可拼接位置。

需要说明的是，也可能出现任意一个引导分子均不能与初始形状进行拼接的情况，在这种情况下，直接将初始形状作为合成形状。

在另一种实现方式中，如果输入组合中不包含引导分子，则在步骤103中直接将初始形状作为合成形状。

步骤104、从输入组合中随机选择一个基础分子，作为拼接分子。

由于一个输入组合中同一种基础分子或引导分子的数量均是无限的，因此步骤102和步骤104，以及后续随机选择基础分子的过程中，选择的基础分子均存在与此前选择的基础分子相同的情况。

步骤105、判断拼接分子能否与合成形状的所有拼接位置中的至少一个拼接位置进行拼接。

考虑到当合成形状上拼接的分子越来越多时，合成形状上的拼接位置可能越来越多，为了更加明确确定合成形状上的拼接位置，在每一次得到初始形状或合成形状之后，还可以将初始形状或合成形状的所有拼接位置的信息更新在可拼接位置列表中。比如说，当步骤102中选择了一个基础分子作为初始形状之后，将该初始形状上的所有拼接位置更新在可拼接位置列表中，以所有基础分子均为矩形分子为例，当前可拼接位置列表中包括该基础分子的上、下、左、右四个拼接位置的信息；当初始形状与1个引导分子拼接得到合成形状后，引导分子占用1个拼接位置，未产生新的拼接位置，则从可拼接位置列表中删除被引导分子占用的拼接位置；当一拼接分子与该合成形状拼接成功后，合成形状和拼接分子各自的一个拼接位置被占用，此时原合成形状剩余2个拼接位置，拼接分子剩余3个拼接位置，更新后的可拼接位置列表中删除了原合成形状被占用的拼接位置的信息，增加了拼接分子剩余的3个拼接位置的信息。这样每一次得到初始形状或合成形状后都更新可拼接位置列表，可以保证从可拼接位置列表中直接获取到最新的初始形状或合成形状的拼接位置的信息，方便了下一次拼接时快速找到匹配的拼接位置。

步骤105具体执行时，可以先获取拼接分子的拼接位置信息；将拼接分子的拼接位置信息与可拼接位置列表中合成形状的所有拼接位置的信息进行逐一匹配；根据匹配成功或失败判断拼接分子能否与合成形状的所有拼接位置中的至少一个拼接位置进行拼接。

其中，匹配成功表明拼接分子能与合成形状的所有拼接位置中的至少一个拼接位置进行拼接；匹配失败表明拼接分子不能与合成形状的所有拼接位置中的至少一个拼接位置进行拼接。

需要说明的是，所有基础分子的拼接位置的信息均是已知的，在装置的存储模块中存储，且每个基础分子均有编号，可以根据基础分子的编号在存储模块中查找获取各个基础分子的拼接位置的信息。拼接位置的信息中除了包含基础分子的拼接位置在哪个部分(如矩形分子在上、下、左、右四个部位)，还包含了每个拼接位置对于拼接分子的要求，当拼接分子满足该要求时才可以与该基础分子进行拼接。

基于此，将拼接分子的拼接位置信息与可拼接位置列表中合成形状的所有拼接位置的信息进行逐一匹配，也即判断拼接分子与合成形状中是否存在拼接位置满足互相的要求的过程，如果存在拼接位置互相满足要求，也即匹配成功，则可以将合成形状匹配成功的拼接位置存储在可选择位置列表中，以作记录。

步骤106、如果能，则从至少一个拼接位置中随机选择一个拼接位置，将拼接分子与合成形状进行拼接；将拼接后的分子作为新的初始形状，重新执行步骤103至步骤105中方法，并根据步骤105的判断结果执行步骤106或步骤107。

也就是说，如果合成形状上有3个拼接位置可以和拼接分子进行拼接，则从该3个拼接位置中随机选择一个拼接位置进行拼接，得到拼接后的分子，也即新的合成形状。

步骤107、如果不能，则重新从输入组合中选择拼接分子，并判断拼接分子能否与当前合成形状进行拼接，直至连续选择的n个拼接分子均不能与当前合成形状进行拼接时，根据组成当前合成形状的基础分子数量与分子量阈值的大小关系确定当前合成形状为有限形状或无限形状。

