(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子情報提供システムであって、該分子情報提供システムは、
分子構造入出力手段を含む端末装置と、
ネットワークを介して前記端末装置に接続され、分子構造と前記分子構造から生成される中間表現と該分子構造に依存して決定される特性とを格納したデータベースを含む分子情報提供装置とを含み、前記分子情報提供装置は、
前記分子構造を指定する原子列表記データから慣性行列データを作成し、固有値計算を実行して主慣性軸を算出する手段と、
前記分子構造を与える原子座標を前記主慣性軸方向の座標系に座標変換して表した中間表現に変換して前記データベースに登録する手段と、
前記中間表現が一致するか否かを判断して前記データベースに格納された分子構造を検索し、検索された分子構造に対応する分子軌道計算による解析結果を前記端末装置に渡す手段と
を含む、分子情報提供システム。
【請求項２】
前記分子情報提供装置は、前記前記主慣性軸に対する慣性モーメントの近接性を、慣性モーメント間の相対誤差の差を計算して判断する手段を含み、前記主慣性軸を算出する手段は、前記慣性モーメント間の相対誤差の値に応答して分子構造における最遠ペアを構成する原子の原子属性および最遠ペアから最も離れた原子の原子属性を変更する手段を含む、請求項１に記載の分子情報提供システム。
【請求項３】
前記主慣性軸を算出する手段は、前記中間表現の座標原点を、変更された前記原子属性を使用して定められる重心に一致させる手段を含む、請求項２に記載の分子情報提供システム。
【請求項４】
前記分子構造に依存して決定される特性は、分子の電子特性または電気特性または光学的特性である、請求項１に記載の分子情報提供システム。
【請求項５】
データベースに格納された分子構造に依存して決定される特性を分子構造に基づいて検索するための分子情報提供装置であって、前記分子情報提供装置は、
前記分子構造を指定する原子列表記データから慣性行列データを作成し、固有値計算を実行して主慣性軸を算出する手段と、
前記分子構造を与える原子座標を前記主慣性軸方向の座標系に座標変換して表した中間表現に変換して前記データベースに登録する手段と、
前記中間表現が一致するか否かを判断して前記データベースに格納された分子構造を検索し、検索された分子構造に対応する分子軌道計算による解析結果を前記端末装置に渡す手段と
を含む、分子情報提供装置。
【請求項６】
前記分子情報提供装置は、前記前記主慣性軸に対する慣性モーメントの近接性を、慣性モーメント間の相対誤差の差を計算して判断する手段を含み、前記主慣性軸を算出する手段は、前記慣性モーメント間の相対誤差の値に応答して分子構造における最遠ペアを構成する原子の原子属性および最遠ペアから最も離れた原子の原子属性を変更する手段を含む、請求項５に記載の分子情報提供装置。
【請求項７】
前記主慣性軸を算出する手段は、前記中間表現の座標原点を、変更された前記原子属性を使用して定められる重心に一致させる手段を含む、請求項５に記載の分子情報提供装置。
【請求項８】
前記分子構造に依存して決定される特性は、分子軌道計算により与えられる分子の電子特性または電気特性または光学的特性である、請求項５に記載の分子情報提供装置。
【請求項９】
分子構造に依存して決定される特性を分子構造に基づいて検索するためのデータベースを含む情報処理装置を分子情報提供装置として制御するための方法であって、前記方法は、前記情報処理装置に対して、
前記分子構造を指定する原子列表記データから慣性行列データを作成し、固有値計算を実行して主慣性軸データを算出してメモリに登録するステップと、
前記主慣性軸に対する前記分子構造について計算された慣性モーメントの近接性を、慣性モーメント間の相対誤差の差を計算して判断し、前記判断に応答して分子構造における最遠ペアを構成する原子の原子属性および最遠ペアから最も離れた原子の原子属性を変更して新たな主慣性軸データを算出させるステップと、
前記メモリから前記慣性主軸データを読み出して原子座標を前記主慣性軸方向の座標系に座標変換した中間表現に変換して前記データベースに登録するステップと、
前記中間表現を使用して前記データベースに格納された分子構造を検索し、検索された分子構造をメモリに登録するステップと
を実行させる、方法。
【請求項１０】
前記分子構造に依存して決定される特性を検索または算出させるステップを含み、前記特性は分子軌道計算により与えられる分子の電子特性または電気特性または光学的特性である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
分子構造に依存して決定される特性を分子構造に基づいて検索するためのデータベースを含む情報処理装置を分子情報提供装置として制御するための方法を前記情報処理装置に実行させるためのプログラムであって、前記プログラムは、前記情報処理装置に対して、
前記分子構造を指定する原子列表記データから固有値計算を実行し、主慣性軸データを算出してメモリに登録するステップと、
前記主慣性軸に対する前記分子構造について計算された慣性モーメントの近接性を、慣性モーメント間の相対誤差の差を計算して判断し、前記判断に応答して分子構造における最遠ペアを構成する原子の原子属性および最遠ペアから最も離れた原子の原子属性を変更して新たな主慣性軸データを算出させるステップと、
前記メモリから前記慣性主軸データを読み出して原子座標を前記主慣性軸方向の座標系に座標変換した中間表現に変換して前記データベースに登録するステップと、
前記中間表現を使用して前記データベースに格納された分子構造を検索し、検索された分子構造をメモリに登録するステップと
を実行させる、プログラム。
【請求項１２】
前記プログラムは、前記分子構造に依存して決定される特性を検索または算出させるステップを実行させ、前記特性は分子軌道計算により与えられる分子の電子特性または電気特性または光学的特性である、請求項１１に記載のプログラム。
【請求項１３】
分子構造に依存して決定される特性を分子構造に基づいて検索するためのデータベースを含む情報処理装置を分子情報提供装置として制御するための方法を前記情報処理装置に実行させるためのプログラムが記録された機械可読な記憶媒体であって、前記プログラムは、前記情報処理装置に対して、
前記分子構造を指定する原子列表記データから慣性行列データを作成して固有値計算を実行し主慣性軸データを算出してメモリに登録するステップと、
前記主慣性軸に対する前記分子構造について計算された慣性モーメントの近接性を、慣性モーメント間の相対誤差の差を計算して判断し、前記判断に応答して分子構造における最遠ペアを構成する原子の原子属性および最遠ペアから最も離れた原子の原子属性を変更して新たな主慣性軸データを算出させるステップと、
前記メモリから前記慣性主軸データを読み出して原子座標を前記主慣性軸方向の座標系に座標変換した中間表現に変換して前記データベースに登録するステップと、
前記中間表現を使用して前記データベースに格納された分子構造を検索し、検索された分子構造をメモリに登録するステップとを実行させるプログラムが記録された機械可読な記憶媒体。
【請求項１４】
前記プログラムは、前記前記分子構造に依存して決定される特性を検索または算出するステップを実行させ、前記特性は、分子軌道計算により与えられる分子の電子特性または電気特性または光学的特性である、請求項１３に記載の記憶媒体。
【請求項１５】
ネットワークを介して接続された分子軌道計算のグリッド・コンピューティング環境を支援するためのグリッド・コンピューティング支援装置であって、該支援装置は、
前記分子構造を指定する原子列表記データから慣性行列データを作成して、固有値計算を実行し主慣性軸データを算出する手段と、
前記原子列表記データを使用して分子軌道計算を実行するための手段と、
原子座標を前記主慣性軸方向の座標系に座標変換した中間表現に変換して前記原子列表記データと、前記中間表現と前記分子軌道計算により生成された特性とを対応させて前記データベースに登録する手段と、
前記中間表現を使用してデータベースに格納された分子構造を検索し、検索結果に応答して、前記特性を検索または分子軌道計算して前記ネットワークを通じてダウンロードさせる手段と
を含む、グリッド・コンピューティング支援装置。
【請求項１６】
前記検索された分子構造を、少なくとも前記中間表現から得られる原子の座標値の残差の絶対値の総和として与えられる判断基準を算出させ、前記判断基準と共にネットワークを介して送信するための手段と
を含む請求項１５に記載のグリッド・コンピューティング支援装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分子情報の提供に関し、より詳細には、原子列表記から中間表現を生成することにより、端末装置からの原子列表記のフォーマットに依存せず、高精度な情報の提供を可能とすることで分子情報の共有を可能とする、分子情報提供システム、分子情報提供装置、分子情報提供方法、情報処理装置を分子情報提供装置として制御するための方法、該方法を情報処理装置に実行させるためのプログラム、該プログラムが記録された機械可読な記憶媒体および分子軌道計算のグリッド・コンピューティング支援装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、化学においては分子の種々の特性を、コンピュータを使用した量子化学計算により算出し、目的の特性を有する分子の設計を行う試みが多くなされている。この際、量子化学計算を行うためには、種々の方法が知られており、例えば、CNDO、CND/S、INDO、MINDO、MINDO3、MINDO5、HF、RHFといった経験的な計算方法および非経験的な計算方法を含む種々の手法による分子軌道計算が行われている。上述した分子軌道計算においては、原子軌道から分子軌道をLCAO法(Linear Combination of Atomic Orbital)を使用して生成し、分子軌道エネルギーを対角要素とする固有行列の対角化を行い、エネルギー固有値およびそれに対応する固有ベクトルとして分子軌道を反復計算により生成する処理が実行される。上述した反復計算は、原子数が増加するにつれて急激に計算量が増加するため、ＣＰＵ占有時間、メモリといったコンピュータ資源を膨大に必要とすることが知られている。
【０００３】
例えば、経験的および半経験的な方法を使用して分子軌道の計算を実行し、その結果をユーザに対して提供することが可能な分子軌道計算のソフトウエアとしては、半経験的計算方法であるMOPACプログラム・パッケージや、GAUSSIAN社により提供されるGAUSSIAN（商標）プログラム・パッケージ(http://www.
