KR101295861B1 - Multiple Linear Regression―Artificial Neural Network Hybrid Model Predicting Lower Flammability Limit Volume Percent of Organic Compound - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소(H), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 황(S) 등 5가지 이내의 원소로 구성되고 수소를 제외한 원자의 개수가 25개 이하인 분자로 이루어진 순수한 유기화합물의 인화 하한 부피 퍼센트(lower flammability limit volume percent)를 높은 정확도로 예측하는 수학적 모형을 제공한다. 상기의 모형은, 인화 하한 부피 퍼센트의 실험값이 알려져 있는 상기 조건을 만족하는 다수의 유기화합물들에 대해, 다양한 분자표현자(molecular descriptor)들 중 일부를 독립변수로, 인화 하한 부피 퍼센트를 종속변수로 하는 많은 다중선형회귀모형(multiple linear regression model)들 중 최선의 것을 유전적 알고리즘(genetic algorithm)을 사용하여 구한 뒤, 이 모형에 포함된 분자표현자들의 값을 입력받아 인화 하한 부피 퍼센트를 출력하는 인공신경망(artificial neural network)을 구성함으로써 예측성능을 더욱 향상시킨 다중선형회귀-인공신경망 혼성모형(hybrid model)으로서 QSPR(quantitative structure-property relationship) 모형의 일례이며, 모형에 포함된 분자표현자들의 구체적인 값만 알 수 있다면 그 어떤 분자든, 이 분자로 순수하게 이루어진 화합물의 인화 하한 부피 퍼센트를 예측하여 준다. 이처럼, 본 발명은 실험값이 알려지지 않은 수많은 상기 조건의 유기화합물에 대해서도 신뢰할만한 인화 하한 부피 퍼센트의 값을 예측할 수 있는 방법을 제공하여 줌으로써 실험에 드는 비용과 시간을 절약하게 해주어, 관련 산업의 연구개발활동을 용이하게 하는 등의 효과를 낳는다.The present invention consists of up to five elements such as hydrogen (H), carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O), and sulfur (S), and is composed of pure molecules consisting of up to 25 atoms except hydrogen. A mathematical model is provided to predict with high accuracy the lower flammability limit volume percent of organic compounds. The above model is based on the lower limit of the volumetric volume percentage as an independent variable for a plurality of organic compounds satisfying the above-mentioned conditions for which the experimental value of the lower volumetric volume limit is known. The best of many multiple linear regression models is obtained by using a genetic algorithm, and then the value of the molecular descriptors included in this model is input to output the lower volume percent of print. It is an example of a quantitative structure-property relationship (QSPR) model, which is a hybrid model of multiple linear regression-artificial neural network that further improves predictive performance by constructing an artificial neural network. Lower bound volume percentage of any molecule that is purely composed of this molecule Prediction give to. As such, the present invention provides a method for predicting the value of the lower limit of the flammability volume value even for a large number of organic compounds in the above-mentioned conditions, in which the experimental value is unknown, thereby saving the cost and time required for the experiment, and research and development in related industries. It produces effects such as facilitating activities.
Description
본 발명은, 물성예측이라는 물리화학의 한 분야에 속하는 것으로 유기화합물의 여러 물성 중 하나인 인화 하한 부피 퍼센트를 높은 정확도로 예측하기 위한 방법에 관한 것이다.
The present invention belongs to a field of physical chemistry called physical property prediction and relates to a method for predicting with high accuracy a lower flammable volume percentage, which is one of several physical properties of an organic compound.