其中，n为用户设定的阈值。以n为100为例，如果连续选择的100个拼接分子均不能与当前合成形状进行拼接，则认为输入组合中的基础分子均不能与该当前合成形状进行拼接，终止合成仿真过程。

参见图2，步骤107根据组成当前合成形状的基础分子数量与分子量阈值的大小关系确定当前合成形状为有限形状或无限形状，可以具体执行为如下步骤201至步骤203：

步骤201、判断组成当前合成形状的基础分子数量是否大于等于分子量阈值。

其中，分子量阈值是划分有限形状和无限形状的基础分子数量界限。

步骤202、如果组成当前合成形状的基础分子数量大于等于分子量阈值，则将当前合成形状确定为无限形状。

步骤203、如果组成当前合成形状的基础分子数量小于分子量阈值，则将当前合成形状确定为有限形状。

本发明实施例中，在根据组成当前合成形状的基础分子数量与分子量阈值的大小关系确定当前合成形状为有限形状或无限形状之后，还将当前输入组合得到的有限形状与在本次化学分子合成仿真中已得到的有限形状进行比对；如果当前输入组合得到的有限形状与已得到的任何一个有限形状均不同，则存储当前输入组合得到的有限形状，以及组成该有限形状的基础分子和引导分子的种类信息。

步骤108、在采样得到的输入组合的数量达到采样数量阈值时，计算所有输入组合得到的有限形状数量与采样数量阈值的比值，将该比值确定为实际化学反应中形成的有限形状的数量与输入组合数量的比值。

在步骤107存储不重复的有限形状的基础上，本步骤中，在采样得到的输入组合的数量达到采样数量阈值时，根据已存储的当前输入组合得到的有限形状的数量计算所有输入组合得到的有限形状数量与采样数量阈值的比值。

此外，在执行完步骤107后，还可以采用如下方法估计实际化学反应中形成的有限形状的数量：

①、使用采样后得到的有限形状的数量直接估计实际化学反应中有限形状的数量；

②、使用采样后得到的有限形状数量对采样次数的平均数估计实际化学反应中有限形状数量的平均数。

其中，方法①始终是对真实情况的下限估计，根据大数定律，可以知道在无限采样下最终一定能以大于0的概率获得全部的有限形状。方法②是传统方法中对于真实情况的估计方法，使用采样的平均数估计真实的平均数，但是在解决本问题时，由于对于重复出现的有限形状不做计数，因而过大或过小的采样都会导致估计上的不准确，参数调整过于复杂，实际结果不够准确；如果对重复出现的形状进行保存和计数，则会需要更大的存储空间。

本发明实施例中的方法，可以保证无论在采样数次数是否大于真实输入组合数量、采样基础分子次数是否大于当前组合中基础分子数量的情况下，都能对真实有限形状的数量得到一个良好的估计，同时保证存储空间更小。

为了便于理解，图3给出了本发明实施例中分子合成仿真方法的另一种流程图，上述步骤的实施也可以参见图3所示的流程图。

本发明实施例中，通过计算机仿真模拟实际化学反应过程，通过仿真得到的有限形状的数量估计实际化学反应中形成的有限形状的数量，可以大幅度降低实际化学反应带来的时间成本，快速得到在基础分子和引导分子种类庞大的情况下能过最终形成的合成形状数量的良好估计。同时，通过仿真也能够得到部分有限形状和无限形状的形态，能够对无限形状的情况得到更多有用的信息，为未来推断无限形状的特征做好准备。

本发明实施例中还提供了一种化学分子合成仿真装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与化学分子合成仿真方法相似，因此该装置的实施可以参见化学分子合成仿真方法的实施，重复之处不再赘述。

如图4所示，该装置400包括随机采样模块401、分子选择模块402、判断模块403、拼接模块404和确定模块405。

其中，随机采样模块401，用于在每一次合成分子前，在预设种类的基础分子和引导分子中分别进行随机采样，得到一个由一种或多种基础分子及零至多种引导分子组成的输入组合；

针对每一个输入组合，分子选择模块402，用于从输入组合中随机选择一个基础分子，作为初始形状，针对初始形状，由拼接模块404、分子选择模块402和判断模块403执行下述方法：

