使用社交網絡接口的通用模擬系統的製作方法
2023-09-23 18:21:25
使用社交網絡接口的通用模擬系統的製作方法
【專利摘要】一種模擬系統包括：接口組件，其連接到公共或共享網絡，所述公共或共享網絡比防火牆內部的網絡具有更少的訪問限制，產生模擬工作並且將模擬工作登記在資料庫中；工作控制組件，其訪問所述資料庫以獲取所述模擬工作並且調度所述模擬工作來執行；模擬執行組件，其從所述工作控制組件接收所述模擬工作，創建用於數字並行計算算法的可執行代碼並且將計算進程分布於多個計算機以執行所述模擬工作。
【專利說明】使用社交網絡接口的通用模擬系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及可用於大範圍研宄人員的計算機實現的模擬系統。
【背景技術】
[0002]各種科學或工程領域的研宄人員常常會與同事在進行科學或工程項目時討論新模擬模型的建模方案和結果。傳統上，這些討論是單獨進行的。為了在共享模型和模擬數據的情況下進行討論，研宄人員需要遵循幾個步驟。例如，這些步驟包括:用電子郵件與同事共享正在開發的模型；對模型進行評論並且修改模型；離線形成可執行模型並且在本地機中執行模擬；在模擬之後，為了進一步討論，再用電子郵件或文件共享服務與同事分享模擬結果。如果同事的人數大，則該過程會是繁重且耗時的。
[0003]另外，即使研宄人員想要以並行計算執行高性能模擬，研宄人員也不是總是在高性能計算機(HPC)可用的環境中。例如，如果研宄人員所屬的研宄所沒有HPC，則研宄人員不容易訪問HPC。或者，即使研宄所有HPC，如果研宄人員在防火牆之外，則訪問常常受到限制。模擬器必須能夠直接訪問計算資源。因此，用戶需要直接將模擬器安裝到計算資源上。由於HPC通常通過防火牆防止外部的訪問，因此用戶難以或不可能從防火牆之外訪問模擬器。
[0004]另外，通常，通過將模型的可執行二進位代碼保存在計算資源(諸如，臺式機器或叢集機器)的本地存儲區中並且通過在該機器上執行二進位代碼來進行模型的模擬。模型開發人員需要編寫用於數值計算的算法以及模型科學邏輯的程序代碼。因此，對於研宄人員而言，難以只專注於構建建模目標現象的科學基本邏輯。
[0005]由於模型尺寸近來越來越大，因此需要用於在諸如叢集機器上進行高性能計算的並行計算。在這種情況下，研宄人員必須使用MPI (消息傳遞接口)或一些其它技術實現特定算法，以將處理並行化。以並行計算算法實現這種程序是耗時的任務，因為它需要高水平的編程技術。
[0006]此外，並行化效率取決於叢集機器的硬體構造。例如，如果在叢集A上調諧程序，則同一程序在叢集B上可能不是一直有效的。因此，研宄人員需要花費更多時間根據硬體來優化程序，這在科學上也不是重要的。
[0007]在大模擬的情況下，模擬執行者想要知道模擬的進展。示出模擬進展的百分比或者示出模擬變量的時間序列數據的曲線圖將是有益的。為了這樣，模型開發人員將需要花費額外的時間來實現程序中的這種技巧。
[0008]另外，可能必要的是，根據模擬的輸出，在模擬期間修改變量的值，或者在模擬的中途中斷模擬。實現這些任務是耗時的並且將除了科學問題之外的額外負擔強加於研宄人員。
[0009]SBSI (http://www.sbs1.ed.ac.uk/index, html)使用它們的 HPC 提供模擬服務。然而，從防火牆的外部不能到達該系統，並且只支持SBML(系統生物標記語言)格式。
[0010]存在接收SBML和CellML格式文件作為輸入的多個模擬器。它們之中沒有將數據發送到社交網絡服務或者從社交網絡等服務接收模擬模型的功能。其中一些是獨立式模擬器，使得用戶需要將它們直接安裝到計算資源，從而經受如以上討論的類似問題。
【發明內容】
[0011]技術問題
[0012]因此，本發明涉及基本上消除了由於相關技術的限制和缺點導致的一個或多個以上討論的問題和其它問題的模擬系統。
[0013]本發明的目的是提供使大範圍的研宄人員能更方便訪問的模擬系統。
[0014]問題的解決方案
[0015]為了實現這些和其它優點並且根據本發明的目的，如實施的和廣義描述的，在一個方面，本發明提供了一種模擬系統，該模擬系統包括:在一個或多個計算機中實現的接口組件，所述接口組件產生模擬工作並且將所述模擬工作登記在資料庫中，所述接口組件的至少一部分被置於防火牆外部並且連接到比防火牆內部的網絡具有更少的訪問限制的公共或共享網絡，以從防火牆外部接收用於模擬的模型；在一個或多個計算機中實現的工作控制組件，所述工作控制組件訪問所述資料庫以獲取所述模擬工作並且調度所述模擬工作來執行；在一個或多個計算機中實現的模擬執行組件，所述模擬執行組件從所述工作控制組件接收所述模擬工作，創建用於數字並行計算算法的可執行代碼並且將計算進程分布於多個計算機以執行所述模擬工作，其中，所述工作控制組件從所述模擬執行工作接收模擬進展信息，將所述模擬進展信息登記在所述資料庫中，並將所述模擬進展信息發送到所述接口組件，其中，所述模擬執行組件將所述模擬進展信息發送到所述工作控制組件，暫時存儲通過所述模擬工作創建的數據，並且將模擬結果發送到所述接口組件，其中，所述接口組件在所述接口組件託管的網站上顯示所述模擬進展信息和所述模擬結果或者將向用戶發送消息以將所述模擬進展信息和所述模擬結果通知用戶。