유기화합물의 여러 물성의 정확한 값을 구체적으로 아는 것은 그 물질의 용도의 타당성을 검토하거나 합성 및 정제 과정을 설계하고 보관, 운반, 사용, 폐기의 방법과 조건을 설정하는 등, 생산과 소비의 전 과정에 걸친 제반 의사결정 사항들에 결정적이기 때문에 산업적으로나 학문적으로 매우 중요한 문제이다. 관심 있는 유기화합물의 관심 있는 물성의 값을 가장 정확하게 알 수 있는 방법은 역시 실험이겠으나 정제된 시료의 준비, 정확한 측정을 위한 환경의 구축 등 여러 가지 측면에서 상당한 비용과 시간이 드는 것이 사실이며 경우에 따라서는 불가능할 수도 있다. 따라서, 그 대안으로 오래전부터 많은 연구자들이 유기화합물의 여러 물성의 정확한 값을 예측하고자 노력을 기울여 왔다. 이처럼 물성 예측은 오랜 역사를 가지며 끊임없이 새로운 예측 방법들이 등장하여 현재는 물성별로 정확도와 적용범위 등이 서로 다른 여러 예측모형들이 공존하고 있는 상황이다.Knowing the exact values of the various properties of an organic compound in detail can be used to determine the feasibility of the use of the substance, to design the synthesis and purification processes, and to establish methods and conditions for storage, transport, use, and disposal. It is an important issue both industrially and academically because it is critical to all decision-making processes throughout the process. The most accurate way of knowing the value of the property of interest of an organic compound of interest is also an experiment, but it is true that it is quite costly and time consuming in many aspects, including the preparation of purified samples and the construction of an environment for accurate measurement. Therefore, it may not be possible. Thus, as an alternative, many researchers have long tried to predict the exact value of various physical properties of organic compounds. As such, property prediction has a long history, and new prediction methods are constantly appearing. Currently, prediction models with different accuracy and scope of application coexist.
본 발명의 관심 물성인 인화 하한 부피 퍼센트에 대해서도 현재까지 여러 예측모형들이 제안되었다. 인화범위는 인화하한과 인화상한으로 구분되는데 이는 가연성 가스가 공기와 혼합해 있을 때 점화원에 의하여 계속적으로 인화할 수 있는 가스를 발생하는 최저점에서의 농도를 인화 하한 부피 퍼센트(lower flammability limit volume percent)라 한다.Several predictive models have been proposed to date for lower flammable volume percentages, which are the properties of interest of the present invention. The flammability range is divided into a lower flammability limit and an upper flammability limit, which is the lower flammability limit volume percent when the flammable gas is mixed with air, the concentration at the lowest point that generates a gas that can be continuously flammable by the ignition source. It is called.
현재까지 인화 하한 부피 퍼센트에 대한 그룹기여 예측모형은 보고된 것이 없었고 대안이 될 수 있는 다른 방법들의 하나는 QSPR(quantitative structure-property relationship) 방법이다. 이 방법은 기본적으로 화합물의 물성은 그 분자의 구조적 특성들의 함수라는 가정에서부터 출발하고 있으며 서로 다른 여러 구조적 특성들을 반영하는 다양한 분자표현자(molecular descriptor)들을 이용한다. 현재까지 제안된 분자표현자들의 종류는 수천에 이르며 한 분자내의 탄소나 수소의 개수와 같은 단순한 것들로부터 분자의 모양이나 연결상태, 전기화학적 특성과 같은 복잡한 것들에 이르기까지 수많은 종류의 분자표현자들에 대한 계산법들이 개발되어 있다[Todeschini R., V. Consonni V., Molecular Descriptors for Chemoinformatics: Second , Revised and Enlarged Edition : Volume I/ II, Wiley-VCH, 2009]. QSPR 예측모형은 이러한 분자표현자들 그리고 때로는 이에 더하여 화합물의 다른 물리화학적 물성들(이들 역시 구조적 특성들의 함수이다) 중 일부를 독립변수로 포함하는 함수의 형태로 제시된다.To date, no group contribution model has been reported for lower flammable volume percentages and one alternative is the quantitative structure-property relationship (QSPR) method. This method basically starts with the assumption that the properties of a compound are a function of the structural properties of the molecule and uses various molecular descriptors that reflect different structural properties. The number of molecular descriptors proposed to date has been thousands, and many kinds of molecular descriptors range from simple ones such as the number of carbons or hydrogens in a molecule to complex ones such as the shape, connection state, and electrochemical properties of molecules. Calculations have been developed for Todeschini R., V. Consonni V., Molecular Descriptors for Chemoinformatics: Second , Revised and Enlarged Edition : Volume I / II , Wiley-VCH, 2009]. The QSPR prediction model is presented in the form of a function that includes some of these molecular descriptors and sometimes, in addition, some of the other physicochemical properties of the compound, which are also functions of structural properties.