拼接模块404，用于遍历输入组合中的引导分子，确定初始形状各可拼接位置上可拼接的引导分子，将所有可拼接的引导分子与初始形状进行拼接，得到合成形状；

分子选择模块402，还用于从输入组合中随机选择一个基础分子，作为拼接分子；

判断模块403，用于判断拼接分子能否与合成形状的所有拼接位置中的至少一个拼接位置进行拼接；

拼接模块404，用于当拼接分子能与合成形状的所有拼接位置中的至少一个拼接位置进行拼接时，从至少一个拼接位置中随机选择一个拼接位置，将拼接分子与合成形状进行拼接；将拼接后的分子作为新的初始形状，触发拼接模块、分子选择模块和判断模块重新执行上述方法；

分子选择模块402，还用于当拼接分子不能与合成形状的所有拼接位置中的至少一个拼接位置进行拼接时，重新从输入组合中选择拼接分子，并触发判断模块403判断拼接分子能否与当前合成形状进行拼接，直至连续选择的n个拼接分子均不能与当前合成形状进行拼接时，触发确定模块405根据组成当前合成形状的基础分子数量与分子量阈值的大小关系确定当前合成形状为有限形状或无限形状；

确定模块405，还用于在采样得到的输入组合的数量达到采样数量阈值时，计算所有输入组合得到的有限形状数量与采样数量阈值的比值，将该比值确定为实际化学反应中形成的有限形状的数量与输入组合数量的比值。

在本发明实施例的一种实现方式中，装置400还包括列表更新模块406，用于：在每一次得到初始形状或合成形状之后，将初始形状或合成形状的所有拼接位置的信息更新在可选择位置列表中；

判断模块403，用于：

获取拼接分子的拼接位置信息；

将拼接分子的拼接位置信息与可拼接位置列表中合成形状的所有拼接位置的信息进行逐一匹配；

根据匹配成功或失败判断拼接分子能否与合成形状的所有拼接位置中的至少一个拼接位置进行拼接。

在本发明实施例的一种实现方式中，确定模块405，用于：

判断组成当前合成形状的基础分子数量是否大于等于分子量阈值；

当组成当前合成形状的基础分子数量大于等于分子量阈值时，将当前合成形状确定为无限形状；

当组成当前合成形状的基础分子数量小于分子量阈值时，将当前合成形状确定为有限形状。

在本发明实施例的一种实现方式中，装置400还包括形状记录模块407，用于：

将当前输入组合得到的有限形状与在本次化学分子合成仿真中已得到的有限形状进行比对；

如果当前输入组合得到的有限形状与已得到的任何一个有限形状均不同，则存储当前输入组合得到的有限形状，以及组成该有限形状的基础分子和引导分子的种类信息。

在本发明实施例的另一种实现方式中，确定模块405，用于：

在采样得到的输入组合的数量达到采样数量阈值时，根据已存储的当前输入组合得到的有限形状的数量计算所有输入组合得到的有限形状数量与采样数量阈值的比值。

本发明实施例中，通过计算机仿真模拟实际化学反应过程，通过仿真得到的有限形状的数量估计实际化学反应中形成的有限形状的数量，可以大幅度降低实际化学反应带来的时间成本，快速得到在基础分子和引导分子种类庞大的情况下能过最终形成的合成形状数量的良好估计。同时，通过仿真也能够得到部分有限形状和无限形状的形态，能够对无限形状的情况得到更多有用的信息，为未来推断无限形状的特征做好准备。

本发明实施例还提供一种计算机设备，图5为本发明实施例中计算机设备的示意图，该计算机设备能够实现上述实施例中的化学分子合成仿真中全部步骤，该计算机设备具体包括如下内容：

处理器(processor)501、存储器(memory)502、通信接口(CommunicationsInterface)503和通信总线504；

其中，所述处理器501、存储器502、通信接口503通过所述通信总线504完成相互间的通信；所述通信接口503用于实现相关设备之间的信息传输；

所述处理器501用于调用所述存储器502中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中的化学分子合成仿真方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述化学分子合成仿真方法的计算机程序。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。