（计算机应用技术专业论文）计算化学escience脚本编辑环境设计与实现.pdf

摘要 e - s c i e n c e 主要研究科学领域的全球合作以及与之相适应的基础体系结构， 它将对未来的科学研究方式产生革命性的影响。网格( g r i d ) 是使e s c i e n c e 成为 可能的基础体系结构。计算化学网格平台则是该种体系结构在计算化学领域的应 用。目前，计算化学网格平台的研究在国际上得到了越来越多的重视，如剑桥大 学分子信息学中心，法兰克福大学，a c c e l e r y s 公司和i b m 公司等重要研究机构 和企业已经开始投入大量的人力和物力对计算化学网格系统联合进行开发。与国 外相比，国内有关计算化学网格平台方面的研究刚刚起步，还没有一个完整的计 算化学网格系统。计算化学e s c i e n c e 研究与示范应用项目是国内第一个计算化 学网格应用项目，它是由兰州大学、清华大学、巴黎第七大学共同承担的国家自 然科学基金委支持的重大研究计划“以网络为基础的科学活动环境研究 项目。 本项目的目的是构建一个计算化学e - s c i e n c e 应用系统( e s c i e n c eo n c h e m i s t y ，简称e s o c 应用系统) ，使之成为一个基于现有网格标准的计算化学资 源共享、学术研究与交流的虚拟平台。 本论文的研究目标是设计并实现e s o c 应用系统的功能插件一一计算化学 e - s c i e n c e 脚本编辑环境。该插件专注于解决计算任务输入问题和为有效利用网 格化共享资源提供接口。本文在论述了集成开发环境特点，分析了网格应用需求， 探讨了国内外化学脚本编辑环境现状的基础上，针对计算化学领域流行计算化学 应用软件的网格化应用需求，介绍了e s o c 应用系统的总体架构，提出了计算化 学e - s c i e n c e 脚本编辑环境系统的软件体系架构，并提供了g a u s s i a n 脚本编辑 环境系统的实现。计算化学e - s c i e n c e 脚本编辑环境系统为化学家使用不同的计 算化学资源提供了对应的脚本编辑工具和图形化输入界面，该系统具有语法检 查、代码自动补全、内容提示、语法着色等功能。该应用作为一个优秀的编辑环 境，拥有易用的工程向导，功能丰富的编辑器，可以大大方便工程文件的创建， 加快计算化学应用任务的开发速度，提高工作效率。 本文的主要工作及研究成果如下： 1 结合e s o c 整体系统架构，借鉴集成开发环境的架构及其编辑环境特性， 提出了计算化学e - s c i e n c e 脚本编辑环境的框架设计。 i i i 2 对高斯脚本语言学习研究，并抽象。根据g a u s s i a n 脚本语言标准提供的 语法列出一个上下文无关文法，然后对其消除歧义( - - 义性) 、消除左递归、消除 公共前缀。最后将该文法以扩展巴科斯范式格式描述出来，提交给a n t l r ，生成 递归下降分析器。 3 研究e c li p s e 插件开发机制、j f a c e 文本框架，结合所提出的计算化学 e - s cie n c e 脚本编辑环境整体架构，对高斯脚本编辑环境进行了设计实现。 关键字：e - s c i e n c e 、e s o c 应用系统、g a u s s i a n 、a n t l r 、e c l i p s e 、插件 i v a b s t r a c t e - s c i e n c ei sa b o u tg l o b a lc o l l a b o r a t i o ni nk e ya r e a so fs c i e n c e ，a n dt h en e x t g e n e r a t i o no fi n f r a s t r u c t u r et h a tw i l le n a b l ei t e s c i e n c ew i l lt a k ear e v o l u t i o n a r y i n f l u e n c eo nt h em a n n e ro fs c i e n t i f i cr e s e a r c h t h ec o m p u t i n ga r c h i t e c t u r eo f e s c i e n c ei su s u a l l yb a s e do ng r i d c o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r yg r i dp l a t f o r i l li st h e a p p l i c a t i o n so ft h i sk i n do fa r c h i t e c t u r ei nt h ef i e l do fc o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r y a t p r e s e n t ，t h er e s e a r c ho fg r i dc o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r yp l a t f o r