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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Chemistry
标  题: 电脑象棋和量子化学——计算量子化学的新思路(一)
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Tue Mar 29 12:05:23 2005)

电脑象棋和量子化学
——计算量子化学的新思路

黄晨 *　2005年3月
(* 联系地址：复旦大学化学系表面化学实验室，eMail：morning_yellow@elephantbase

.net)


A．引擎和引擎协议

A1. 什么是引擎？
A2. 什么是引擎协议？什么是开放式引擎协议？
A3. 目前流行的国际象棋引擎协议有哪些？
A4. 量子化学计算程序Gaussian有没有引擎和引擎协议？
A5. 国际象棋引擎协议当中要规定哪些内容？
A6. 象棋引擎的运作方式有哪些？它们各有什么优缺点？
A7. 量子化学计算程序是否需要引擎协议？
A8. 量子化学计算程序的引擎协议需要规定哪些内容？
A9. 界面的设计要有哪些要求？

A1. 什么是引擎？

　　“引擎”这个概念是从汽车上借用过来的。引擎是汽车的核心部件，在一个计算机
软件上，“引擎”是核心程序，它可以象汽车上的引擎一样卸下来，移植到其他软件上
。通常软件除了引擎以外还有“界面”程序，界面就如同汽车的底盘，它是引擎的操作
平台。

A2. 什么是引擎协议？什么是开放式引擎协议？

　　引擎和界面是相对独立的两种程序，它们之间的配合需要两个关键步骤：
　　(1) 界面给引擎发出指令，告诉引擎该如何运行；
　　(2) 引擎及时给界面发出反馈信息，报告自己的运行状态和运行结果。
　　界面和引擎之间的通讯协议就是“引擎协议”，它规定了界面给引擎发出的指令，
以及引擎向界面反馈的有效信息。在多任务的操作系统平台上，通常界面在前台运行，
引擎在后台运行，它们之间的通讯可以通过以下几种方式：
　　(1) 标准输入输出：这是最常用的方式，因为这种方式最容易制订引擎协议，在各
种平台下都可以使用。
　　(2) Windows的DDE通讯：DDE通讯是Windows中最灵活的通讯方式。
　　(3) Windows的DLL库的API函数，调用API函数是Windows中速度最快的通讯方式。它

和DDE通讯都只限于Windows操作平台，当然，有些非Windows的平台下有类似的通讯方式

，不过移植起来不像标准输入输出那样方便。
　　(4) 磁盘文件传输：这是最简单有效的方式，但是通讯效率低，不同平台的文件格
式和读写方法也不相同，所以不易采用。
　　开放式引擎协具有以下特点：
　　(1) 协议内容是公开的，并且可以免费使用；
　　(2) 任何人都可以根据该协议自己编写引擎，凡是支持该协议的界面，都可以使用
他编写的引擎；
　　(3) 任何人都可以根据该协议自己编写界面，凡是支持该协议的引擎，都可以被他
编写的界面调用。

A3. 目前流行的国际象棋引擎协议有哪些？

　　目前流行的国际象棋引擎协议有：
　　(1) ChessBase协议，它是非开放的引擎协议(通讯方式可能是Windows的API函数)；


　　(2) WinBoard协议，比较成熟的开放式引擎协议，通讯方式是标准输入输出；
　　(3) UCI协议，最近兴起的开放式引擎协议，通讯方式也是标准输入输出，ChessBas

e专门为UCI协议制作了引擎适配器，因此它将成为今后国际象棋引擎的主流平台。关于U

CI协议的内容，请参阅《国际象棋通用引擎协议》一文。

A4. 量子化学计算程序Gaussian有没有引擎和引擎协议？

　　Gaussian(意思是“高斯函数”)是化学界最常用的量子化学计算程序，它的创立者J

. A. Pople因此而获得1998年诺贝尔化学奖。Gaussian的Windows版本具有一个简单的界

面，在运算时调用的是从L1到L9999的Link程序，显然这是一个多引擎的程序，众多Link

程序就是Gaussian的引擎。
　　遗憾的是，Gaussian的说明手册中没有提到Link程序的引擎协议。从表观上说，这
些引擎具有以下特点：
　　(1) Gaussian通过磁盘文件为Link程序提供信息；
　　(2) Link程序在运行时不接收任何信息；
　　(3) 众多Link程序不是同时运转的，前一个程序停止了，后一个程序接着前一个程
序的运算结果继续运算；
　　(4) 某些软件(如Linux下的Molden)可以根据Link程序输出的结果来查看运算过程，

而不中断Link程序的运行，但它们无法操控Link程序该如何计算。
　　所以，Gaussian和Link程序之间的通讯不是依靠引擎协议的，Link程序也称不上严
格意义的引擎。

A5. 国际象棋引擎协议当中要规定哪些内容？

　　首先要规定通讯方式，可以是标准输入输出，也可以是DDE或者API，当然最好不要
通过读写磁盘文件来通讯。
　　其次，需要涉及到国际象棋的规范了：
　　(1) 记谱方法：规定一步棋是如何表示的，国际象棋中通常采用代数格式，即用棋
子的起始坐标和到达坐标表示一步棋；
　　(2) 局面描述方法：规定一个局面是如何表示的，国际象棋中通常采用FEN格式，请