[0016]在另一個方面，本發明提供了具有以上引用特徵的模擬系統，其中，所述接口組件被構造成從位於所述防火牆外部的用戶接收模擬模型並且按照所述模擬模型產生所述模擬工作。
[0017]在另一個方面，本發明提供了具有以上引用特徵的模擬系統，其中，所述接口組件連接到包括社交網絡主機的公共網絡，並且接收通過所述社交網絡主機託管的社交網絡網站提交的所述模擬模型。
[0018]在另一個方面，本發明提供了具有以上引用特徵的模擬系統，其中，所述接口組件被構造成從Facebook群組、Google+圈子、Google drive、Dropbox或公布於網際網路上的模型資料庫中的任一個或多個接收模擬模型。
[0019]在另一個方面，本發明提供了具有以上引用特徵的模擬系統，其中，用SBML(系統生物標記語言)、CellML和PHML(生理分層標記語言)中的任一個或多個表達所述模擬模型。
[0020]在另一個方面，本發明提供了具有以上引用特徵的模擬系統，其中，所述接口組件在網站上顯示所述模擬結果的圖表，並且將所述模擬結果發送到社交網絡服務，以在社交網絡網站中顯示所述模擬結果。
[0021]在另一個方面，本發明提供了具有以上引用特徵的模擬系統，其中，所述工作控制組件和所述模擬執行組件在所述防火牆內部的一個或多個計算機的同一集合中實現。
[0022]在另一個方面，本發明提供了具有以上引用特徵的模擬系統，所述模擬系統還包括一個或多個另外的模擬執行組件，其中，當處理多個模擬工作時，所述工作控制組件將所述多個模擬工作分別分派給多個模擬執行組件，其中，在所述多個模擬執行組件的至少一些中，多個計算機通過實時通信網絡連接以執行將計算分布於所述網絡上來執行所述模擬工作。
[0023]在另一個方面，本發明提供了具有以上引用特徵的模擬系統，其中，所述實時通信網絡是網際網路。
[0024]在另一個方面，本發明提供了具有以上引用特徵的模擬系統，其中，所述防火牆被置於所述接口組件和所述工作控制組件之間。
[0025]在另一個方面，本發明提供了具有以上引用特徵的模擬系統，所述模擬系統還包括連接到所述接口組件的客戶端計算機，所述客戶端計算機在所述防火牆外部並且安裝有模型構建軟體，以產生用SBML(系統生物標記語言)、CellML和PHML(生理分層標記語言)中的任一個或組合編寫的用於模擬的模型，所述客戶端計算機將所述用於模擬的模型提交到所述接口組件。
[0026]本發明的有利效果
[0027]本發明的額外或單獨的特徵和優點將在隨後的描述中闡述，將部分根據描述而顯而易見，或者可通過本發明的實踐而得知。可通過書面描述及其權利要求書以及附圖中特別指出的結構來實現和獲得本發明的目的和其它優點。
[0028]要理解，對本發明的以上總體描述和以下詳細描述都是示例性的和說明性的，並且旨在對要求保護的本發明提供進一步說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029][圖1]圖1是示意性示出根據本發明的實施方式的模擬系統的功能方面的示圖。
[0030][圖2]圖2示意性示出根據本發明的實施方式的模擬系統的架構。
[0031][圖3]圖3示意性示出根據本發明的實施方式的模擬系統的物理構造的示例。
[0032][圖4]圖4是根據本發明的實施方式的網站界面屏幕的示例。
[0033][圖5]圖5是根據本發明的實施方式的網站界面屏幕的示例。
[0034][圖6]圖6是示出模擬結果的、根據本發明的實施方式的網站界面屏幕的示例。
[0035][圖7]圖7示意性示出在本發明的實施方式中的構造模擬模型的過程中的模型構建程序。
[0036][圖8]圖8示意性示出本發明的實施方式中的實現模型構建程序的軟體程序的截圖示例。
[0037][圖9]圖9示意性示出根據本發明的實施方式的模擬系統中的網站界面示例。
[0038][圖10]圖10示意性示出根據本發明的實施方式的模擬系統的物理構造示例。
[0039][圖11]圖11示意性示出根據本發明的實施方式的模擬系統的架構示例。
【具體實施方式】