mi sg a i n i n gm o r ea n d m o r ea t t e n t i o ni nt h ei n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t y , s u c ha st h em o l e c u l a ri n f o r m a t i c s c e n t r eo fc a m b r i d g eu n i v e r s i t y , f r a n k f u r tu n i v e r s i t y , a c c e l e r y sa n di b m ，a n do t h e r i m p o r t a n tr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa n de n t e r p r i s e sh a v ea l r e a d ys t a r t e dp u t t i n gi nal o to f m a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e st od e v e l o pt h ec o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r yg r i ds y s t e m c o m p a r e dw i t hf o r e i g nc o u n t r i e s ，d o m e s t i cr e s e a r c ho nc o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r yg r i d c o m p u t i n gp l a t f o r mh a sj u s ts t a r t e d 。a n dw ed i dn o th a v eac o m p l e t ec o m p u t a t i o n a l c h e m i s t r y g r i d s y s t e m c o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r y e s c i e n c er e s e a r c ha n d d e m o n s t r a t i o n a p p l i c a t i o np r o j e c t i st h e”n e t w o r k b a s e ds c i e n c ea c t i v i t i e s e n v i r o n m e n tr e s e a r c h ”p r o j e c tw h i c hi st h ei m p o r t a n tr e s e a r c hp l a ns u p p o r t e db yt h e n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fp r c h i n a t h eo b j e c t i v eo ft h i sp r o j e c ti st ob u i l da c o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r ye - s c i e n c ea p p l i c a t i o ns y s t e mf e s c i e n c eo nc h e m i s t y , a c r o n y me s o ca p p l i c a t i o ns y s t e m ) a n dm a k ei tb e c o m eav i r t u a lp l a t f o r mb a s e do n t h ee x i s t i n g 鲥ds t a n d a r df o rs h a r i n gc o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r yr e s o u r c e s ，e x c h a n g i n g a c a d e m i cr e s e a r c hr e s u l t sa n di d e a s i nt h i s p a p e r , t h er e s e a r c ho b j e c t i v ei st od e s i g na n di m p l e m e n tt h ep l u g - i n s c h e m i c a ls c r i p te d i t i n gs y s t e m t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，a n a l y s i st h eg r i da p p l i c a t i o nn e e d s ，d e s c r i b e st h es t a t u so f t h ec h e m i c a ls c r i