이때 이러한 함수의 꼴로 가장 빈번이 채택되는 것은 아래와 같은 표현자들의 선형 결합 함수이며 각 계수 들은 주로 다중선형회귀분석을 통해 실험데이터로부터 결정된다.The most frequently adopted form of such a function is Linear coupling function of each coefficient These are mainly determined from experimental data through multiple linear regression analysis.
QSPR 모형을 만드는 또 다른 방법은 인공신경망을 이용하는 것이다. 인공신경망 기법은 지능을 가진 인간의 신경세포를 모델링하여 인공적으로 지능을 가진 기계를 만들어 보고자 하는 인류의 오랜 연구결과의 하나로서, 20세기 중반에 처음 등장하여 현재 다방면으로 응용되고 있는 정보처리기술이다. 도 2는 인공신경망의 전형적인 한 예를 보여주고 있다. 여기서 볼 수 있듯이, 인공신경망에는 입력 데이터를 수용하는 입력층(input layer)과 출력데이터를 만드는 출력층(output layer), 이들 사이에 위치한 은닉층(hidden layer)이 존재하며 각 층은 하나 이상의 노드(node)들로 구성되어 있다. 은닉층의 각 노드들은 입력층과 출력층의 노드들과 연결되어 있으며 각 연결들에는 가중치(weight)라 불리는 양 이 부여되어 있다. 은닉층과 출력층의 각 노드들은 전 단계의 노드들로부터 이러한 연결들을 통해 입력을 받은 뒤 이를 가공하여 출력값을 만드는데 이때 활성화 함수(activation function)라 불리는 함수 를 적용한다. 이러한 인공신경망을 실제로 활용하려면 먼저, 다양한 입력값과 그 입력값에 대응하는 출력값을 함께 묶어 놓은 샘플집합을 이용하여 인공신경망을 훈련시키는 과정이 필요한데 이는 주어진 입력에 대한 인공신경망의 출력과 원하는 출력의 차이가 최소가 되도록 역전파(back propagation) 알고리즘을 사용하여 각 연결의 가중치를 최적화하는 것을 말한다. 이러한 훈련을 거친 인공신경망은 문제해결에 필요한 규칙이나 지식을 따로 제공하지 않아도 학습을 통해서 스스로 일반적인 규칙을 수립하여 미지의 입력에 대해서도 타당성 있는 출력을 내주므로 화합물의 물성예측과 같이 기반 이론이 결여되어 있는 분야에 매우 유용한 수단으로 널리 이용되고 있다.Another way to create a QSPR model is to use an artificial neural network. Artificial neural network technology is one of the long-standing research results of human beings who want to make intelligent machines by modeling human nerve cells with intelligence, and is an information processing technology that has been applied in various fields since the mid 20th century. . 2 shows a typical example of an artificial neural network. As can be seen, the artificial neural network has an input layer for receiving input data, an output layer for producing output data, and a hidden layer located between them, each layer having one or more nodes. ) Each node in the hidden layer is connected to nodes in the input and output layers, and each connection has a quantity called a weight. Is granted. Each node in the hidden and output layers receives input through these connections from the nodes in the previous stage and then processes it to produce an output, which is called an activation function. Is applied. In order to actually use such an artificial neural network, first, the neural network is trained using a sample set in which various input values and output values corresponding to the input values are bundled together. This means optimizing the weight of each connection using a back propagation algorithm to minimize the difference. The neural network that has undergone such training does not provide the necessary rules or knowledge to solve the problem, but it establishes general rules through learning and gives valid output for unknown inputs. It is widely used as a very useful means in the field.