参阅《国际象棋译文苑》文摘——《关于PGN和FEN记谱规范(下)》一文；
　　(3) 棋局描述方法：这在国际象棋引擎中不是非常必要，可参考《国际象棋译文苑
》文摘——《关于PGN和FEN记谱规范(上)》一文；
　　(4) 引擎运作方式：这点在后面将会提到。
　　除此以外，还要规定一些常用指令(从界面到引擎的)和反馈信息(从引擎到界面的)
，例如如何设置参数，引擎是如何反馈思考过程和结果的，等等。请参阅《国际象棋通
用引擎协议》一文。

A6. 象棋引擎的运作方式有哪些？它们各有什么优缺点？

　　象棋引擎的运作方式一般有两种：
　　(1) 连贯方式：界面把自己的着法告诉引擎，引擎随后输出它的着法，此时界面把
自己下一步着法告诉引擎，再让引擎响应，这样直到棋局终止，WinBoard协议就使用这
样的方式。这种方式有利于界面的设计，界面只要把一步步着法告诉引擎就可以了，甚
至用不着考虑规则，一切由引擎判断和处理，连违反规则的着法也可以由引擎来指出(例

如WinBoard界面从不判断“吃过路兵”的合理性，必须由引擎来判断)。采用连贯方式的

引擎协议通常会加重引擎设计者的负担。
　　(2) 单步方式：界面把当前局面告诉引擎，引擎只针对该局面输出它认为的最佳着
法，界面着下一步着法时，不是告诉引擎走哪一步，而是把走完这步的局面告诉引擎，U

CI协议就使用这样的方式。和连贯方式恰恰相反，单步方式可以使引擎设计者的负担减
轻很多。然而单步方式可能存在潜在的危险，对于象棋中重复局面的发生，可能只传递
一个局面是无法说明情况的。因此对于单步方式来说，制定完善的引擎协议是具有一定
难度的。

A7. 量子化学计算程序是否需要引擎协议？

　　量子化学计算程序通常可以完成以下计算：
　　(1) 计算某个化学粒子(原子、分子或离子)的基本性质，例如能量、能级、光谱、
电荷分布、磁屏蔽效应等，这种计算是量子化学最基本的计算，通常称为“单点计算”
；
　　(2) 计算分子的振动性质，从而获得分子的红外光谱和热力学函数，通常称为“频
率计算”；
　　(3) 优化分子结构，即寻找势能面上的极小值点；
　　(4) 寻找反应过渡态，即寻找势能面上的鞍点。
　　在这些运算当中，困难最大的是优化分子结构和寻找反应过渡态。原因有以下两点
：
　　(1) 大部分分子在指定构型附近的势能面上，往往存在多个极小值点或鞍点，究竟
哪个点是最终需要的构型，计算程序是无法判别的，需要人工选择，在寻找极小值点或
鞍点时不断引导，达到最终需要的构型。
　　(2) 步长的设置必须随势能面而变化，势能面平缓时可以扩大步长，势能面陡峭时
必须缩小步长，至于如何扩大和缩小步长，没有很严格的算法，必要时需要人工干预。
　　从这两点可以看出，人工干预是量子化学计算过程中的重要手段，为此需要开发“
计算量子化学界面”，真正计算过程是由“量子化学计算引擎”来完成的，这就需要在
界面和引擎之间实现通讯，通过界面随时接收引擎运算结果，并干预引擎使它按照用户
的意愿来完成工作。

A8. 量子化学计算程序的引擎协议需要规定哪些内容？

　　国际象棋引擎协议的内容可以移植到量子化学计算程序上。这里需要特别指出的是
，量子化学必须建立描述分子结构和化学反应的规范，这些规范包括：
　　(1) 确定单位制，最好采用“原子单位制”；
　　(2) 分子构型的输入和输出格式，最好同时支持直角坐标和自然坐标；
　　(3) 单点计算参数的设置方案；
　　(4) 单点计算结果的输出方案；
　　(5) 构型搜索参数的设置方案；
　　(6) 构型搜索结果的输出方案。

A9. 界面的设计要有哪些要求？

　　理论上只要引擎是以“标准输入输出”方式工作的，就可以不依靠其他程序单独工
作。但是像过去的DOS操作系统一样输入行命令，并不是一件愉快的事。对于引擎来说，

界面起到代替行命令的功能，它至少需要实现两个基本的功能：
　　(1) 根据用户的意图向引擎发送命令；
　　(2) 获取引擎的反馈信息并根据用户所能接受的方式显示出来。
　　这就需要界面同引擎配套，所以界面必须根据引擎协议来完成以上两个任务。
　　除此以外，界面还可以做其他事情。例如绝大多数象棋界面都具有制作棋谱的功能
，计算量子化学界面也应该如此，能画出漂亮的分子结构，才能被化学家们所青睐。
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