p te d i t i n ge n v i r o n m e n ta th o m ea n da b r o a d ，f a c e st h eg r i da p p l i c a t i o n n e e d so fp o p u l a rc o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r ys o f l w a r e s i n t r o d u c e de s o ca p p l i c a t i o n s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，p r o p o s e dc h e m i c a ls c r i p te d i t i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r ea n d p r o v i d e dt h ei m p l e m e n t a t i o no fg a u s s i a ns c r i p te d i t i n gs y s t e m f o rc h e m i s t su s i n g d i f f e r e n tc h e m i c a lr e s o u r c e si ng r i d c h e m i c a ls c r i p te d i t i n gs y s t e mp r o v i d e st h e c o r r e s p o n d i n gs c r i p te d i t i n gt o o l sa n dg r a p h i c a lu s e ri n p u ti n t e r f a c e t h es y s t e mh a s r i c hf u n c t i o ni n c l u d i n gs y n t a xc h e c k ，s y n t a xc o l o r i n g ，c o n t e n ta s s i s t a n te t c a sa n e x c e l l e n te d i t i n ge n v i r o n m e n t i th a se a s y t o u s ep r o je c tw i z a r d f e a t u r e r i c he d i t o r w h i c hc a ng r e a t l yf a c i l i t a t et h ec r e a t i o no fp r o j e c tf i l e s ，s p e e du pt h ed e v e l o p m e n to f c h e m i c a la p p l i c a t i o ns p e e da n di m p r o v ec h e m i s t se m c i e n c y t h em a i nw o r ka n dr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 d i s c u s s e dt h ee s o cs y s t e ma r c h i t e c t u r e d e s c r i b e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a r c h i t e c t u r eo fi n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dp r o p o s e dt h ef r a m e w o r ko f c h e m i c a ls c r i p te d i t i n ge n v i r o n m e n t 2 r e s e a r c h e dt h eg a u s s i a ns c r i p tl a n g u a g e a b s t r a c t e dac o n t e x t f r e eg r a m m a r a c c o r d i n gt og a u s s i a ns c r i p t i n gl a n g u a g es y n t a xs t a n d a r d s ，a n dt h e ne l i m i n a t e d a m b i g u i t y ，l e f tr e c u r s i o n ，p u b l i cp r e f i x o ft h ec o n t e x t f r e e g r a m m a r f i n a l l y , d e s c r i b e dt h eg r a m m a ri ne b n f s u b m i r e di tt ot h ea n t l rt og e n e r a t ea n a l y z e r v 3 s t u d yo ne c l i p s ep l u g - i nm e c h a n