[0040]本發明在一些實施方式中提供了用於無縫連結社交群體內的活動(諸如，科學討論、共享生理功能的模型、執行模擬、共享模擬結果)的程序。它還涉及普遍地運行高性能模擬的方法。
[0041]在本發明的一些實施方式中，該系統的主要方面如下。
[0042]1.網際網路中提供的高性能模擬服務和諸如Facebook、Google+的現有社交網絡服務(SNS)或私有社交網絡型界面之間的無縫連結。
[0043]2.系統架構適於被接入任何類型的高性能計算機或者在其中實現。發明的系統接收用PHML (生理分層標記語言)、SBML和CellML語言編寫的模型文件。在模型文件中描述了進行數值計算所需的信息(諸如，代表生理現象動態、物理單元的數學公式)。然而，不需要包括用於數值計算和並行計算等的算法，因為系統操縱包括自動並行化處理的所有這些算法。
[0044]圖1是示意性示出根據本發明的實施方式的模擬系統的功能方面的示圖。模擬系統可通過網絡直接從Facebook群組、Google+圈子、Google drive、Dropbox或公布於網(諸如，phys1me.jp)上的模型資料庫或者從如同私有社交網絡的接口接收模型101(框102)。另選地或另外地，應用可使用系統103提供的API (應用編程接口)將模型直接上傳到系統。通過這個特徵，用戶可例如在任何時間嘗試模擬他們在Facebook群組或Google+圈子上討論的模型。
[0045]發明的系統基於為了進行模擬輸入的模型文件來自動產生可執行代碼。用於並行化處理的算法被自動併入可執行代碼中，通過並行計算執行模擬(框104)。
[0046]還在系統中實現在模擬期間在任何時間改變參數值、中止模擬和中斷模擬的功能和接口。用戶不需要實現這些功能。
[0047]最初將模擬結果108存儲在伺服器上。還自動地產生進展報告105/106(諸如，完成的百分比)。發明的系統通過按用戶定義的頻率藉助電子郵件、Facebook消息、Facebook群組貼、Twitter和Google+消息發送消息107，將進展消息通知給用戶。
[0048]通過模擬產生的時間序列數據的大小可以較大。在這種情況下，時間序列數據109和曲線圖圖像110可被發送到存儲介質111 (諸如，用戶的本地機、Dropbox和Googledrive)。曲線圖圖像可也被發送到Facebook群組、Google+圈子或Evernote 112，使得用戶可持續基於SNS(社交網絡服務)或私有社交網絡類型接口上的模擬結果進行討論。
[0049]圖2示意性示出根據本發明的實施方式的模擬系統的架構。在這個實施方式中，模擬系統包括接口組件201、模擬工作控制組件202和模擬執行組件203。下文中，模擬工作被簡稱為工作。
[0050]接口組件201產生工作並且將工作登記到資料庫。接口組件沒有將工作直接發送到工作控制組件(儘管圖2中的箭頭指示「工作」從接口組件201流向工作控制組件202，但通過資料庫間接轉發工作)，使得接口組件201可位於圍繞計算資源的防火牆外部。接口組件201還從工作控制組件202接收模擬進展信息，在能通過瀏覽器訪問的其網站上顯示信息或者藉助電子郵件、Twitter、Facebook消息、或Facebook群組102a發送消息，以將進展信息通知用戶。另外，它在網站上顯示模擬結果的曲線圖，將模擬結果發送到Facebook群組、Google drive、Dropbox、Evernote、Google+ 圈子 102co
[0051 ] 工作控制組件202通過訪問資料庫取得來自接口組件201的工作。它還調節將工作發送到模擬執行組件203的時刻，並且在合適的時間將工作發送到模擬執行組件203。另夕卜，它從模擬執行組件203接收模擬進展信息，並且將它登記到資料庫中。此外，它將模擬進展和工作狀態發送到接口組件201。
[0052]模擬執行組件203從工作控制組件202接收工作，創建包括並行計算算法的可執行代碼，將過程分布於多個節點，自動地執行模擬(框204)。此外，它將模擬進展信息發送到工作控制組件202。通過模擬創建的數據被暫時存儲在模擬執行組件203中。在完成模擬之後，結果文件經由接口組件201被發送到用戶(102a至102c)(諸如，用戶的本地機、Dropbox、Google drive)。
[0053]因為如上所述系統由三個組件組成，所以系統可解決關於從防火牆外部可用模擬器系統的問題。
[0054]模擬執行組件203直接訪問諸如PC叢集的計算資源，因為HPC通常通過防火牆限制外部的訪問。如以上說明的，傳統上，模擬器被構建為一體化的單個組件應用，因此，用戶需要將模擬器直接安裝到計算資源上。另外，用戶難以或不可能從防火牆外部訪問模擬器。