인화 하한 부피 퍼센트에 대한 QSPR 예측모형은 몇몇 제안된 것들이 있으나 아직 널리 이용되고 있는 것은 없다. Gharagheizi는 분자표현자를 이용한 유전자 알고리즘-다중선형회귀모형을 제시하였으나[Gharagheizi F., Energy & Fuels, 22, 5, (2008)], 예측성능은 그다지 좋지 못했다. 이후 여기에 그룹기여 방법에 인공신경망 기법을 적용하여 새로운 모형[Gharagheizi F., J. Hazard . Mater ., 170, 595 (2009)]을 제안하였고 1057개의 대상으로 하였고 이전보다 좀 더 향상된 결과를 얻을 수 있었지만 105개에 달하는 조각형식이 사용되었으며 그룹기여 방법이 가지는 문제점이 계속 남아 있다. The QSPR prediction model for lower flammable volume percentages has been proposed, but not yet widely used. Gharagheizi proposed a genetic algorithm-multilinear regression model using molecular descriptors (Gharagheizi F., Energy & Fuels , 22, 5, (2008)), but the predictive performance was not very good. Later, we applied artificial neural network technique to group contribution method [Gharagheizi F., J. Hazard . Mater . , 170, 595 (2009)], 1057 subjects, and more improved results than before, but 105 pieces were used, and the problems of group contribution methods remain.
Pan과 그의 동료들은 순수한 탄화수소에 대해 QSPR 예측모형[Pan Y., Jiang J., Ding X., Wang R., Jiang J., AIChE J., 56, 3 (2010)]을 제안하였으나 대상도 284개로 다양성이 적고 예측성능도 좋지 않았다.
Pan and his colleagues proposed a QSPR prediction model for pure hydrocarbons [Pan Y., Jiang J., Ding X., Wang R., Jiang J., AIChE J., 56, 3 (2010)]. Dogs are less diverse and have poor predictive performance.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 보다 많은 실험데이터를 바탕으로 보다 신뢰성 있는, 수소(H), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 황(S) 등 5가지 이내의 원소로 구성되고, 수소를 제외한 원자의 개수가 25개 이하인 분자로 이루어진 순수한 유기화합물의 인화 하한 부피 퍼센트에 대한 QSPR 모형을 제공함에 있다.
The technical problem to be achieved by the present invention is more reliable, based on more experimental data, such as hydrogen (H), carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O), sulfur (S) within five elements It provides a QSPR model for the lower percent flammable volume of a pure organic compound consisting of molecules of up to 25 atoms excluding hydrogen.
이 모형은 위에서 언급한 바와 같은 그룹기여 방법으로 구축된 모형들의 단점들을 극복하고 보다 폭넓고 보다 정확한 예측성능을 보여줄 것으로 기대된다. 예측모형을 적용할 수 있는 유기화합물의 범위에 위에 언급한 바와 같은 제한을 두는 이유는 주로, 사용된 분자표현자들 중 그 값을 구하기 위해서는 양자역학적 계산이 필요한 것들이 존재하는 경우, 현재의 기술수준으로는 언급된 범위를 넘어서는 화합물에 대해서는 정확도와 계산시간의 측면에서 곤란한 문제가 발행한다는 사실에 기인하고 있다. 그러나 상기의 제한범위 내라 할지라도 대단히 많은 화합물들이 존재하며 산업적으로 중요한 화합물들이 상당부분 포함되므로 본 발명이 인류사회에 큰 유익을 끼칠 수 있을 것으로 판단된다.
This model is expected to overcome the shortcomings of the models constructed by the group contribution method as mentioned above, and to show wider and more accurate prediction performance. The above-mentioned limitations on the range of organic compounds to which the predictive model can be applied are mainly due to the current state of the art when some of the molecular descriptors used require quantum mechanical calculations. This is due to the fact that for the compounds beyond the stated range, problems arise in terms of accuracy and calculation time. However, even within the above limitations, since there are a great many compounds and industrially important compounds are included in a large amount, it is determined that the present invention can greatly benefit human society.