i s ma n dj f a c et e x tf r a m e w o r k a c o r d i n gt o t h ea r c h i t e c t u r eo ft h ec o m p u t a t i o n a lc h e m i c a le s c i e n c es c r i p te d i t i n ge n v i r o n m e n t ， d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h eg a u s s i a ns c r i p te d i t i n ge n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：e - s c i e n c e ，e s o ca p l i c a t i o ns y s t e m ，g a u s s i a n ，a n t l r ，e c l i p s e ，p l u g i n v i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研 究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、 观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：圭墼 e l _ 一。卜。一 期：p g 与、s 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州 大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保 存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和 借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发 表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位 仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：三蛀导师签名：主擞日 i l 期：燮二呈二沁 计算化学e s c i e n c e 脚本编辑环境设计与实现 1 1 研究背景 第1 章绪论 计算化学e - s c i e n c e 研究与示范应用项目是国家自然科学基金委支持的重 大研究计划“以网络为基础的科学活动环境研究 项目。由于现有网格中间件还 不能完全满足计算化学网格的需求，本项目将首先在现有的网格平台基础上，开 展三个方面的研究工作，一是异构化学数据库的网格化整合和共享；二是大型化 学相关仪器设备的网格化共享模式；三是计算化学相关软件的共享和协同使用环 境【1 1 。该平台的建立将实现化学资源的广泛共享，提高协同解决计算化学问题的 能力，改善计算化学的科研环境。 针对上述情况，计算化学e - s c i e n c e 研究与示范应用项目的主要目标是在现 有的网格平台的基础上为化学家提供一个资源共享和学术交流的虚拟平台 一e s o c 应用系统。该应用系统建立的核心目的是在网格平台架构基础之上构建 一个专业的化学问题求解环境。e s o c 系统是基于e c l i p s e 平台开发的一套用于化 学信息学和生物信息学的插件模块，目前共有7 个功能插件组成。分别是： 即时可视化通讯工具( e c h e mi m ) ， 化学脚本编辑环境( e c h e ms c r i p te d i t t i n ge n v i r o n m e n t ) ， 化学分子可视化集成工具( e c h e mm o l e c u l a rv i e w e r ) ， 化学工作流可视化编辑环境( e c h e mw o r k f l o wd e s i g n e r ) ， 化学作业提交管理工具( e c h e mj o bm a n a g e r ) ， 化学可视化数据库工具( e c h e md a t a b a s e ) ， 化学白板协同工具( e c h e mw h i t e b o a r d ) 。 目前，e s o c 系统中的7 个功能插件都可以作为单独的软件系统供用户独立 使用。并且用户还可以根据所作研究工作的流程化、集成化需求，将其中的插件 集成使用。目前的三种集成方案为： a ) 即时可视化通讯工具和化学白板协同工具； b ) 化学工作流可视化编辑环境，化学作业提交管理工具和化学脚本编辑环 境： 计算化学e - s c i e n c e 脚本编辑环境设计与实现 c ) 化学可视化数据库工具和化学分子可视化集成工具。 化学脚本编辑环境作为e s o c 应用系统的功能子组件，为常用计算化学软件 脚本编辑提供丰富的功能。其应用性需求如下所述。 随着量子力学在化学中的应用和计算机技术日新月异的发展，量子化学计算 已成为与实验技术相得益彰、相辅相成的重要手段。量子化学是理论化学的一个 分支学科，是应用量子力学的基本原理和方法，研究化学问题的一门基础科学。 