gaussian.com/)を挙げることができる。分子軌道法プログラムは、原則的にはハードウエア資源が許容できる限りにおいては、適用する原子数には制限されないものの、MOPACといった半経験的分子軌道計算方法は、比較的原子数が多い分子に対して適用され、GAUSSIANといった非経験的分子軌道計算が適用される解析対象は、ハードウエア資源の制限から、原子数があまり多くない分子に対して適用される場合が多い。分子軌道計算が適用される分子の原子数が少なくなればなるほど、同一の分子について同一の計算を複数のユーザが行うことが多くなることが予測される。
【０００４】
また、原子数の多い、従来ではMOPACといった半経験的分子軌道計算が主として実行される分子についても、特定の機能を有する分子がいずれかのサイトで計算され、すでに希望する分子の特性についての知識は、公開されないまでもすでに世界中のいずれかのコンピュータ上に蓄積されている可能性がある。
【０００５】
したがってGAUSSIANやMOPACといった分子軌道計算を使用して得られた計算結果を共通のデータベースとして蓄積しておくことにより、分子構造を入力し、分子構造の入力データと同じ分子構造であると判定されたデータをより迅速に、かつ高精度にデータベースから検索することが可能となるものと期待される。上述したデータベースを使用することにより、個々の端末コンピュータにおいて、限られたコンピュータ資源を使用して不十分な計算を実行するよりも、より高精度な結果を、速やかに提供することが可能となる。したがって、分子軌道計算などの解析結果などを共有することは、計算機資源の節約や計算コストを削減すると共に、分子軌道計算による分子構造および電子構造、反応性、薬効、副作用、電気特性、電子特性、光学的特性などの情報を迅速に取得することを可能とするものと期待できる。また、分子軌道法ばかりではなく、材料設計、分析といった分子構造に関連する特性を有する分子のデータについても、これらの共有化、および高精度検索は、ユーザの労力軽減をもたらすものと考えられる。
【０００６】
さらに、上述したデータベースを使用することにより情報を共有する利点は、データベースに対してアクセスするユーザー数が多くなればなるほど大きくなり、上述した環境としては、代表的には例えばグリッド・コンピューティングを挙げることができる。例えば、GAUSSIANプログラム・パッケージを使用して分子軌道計算を実行させている全世界のユーザにおける計算ジョブについては、半数以上の計算ジョブが実質上重複すると言われている。このため、コンピュータ資源のより効率的な利用を達成するためにも、すでに計算された計算結果を共有することが好ましい。
【０００７】
形状または構造の関連する計算としては、計算化学（分子軌道法）以外にもコンピュータ・グラフィックスなどにおいて形状の比較を点列で把握して行う方法もあり、これらの手法を分子に適用することも考えられる。しかしながら、計算化学では点列を構成する原子は、位置情報以外にも原子番号（原子量）という原子属性を含んでいることにより、別の問題が生じる。例えば、形状的には近接根がない（対称性がない）分子でも、分子構造から慣性モーメントを計算させる場合に、形状的には対称性がない場合でも慣性モーメント上では近接した重根として認識される場合がある。計算化学では、原子番号は元素間の結合を表す重要な値なので、構造比較のために原子番号を任意的に変更することは適切ではない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
分子を分子軌道法においては、分子の構造は、汎用的な表現である原子列表記、例えばベンゼンをＨ６Ｃ６として、原子記号とその原子の数の組合せを原子番号順に並べた原子列表現を使用して表記されている。したがって、分子軌道計算において使用される分子構造を比較するためには、原子列表記が同じで、分子構造も一致するものをデータベース中から見出すことが必要とされる。具体的には、原子列表記が一致しているものについて、原子ごとに座標値を比較する必要がある。しかし分子構造の表現方法は、種々の入力フォーマットや座標系が多様であるため、また有効数字に桁数もあるので、座標値そのものを比較しても意味がない場合がある。ユーザは、種々の方法により分子を構成する原子の位置座標を得、これをユーザが使用する固有の座標系、多くの場合にはカーテシアン座標系や、後述するＺマトリックス・フォーマットを使用した原子列表記へと変換して分子軌道法による計算を実行する。このため、分子構造を、ユーザの使用した入力フォーマットや座標系に依存しない表現系（たとえば分子構造の物理的特性から一意的に決定されるような表現系）に変換する必要がある。
【０００９】
これまで上述した分子軌道法において、分子構造を特定する入力データと、データベースに蓄積された解析結果を与えた分子構造データとの比較を行うことで、すでに解析計算が実行された分子につき、分子軌道計算の重複計算を避ける試みもなされている。具体的に説明すると、計算データは対話形式で入力され、分子構造の比較は、テキストベースで入力された分子構造の入力データと、データベースに登録したテキストベースでの位置座標とを、テキストのレベルで一致・不一致を判断して比較を行うものであった。
【００１０】
上述した検索方法は知られているものの、分子軌道法により得られる計算結果は、パラメータの種類が多く、またその組み合わせが多い。また、分子構造における原子の座標をテキストベースで逐次に残差を算出し、その残差の合計として分子の識別を行う場合には、例えば入力した位置のずれの総和を使用して判定を行うため、同程度のずれの候補分子が複数選択された場合に、計算機における丸め誤差を含めて、どの構造を選択するのか、という判断が必要とされる。このため、検索結果をグラフィカルにユーザに提示して、ユーザに判断させることも考えられる。しかしながらグラフィカルにユーザが判断を行うのでは、選定の精度が劣るという問題点も生じ、また選択の不確実性も生じる。このため、分子軌道計算をグリッド・コンピューティング化する場合も、分子構造の把握を簡単化するためには、テキストベースで逐次比較を実行するよりも、分子の構造をより反映させた表現系を使用して分子構造構造の相互比較を実行する実装方法がユーザに対してより高度な情報提供を迅速かつ高精度に行うために必要とされていた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した従来技術の不都合に鑑みてなされたものであり、ユーザに対して分子構造の入力フォーマットを指定する必要がなく、さらには入力された分子構造の入力フォーマットを使用して、より分子構造を直接的に反映する表現系に変換して、変換された共通の基準および丸め誤差の下で分子構造の検索を実行させることができれば、分子情報提供をより迅速かつ高精度に行うことができるという着想の下になされたものである。さらに、上述した表現系をグリッド・コンピューティングにおいて適用すれば、分子軌道計算の結果をユーザにより利便性よく、さらには迅速、かつ高精度に共有させることが可能となる。
【００１２】
本発明の特定の実施の形態においては、検索を実行する分子全体を１つの剛体と見なし、その重心と、重心まわりの主慣性モーメント、慣性主軸の方向を、ユーザ入力された入力フォーマットから固有方程式を解くことにより算出する。原子の座標値は、算出された主慣性軸から決定される座標系からみた座標値から生成される中間表現へと変換された後、中間表現どうしを比較することにより検索を実行する。上述した中間表現に変換した後に、原子の位置座標を比較することで、ユーザの使用した座標系の入力フォーマットに依存することなく分子構造を比較することができる。
【００１３】
さらに、本発明において分子の中間表現を使用して分子構造を比較する際に、高精度な比較を実行するべく、分子に対して３つの相異なる主慣性モーメント（以下、本明細書では、「固有値」として参照する。）を付与する処理を実行させる。上述した処理を、本発明においては以下、近接固有値対応処理として参照する。近接固有値対応処理は、例えば分子の対称性が高く、鏡映面σｈまたはσｖ、対称軸Ｃｎなどを有している場合のように、少なくとも２つの主慣性モーメントは縮退、または擬似的に縮退する、具体的には少なくとも２つの固有値が同一の固有値（重根）をもつか、または近接した値を有することが判断された分子に対して、縮退または近接しない固有値を与えることを可能とする。この処理により、本来的に縮退または近接した固有値を与える分子についても、主慣性軸の方向に任意性が生じさせずに座標系を一意的に決定することが可能となる。また重根にならなくても近接固有値がある場合についても、主慣性軸の方向の精度が低下して、座標値の一致・不一致の判定に不確実性が生じてしまい、分子構造の特定および検索のために充分な精度および確実性を与えることができない、といった不都合を解決することが可能となる。
【００１４】
本発明の近接固有値対応処理は、分子構造の入力データにおける所定の原子属性を変更して検索のための中間表現を生成する。この中間表現は、入力された分子構造と同じ点列構造および対称性を有しているが、慣性行列における固有値（すなわち、主観性モーメント）が近接または重根とならないようにして生成される。本発明において、分子の対称性を崩した中間表現を採用することにより、座標系の一意性を保証でき、さらには提供される分子情報の安定化、高信頼化、および高精度化を実現することができる。
【００１５】
すなわち本発明によれば、分子情報提供システムであって、該分子情報提供システムは、
分子構造入出力手段を含む端末装置と、