오늘날 인류는 플라스틱, 섬유, 고무, 도료, 비료, 의약품, 연료 등, 방대한 종류의 유기화합물에 의존하여 살아가고 있으며 이러한 경향은 더욱 심화될 것으로 예상된다. 미국 화학회(ACS)에 따르면 2010년 7월 기준으로 등록된 전체 화합물의 수는 54,000,000개를 넘는다고 한다. 이에 비해 물성값이 한가지라도 실험적으로 알려져 있는 화합물의 수는 고작해야 수만에 지나지 않는다. 화합물의 물성값은 신물질과 신약의 개발, 화학플랜트의 최적 설계, 기존 설비의 생산성 향상, 자원의 개발과 절약, 안전성 확보, 환경보호 등 인류의 보다 나은 물질생활에 필수적인 요소이다.Humans today depend on a wide variety of organic compounds, including plastics, fibers, rubber, paints, fertilizers, medicines and fuels, and this trend is expected to intensify. According to the American Chemical Society (ACS), as of July 2010, the total number of compounds registered was over 54,000,000. In comparison, even if the physical property value is only one, the number of experimentally known compounds is only tens of thousands. The physical property value of compounds is essential for the better life of mankind, such as the development of new materials and new drugs, the optimal design of chemical plants, the improvement of the productivity of existing facilities, the development and saving of resources, the securing of safety, and the protection of the environment.
그러나 현재 그 실험값이 알려진 화합물의 개수는 기껏해야 수천에 불과하며 화합물에 따라서는 독성, 불안정성, 정제의 어려움 등으로 실험을 통하여 데이터를 얻는 작업이 지난한 경우도 있다. 이런 관점에서 실험을 거치지 않고도 분자에 대한 정보만으로 수많은 화합물의 인화 하한 부피 퍼센트값을 높은 정확도로 얻게 해주는 본 발명은 실험에 드는 비용과 시간을 절감해줄 뿐만이 아니라 실험이 불가능한 경우에도 그 값을 짐작하게 해주어 관련 산업의 연구개발활동을 용이하게 함은 물론 더 나아가 학계와 관(官)계 등 그 값을 필요로 하는 모든 곳에 합당한 정보를 제공하여 그 활동을 보다 원활히 수행할 수 있게 해주는 효과를 낳는다 하겠다.
However, at present, the number of compounds whose experimental values are known is only a few thousand, and depending on the compounds, the work of obtaining data through experiments may be past due to toxicity, instability, and difficulty of purification. From this point of view, the present invention, which provides a high accuracy of the volume percent lower limit of flammability of a large number of compounds with only information on the molecule, does not only reduce the cost and time required for the experiment, but also estimates the value even when the experiment is impossible. It will not only facilitate the R & D activities of related industries, but also provide the information that can be carried out more smoothly by providing reasonable information to all those who need the value, such as academics and academia. .
도 1은 본 발명이 제공하는 인화 하한 부피 퍼센트의 QSPR 모형을 구축하는 과정을 흐름도로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 사용된 인공신경망의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명이 제공하는 인화 하한 부피 퍼센트의 QSPR 모형의 1298개의 실험데이터에 대한 패리티 도면이다.
도 4는 QSPR 모형의 1298개의 실험데이터에 대한 히스토그램 도면이다.1 is a flowchart illustrating a process of building a QSPR model of a lower flammable volume percentage provided by the present invention.
Figure 2 is a view showing the structure of the artificial neural network used in the present invention.
FIG. 3 is a parity diagram of 1298 experimental data of a QSPR model of the lower flammable volume percentage provided by the present invention. FIG.
4 is a histogram diagram of 1298 experimental data of the QSPR model.
도 1은 인화 하한 부피 퍼센트에 대한 QSPR 모형을 구축하는 과정을 흐름도로 간략히 표현한 것이다.Figure 1 is a simplified representation of the process of building a QSPR model for the lower flammable volume percentage.