它对分子结构与性质的解释与预测是任何其它工具所不能替代的。这为化学工作 者提供了强大的功能。与分子结构和性质的计算有关的程序逐渐成为化学研究中 一个必不可少的工具。越来越多的软件被开发出来解决量子化学、分子动力学、 分子模拟等领域中的计算问题。比如：w i n m o p a c 2 1 、s p a r t a n 3 1 、h y p e r c h e m 4 1 、 g a m e s s 5 1 、g a u s s i a n 6 】、j a g u a r 7 1 等流行的计算化学软件。而很多现有计算化学 应用程序包都由不同的公司或组织开发，它们之间彼此孤立，互不关联。另外， 通常化学家在解决某个问题时，会将该问题的求解过程划分成若干步骤，而在每 个步骤则需要不同的化学软件的操作或计算。以定量结构活性( 性质) 关系即 q s a r q s p r 的研究为例，具体研究3 5 个甘露醇衍生物的结构与活性的关系的过 程中会用到c h e m o f f i c e 引、h y p e r c h e m 、g a u s s i a n 等计算化学软件。 针对该状况，如何有效整合各种高性能计算化学软件，实现计算文件输入、 计算任务执行和计算结果输出的一站式服务体系，日渐成为计算化学应用研究的 热点问题。e s o c 应用系统中的化学脚本编辑环境、化学工作流可视化编辑环境、 化学作业提交管理工具等功能插件为该问题提供了很好的解决方案。其中化学脚 本编辑环境则专注于解决计算任务脚本的输入问题。 就计算任务脚本文件的输入而言，也存在着诸多不便。由于在计算化学领域 存在着各种各样的计算化学应用程序包，而各种化学应用软件都有各自的脚本、 脚本文档结构。如：g a u s s i a n 、m o p a c 、s p a r t a n 等计算化学软件，其脚本语言 风格迥异，形式也是多种多样。因此在实际从事研究工作的过程中，化学家通常 会遇到如下问题： l 、化学家要学习各种软件的使用及其脚本语言。甚至有的软件的脚本语法 复杂繁琐，难于理解、记忆，以致在编写代码时效率低下。 2 、很多软件自身所提供的脚本编辑器的功能有限，如：g a u s s v i e w 仅具有 2 计算化学e s c i e n c e 脚本编辑环境设计与实现 图形界面，而应用该界面所编写完成的代码只能以类似文本文档的形式打开，这 使得对脚本代码的查看、修改不但费神费力，而且容易出错。 3 、化学家在进行计算任务脚本编辑的过程中，不但要求本机安装有相应的 软件或工具，而且要在它们之间频繁切换。不仅操作繁琐，而且受客观条件限制， 运算能力也非常有限。 4 、网格应用需求。化学研究活动广泛依赖于不同的硬件仪器设备和软件。 当前，随着科学研究活动的深入发展，一方面，它所提供的数据量越来越巨大， 另一方面，硬件设备和商业级软件的价格变得越来越昂贵，许多重要硬件仪器设 备或商业级软件只有少数机构能够拥有。化学软硬件资源网格化共享很好的解决 了上述问题。但在各种仪器设备或软件网格化共享的状况下，化学家如何在网格 平台的客户端高效编辑计算任务脚本便成为了一个亟待解决的关键问题。 如上所述，这些问题直接导致了化学家要花费大量的时间在与科学研究本身 相关性很小的工作上，导致工作效率低下。并且对于存在很多需要海量数据或大 量计算的研究进展缓慢，甚至导致很多工作受客观条件的限制是不可能完成的。 这严重影响了化学家利用计算机解决化学问题的效率。 因此，如何使得化学家对各种复杂脚本的编辑简单化、集成化、流程化；如 何为化学家有效利用各个资源孤岛上功能强大资源( 化学应用软件、仪器设备等) 提供功能便利客户端接口便成为了化学脚本编辑环境系统所需解决的关键问题。 结合e s o c 体系架构，针对上述计算化学应用需求，本文提出了一个面向多 种常用计算化学应用软件的插件化学脚本编辑环境。它是国家科学自然基金项 目一计算化学e - s c i e n c e 研究与示范应用的子项目，它的出现可以使得化学家 高效方便的建立、编辑、提交化学任务脚本，并为化学家高效利用网络中资源提 供关键性功能接口。最终实现计算化学研究工作的流程化、集成化，提高工作效 率。 1 2 国内外研究现状 目前，计算化学网格平台的研究在国际上得到了越来越多的重视，比如剑桥 大学分子信息学中心，法兰克福大学，a c c e l e r y s 公司和i b m 公司等重要研究机 构和企业已经开始投入大量的人力和物力对计算化学网格系统联合进行开发。这 3 计算化学e s c i e n c e 脚本编辑环境设计与实现 些研究工作主要集中在以下几个方面：化学网格门户的研究开发【9 l 、化学标记语 言和元数据的研究、分子性质计算网格平台的建立等。但是，在国内，这方面的 研究刚刚起步【1 0 , 1 1 1 ，还没有一个完整的计算化学网格系统。计算化学e - s c i e n c e 研究与示范应用项目是国内第一个计算化学网格应用项目，它由兰州大学、清华 大学、巴黎第七大学共同承担的国家自然科学基金委支持的重大研究计划“以网 络为基础的科学活动环境研究”项目。它属于计算机科学与化学科学交叉学科研 究，其目的是构建一个计算化学e - s c i e n c e 1 2 】系统，使之成为一个基于现有网格 标准的计算化学资源共享、学术研究与交流的虚拟平台【1 3 1 ，有效改善我国计算化 学的科研环境。 