ネットワークを介して前記端末装置に接続され、分子構造と前記分子構造から生成される中間表現と該分子構造に依存して決定される特性とを格納したデータベースを含む分子情報提供装置とを含み、前記分子情報提供装置は、
前記分子構造を指定する原子列表記から主慣性軸を算出し、原子座標を前記主慣性軸方向の座標系に座標変換した中間表現に変換して前記データベースに登録する手段と、
前記中間表現を使用して前記データベースに格納された分子構造を検索する手段と
を含む、分子情報提供システムが提供される。
【００１６】
本発明において前記主慣性軸を算出する手段は、分子構造における最遠ペアを構成する原子の原子属性および最遠ペアから最も離れた原子の原子属性を変更する手段を含むことができる。
【００１７】
本発明においては、前記中間表現の座標原点を変更された前記原子属性を使用して定められる重心に一致させる手段を含むことができる。。
【００１８】
本発明においては、前記分子構造に依存して決定される特性は、分子の電子特性または電気特性または光学的特性である、請求項１に記載の分子情報提供システム。
【００１９】
本発明における前記分子情報提供装置は、前記主慣性軸に対する慣性モーメントの近接性を判断する手段を含むことができる。
【００２０】
本発明によれば、データベースに格納された分子構造に依存して決定される特性を分子構造に基づいて検索するための分子情報提供装置であって、前記分子情報提供装置は、
前記分子構造を指定する原子列表記から主慣性軸を算出し、原子座標を前記主慣性軸方向の座標系に座標変換した中間表現に変換して前記データベースに登録する手段と、
前記中間表現を使用して前記データベースに格納された分子構造を検索する手段と
を含む、分子情報提供装置が提供される。
【００２１】
本発明によれば、分子構造に依存して決定される特性を分子構造に基づいて検索するためのデータベースを含む情報処理装置を分子情報提供装置として制御するための方法であって、前記方法は、前記情報処理装置に対して、
前記分子構造を指定する原子列表記から主慣性軸を算出してメモリに登録するステップと、
前記主慣性軸に対する慣性モーメントの近接性を判断するステップと、
前記メモリから慣性主軸データを読み出して原子座標を前記主慣性軸方向の座標系に座標変換した中間表現に変換して前記データベースに登録するステップと、
前記中間表現を使用して前記データベースに格納された分子構造を検索し、検索された分子構造をメモリに登録するステップと
を含む、方法が提供される。
【００２２】
本発明においては、前記主慣性軸を算出してメモリに登録するステップは、分子構造における最遠ペアを構成する原子の原子属性および最遠ペアから最も離れた原子の原子属性を変更するステップを含むことができる。
【００２３】
本発明においては、前記分子構造に依存して決定される特性を算出させるステップを含み、前記特性は分子軌道計算により与えられる分子の電子特性または電気特性または光学的特性である。
【００２４】
本発明によれば、分子構造に依存して決定される特性を分子構造に基づいて検索するためのデータベースを含む情報処理装置を分子情報提供装置として制御するための方法を前記情報処理装置に実行させるためのプログラムであって、前記プログラムは、前記情報処理装置に対して、
前記分子構造を指定する原子列表記から主慣性軸を算出してメモリに登録するステップと、
前記主慣性軸に対する慣性モーメントの近接性を判断するステップと、
前記メモリから慣性主軸データを読み出して原子座標を前記主慣性軸方向の座標系に座標変換した中間表現に変換して前記データベースに登録するステップと、
前記中間表現を使用して前記データベースに格納された分子構造を検索し、検索された分子構造をメモリに登録するステップと
を実行させる、プログラムが提供される。
【００２５】
本発明によれば、分子構造に依存して決定される特性を分子構造に基づいて検索するためのデータベースを含む情報処理装置を分子情報提供装置として制御するための方法を前記情報処理装置に実行させるためのプログラムが記録された機械可読な記憶媒体であって、前記プログラムは、前記情報処理装置に対して、
前記分子構造を指定する原子列表記から主慣性軸を算出してメモリに登録するステップと、
前記主慣性軸に対する慣性モーメントの近接性を判断するステップと、
前記メモリから慣性主軸データを読み出して原子座標を前記主慣性軸方向の座標系に座標変換した中間表現に変換して前記データベースに登録するステップと、
前記中間表現を使用して前記データベースに格納された分子構造を検索し、検索された分子構造をメモリに登録するステップと
を実行させるプログラムが記録された機械可読な記憶媒体が提供される。
【００２６】
本発明によれば、ネットワークを介して接続された分子軌道計算のグリッド・コンピューティング環境を支援するためのグリッド・コンピューティング支援装置であって、該支援装置は、
前記分子構造を指定する原子列表記から主慣性軸を算出する手段と、
前記原子列表記を使用して分子軌道計算を実行するための手段と、
原子座標を前記主慣性軸方向の座標系に座標変換した中間表現に変換して前記原子列表記と、前記中間表現と前記分子軌道計算により生成された特性とを対応させて前記データベースに登録する手段と、
前記中間表現を使用してデータベースに格納された分子構造を検索する手段と
を含む、グリッド・コンピューティング支援装置が提供される。
【００２７】
本発明においては、前記検索された分子構造を、少なくとも前記中間表現から得られる判断基準と共にネットワークを介して送信するための手段を含むことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の方法は、主として原子数が４個以上の非直線の分子について特に効果的に適用することができる。その理由としては、原子数が３個以下の分子は、単純に原子間の距離を比較することで判定することができるためであり、直線的な分子については、原子間距離と、最遠ペア、最近ペアにより特定することができるためである。また、本発明は分子構造に関連した種々の特性に対応させた検索、例えば分子軌道計算による解析結果検索、材料設計、医薬設計、分子同定、吸収スペクトル推定、双極子モーメント推定など、種々の解析データを分子構造を検索キーとして使用することが想定される分野に対して適用することが可能であるが。以下、本発明を具体的に説明するため、本明細書では、分子軌道計算における解析結果を分子構造から検索する分野における実施の形態をもって詳細な説明を行う。
【００２９】
図１には、本発明の分子情報提供システムの実施の形態の概略的なブロック図を示す。図１に示した分子情報提供システムは、ネットワーク１０を介して相互接続された端末装置１２〜１６と、これらの端末装置１２〜１６から、分子の原子列表記を含む入力データを受信し、またその分子について分子軌道計算により解析された解析結果を、ネットワーク１０を介して受信すると共に、必要に応じて分子軌道計算を実行する分子情報提供装置１８とを含んで構成されている。
【００３０】
端末装置１２〜１６は、検索要求を分子情報提供装置１８へと送信すると共に、それに対応する検索結果を分子データおよび判断基準（一致尺度）と共に、分子情報提供装置１８から受信することができる構成とされている。また、図１に示した実施の形態では、端末装置１２〜１６は、端末装置自体でも分子軌道計算を実行することができる構成とされており、端末装置１２〜１６は、得られた解析結果を、分子情報提供装置１８へと送信し、データベースに登録させて共有情報とすることができる構成とされている。また、分子情報提供装置１８は、端末装置１２〜１６から要求された分子軌道計算ジョブまたは検索ジョブを実行し、その結果を要求を発行した端末装置へと返すことで、情報の共有を可能としている。以下、本発明において使用する端末装置および本発明の分子情報提供装置について、より詳細に説明する。
【００３１】
＜端末装置＞
【００３２】
本発明における端末装置１２〜１６は、ワークステーション、汎用大型コンピュータ、またはパーソナル・コンピュータといった情報処理手段を含んで構成されている。これらの情報処理手段は、種々異なる構成として、ユーザ側のニーズに応じて構成することができるものの、図１に示すように、少なくとも分子構造入力・出力部２０と、解析実行部２２と、分子情報提供装置１８に対して解析結果を送信し、分子情報提供装置１８からの計算または検索結果を受信するための送受信部２４とを含んで構成することができる。なお、本発明において使用することができる端末装置の数は特に制限はなく、情報提供を受けることを希望するユーザの数だけ可能である。具体的には、端末装置１２〜１６は、例えば大学、研究施設、企業の研究所などの計算機センターまたは計算機部門に設置されている。
【００３３】
分子構造入力・出力部２０は、ハードプリンタ、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ表示装置を含んで構成することができ、例えば、ユーザはグラフィカルに分子構造を入力し、ＣＲＴ上における原子の位置から原子位置を、カーテシアン座標や、Ｚマトリックス・フォーマットなどに変換し、分子情報提供装置１８に対して、分子軌道計算または検索を依頼するためのデータを提供することができる構成とされている。さらに、端末装置１２〜１６には、ユーザ・データベース（ユーザＤＢ）２６〜３０がそれぞれ接続されていて、端末装置それぞれにおいて過去に計算を実行した結果や、分子情報提供装置１８から送信された解析結果などを格納することができる構成とされている。
【００３４】