모형을 구축하는데 있어서 가장 먼저 해야 할 일은 단계 1에 지정된 바와 같이 실험데이터를 수집하고 검토 분류하는 일이다. 본 발명을 위해 각종 논문과 단행본, 인터넷 사이트 등을 망라하여 참고할 수 있는 모든 문헌과 자료에 대한 광범위한 조사를 벌인 결과, 총 1200개의 본 발명의 조건에 맞는 화합물들에 대한 인화 하한 부피 퍼센트의 데이터가 수집되었다. 이렇게 수집된 데이터가 모형을 구축하는데 쓰일 수 있는 진정 타당한 값인지 다방면으로 검토하였는데 실험값이 아니거나 데이터 표기에 오류가 있었거나 동일 화합물에 대한 값들임에도 불구하고 차이가 많이 나거나 가까운 다른 화합물들의 값에 비해 신뢰하기 어려울 정도로 동떨어진 값이거나 분자표현자들에 대한 값들이 당장 준비되기 어려운 화합물에 대한 데이터인 경우 등에 대해 면밀한 분석을 거쳐 데이터를 수정 또는 삭제하여 최종적으로 총 1190개 (10개 걸러냄)의 화합물들에 대한 데이터를 선정하였다. 또한 물성예측모형을 구축할 때, 샘플 화합물들을 탄소와 수소만으로 이루어진 탄화수소(hydrocarbon)들과 그렇지 않은 비탄화수소(nonhydrocarbon)들로 분류하여 따로따로 모형을 세우는 것이 예측성능의 측면에서 더 나았던 그간의 경험에 비추어 이들을 356개의 탄화수소들과 834개의 비탄화수소들로 분류하여 각각 모형을 확립하기로 하였다. 또한, 본 발명에서 ‘유기화합물’ 또는 ‘화합물’은 수소(H), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 황(S) 등 5가지 이내의 원소로 구성되고, 수소를 제외한 원자의 개수가 25개 이하인 분자로 이루어진 물질을 지칭한다.The first thing to do when building the model is to collect and review the experimental data as specified in
그 다음 단계는 이들 화합물들에 대한 분자표현자들의 값들을 준비하는 단계이다. 총 1978개에 달하는 다양한 분자표현자들에 대한 값들을 각 화합물들의 분자에 대한 정보를 담은 파일들로부터 컴퓨터를 이용하여 일괄적으로 계산한다. 분자의 전자구조 계산을 하기 위해서는 보통 순이론인 방법으로 슈뢰딩거(Schrodinger) 방정식을 풀어 전자에너지에 대한 해를 구하게 되지만 전자가 많은 계의 경우 전자상관관계(electron correlation)를 무시한 근사법을 적용한 하트리-포크(Hartree-Fock, HF) 방법[C.C. J. Roothan, Rev. Mod. Phys. 23, 69 (1951)]을 사용하여 해를 풀게 된다. 이런 근사법으로 인해 계산된 결과에서 근본적인 오차가 유발되어 다차원의 이론적인 섭동항을 추가한 포스트 하트리-포크(Post Hartree-Fock) 방법[C. Moller and M. S. Plesset, Phys. Rev. 46, 618 (1934)]들을 사용하여 더 정확한 해를 구하긴 하지만 상대적으로 엄청나게 많은 계산량이 요구된다. 이런 방식으로는 큰 분자를 계산하기에는 비용이나 시간의 측면에서 무리가 있는 상황이다.The next step is to prepare the values of the molecular descriptors for these compounds. The values for various molecular descriptors totaling up to 1978 are computed in batches using a computer from files containing information on the molecules of each compound. In order to calculate the electronic structure of molecules, the Schrodinger equation is usually solved by a pure theory to solve the electron energy. However, in the case of systems with many electrons, Hartley uses an approximation method that ignores electron correlation. Hartree-Fock (HF) method [CC J. Roothan, Rev. Mod. Phys. 23, 69 (1951)]. This approximation introduces a fundamental error in the calculated results and adds a multidimensional theoretical perturbation term to the Post Hartree-Fock method [C. Moller and M. S. Plesset, Phys. Rev. 46, 618 (1934)], to obtain a more accurate solution, but require a relatively large amount of computation. In this way, it is too costly or time-consuming to calculate large molecules.