针对该项目所面临的计算任务脚本输入和为有效利用网格化共享的资源提 供接口，目前国际上已有较为成熟的具备脚本创建、编辑功能的客户端应用。 g a u s s i a n 是目前计算化学领域内最流行、应用范围最广的商业化量子化学 计算程序包。g a u s s i a n 最早是由美国卡内基梅隆大学的约翰波普( j o h nap o p l e ， 1 9 9 8 年诺贝尔化学奖) 在6 0 年度末、7 0 年代初主导开发的。其名称来自于该软 件中所使用的高斯型基组。g a u s s i a n 软件的出现降低了量子化学计算的门槛， 使得从头计算方法可以广泛使用，从而极大地推动了其在方法学上的进展。到目 前为止，g a u s s i a n 已经推出了1 2 个版本，包括g a u s s i a n 7 0 、g a u s s a n 7 6 、 g a u s s i a n 8 0 、g a u s s i a n 8 2 、g a u s s i a n 8 6 、g a u s s i a n 8 8 、g a u s s a n 9 0 、g a u s s a n 9 2 、 g a u s s i a n 9 2 d f t 、g a u s s i a n 9 4 、g a u s s i a n 9 8 、6 a u s s i a n 0 3 等。目前最新的版本 是g a u s s i a n 0 3 。该软件中的任务编辑器是将高斯任务脚本依据高斯软件所要求 的输入文件格式分别以各个相应子部分的形式，在文本框中由用户自由输入。可 以装载、保存、编辑、检查r o u t e 部分和本机执行高斯任务。 g a u s s v i e w 6 】是g a u s s i a n 的图形用户界面，g a u s s v i e w 并没有与高斯集成， 它只是一个应用高斯的辅助处理器。它所提供的强大的可视化能力可以帮助用户 建立、观察分子模型，其高斯任务编辑器则用于辅助用户设置和提交g a u s s i a n 计算任务，并且它还可以使得用户可以应用图形化技术查看高斯的计算结果。 c c p l g u i1 1 4 j 是g a m e s s - u k 、d a l t o n 、m o l p r o ，m n d o 、m o p a c 和c h e m s h e ll 的图 形用户界面，可以创建从头、半经验和q m 删计算的输入文件，提交计算任务， 显示分子模型、轨道和电子密度。 4 计算化学e s c i e n c e 脚本编辑环境设计与实现 g a b e d i t 1 5 1 用c 语言写成，基于g t k + ，是远程或本地运行的g a u s s a n9 8 0 3 ， g a m e s s u s ，m p q c ，m o l c a s 和m o l p r o2 0 0 0 2 0 0 2 ，q - c h e m ，d a l t o n 等计算化学 软件包的图形接口。它可以作为3 d 分子编辑器和浏览器，创建分子模型，显示 分子模型和分子轨道，以及产生和编辑g a u s s a n ，g a m e s s u s ，m p q c ，m o l c a s 和 m o l p r o 程序的输入文件。可以通过本地计算机或者远程计算机执行m o l c a s ， m o l p r o 和g a u s s a n 。g a b e d i t 支持大多数主要的分子文件格式，图形可以用多 种格式输出。 g a u s s a ns c r i p t 【1 q 是g a u s s a n9 4 9 8 0 3 的图形界面脚本编辑工具，运 行在w i n d o w s 环境，可以生成简单的输入文件。图形界面包含的功能有：单点能 计算，几何优化，过渡态优化，振动频率，几何优化+ 振动频率，n m r ，n b o 分析， 用户自定义功能。 m o c a l c t l 7 1 是分子模型程序g a m e s s ，m o p a c ，b a b e l 和r a s m o l 的图形用户界面， 用m sv i s u a lb a s i c 编写，帮助用户准备输入文件，提交计算，分析结果和显示 有关的化学结构。用户无需再进行复杂的环境设置。 m o l e d i t 1 8 1 是m o p a c 输入文件编辑器。在编辑的同时检查文件结构的正确性， 一旦出现错误的输入格式，就会提供出错信息。这个编辑器与m o l e c u l e - v ie w e r 结合可以检查定义的几何结构。这特别是对z 一矩阵非常有价值。m o l e d i t 提供的 界面简化了b a b e l 的使用。还能用于载入、编辑和保存u n i x 文件。 m o l w o r k s 1 明是用于分子设计的综合软件工具。它具有图形用户界面，可以创 建分子、聚合物、晶体的模型，估算分子特性，显示m o ，自带的c n d o 2 程序进 行c n d o 2 半经验计算，并具有到量子化学软件o - c h e m ，g a u s s a n ，g a m e s s 和 m o p a c 的接口，可以编写q - c h e m ，g a u s s a n ，g a m e s s 和m o p a c 的输入文件，提 交远程或本地计算任务。 