また端末装置１２〜１６は、分子構造入力部２０に分子構造入力手段を含んで構成されている。ユーザは、適切なグラフィカル・ユーザ・インタフェイスを使用して希望する分子の構造を端末装置１２〜１６上に構築する。このグラフィカル・ユーザ・インタフェイスは、原子を選択して表示画面上に原子間の結合を指定して配置させて、１次構造を作成し、その後簡単な分子動力学的手法を使用して構造を最適化させる２次構造を与える機能を有していることが、より高精度の解析および検索を実行させるために好ましい。さらに、本発明の別の実施の形態においては、生成された１次構造を端末装置に含まれる解析実行部２２に読み込ませ、Ab-initio計算といった非経験的計算よりも比較的ハードウエア資源の消費量が少ない半経験的なCNDO、INDO、MNDOといった方法を使用して構造最適化を実行させることにより、より精度の高い分子構造を、カーテシアン・フォーマットまたはＺマトリックス・フォーマットといった原子列表記で与えることもできる。また、端末装置１２〜１６のユーザが高精度で分子構造を実験的に決定できる手段・装置を保有している場合には、グラフィカル・ユーザ・インタフェイスに直接実験データを入力し、カーテシアン・フォーマット、Ｚマトリックス・フォーマットなどの原子列表記へと変換して、得られた原子列表記を含む入力データを分子情報提供装置１８へと送信することもできる。いずれにしても端末装置においては、ユーザが使い慣れた原子列表記を使用して分子構造を記述し、その原子列表記を分子情報提供装置における情報取得が可能となる。
【００３５】
＜分子情報提供装置＞
分子情報提供装置１８は、ワークステーションや、いわゆるスーパー・コンピュータといった汎用コンピュータなどの高速な情報処理装置を含んで構成されており、端末装置から送信された情報を使用して、データベース３２に格納された過去の計算結果を検索し、過去の解析結果が見出された場合には、その情報を端末装置１２〜１６へと送信する構成とされている。また、分子情報提供装置１８は、推定される計算時間が所定のしきい値よりも短い場合には、ユーザの指定した計算方式および目的特性を計算して端末装置１２〜１６へと送ることができる構成とされている。また、分子情報提供装置１８は、新たに解析された結果を、データベース３２へと蓄積される。
【００３６】
分子情報提供装置１８においては、すでに解析された分子の解析結果と、基底関数、スピン多重度、電荷などの解析パラメータと、原子列表記により与えられる分子構造の主慣性軸を使用した中間表現、最遠ペア、最近ペアといったパラメータとが対として登録されており、送受信部３４を通してネットワーク１０により遠隔的に接続された端末装置１２〜１６との間でデータの交換を可能とされている。本発明の第１の実施の形態の分子情報提供装置１８は、蓄積された解析結果を共有情報として、端末装置１２〜１６へと定期的にまたは要求によりアップデートさせている。
【００３７】
図２は、本発明の分子情報提供装置のより詳細な機能ブロックを示した図である。分子情報提供装置１８は、入力バッファ３６と、入力ファイル解析部３８と、座標系変換部４０と、実行時間推定部４２とを含んで構成されている。分子情報提供装置１８は、それぞれの端末装置１２〜１６から原子列表記と、分子軌道計算の種類指定と、基底関数といった解析に必要なパラメータとを含む入力データを受信し、受信した情報を入力バッファ３６に格納する。入力バッファ３６に格納された原子列表記などの入力データは、入力ファイル解析部３８に読み込まれ、まず、ユーザが使用する原子列表記フォーマットが判断される。
【００３８】
また、入力ファイル解析部３８は、入力バッファ３６から読み出したデータから分子軌道計算の種類指定と、基底関数といった解析に必要なパラメータを取得する。入力ファイル解析部３８において原子列表記のフォーマットが判断されると、取得された原子列表記は、座標系変換部４０へと送られ、分子情報提供装置１８が使用する、適切なフォーマットでの原子列表記、例えばカーテシアン・フォーマットへと変換される。これと同時に、受信された原子列表記を使用して、慣性行列を作成し、固有値計算を実行して主慣性軸を算出し、角原子の位置を、主慣性軸に射影して、主慣性軸から見た座標から生成される分子構造の中間表現を生成する。その後、実行モード判断部４２は、得られた解析データに基づき、解析に必要とされる時間に応じて、分子軌道法による解析、検索の処理が選択され、最も効率的な分子情報提供を行うことを可能とされている。
【００３９】
さらに図２に示されるように、分子情報提供装置１８は、分子軌道計算を実行させる解析実行部４４と、蓄積された解析結果を検索するための検索実行部４６と、結果保持部４８とを含んで構成されている。解析実行部４４は、実行モード判断部４２において推定された実行時間が設定されたしきい値よりも小さい場合、および検索対象となる分子の指定する条件での解析結果がない場合には、分子軌道法による解析を実行する。一方、実行モード判断部４２において推定された実行時間がしきい値よりも長い場合は、無駄な解析計算の実行を防止するために、検索部４６による検索を実行させ、中間表現と、最遠ペアと、最近ペアのデータを使用して、データベース３２の検索を実行させる。検索により、すでに指定された条件での解析計算の結果がデータベース３２に格納されている場合には、格納されたデータをデータベース３２から読み出して、キャッシュ・メモリなどを含んで構成される結果保持部４８へと格納する。
【００４０】
また、検索の結果該当する解析結果が見出されなかった場合には、解析実行部４４において分子軌道計算を実行させ、解析結果をデータベース３２に中間表現、最遠ペア、最近ペアと共に格納し、後の解析要求に際して利用可能としている。同時に解析結果は、結果保持部４８に格納され、格納された結果は、ユーザへとダウンロードされる。上述のようにして複数の端末装置から受信した情報を使用して新たに生成された解析結果をデータベース３２に蓄積することができる。蓄積した解析結果は、本発明の第１の実施の形態では、一定の期間が経過した後、または解析結果が一定量増加した後、共有情報として端末装置１２〜１６へとアップデートされ、ユーザＤＢ２６〜３０に蓄積されたデータを更新する構成とされている。
【００４１】
図３は、本発明の端末装置が実行する処理を示したフローチャートである。本発明の端末装置は、ステップＳ１０において、分子情報提供装置１８から適正に分子情報の提供を受ける権限を有していることを示すため、例えば端末装置ごとに与えられた秘密鍵と、公衆鍵とを入力する。秘密鍵と、公衆鍵とは、さらに適切な暗号化方法を使用して暗号化することもでき、不正なアクセスから、分子情報提供装置１８を保護することができる構成とされていても良い。端末装置において認証情報の入力の後、ステップＳ１２では、端末装置のユーザに対して、新たな原子列表記をアップデートするか、それともすでに指示した分子軌道計算のジョブ実行の状況を判断するかの処理を選択させるための画面表示を与える。
【００４２】
ユーザが、新たな原子列表記をアップデートして分子情報を入手する場合（yes）には、ステップＳ１４に進んで、原子列表記を含む入力ファイルを分子情報提供装置１８へとアップデートするための画面表示をユーザに与える。ステップＳ１６では、ジョブの進行に関連した中間データを保持したチェック・ポイント・ファイル（以下、CHKファイルとして参照する。）の指定を行うか否かをユーザに選択させ、指定する場合（yes）には、ステップＳ１８においてCHK ファイルのアップロード／指定画面をユーザに対して提示させる。ステップＳ１６でCHK ファイルの指定がない場合（no）およびステップＳ１８でCHK ファイルの指定がなされた場合には、ステップＳ２０において、分子情報提供装置へと入力データ・CHKファイルの送信を行う。
【００４３】
一方、過去にすでに分子構造提供装置に対してジョブ依頼を行っている場合など、ステップＳ１２において入力データのアップロードを選択しない場合(no）には、ステップＳ２２に分岐して、ジョブ状況表示画面をユーザに対して表示する。ステップＳ２４では、すでに計算された解析結果（出力データとCHK ファイル）または検索結果のダウンロード処理を実行し、ステップＳ２６においてダウンロードされたデータの表示処理を、例えばグラフィカル・ユーザ・インタフェイスを起動して実行する。
【００４４】
図４は、本発明の分子情報提供装置１８の実行する処理を示したフローチャートである。本発明の分子情報提供装置は、ステップＳ３０において、端末装置からの処理要求、入力データ、ユーザ情報を含む入力データを、パケットとしてネットワークを介して受信する。ステップＳ３２では、受信パケットからユーザ認証情報を抽出し、ユーザ認証を行い、ユーザ認証された場合には（yes）、ステップＳ３４において入力データに含まれる残りのデータを解析し、CSMM（電荷、スピン多重度、化学式、MNDO、CNDO、INDO、HF、RFF、CI(Configuration Interaction)といった計算方法、STO-3G、4-31G、4-31G＊＊などの基底関数、ジョブ・タイプなどの解析計算に使用する情報を取得し、ステップＳ３６において推定計算時間を計算させる。なお、ステップＳ３２においてユーザ認証ができなかった場合(no)には、所定回数の試行ののち、ユーザに認証できないことを通知する構成とすることができる。
【００４５】