[0055]然而，因為如以上說明的本實施方式的系統由三個組件組成，所以可以將接口組件定位在DMZ(非軍事區:包含組織的外部服務並且將外部服務曝光於較大非置信網絡(通常是網際網路)的物理或邏輯子網絡)，使得用戶可從防火牆外部(網際網路)訪問接口組件，並且可將模擬工作提交到系統。然後，可設置在防火牆內部的工作控制組件202可經由TCP連接從接口組件取得工作。
[0056]此外，可以通過模擬執行組件203執行一系列模擬。此外，因為工作控制組件202可被安裝在除了計算資源外的其它位置，所以可以更靈活地作業系統。
[0057]圖3示意性示出根據本發明的實施方式的模擬系統的物理構造的示例。防火牆FW上的計算機Cl代表接口組件201、防火牆內部的計算機C2對應於工作控制組件202和模擬執行組件203。SP指示通過模擬執行組件203分布的模擬過程。如圖3中所示，防火牆FW外部的用戶302可使用他們的本地個人計算機C4通過網際網路301來訪問接口組件(以計算機Cl為宿主)。如以上討論的，在將模擬模型提交到計算機Cl的過程中，可藉助網際網路使用社交網絡服務(SNS)或其它類似的接口。用這種構造，不僅防火牆內部的用戶303，而且防火牆FW外部的用戶302有權訪問計算資源。這裡，圖3中的Dl指示如以上說明的存儲模擬工作的資料庫。
[0058]圖4是根據本發明的實施方式的網站界面屏幕的示例。充當接口組件201的計算機Cl可存在針對經授權用戶的網站並且可接收並且示出關於模擬的信息。圖4示出當進行模擬時界面屏幕的示例。如圖4中所示，可一次性瀏覽關於被請求模擬工作的信息和狀
--τ O
[0059]圖5示出當完成模擬工作時網站的網站界面屏幕的示例。模擬狀態現在是「完成」並且進展條表示100%。
[0060]圖6是示出模擬結果的網站界面屏幕的示例。如這個圖中所示的，用戶可將結果下載到本地計算機或者可將文件傳遞到Dropbox。
[0061]如上所述，在一些實施方式中，可使用PHML構建進行模擬的模型。由於傳統模擬器不支持用於模擬模型的PHML，因此上述實施方式在支持PHML方面有突出的優點。
[0062]以下，描述特別適於生物等研宄的本發明的其它實施方式。
[0063]在這個方面，本發明提供了用於支持建模並執行多級生理系統的模擬的模擬軟體框架，在一些實施方式中，已經開發和擴展了該軟體框架以支持雲計算。
[0064]框架由兩個塊組成:本地模型設計者(實際開發版本被命名為「Phys1Designer?」)和實現上述的模擬系統實施方式的一些或全部特徵的模擬系統。第二部分-模擬系統的實際開發版本被命名為「Flint?」或「Flint系統」，如下所述的其支持雲計算的擴展版本被命名為「Flint K3?系統」。Phys1Designer?是提供圖形用戶接口和用於構建基於腳本的模型的終端接口的應用，該圖形用戶接口用於在生理功能的多級建模過程中輔助用戶。用PHML(生理分層標記語言)編寫構建在Phys1Designer?上的模型。Flint?是獨立式模擬器，支持用於在合適系統環境下並行計算的MPI。基於獨立式應用，已經開發出支持雲計算的Flint K3?系統，該系統提供了用於可攜式高性能模擬的解決方案。在Flint K3?的網站，用戶可上傳用PHML描述的模型。另外，Phys1Designer ?和其它應用可在線將模擬工作提交到Flint K3--
[0065]以下，開發本發明的這些實施方式的背景和實際構建的應用/系統(Phys1Designer?、Flint?、Flint K3?)的一些特定特徵將被描述為本發明的實施方式。然而，本發明不限於開發的應用/系統的這些特定特徵中的任一個，除非在隨附的權利要求書中詳述了這些特徵之外。
[0066]過去幾十年來，基於簡化論科學提供的大量數據，正在快速發展系統生物和整合生理中的基於建模的科學。在這些領域，模型的大小變得越來越大，結構更複雜和細化。幾乎不可能在沒有研宄組間(不僅在所謂的「溼」和「幹」研宄組間，而且在「幹」和「幹」研宄組間)協作的情況下構建這種模型。為了促進有效協作、構建大規模模型並且執行CPU密集模擬，非常重要的是開發用於支持這種活動的工具。
[0067]用Phys1Designer?實現的下述特徵的目的是，為想要創建多級生理系統的模型的用戶提供公共整合開發環境。用戶可使用圖形用戶接口用分層結構化算術公式描述目標生理系統的狀態動態。用PHML(生理分層標記語言)編寫在Phys1Designer?上構建的模型，PHML是被設計成明確代表生理分層功能的基於XML的規範。Phys1Designer?是公共可用的(http: //phys1designer.0rg)。