u n i c o r e 2 0 1 是图形界面的量化计算环境，可以控制计算，编写输入文件，观 察输出结果。支持的量化程序有( 量子化学) ：a d f ，c p m d ，g a m e s s ，g a u s s a n9 8 ， m o l c a s ，m o l p r o ，t u r b o m o l e ；( 分子动力学) ：a m b e r ，c h a r m m ，g r o m o s9 6 ，a d f 。 v i s u a l i z e 2 1 1 是专门为g a m e s s 设计的用户界面，使得结构与命令的输入更简 单，但是菜单的功能比较少，计算的结果可以用三维图形显示出来。同时还有蒙 特卡罗方法。 5 计算化学e - s c i e n c e 脚本编辑环境设计与实现 w e b m o | 捌具有完整的j a v a3 d 分子编辑器，可对分子进行创建、编辑，可直 接把已存在的g a u s s i a n9 x 0 3 ，g a m e s s ，m o l p r o2 0 0 2 和m o p a c6 7 2 0 0 0 2 0 0 2 输入文件加载到编辑器中。支持g a u s s i a n9 4 9 8 0 3 ，g a m e s s ，p c g a m e s s ，m o l p r o 2 0 0 2 2 0 0 6 ，m o p a c6 7 2 0 0 0 2 0 0 2 2 0 0 7 ，n w c h e m4 5 ，q - c h e m2 3 ，tin k e r4 等软件，对这些软件都可以通过用户编辑模版文件，完全支持定制的计算。此外， 还可以显示图形和文本、具有进行任务组织和控制的任务管理器以及完全的在线 管理功能。 c h e m c r a f t 【2 3 1 是与量子化学软件一起使用的图形用户界面程序，用于显示化 学数据和准备计算任务。它主要作为g a m e s s ( u s ) 和g a u s s i a n 的图形用户界面而 开发。 m o l s t u d i o 【2 4 1 是g a u s s i a n9 8 0 3 的图形用户界面，它可以连接到装有 g a u s s i a n 的远程u n i x 或w i n d o w s 工作站，用于计算的前期和后期处理。m o l s t u d i o 使用标准的w i n d o w s 接口，使用户可以在友好的图形用户界面下通过菜单创建 g a u s s i a n 的输入文件，控制任务执行，和用3 d 图形显示计算结果。可下载包含 全部功能的评估版。 c s e o n l i n e 是c o m p u t a t i o n a ls c i e n c e e n g i n e e r i n go n l i n e 【2 5 1 的简称。它 是美国犹他大学化学实验室构建的计算科学与工程在线平台，集成了3 0 多种计 算化学，生物信息学，材料科学领域的软件工具，并可利用远程t e r a g r i d 2 6 1 网 格资源进行科学计算，但该平台目前仍处于进一步开发完善中。c s e o n l i n e 由 四个工作区组成：计算分子学工作区( m o l d e s i g n ) 、计算化学反应动力学工作区、 计算生命科学工作区、桌面环境田1 。其中图形化界面g a u s s i a ni n p u tb u i l d e r 作为计算分子学工作区中的重要功能部件之一，是专用于为高斯量子化学计算程 序构建任务脚本的。并且c s e - o n li n e 平台在未来的还将集成g a m e s s - u si n p u t b u i l d e r 应用，该应用是用于构建，从头计算量子化学程序一g a m e s s u s 程序的 输入文件【2 8 1 。 由上述应用功能可知，目前国际上这些已有的客户端应用，其中大部分运 行于单机环境，通过它们可以准备计算输入文件，并可以远程或本地提交计算任 务，但它们提供的编辑功能较为单一，而且都无法嵌入或集成到网格环境中，万， 能有效利用网格化共享的资源。另外，目前也存在网格环境下的计算任务输入瑞 6 计算化学e s c i e n c e 脚本编辑环境设计与实现 的应用，如c s e 中的g a u s s i a ni n p u tb u il d e r ，但它们只是作为网格应用中的 功能模块，而不是单独的应用程序，更无法以插件的形式应用于其它网格环境中。 针对该情况，我们开发了化学脚本编辑环境系统。 与上述国际发展状况相比，国内有关计算化学网格平台方面的研究刚刚起 步【l o , 1 1 ，还没有一个完整的计算化学网格系统。计算化学e s c i e n c e 研究与示范 应用项目是国内第一个计算化学网格应用项目。作为该项目的子项目，我们的目 标是开发一个具有丰富编辑功能的编辑环境，它既可作为e c l i s p e 插件运行，又 能作为功能插件集成到网格应用前端系统中。它不依赖于任何网格系统，可灵活 的进行配置部署。 