その後、入力データから原子列表記を抽出して、ステップＳ３８においてユーザの使用した原子列表記のフォーマットを解析し、解析ソフトウエア・パッケージがGAUSSIANである場合には例えばＺマトリックス・フォーマットからカーテシアン・フォーマットへの変換などの座標系変換を実行させる。同時にユーザが送信した原子列表記から、慣性行列を生成し、固有値および固有ベクトルを算出して主慣性軸を決定する。主慣性軸が決定されると、原子列表記から得られた原子の座標値を主慣性軸へと射影し、主慣性軸から見た原子の位置座標のデータから中間表現を生成する。ステップＳ４０では、生成された原子列表記および中間表現をメモリに登録する。ステップＳ４２では、推定計算時間がしきい値よりも長いか否かを判断する。この際のしきい値としては、例えば分子が小さく、さらに基底関数および計算方法自体もそれほどハードウエア資源を使用しないので、検索の平均的な実行時間をモニタしておき、その平均時間をしきい値として使用することができる。
【００４６】
ステップＳ４２において、推定計算時間が充分短いと判断された場合（no）には、ステップＳ４４においてカーテシアン・フォーマットでの原子列表記をメモリから読み出し、ステップＳ４６において指定された方法、基底関数を使用して分子軌道計算を実行させる。ステップＳ４８では解析計算が終了した時点で解析結果をメモリに出力し、ステップＳ５０でメモリから端末装置へとネットワークを介して解析結果をダウンロードさせる。また、推定計算時間がしきい値以上の場合(yes)には、ステップＳ５２に進んで検索処理を実行し、入力データから生成した最遠ペア、最近ペアを使用してスクリーニングを実行し、さらに入力データから変換された中間表現と、データベースから読み出された中間表現とを比較することにより、中間表現を使用して高精度検索を実行する。
【００４７】
中間表現が適合する解析結果がデータベースに登録されている場合（yes）には、検索結果を一致尺度と共にメモリに登録し、ステップＳ５０において端末装置へとダウンロードする。また、データベースに一致する中間表現が登録されていない場合(no）には、ステップＳ４６に戻り、分子軌道計算を実行させ、新たな解析結果を生成し、メモリに登録してステップＳ５０でユーザに提供する。同時に解析結果を、その中間表現、計算方法、基底関数、電荷情報、スピン多重度などのデータと共にデータベースに登録することにより、新たな解析結果の共有を可能とする。
【００４８】
図５は、本発明の処理におけるステップＳ３８の座標系変換処理の詳細なプロセスを示した図である。本発明における座標系変換処理は、ステップＳ６０において受信パケットに含まれる原理列表記のフォーマットを解析する。フォーマットが判断されると、ステップＳ６２において原子番号といった原子属性および原子間距離、２面角といった原子間特性値を読み出し、ステップＳ６４でメモリに記憶させる。ステップＳ６６では、メモリから原子間特性を読み出して、最遠ペアと、最近ペアとを特定し、同時にそれらの距離を算出し、メモリに登録する。ステップＳ６８では、原子属性と原子間特性値とを使用して慣性行列を作成し、メモリに登録し、ステップＳ７０では、慣性行列の各要素を読み出して固有値問題を解き、固有値を算出し、メモリに登録する。
【００４９】
ステップＳ７２では、固有値の大きさの差が所定のしきい値よりも大きいか否かを判断し、少なくとも２つの固有値の大きさの差が所定のしきい値以下の場合（yes）には、固有値が重根または重根ではないにしろきわめて近接しており、主慣性軸の決定に際して不確実性を与えるため、ステップＳ７４へと進み近接固有値対応処理を実行する。近接固有値対応処理では、少なくとも２つの固有値が重根または近接しないように原子属性を変更する。その後、その結果をステップＳ６８へと入力し、再度慣性行列を計算して固有値問題を解き、ステップＳ７０で中間表現の固有値を算出する。この中間表現は、近接した固有値が発生しないように原子属性を一定の規則で変更しているので、次のループのステップＳ７２の判断はかならず否定的な結果(no)を与え、ステップＳ７６において固有値に対応する固有ベクトルを、小さい順にソーティングして、主慣性軸として決定する。その後、原子の位置を主慣性軸から見た座標系に変換して中間表現の原子座標を生成し、メモリに登録する。本発明の上述した座標系変換処理は、高い対称性を有する分子の慣性行列の固有値計算において重根が生成しないように、一定の規則に従って選択される位置にある原子の原子属性、具体的には原子番号（質量）を変化させる処理により実行される。
【００５０】
具体的には、一定の規則に従って選択される原子がＨ（水素原子）であるものとすれば、その位置の原子の原子量を整数倍、特定の実施の形態では８倍して８Ｈという仮想原子に置き換えて計算を実行させることに対応する。この際、原子量のみを数値的に変更するだけなので、他の２面角や、原子間距離は保存されており、原子列表記により与えられる構造は変わらず、近接した固有値に対応する主慣性軸の選択における不確実性を、構造を変化させずに最も効果的に排除することが可能となる。また、ステップＳ６８へと原子属性を変更したデータを入力することにより、原子列表記により与えられた原子座標と原子属性とから得られた重心は変化することなく、主慣性軸の原点、すなわち、中間表現の原点は、分子の重心と一致したままとなる。本発明においては、データベースに登録されている原子列表記の分子と、中間表現と、その解析結果とを対として、またはリンクさせて格納することにより、中間表現の比較に基づいて分子の検索および解析結果の検索を実行することが可能となる。
【００５１】
以下、より詳細に本発明における近接固有値対応処理の実施の形態について説明する。
【００５２】
（１）原子間距離の算出
２原子間の距離を計算し、最遠ペアおよび最近ペアの距離を求める。最遠ペアの距離は、データベース中のデータにも付加しておくことができ、登録された多数の分子から分子構造が一致しない分子を迅速に排除する判断のために用いることができる。また最遠ペア、最近ペアの両距離は、最終的にユーザーが構造の一致・不一致を判定するときの参照値としてユーザに返すデータとしても使用することができる。
【００５３】
（２）固有値問題
原子の質量は、原子番号に関連し、計算化学では最も一般的なアプローチである。以下に使用する「重心」は、分子の「核の電荷中心」を意味し、「慣性主軸の方向」は「標準配座」に一致するものとする。また、本発明では分子全体を剛体と見なし、重心と重心回りの主慣性モーメントおよび慣性主軸の方向を計算する。この計算は、具体的には与えられた座標系に関する慣性モーメントを対角項慣性乗積を非対角項とする３×３の慣性行列の要素を係数とした固有値問題として捉えることができる。本発明では、主慣性モーメントは、３×３の行列を対角化することにより、固有値として、慣性主軸は、固有ベクトルとして計算することができる。得られた固有値を小さい順にＩ１、Ｉ２、Ｉ３とし、対応する固有ベクトルを ｖ１、ｖ２、ｖ３とする。Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３が離れていることを判断するためには、丸め誤差などを考慮して、例えば慣性モーメント間の相対誤差が０．１％以上離れていることを使用することができる。
【００５４】
（３）近接固有値対応処理
３根の中に近接したものがある場合は、まず最遠ペアとして選択される原子の質量を、原子間距離と、２面角といった特性値を保存しながら増加または減少させる。一般には、水素原子が選択される場合も多いので、質量を増加させる実施の形態を用いることが好ましい。増加させる実施の形態としては、特に制限は無いものの、本発明の特定の実施の形態では、最遠ペアを構成する原子の質量を整数倍（例えば８倍）することができる。これと同時に、最遠ペアを結ぶラインを算出し、このラインからの距離が最も遠い位置にある原子（以下、「最遠ペアから最も遠い原子」として参照する。）の質量も整数倍（例えば４倍）して慣性行列を更新し、固有値計算を実行させて、異なる３つの固有値Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６とそれに対応する固有ベクトルｖ４、ｖ５、ｖ６を算出する。なお、慣性行列の更新計算は、最遠ペアと、最遠ペアから最も遠い原子が関与する以外のデータは、すでに計算され、メモリに保持させた固有値計算のデータを使用する。したがって、本発明の近接固有値対応処理では、最遠ペアと、最遠ペアから最も遠い原子の３原子の変更部分についてだけ行えばよい。このため、本発明の近接固有値対応処理を実行させる場合にでも、コンピュータの計算量は原子数に依存せず、ＣＰＵに対する最小のオーバーヘッドのみで、処理を実行することができる。
【００５５】
（４）中間表現生成処理
上述の処理により得られた固有ベクトルは、主慣性軸の方向を向いているものの、座標系と座標系とを比較するために両者を固有値の大小によりソートする。本発明では、最小の固有値に対応する固有ベクトルｖ１方向をＸ軸、その次に大きな固有ベクトルに対応する方向をＹ軸として定義する。その際、Ｚ軸の方向を、本発明の特定の実施の形態では右手座標系になるように選択することができるが、左手系となるように選択することも可能である。また、データベースには、分子構造として、Ｚマトリックス・フォーマットまたはカーテシアン・フォーマットでの原子の座標値、最遠ペア、最近ペアの原子間距離、慣性モーメントＩ１〜Ｉ６などの情報も対応させて格納されている。上述したように設定された主慣性軸に対して、原子の位置を射影し、それぞれの原子の主慣性軸に射影した位置座標を算出し、これを原子列表現から生成される原子配置の中間表現として、分子構造、最遠ペアの原子間距離、慣性モーメントなどと対として、またはリンクさせて登録する。
【００５６】