[0068]除了構建模型之外，執行模擬是重要的配對物。用Flint?實現的、以上被描述為本發明的實施方式的模擬系統可以是可與Phys1Designer? —起工作的翻譯器型模擬器。如上所述，模擬系統可被構造成解析PHML，內部編譯並且運行模擬。如果系統具有MPI環境，則Flint?可利用MPI使用多個核進行計算密集模擬。因為模型的大小生長，所以這個特徵可以是關鍵的。然而，遺憾的是，帶有許多CPU的這種高性能PC叢集不是一直可用的。已經開發出Flint K3?服務(S卩，可在計算機雲上工作的Flint?)來滿足這些需要。FlintK3?系統裝配有用於進行工作管理的門戶網站。用戶可在網站上提交模擬工作。除此之外，Phys1Designer?可將模擬工作經由網際網路直接發送到Flint K3 ?。
[0069]模型構建軟體/系統
[0070]提供模型構建軟體來輔助用戶構建用於模擬的模型。Phys1Designer?是使用戶能夠編輯生命系統的分層多層模型的應用軟體。該應用可得自http://phys1designer.0rg。它之前被開發為insiliconIDE(http://phys1me.jp)，並且根據開發的最近進展，應用被重新命名為作為其下一代的Phys1Designer?。
[0071]本發明的實施方式如果與模型構建軟體結合併且當與模型構建軟體結合時可被構造成實現Phys1Designer?的一些或全部特徵，本文中將對此進行描述。
[0072]用PHML格式編寫在Phys1Designer?上構建的模型，PHML格式是用於描述綜合性生物模型中系統的分層的基於XML的規範。PHML是自2007起開發的ISML的後繼語言(http://phys1me.jp)。
[0073]在PHML中，模型中涉及的生物和生理元素中的每個被稱為如圖7中總結的模塊，通過邊緣定義模塊之間的結構和函數關係。成組的模塊可被定義為模塊。通過模塊的這種遞歸定義，用模型表達生理系統的分層結構。通過許多物理量(諸如，定義系統動態的狀態)以及可變和靜態參數來定量表徵各模塊。通過算術方程明確地描述動態(諸如，常微分/偏微分方程)的定義或物理量的函數。
[0074]通過將模塊的出口連結到另一個模塊的入口的邊緣(函數邊緣)表達模塊之間的函數關係的定義，所述定義帶有被定義為物理量的數值信息。模塊接收信息，可在模塊中定義的方程中利用信息(圖7)。
[0075]還可通過邊緣(被稱為結構邊緣)定義模塊之間的邏輯結構。邏輯結構代表一種本體論，如同諸如「具有」關係的模塊之間的關係。依據生理學，其對應於「構成」(例如，許多心肌細胞構成心臟)、「包括」(細胞膜包括細胞器)等。
[0076]圖7示出用於代表模塊、物理量和邊緣的PHML的示例性概要。在模塊I中，定義了兩個物理量a和y。a是靜態參數(即，常數)並且y是用於定義常微分方程的狀態。y與用於輸出其值的出口關聯，通過函數邊緣和入口由模塊2中的物理量接收其值。通過模塊I中的y和模塊2中的y之間的這種關聯，模塊I中定義的y的值用在模塊2中的x的方程中。模塊3和模塊4位於模塊2的子層。
[0077]本申請提供了用於設置可通過PHML描述的所有構造的圖形用戶接口。圖8是本申請的用戶顯示器中的一些畫面的截圖示例。如在圖8中示意性示出的，本申請以兩種方式用圖表示出模型。一個是樹狀圖，另一個是網狀圖。主窗口還包含物理量和所選擇模塊的埠的表格以及模塊的組成列表。另外，存在XML查看器和Phys1Terminal，用戶可基於Python 和 Phys1Designer? API 在 XML 查看器和 Phys1Terminal 上執行命令。
[0078]另外，本申請提供了用Python編寫的API (應用編程接口)。使用API，用戶可在不使用⑶I的情況下用Pytho shell完全處理終端(或控制臺)上的模型。
[0079]在一些實施方式中，可通過SBML-PHML混合建模執行多級建模。SBML (系統生物標記語言)是生物處理(諸如，新陳代謝、細胞信號傳導和更多)的計算機模型的XML格式。PHML被設計成使用其模表示來代表功能網絡和分層結構。通過組合SBML和PHML，可以將能力擴展到構造包括多級生理現象的模型。在一些實施方式中，可提供用於在PHML的模塊中引入整個SBML模型的功能。然後，模塊可代表通過SBML模型建模的亞細胞現象。通過用函數和結構邊緣將帶有SBML模型的模塊連結於其它模塊，就結構和函數關係而言，SBML模型最終可被有效地嵌入PHML模塊網絡中。在PHML規範中的模塊部分內存在用於描述整體SBML模型的引入部分。實際上，不僅SBML而且任何模型格式可嵌入模塊中。