1 3 研究意义 化学脚本编辑环境既拥有当前流行软件中编辑环境的图形用户界面，又提供 了与i d e 中的编辑器相同的功能强大的纯文本编辑功能，具有代码提示，语法检 查，错误标识，大纲视图，语法着色，代码折叠等便利功能。这有效的解决上述 化学家在进行科研过程中所遇到的问题，从而进一步提高脚本编辑的工作效率， 并且为化学家高效利用网格化共享的资源提供了一个便利的接口。也就是说，该 应用既是化学计算任务一站式服务体系的必要输入系统，又作为应用网格化共享 资源的接口。 在网格环境下，化学脚本编辑环境通过与化学工作流可视化编辑环境、化学 作业提交管理工具功能插件的协作，使得化学任务脚本的创建、编辑、提交和执 行这些较为复杂的过程集成化、流程化。它是化学家实现计算文件输入、计算任 务执行和计算结果输出的一站式服务体系必要的输入应用系统。 对网格化共享的资源而言，化学脚本编辑环境使得化学家可以即使在本地没 有化学应用软件及其相应的脚本编辑环境的情况下，以流程化的方式建立、编辑、 提交计算任务脚本。作为一种网格平台的客户端应用，它为用户高效的利用网格 资源提供了便利的接口。 总的来说，化学脚本编辑环境功能插件的出现不仅提高了化学家科研工作效 率，而且作为用户与网格间的应用，为用户应用网格化共享的资源提供了便利的 接口。与当前已有应用相比，该应用除了具有与国外同类应用系统相似的功能外， 7 计算化学e s c i e n c e 脚本编辑环境设计与实现 还结合i d e 的编辑器的特性提供了诸多辅助功能。并且最为重要的一点是它既可 以作为e c li p s e 插件程序程序运行，又能作为功能插件集成到网格应用前端系统 中。结合当前流行的技术，该应用拥有如下较为突出的特点： 1 、插件技术的应用。由于采用插件技术，该应用可以无缝集成到网格应用 前端平台中。这使得对于它自身的任何更改都不会影响到其它应用，为网格应用 平台及该插件自身的管理、维护提供了极大的便利。 2 、词法分析器、语法分析器的设计。该应用嵌入了相应脚本语言的分析器， 可以在用户编写脚本的过程中，进行代码提示、实时检查语法错误、提示出错详 细信息等功能，这有效的减少了输入过程中错误的产生，大大的促进了脚本代码 编辑工作效率的提升。 3 、协作应用。化学脚本编辑环境与化学工作流可视化编辑环境、化学作业 提交管理工具协同使用，这使得化学任务脚本的创建、编辑、提交和执行的过程 集成化、流程化。实现计算文件输入、计算任务执行和计算结果输出的一站式服 务体系。这种服务体系为化学家进行科研工作提供了极大地便利，进一步提升了 工作效率。 1 4 研究工作和本文组织结构 本文在结合e s o c 应用系统的整体架构，在对通用集成开发环境框架基本理 论研究的基础上，提出了化学任务脚本编辑系统的框架设计，并在此基础上利用 e c li p s e 插件技术实现了高斯脚本编辑环境。本文主要进行了以下方面的工作： 1 、结合e s o c 应用系统的整体架构，在对通用集成开发环境框架分析和关键 技术的研究的基础上，提出了化学任务脚本编辑环境系统的框架设计。 2 、对高斯脚本语言学习研究并抽象。根据g a u s s i a n 脚本语言标准提供的语 法抽象出它的上下文无关文法，然后对其消除歧义( 二义性) 、消除左递归、消除 公共前缀。最后将上述文法以扩展巴科斯范式( e b n f ) 格式描述出来，提交给 a n t l r ，生成递归下降分析器。 3 、研究e c l i p s e 插件开发机制、j f a c e 文本框架，并结合已设计出的整体 架构体系，对高斯脚本编辑环境进行了设计实现。 本论文是按照作者承担的主要研究和开发工作来安排的，共分为6 章，每章 8 计算化学e - s c i e n c e 脚本编辑环境设计与实现 的主要内容如下所示： 第1 章绪论 本章简要介绍了本文的研究背景，国内外研究现状，研究的意义，研究工作 以及论文内容的安排。 第2 章化学脚本编辑环境所需的关键技术 介绍与该系统设计相关的概念、技术和理论基础。 第3 章化学脚本编辑环境系统概述 本章首先阐述了e s o c 应用系统的总体架构，简要介绍了集成开发环境的概 念、框架，接着，概述了该脚本编辑环境的系统框架及功能。 第4 章高斯分析器的设计与实现 抽象了高斯语法，并解决了语法中的二义性、左递归以及公共前缀问题，最 后生成a n t l r 所需的e b n f 格式的输入文件，利用a n t l r 生成了高斯词法分析器 和语法分析器。 第5 章高斯脚本编辑环境的设计与实现 结合化学脚本编辑环境的总体架构，针对高斯脚本编辑环境的功能需求和高 斯脚本程序的格式特点，对高斯编辑环境进行了设计。并论述了各功能组件的实 现。 第6 章结束语 本章总结了全文的主要工作，并展望了后续的研究，指出了进一步的研究内 容。 9 计算化学e s c i e n c e 脚本编辑环境设计与实现 第2 章化学脚本编辑环境所需的关键技术 e c li p s e 插件开发技术是构建化学脚本编辑环境的核心技术，除此之外，在 设计开发过程中，还会应用到其它的软件或技术。本章首先介绍了本应用中用于 开发整体插件和编辑器的e c li p s e 插件机制及其j f a c e 文本框架。然后基于在后 台嵌入词法分析器和语法分析器的需求，对编译器生成工具a n t l r 及构成a n t l r