図６は、図２に示した分子情報提供装置１８の検索実行部が実行する処理を示したフローチャートである。本発明においては上述した処理により生成された中間表現を使用して比較処理を実行することにより検索処理を実行する。図６に示した検索実行部が実行する処理は、ステップＳ８０において、入力データの原子数、原子属性、最遠ペアをメモリから読み出し、適切なメモリに登録する。次いで、ステップＳ８２において、データベースに登録された分子の原子数、原子属性、最遠ペアと比較する。ステップＳ８４では、原子数、原子属性、最遠ペアを使用して１次スクリーニングを実行し、その結果抽出された分子をステップＳ８６において１次スクリーニングの結果としてキャッシュ・メモリなどに登録する。
【００５７】
ステップＳ８８では、入力データから生成された中間表現と、キャッシュ・メモリに登録された分子の中間表現とを比較する。比較は、具体的にはステップＳ９０において各原子の中間表現での位置のずれの最大値を算出し、ステップＳ９２で、例えばその最大値を小さなものからキャッシュ・メモリに書き出すことにより、候補分子としてユーザに対して提供することができる。ステップＳ８８〜ステップＳ９２の処理が、本発明における検索精度を向上させるための２次スクリーニングである。２次スクリーニングでは、主慣性軸から見た座標系で表された中間表現を使用した高精度な比較が実行されるので、要求された分子を高精度で検索することができると共に、入力された原子列表記に対応する分子のデータベースにおける登録の有無をより迅速かつ確実に判断することが可能となる。
【００５８】
より詳細に１次スクリーニングおよび２次スクリーニングを含む比較プロセスを説明すると、まず最遠ペアの距離、原子数、原子種類などを使用した１次スクリーニングを通過したデータをキャッシュ・メモリなどに登録する。この場合、最遠ペアの候補やそれに対して最も遠い原子の候補が複数ある場合であって、その候補の総数が少ない場合は、これらの候補の組合せのすべてに対して以下に説明する２次スクリーニングを実行させることができる。また、候補の総数が多い場合は、さらに群論でいう対称操作によって候補を減少させ、残ったものについてのみ比較することができる。
【００５９】
２次スクリーニングにおける比較の具体的な処理についてさらに説明するため、データベースに登録された分子の中間表現の座標系をＸＹＺで表し、ユーザが指定した原子列表記から生成された、いわゆるクエリー原子配置から生成された中間表現の座標系を座標系をＲＳＴで表す。中間表現どうしを比較する場合には、まず、ＸＹＺ座標系とＲＳＴ座標系の重ね方を定める必要がある。このための方法としては種々可能ではあるが、固有ベクトルは符号に関する任意性があるため、座標系の重ねあわせについて一定の規則を設けておく必要がある。座標系の重ね合わせについては、右手系に統一してＺおよびＴを定めておけば、（Ｉ）ＸとＲ、ＹとＳ、（ＩＩ）ＸとＲ、Ｙと−Ｓ、（ＩＩＩ）Ｘと−Ｒ、ＹとＳ、（ＩＶ）Ｘと−Ｒ、Ｙと−Ｓの４通りが可能となる。例えば、本発明の特定の実施の形態においては、最遠ペアの２原子についてこれらの４通りの重ね方を比較し、原子の座標値の残差の絶対値（２乗平均）の総和が最も小さい組合せを選択することができる。しかしながら、座標系相互の重ね合わせと一致の判断に使用する基準については、上述した以外にもこれまで知られたいかなる方法でも用いることができる。
【００６０】
次にこの座標系で対応する原子を探し、対応する原子のＸＹＺ座標系と、ＲＳＴ座標系における残差の絶対値を算出し、ユーザに対して残差の最大値を、一致尺度として通知するデータとすることができる。ユーザは、この値を使用して自身の解析したい分子構造と、データベース中の分子構造の一致・不一致を判定することができる。これは、一致・不一致は、ユーザが指定した原子列表記における原子間距離、２面角などの精度、または原子列表記を生成する際のグラフィカル・ユーザ・インタフェイスの精度がデータごとに異なる可能性があり、分子情報提供サイトでは、ユーザ自身の入力データの品質が不明であることに基づくものである。さらに、ユーザが入力した構造よりもより精度の高い解析結果が検索される場合も想定でき、ユーザが残差の大きさにかかわらずデータベースに格納された解析結果を利用することを可能とするためである。
【００６１】
図７は、本発明の分子情報提供装置が実行する処理を、解析処理を実行するプログラム・パッケージとしてGAUSSIAN（商標）を使用し、そのために使用されるデータ構造と共に示した図である。当然のことながら、解析処理を実行するプログラム・パッケージとしてMOPACなどを使用する場合には、等価な情報を含む異なったファイル形式で同様の処理プロセスを実行することができるように、プログラム・モジュールを構成することができる。図７においては、受信したユーザ入力データから生成されたファイルが、「COM file」として示されている。また、図７に示された実施の形態では、入力された分子がＨ２Ｏであることが示されている。また、計算方法が非経験的計算方法RHF（Restricted Hartree Fock)を使用し、基底関数がSTO-3Gであり、電荷が０（中性）、スピン多重度は１重項であることを指定するデータが記述されており、分子構造としてＯ−Ｈ間隔が０．０９６ｎｍであり、Ｈ−Ｏ−Ｈ間隔が１０９°として指定されている。
【００６２】
このCOM fileは、入力データ解析部により解析され、パース実行のLOG File、電荷スピン多重度などの情報がest3.plとして得られ、それぞれCSMM file、CON fileが生成されている。さらに、LOG Fileおよびest3.plの結果に基づいてCon2Soc.classとしてカーテシアン座標系、さらには中間表現の座標系へと変換される。Ｈ２Ｏについて生成された中間表現データは、図７においてSOC Fileとして示されている。est3.plにより生成された推定計算時間は、Determination処理においてしきい値と比較され、しきい値時間よりも短い場合には、分子軌道計算をJob Dispatchにおいて実行させる。しきい値時間よりも推定計算時間が長い場合には、検索処理「Search.class」を実行させ、中間表現を使用した分子構造比較処理を実行する。その場合には、SOC fileにより特定される解析結果には、CSMM file、CON fileといった情報がリンクされており、検索情報としてユーザに提供される構成とされている。検索処理「Search.class」は、SOC fileをデータベースＤＢに対してクエリー・データとして問い合わせを行い、１次スクリーニングおよび２次スクリーニングの結果をResult fileとしてメモリへと出力し、検索結果が生成される。図８には、図７において説明した処理に使用される、Ｈ２Ｏ分子の構造と、Ｚマトリックス・フォーマットにおける原子列表記を示す。図８に示すように、Ｈ２Ｏでは、慣性モーメントの縮退は無いものの、不都合なく本発明の分子情報提供において処理することができる。
【００６３】
図９は、本発明の分子情報提供システムの第２の実施の形態のブロック図を示す。図９に示した分子情報提供システムは、図１に示したシステムと同様に、ネットワーク１０を介して相互接続された端末装置１２〜１６と、これらの端末装置から、分子の座標情報と、その分子について分子分子軌道計算により解析された解析結果とを、ネットワーク１０を介して受信すると共に、必要に応じて分子軌道計算を実行する分子情報提供装置１８とを含んで構成されている。端末装置１２〜１６は、図１において説明したと同様に、ワークステーション、汎用大型コンピュータ、またはパーソナル・コンピュータといった情報処理手段を含んで構成することができる。また、端末装置１２〜１６が含む情報処理装置は、充分に高い精度で分子軌道計算を実行することができるハードウエア資源を保有しており、またGaussian、MOPAC、またはその他の分子軌道計算パッケージを含んでいて、ユーザの指示により分子軌道計算を実行することができる構成とされている。
【００６４】
さらに、図９に示した本発明の分子情報提供装置１８は、ワークステーション、汎用コンピュータ、またはスーパー・コンピュータなどの情報処理装置を含んで構成されており、端末装置から送信された情報を使用して、データベース３２に格納された過去の計算結果を検索し、過去の解析結果が見出された場合には、その情報を端末装置へと送信する構成とされている。図９に示された本発明の第２の実施の形態における分子情報提供装置１８は、各端末装置１２〜１６により計算された解析データの共有化センターとして機能する。すなわち、端末装置１２〜１６は、ユーザが指定した計算方法により計算した分子軌道計算の解析結果を、計算された分子の原子列表記、計算方法、計算条件などの情報と共に、分子情報提供装置１８へと送信する。
【００６５】
分子情報提供装置１８は、それぞれの端末装置１２〜１６から解析結果と、原子列表記と、分子軌道計算の種類指定と、基底関数といった解析に必要なパラメータを受信し、受信した情報を入力バッファ３６に格納する。入力バッファ３６に格納された解析結果や原子列表記などのデータは、入力ファイル解析部３８に読み込まれ、ユーザが使用する原子列表記フォーマットを判断する。入力ファイル解析部３８は、入力バッファ３６から読み出したデータから同時に分子軌道計算の種類指定と、基底関数といった解析に必要なパラメータを取得する。入力ファイル解析部３８において原子列表記フォーマットが判断されると、原子列表記データは、座標系変換部４０へと送られ、中間表現へと変換され、データベース３２へと、他の情報と共に登録される。
【００６６】
端末装置からの検索要求を受信すると、分子情報提供装置１８は、座標系変換部４０生成された中間表現を検索実行部４６へと渡し、データベースに対して問い合わせを行い、検索結果を結果保持部４８へと格納する。結果保持部４８に格納された検索結果は、検索要求を発行した端末装置へと検索結果を渡す構成とされている。