[0080]在SBML中，存在用於表達生物化學實體的量屬性的「個體」和「參數」。在包括SBML模型的模塊中，可以定義與個體或參數關聯的物理量，以設置或獲得數值。PHML部分中的物理量可通過充當從SBML部分到PHML部分的單向橋的「get」定義來利用SBML模型中定義的數字信息。類似地，但方向相反地，「set」定義可通過在不修改SBML模型本身的情況下覆寫SBML模型中的個體或參數的原始定義來定量地從PHML部分影響到SBML部分。通過定義getter和setter，SBML模型有效地參與模型。
[0081]模擬系統
[0082]在本公開中，實現上述模擬系統的一些或全部特徵的模擬系統可與上述的模型構建軟體結合使用。本發明的一些實施方式可被構造成實現本文描述的Flint?和/或Flint?系統中的一些或全部特徵。
[0083]在本發明中，用於模型構造的任務和用於模擬的任務是分開的。用戶的重點可放在用於構建模型的結構和邏輯上，而沒有實現用於數字計算的算法的麻煩，因為這些任務是由接收通過模型構建軟體構建的模型的模擬系統操縱的。
[0084]圖9示出經授權用戶可訪問的網頁上的用戶界面的示例性截圖。在Flint?的頂層窗口中，用戶可選擇數字整合算法(例如，Euler方法或四階Runge-Kutta方法)，設置模擬持續時間和具有時間單位和用於將值記錄在數據文件中的取樣間隔的時步(圖9中的A)。在運行模擬之前，可以選擇記錄在數據文件中的物理量(圖9中的B)。通過這些設置(取樣間隔和物理量選擇)，可以使數據文件的大小較小。圖9中的C示出圖形輸出。Flint?可用圖表示出模擬期間的中間結果(圖9中的C和D)。可與模擬進展基本上實時地更新圖表。這個特徵方便用戶在他們想要執行會花費長時間的模擬時檢查模擬的當前狀態。在Flint?上實現的繪圖儀可將圖表輸出到諸如H)F、PNG等圖像文件。Flint?還支持諸如gnuplot的外部繪圖儀來創建供公開或展示的更合適的圖。
[0085]模擬系統可被構造成執行使用SOSlib用SBML以及PHML編寫的模型的模擬。該系統可被構造成解析並且執行SBML-PHML混合模型的模擬。這是建模和模擬如上提到的時空多級生理系統的模型的有效方式。首先，Flint?提取所有方程並且定義方程之間的關係。接著，它在內部同時編譯這些方程。Fl int?可處理具有可包括隨機項的ODE (常微分方程)和DDE (時滯微分方程)的方程。
[0086]模擬系統可被構造成使用MPI支持並行計算(例如，已經用OpenMPI 1.4或後續版本在Flint?中實現)。模擬系統將模擬自動劃分到多個CPU(處理器)。這是用戶使用這個平臺的優點之一，因為如果用戶想要採用在多核或PC叢集環境下的並行計算，則用戶常常需要另外學習專門的技術來開發可執行並行計算的模擬器。這常常是非常耗時的任務。
[0087]為了開發本發明的實施方式的模擬系統的雲支持特徵，引入清楚的客戶機-伺服器架構來提高其便攜性。
[0088]在Flint?的情況下，伺服器部分被實現為稱為「isbus」的程序。客戶端軟體將消息發送到isbus，以請求執行子程序。子程序中的每個起到專門的作用，像是解析和檢查模型等。Flint?提供了用Java實現的⑶I客戶端。相同的功能可被實現為網絡應用，如下所述。當客戶端正在運行模型的模擬時，客戶端首先將開始模擬模型的請求與參數打包在一起並且將它發送到isbus的專用TCP埠。接著，isbus讀取消息，發起運行模型的模擬進程的程序「isrun」，將響應打包並且將它發送回客戶端。注意的是，以中立方式用程式語言定義打包消息，因此，存在用於處理格式的C++/Java/Python的庫。在進行模擬的過程中，模擬進程將進展信息異步發送到客戶端。客戶端可接收或忽略此信息。
[0089]帶有雲計算的模擬系統
[0090]由於模型的大小現在變得越來越大，因此需要在高性能計算機上工作的模擬系統。為了滿足這個需要，已經開發出實現上述特徵中的一些或全部並且可從事雲計算的模擬系統。這樣開發出的系統被命名為Flink K3?(Knit Knowledge Knack)(下文中有時被稱為K3)。用這個系統，Phys1Designer ?的用戶(或其它模型構建環境中的用戶)可立即將模擬工作發送到高性能雲計算環境，即便用戶沒有任何權利訪問高性能計算機。已經用 「edubaseCloud」 (http://edubase.jp/cloud)開發出 K3，「edubaseCloud」 是用於國立情報學研宄所(Nat1nal Institute of Informatic，Nil)開發的雲工程教育的基於開放源的計算機雲。為了開發並且初步測試運行Flink K3?，分派雲上的64個核。
[0091]K3由如圖10中所示的兩種類型的伺服器構成。一個是接口伺服器(IFS)，它從用戶接收工作請求並且管理工作，在計算機C5中實現。模擬工作被從IFS發送到分別在雲1001、1102中的各個計算機C7和C8中實現的模擬伺服器(SS)。SS在為模擬分派的每個節點處喚起計算程序(CP)。CP並行執行在之間進行通信的模型的數字計算。
[0092]在圖10中示出的架構中，好像IFS可變成流量的瓶頸。為了避免這個問題，可通過多種方式確保IFS處的流量可擴展性。一種方式是在各雲上設置一種網關，使得IFS的功能的部分可被網關接管。在網關和SS之間進行詳細通信，在IFS和網關之間只互換必要的壓縮信息。另選地或另外地，可針對與反向代理伺服器的負載平衡提供IFS的多個複製。然後，系統可支持安全單點登錄並且同時將負載分布於多個IFS。
[0093]在這個實施方式中，用戶有三種方式將模擬工作提交到Flink K3-- 一種方式是在網絡瀏覽器上訪問K3IFS。用戶可通過用它們各自的計算機C6訪問IFS託管的網站來在站點上傳模型並且構造模擬參數用於提交模擬工作(圖10)。第二種方式是在開放域中利用Κ3和模型資料庫之間的連結(圖10)。目前，存在Phys1me.jp (http://www.phys1me.jp/modeldb/indexl.php)處的 PHML 模型資料庫和諸如 Payao 資料庫(http://celldesigner.0rg/payao/index.html)和 EMBL-EBI 中的 B1Models(http://www.eb1.ac.uk/b1models_main/)的多個站點處的SBML模型資料庫。用戶可將各資料庫中定義的模型ID提供給K3IFS。接著，K3IFS訪問資料庫並且從模型資料庫直接下載模型。一旦構建了模擬伺服器和資料庫之間的這種連結，用戶就可檢查資料庫中模型的動態。第三種方式是使用在IFS上實現的REST API (諸如，simulate (model, parameters)、getStatus (job-1d)和 getProgress (job-1d))，使得諸如 Phys1Desinger?的應用可直接訪問K3，例如，以提交模擬工作並且取得模擬的進展報告。
[0094]圖11示出Flint K3?系統的內部架構的概要。用戶代理對接口伺服器(IFS)上的網絡應用進行訪問，工作相關信息(諸如，模型文件和參數)被存儲在存儲器中。ISBUS從存儲器取得工作信息，並且發送信號以向雲中的模擬伺服器(SS)中的ISRUN發起模擬。ISRUN喚起用於雲中多個節點中的計算的多個進程。模擬的進展信息通過IFS上的網絡應用被反饋回用戶。
[0095]基本上，Flint K3?與Flint ?的獨立版本具有相同的架構，除了下面的三個主要差別之外。第一，K3的安全性增強，因為用戶必須在會話中被認證和授權。IFS利用OAuth標準。用戶可使用Facebook、Twitter、Google和Dropbox上的帳戶登錄到IFS。第二，由於K3在具有均具有物理多核的大量機的雲環境中工作，因此K3應該就核的使用找到所需的基於MPI虛擬機構造。也就是說，可以將大模擬進程映射到一個具有許多物理核的厚置備虛擬機，以及將許多小進程映射到具有幾個核的幾個精簡置備虛擬機。第三，應該通過有效調度來控制可能長壽命的模擬工作。
[0096]如上所述，在本發明的一些實施方式中，開發出多級建模和模擬的軟體框架。該軟體框架由作為模型構建器的Phys1Desinger?、作為模型描述語言的PHML、作為模擬器的Flint?組成，目的在於加速整合生理和系統生物的進程。作為獨立Flint?應用的擴展形式，Flint K3?系統被開發成具有雲兼容性，以容易訪問高性能計算環境。可通過如上所述的多個計算機實現軟體框架。
[0097]由於圖10中示出的組成，可以僅通過將模擬伺服器(圖10中的SS)調諧成用於最優化性能的新系統架構將K3延伸到其它雲或計算機叢集。
[0098]存在另一種被稱為Garuda平臺的項目，目的是提供連貫地連結系統生物中的軟體和知識的基本技術。可利用不僅來自Phys1Designer?而且諸如CellDesigner的Garuda聯盟(http://www.garuda_alliance.0rg/)中的其它工具的 Flint?組和 Flint K3?服務。參見圖10。這樣擴展了 Flint?相關技術的範圍和系統生物和整合生理之中的本發明的其它實施方式。
[0099]如以上參照圖1至圖6描述的實施方式中的，計算機C5(圖10)託管的IFS可由三種不同組件構成:接口組件、工作控制組件和模擬執行組件，可由一個或多個計算機實現各組件。防火牆中的一個或多個可被設置在合適的位置(諸如，接口組件和工作控制組件之間)，使得IFS可被構造成與一個或多個社交網絡服務或在公共網絡(諸如，網際網路)中或者私有或半私有網絡中可用或開發的類似服務相互作用，以通過這種服務接收模擬工作。