【００６７】
本発明の第２の実施の形態の分子情報提供装置１８は、自らが分子軌道計算を実行するほどの能力を保有していなくとも、各端末装置１２〜１６において計算された分子軌道計算の結果を、端末装置間の入力フォーマットの違いなどを考慮することなく、すべての端末装置に共有することを可能とする分子情報提供サーバとして機能する。本発明の第２の実施の形態の分子情報提供装置では、分子軌道計算といった大規模なコンピューティング環境を、汎用的なフォーマットの下で検索し、提供することにより、重複した分子軌道計算の実行によるコンピュータ資源の無駄を省き、効率的な研究開発環境を提供することができる。
【００６８】
図１０は、本発明の第３の実施の形態の分子情報提供システムのブロック図を示す。図１０に示した分子情報提供システムにおける分子情報提供装置１８の機能は、図１に示した分子情報提供装置と同一として構成されており、分子情報提供装置１８は、各端末装置１２〜１６の検索要求に応じてデータベース３２に蓄積された解析結果を提供する。また、図１０に示した本発明の第３の実施の形態の分子情報提供システムでは、端末装置１２〜１６は、グラフィカル・ユーザ・インタフェイスを使用して分子構造を生成する。生成された分子構造から得られた原子列表記は、分子情報提供装置１８に検索または解析要求と共に送信される。分子情報提供装置１８は、要求に応じて検索または解析計算を実行し、その結果を端末装置１２〜１６へと送信する。端末装置１２〜１６は、結果を受信し、グラフィカル・ユーザ・インタフェイスにより結果を表示することができる構成とされている。図１０に示した本発明の第３の実施の形態においては、端末装置の設備を簡略化すると共に、端末装置の入力フォーマットによらずに高精度での検索および情報の共有を可能とし、より低コストで、付加価値の高い情報の共有を可能とする。
【００６９】
【実施例】
以下、本発明の中間表現を使用した分子情報の検索を、実施例を使用して具体的に説明するが、本発明は後述する実施例にも限定されるものではない。
【００７０】
（実施例１）ベンゼン（Ｈ６Ｃ６）
図１１には、ベンゼンの分子構造を示す。ベンゼンＣ６Ｈ６は、炭素原子６個、水素原子６個の計１２個の原子から構成される基本的な分子である。しかしながら、その対称性は、Ｄ６ｈの高い対称性を有しており、図１１には、鏡映面σｈと、鏡映面σｈに対して垂直な方向に規定されるＣ６軸とが示されている。この他、ベンゼンには、Ｃ６軸を含む鏡映面σｖが定義できるものの、図１１には示されていない。また、後述するＺマトリックス・フォーマットでの原子列表示を与えるためにダミー原子（計算には含まれない）であるＸが示されており、各Ｃ原子およびＨ原子の位置は、Ｘからの距離および２面角によって規定される。
【００７１】
図１２には、ベンゼンＣ６Ｈ６のＺマトリックス・フォーマットでの原子列表記を示す。Ｚマトリックス・フォーマットは、１カラム目に原子記号を指定し、順次右手側に向かって、参照原子、参照原子とその原子との結合長（以下、本発明の原子列表記では、結合長の単位をÅで与える。）、第２参照原子、第２参照原子との結合角（度）、第３参照原子、第３参照原子との二面角により、原子間の相対的な位置関係が定義されている。結合長Ｒ、ＲＨおよび角度は、直接数値で入力することもでき、変数を介して入力することも可能である。図１２に示した実施例では、ＲとＲＨという変数で結合長が規定されている。この方式で入力された分子構造は，GAUSSIAN内部ではカーテシアン座標系に変換され、分子軌道法の計算に用いられる。
【００７２】
本発明では、上述した原子列表記から得られるカーテシアン座標を、Ｃを質量６、Ｈを質量１、Ｘを質量ゼロの剛体として慣性行列を生成する。ベンゼン環は正六角形なので、Ｃ６軸に直交する２つの主慣性モーメントは、重根または丸められた精度に応じてきわめて近い値を有している。上述したＺマトリックス・フォーマットでの原子列表記を使用してベンゼン分子についてパーソナル・コンピュータを使用して慣性行列の固有値を算出させたところ、ベンゼンの主慣性モーメントが、それぞれ下記式で与えられる重根を有するものとして得られた。
【００７３】
【数１】
0003685404.tif 000002
【００７４】
ベンゼンでは、図１１に示されるように、最遠ペアは、２つのＨ原子となる。そこで、本発明にしたがい、近接固有値対応処理を実行させ、最遠ペアのＨ原子の質量を８とし、最遠ペアから最も遠い位置のＨを一つ選択してその質量を４倍し、同一の点列配置についてあらためて固有値を算出した。その結果を、下記式の慣性モーメントが固有値として示す。下記式に示されるように、慣性モーメント、すなわち固有値の縮退が解けているのが確認された。
【００７５】
【数２】
0003685404.tif 000003
【００７６】
次いで、これらの固有値に対応する固有ベクトルｖ４、ｖ５の方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とし、これらから右手系でＺ方向を定め、全原子の位置を中間表現における座標系に変換して被検索側の分子構造を作成して、メモリに登録した。
【００７７】
その後、データベースに登録された分子の中間表現の生成をシミュレーションした。シミュレーションでは、検索側の分子構造は、GAUSSIANのカーテシアン座標系による原子列表記から中間表現を生成した。GAUSSIANをシミュレートするために、図１２に示したＺマトリックス・フォーマットの原子列表記をカーテシアン座標系に変換し、その後小数点以下６桁目で丸めて被検索側の原子列表記を作成した。その結果を図１３に示す。図１３に示された原子列表記は、有効数字５桁で正六角形を正確に表現した。
【００７８】
図１３に示した原子列表記の精度をＣの位置を検討することにより検討を加えたところ、数値的な丸めの影響で正確な重根にはならないものの、被検索側の慣性行列の固有値が下記式として得られた。
【００７９】
【数３】
0003685404.tif 000004
【００８０】
図１４には、得られた慣性モーメントの大きさと、主慣性軸の方向とを示す。図１４にも示されるように、被検索側においてもＩ１とＩ２とは近接しているので、本発明にしたがい近接固有値対応処理を実行させ、最遠ペアのＨ原子の質量を８倍し、最遠ペアから最も遠い位置のＨ原子の質量を４倍して慣性行列を作成して、メモリに登録し、再度固有値計算を実行させた。図１５には、本発明の近接固有値対応処理の概念的な処理を示す。図１５において、原子の大きさは、質量について乗じた乗数の大きさに略対応する。図１５に示すように、最遠ペアのラインから最も遠い原子であるＨ原子の候補は４つ存在することがわかる。そこで、被検索側の計算では、精度を判断するために、最も遠い位置のＨ原子の候補について４通りあるすべてのケースを計算させた。この結果、中間表現における固有値（すなわち、慣性モーメント）は、Ｈ原子の位置には関係なくそれぞれ、下記式の値の慣性モーメントが得られた。
【００８１】
【数４】
0003685404.tif 000005
として得られた。
【００８２】
また、対応する固有ベクトルから得られる座標系は、Ｒ方向を Ｉ４方向とするか−Ｉ４方向とするか、またそれぞれＳ方向をＩ５方向にとるか−Ｉ５方向にとるかなど、４通りの組み合わせが存在する。ここで、Ｔ方向はＲ方向とＳ方向とが決まれば、右手系なので自動的に確定する。図１５に示したベンゼンの例では、それぞれについて被検索側と検索側の最遠ペアの原子の重なり具合を比較するだけで適切なものを選択することができた。
【００８３】
上述のように確定させた中間表現の座標値を使用して、全原子の位置を原子ごとに比較し、両方の分子構造の残差を計算させ、メモリに登録した。最終的な出力として、最も遠い原子を４通り違うものを選択したなかで、原子どうしの位置座標の残差の絶対値（一致尺度）の総和が最も小さいものについて、原子どうしの位置に比較において最も大きい残差の絶対値（一致尺度）を、最遠ペアと最近ペアの距離とともにメモリに記憶させ、メモリの内容を出力させた。その結果を表１に示す。
【００８４】
【表１】
0003685404.tif 000006
【００８５】
（実施例２）  有効数字の影響の検討  （Ｈ６Ｃ６）
検索側の分子構造の座標値の桁数に対する安定性および依存性を、検索側の原子列表記の有効数字を小数点以下３桁に減少させることにより検討した。入力データとして、図１６に示す原子列表記を使用した。表２に図１６に示した原子列表記により算出された固有値を示す。最遠ペアから最も遠い位置のＨ原子の候補は、４通り考えられ、図１６に示した原子列表記では、固有値に若干の相違が見られ、２通りの結果が得られた。なお、最遠ペアおよび最遠ペアから最も遠い水素原子の質量は、それぞれ８倍、４倍とした。
【００８６】
【表２】
0003685404.tif 000007
【００８７】
上述した主慣性軸を使用した中間表現を作成し、検索側と、実施例１で算出した被検索側との原子位置の残差を算出させたところ、残差の絶対値の最大値（一致尺度）は、最大値=0.0012として得られ、有効数字のオーダーで充分な一致を与えることが示された。すなわち、入力データの座標値の有効数字、固有値の一致する桁数、最終的に得られる残差の最大値には相関があり、この値を一致尺度として使用することでユーザは、ユーザが作成した入力データの精度を判断できる。このためユーザは、これらの情報を使用してデータベース上で検索を行うことができ、同時により高精度な高精度な解析結果を見出すことも可能となる。
【００８８】
（実施例３）  フラーレン（Ｃ６０）