[0100]本領域的技術人員應該清楚，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可在本發明中進行各種修改和變形。因此，本發明旨在涵蓋落入隨附權利要求書及其等同物的範圍內的修改形式和變形形式。特別地，明確料想到，上述實施方式及其修改形式中的任何兩個或更多個的任何部分或全部可被組合併且被認為在本發明的範圍內。
[0101]參考符號列表
[0102]103模擬系統
[0103]201 接口組件
[0104]202模擬工作控制組件
[0105]203模擬執行組件
[0106]301網際網路
[0107]302,303 用戶
[0108]1001、1002 雲
[0109]C1、C2、C3、C5、C7、C8 計算機
[0110]C4、C6本地個人計算機
[0111]Dl資料庫
[0112]Fff防火牆
【權利要求】
1.一種模擬系統，該模擬系統包括: 在一個或多個計算機中實現的接口組件，所述接口組件產生模擬工作並且將所述模擬工作登記在資料庫中，所述接口組件的至少一部分被置於防火牆外部並且連接到比防火牆內部的網絡具有更少的訪問限制的公共或共享網絡，以從防火牆外部接收模擬模型； 在一個或多個計算機中實現的工作控制組件，所述工作控制組件訪問所述資料庫以獲取所述模擬工作並且調度所述模擬工作來執行； 在一個或多個計算機中實現的模擬執行組件，所述模擬執行組件從所述工作控制組件接收所述模擬工作，創建用於數字並行計算算法的可執行代碼並且將計算進程分布於多個計算機以執行所述模擬工作， 其中，所述工作控制組件從所述模擬執行工作接收模擬進展信息，將所述模擬進展信息登記在所述資料庫中，並將所述模擬進展信息發送到所述接口組件， 其中，所述模擬執行組件將所述模擬進展信息發送到所述工作控制組件，暫時存儲通過所述模擬工作創建的數據，並且將模擬結果發送到所述接口組件， 其中，所述接口組件在所述接口組件託管的網站上顯示所述模擬進展信息和所述模擬結果或者向用戶發送消息以將所述模擬進展信息和所述模擬結果通知用戶。
2.根據權利要求1所述的模擬系統，其中，所述接口組件被構造成從位於所述防火牆外部的用戶接收模擬模型並且按照所述模擬模型產生所述模擬工作。
3.根據權利要求2所述的模擬系統，其中，所述接口組件連接到包括社交網絡主機的公共網絡，並且接收通過所述社交網絡主機託管的社交網絡網站提交的所述模擬模型。
4.根據權利要求2所述的模擬系統，其中，所述接口組件被構造成從Facebook群組、Google+圈子、Google drive、Dropbox或公布於網際網路上的模型資料庫中的任一個或多個接收模擬模型。
5.根據權利要求2所述的模擬系統，其中，用SBML(系統生物標記語言)、CellML和PHML (生理分層標記語言)中的任一個或多個表達所述模擬模型。
6.根據權利要求1所述的模擬系統，其中，所述接口組件在所述網站上顯示所述模擬結果的圖表，並且將所述模擬結果發送到社交網絡服務，以在社交網絡網站中顯示所述模擬結果。
7.根據權利要求1所述的模擬系統，其中，所述工作控制組件和所述模擬執行組件在所述防火牆內部的一個或多個計算機的同一集合中實現。
8.根據權利要求1所述的模擬系統，所述模擬系統還包括一個或多個另外的模擬執行組件， 其中，當處理多個模擬工作時，所述工作控制組件將所述多個模擬工作分別分派給多個模擬執行組件， 其中，在所述多個模擬執行組件的至少一些中，多個計算機通過實時通信網絡連接以執行將計算分布於所述網絡上來執行所述模擬工作。
9.根據權利要求8所述的模擬系統，其中，所述實時通信網絡是網際網路。
10.根據權利要求1所述的模擬系統，其中，所述防火牆被置於所述接口組件和所述工作控制組件之間。
11.根據權利要求1所述的模擬系統，所述模擬系統還包括連接到所述接口組件的客戶端計算機，所述客戶端計算機在所述防火牆外部並且安裝有模型構建軟體，以產生用SBML(系統生物標記語言)、CellML和PHML(生理分層標記語言)中的任一個或組合編寫的用於模擬的模型，所述客戶端計算機將所述用於模擬的模型提交到所述接口組件。
【文檔編號】G06Q50/10GK104428811SQ201380036791
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年7月11日 優先權日:2012年7月12日
【發明者】淺井義之, 安部武志, 北野宏明, 置田真生, S·高希, 松岡由希子 申請人:學校法人衝繩科學技術大學院大學學園, 特定非營利活動法人系統生物學研究院