本発明を６０個の炭素が球状に結合したフラーレンについて適用した。Ｃ６０の分子構造をグラフィカル・ユーザ・インタフェイスを使用して作成し、分子動力学的に原子位置を最適化させた。最適化されたＣ６０の構造を図１７に示す。このようにして得られた原子配置から原子列表記をカーテシアン・フォーマットとして作成し、有効数字７桁に丸めて被検索側のデータとした。
【００８９】
フラーレンの構造のもつ対称性から、慣性行列の３つの固有値は近接し、実施例３では、慣性モーメントとして下記値の慣性モーメントを得た。
【００９０】
【数５】
0003685404.tif 000008
【００９１】
実施例３では、Ｉ２とＩ３との差が約０．１％であり、Ｉ２とＩ３とが近接固有値であるものとした。フラーレンに対して本発明を適用し、最遠ペアのＣ原子の質量を８倍し、最遠ペアから最も遠いＣ原子の質量を４倍として慣性主軸を生成し、下記値の次の３つの固有値を得た。
【００９２】
【数６】
0003685404.tif 000009
【００９３】
次いで、上述した構造のＣ６０を回転させ、原点を移動させて原子座標を異ならせ、カーテシアン・フォーマットで小数点以下の有効数字７桁の原子列表記を作成して検索側データを作成し、実施例１と同様にして、原子の残差の最大値（一致尺度）、最遠ペアの距離、最近ペアの距離を算出した。その結果を表３に示す。表３に示すように、有効数字のオーダーで最大差が得られており、良好な指標となることが示されている。
【００９４】
【表３】
0003685404.tif 000010
（実施例４）  有効数字の検討  （Ｃ６０）
実施例３と同様の検討を、検索側の入力原子列表記の有効数字を９桁に増加させて計算を実行させたところ、最大差として0.0000000093が得られた。また、入力原子列表記の有効数字を小数点以下４桁に減らすと最大差として0.0000096
が得られ、最大差が一致性の良好な指標とすることができることが示された。
【００９５】
（実施例５）  架空分子（Ｂｅ２Ｏ２Ｓ２）
さらに、構造的には慣性モーメントが重根とはならないものの、原子の質量との関連で慣性モーメントが近接する架空の分子を使用して、本発明の効果を検討した。表４に架空分子の原子列表記を示す（単位は、結合長に関してÅであり、角度は、「°」である。）。また、図１８には、架空分子の構造を示す。
【００９６】
【表４】
0003685404.tif 000011
【００９７】
Ｏは、原子番号８であり、Ｂｅは、その半分の４であり、Ｓは、倍の１６である。したがってＸ軸上の１と−１にＯが置かれた場合、そのSQRT(2)倍の距離に置かれた２個のＢｅは、等価な慣性モーメントに関する効果を持ち、1/SQRT(2) の距離に置かれたＳも同様である。この架空分子は、対称性と、座標値とからは３重根とはならないものの、慣性行列の固有値は、それぞれ、I1 = 31.99969、I2=31.99970、I3=32.0000099という近接根を与える。これに対し、最遠ペアの質量を８倍、１つのＯの質量を４倍すると、下記値の慣性モーメントとなった。
【００９８】
【数７】
0003685404.tif 000012
上述したように、本発明では、数値的に主慣性軸の判断に不確定性が伴わない、安定した比較を行うことができた。実施例５に示されるように、本発明では、原子の座標値からは重根が現れそうにないものに対して実際に重根の存在が判定されてから「慣性行列を更新して３×３の行列の固有値問題を解きなおす」ことだけで、ユーザが慣性モーメントの近接の予測を行うことなく、容易かつ迅速に数値的に安定な問題に変換できること、すなわち、重根の存在による計算時間の増加が検索対象となる原子数に依存せず、効率的に検索を高精度に実行することができることが示された。
【００９９】
本発明の上述した各機能を実現する手段または部分は、コンピュータ実行可能なプログラム言語により記述されたソフトウエアまたはソフトウエア・モジュール群として構成することができ、必ずしも図面に記載した機能ブロックとして構成される必要はない。
【０１００】
本発明の分子情報提供を実行させるための上述したプログラムは、種々のプログラミング言語、例えばＣ言語、Ｃ＋＋言語、Ｊａｖａ（登録商標）、フォートランなどを使用して記述することができ、本発明のプログラムを記述したコードは、磁気テープ、フレキシブル・ディスク、ハードディスク、コンパクト・ディスク（ＣＤ）、光磁気ディスク、デジタル・バーサタイル・ディスク（ＤＶＤ）といったコンピュータ可読な記録媒体に保持させることができる。
【０１０１】
上述したように本発明によれば、同一の構造の分子の検出性を高めると共に、ユーザが使用するフォーマットに依存せず、高精度な検索を可能とすることにより、分子軌道計算のデータの共有を可能とする分子情報提供システムを提供することが可能となる。
【０１０２】
科学技術計算の世界では、現在、世界的な規模で大規模数値計算シミュレーションのグリッド・コンピューティング環境への移行が始まろうとしている。分子軌道法はこの分野では最も計算時間を多く消費するアプリケーションの１つである。たとえばアミノ酸のような原子数のやや多い分子でも数日を要する計算は少なくない。このためGAUSSIANグリッドは、グリッド・コンピューティングを運用する側から見てグリッド・コンピューティングの効果を発揮しやすい。複数のGAUSSIANグリッドが稼動し始めると、分子軌道計算の競合が予想され、コンピュータ資源の効率的な運用を実現する必要がある。本発明は、上述したポータル・ルーチンにおいて実装されることにより、データベースに対するヒット率を高めることができる。本発明は、分子軌道計算を実行するためのソフトウエア・パッケージとしてGAUSSIANを用いて説明したが、GAUSSIAN以外の分子軌道法アプリケーションにも容易に拡張することが可能である。たとえばMOPACや、機能的に重複する部分の多いGAMESS（http://www.msg.ameslab.gov/GAMESS/GAMESS.html）に対しても適用することができ、GAMESSの原子列表記を解析して、MOPAC、GAMESS、GAUSSIANのデータベースを横断的に検索し、ユーザには「GAUSSIANによる計算結果ならある」という情報を返す構成とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の分子情報提供システムの第１の実施の形態を示した図。
【図２】  本発明の分子情報提供装置の機能を示した概略ブロック図。
【図３】  本発明の端末装置が実行する処理を示したフローチャート。
【図４】  本発明の分子情報提供装置が実行する処理を示したフローチャート。
【図５】  本発明の分子構造の中間表現を生成する処理を示したフローチャート。
【図６】  本発明の中間表現を使用した検索処理のフローチャート。
【図７】  本発明の分子情報提供方法を、GAUSSIANパッケージ・ソフトウエアを使用する実施の形態について、データ構造およびデータ受け渡し処理の概略を示した図。
【図８】  図７に示したデータ構造を与えるＨ２Ｏ分子の構造およびＺマトリックス・フォーマットでの原子列表記の実施の形態を示した図。
【図９】  本発明の分子情報提供システムの第２の実施の形態を示した図。
【図１０】  本発明の分子情報提供システムの第３の実施の形態を示した図。
【図１１】  ベンゼン（Ｃ６Ｈ６）の分子構造および代表的な対称要素を示した図。
【図１２】  図１１に示したベンゼンのＺマトリックス・フォーマットにおける原子列表記。
【図１３】  図１１に示したベンゼンのカーテシアン・フォーマットにおける原子列表記。
【図１４】  ベンゼンについて本発明を適用せずに慣性行列の固有値として計算された慣性モーメントと主慣性軸を示した図。
【図１５】  ベンゼンについて本発明の近接固有値対応処理を施して生成される仮想的分子の構造を示した図。
【図１６】  有効数字の異なるベンゼンの原子列表記を示した図。
【図１７】  グラフィカル・ユーザ・インタフェイスを使用して生成されたＣ６０の分子構造を示した図。
【図１８】  仮想的な分子Ｂｅ２Ｏ２Ｓ２の構造を示した図。
【符号の説明】
１０…ネットワーク
１２、１４、１６…端末装置
１８…分子情報提供装置
２０…分子構造入力・出力部
２２…解析実行部
２４…送受信部
２６〜３０…ユーザ・データベース（ユーザＤＢ）
３２…データベース
３４…送受信部
３６…入力バッファと、
３８…入力ファイル解析部
４０…座標系変換部
４２…実行モード判断部
４４…解析実行部
４６…検索実行部
４８…結果保持部
５０…メモリ
５２…高速アクセス・メモリ
【図１】
0003685404.tif 000013
【図２】
0003685404.tif 000014
【図３】
0003685404.tif 000015
【図４】
0003685404.tif 000016
【図５】
0003685404.tif 000017
【図６】
0003685404.tif 000018
【図７】
0003685404.tif 000019
【図８】
0003685404.tif 000020
【図９】
0003685404.tif 000021
【図１０】
0003685404.tif 000022
【図１１】
0003685404.tif 000023
【図１２】
0003685404.tif 000024
【図１３】
0003685404.tif 000025
【図１４】
0003685404.tif 000026
【図１５】
0003685404.tif 000027
【図１６】
0003685404.tif 000028
【図１７】
0003685404.tif 000029
【図１８】
0003685404.tif 000030