또한 하트리-포크와 포스트 하트리-포크를 조합한 가우시안 방법[L. A. Curtiss, K. Raghavachari, G. W. Trucks, and J. A. Pople, J. Chem. Phys. 94, 7221 (1991); L. A. Curtiss, K. Raghavachari, P. C. Redfern, V. Rassolov, and J. A. Pople, J. Chem. Phys. 109, 7764 (1998)]은 에너지 예측에 있어 아주 적은 오차를 보이지만 여러 포스트 하트리-포크 방법에 대한 에너지 계산을 수행하기 때문에 더 많은 계산량이 요구된다.In addition, the Gaussian method that combines Hartley-Fork and Post Hartley-Fork [L. A. Curtiss, K. Raghavachari, G. W. Trucks, and J. A. Pople, J. Chem. Phys. 94, 7221 (1991); L. A. Curtiss, K. Raghavachari, P. C. Redfern, V. Rassolov, and J. A. Pople, J. Chem. Phys. 109, 7764 (1998) show very little error in energy prediction, but more computation is required because it performs energy calculations for several post-Hartley-Fork methods.
많은 전자로 이루어진 분자에 대한 전자들간의 상관관계를 고려하기 위해 다차원의 섭동항이 추가된 파동함수 대신 전자 밀도함수를 써서 총에너지의 범함수를 이용해서 바닥상태를 구하는 밀도 범함수 이론(density functional theory)[ R. Seeger and J. A. Pople, J. Chem. Phys. 66, 3045 (1977)]을 적용하여 계산했다. 밀도 범함수 이론의 장점은 전자밀도만 고려하면 되므로 하트리-포크(Hartree-Fock) 방법과 비슷한 수준의 계산량으로 더 정확한 결과를 얻어낼 수 있다. 전자들의 교환-상관에너지를 계산을 위해 교환 범함수들과 상관 범함수들의 조합을 사용하여 계산량을 늘이지 않고도 더 향상된 결과를 얻고 있다.Density functional theory is used to find the ground state using the function of the total energy using the electron density function instead of the wave function with the multidimensional perturbation term to consider the correlation between the electrons of the molecules of many electrons. R. Seeger and JA Pople, J. Chem. Phys. 66, 3045 (1977). The advantage of the density functional theory is that the electron density only needs to be taken into account so that more accurate results can be obtained with comparable calculations to the Hartree-Fock method. The combination of exchange functions and correlation functions for calculating the exchange-correlation energy of the electrons is used to obtain more improved results without increasing the calculation amount.
최적의 양자역학 계산방법을 선발하기 위해 선행하여 시도하였던 계산이론은 상기에 언급된 하트리-포크 방법, 다양한 포스트 하트리-포크 방법, 가우시안(G2, G3) 방법, 다양한 범함수 조합의 밀도 범함수 이론 등이다. 이 중에서 계산시간 대비 가장 성능이 우수한 밀도 범함수 이론의 한가지 방법을 선발하였다.The computational theories previously attempted to select an optimal quantum mechanical calculation method are the density ranges of the aforementioned Hartley-Fork method, various Post-Hartley-Fork methods, Gaussian (G2, G3) methods, and various combinations of functional functions. Function theory. Among them, one method of density functional theory, which is the best performance calculation time, was selected.
따라서 본 발명에서는 상용 양자역학 계산 프로그램을 이용하여 지정된 밀도 범함수 이론의 계산방법을 적용하여 분자구조에 대한 최적화 및 진동수 계산을 수행하게 된다.Therefore, in the present invention, the optimization of the molecular structure and the frequency calculation are performed by applying the calculation method of the specified density functional theory using a commercial quantum mechanical calculation program.
최적화된 구조에서는 상기의 물성정보뿐만 아니라 분자의 특성을 반영하는 여러 의미있는 수치로 나타내는 분자표현자(molecular descriptor)들을 얻을 수 있다. 2차원 구조의 특징을 표현할 수 있는 분자표현자들도 있고 3차원 구조의 특징을 표현하는 분자표현자들도 있다. 크게 나누어 총 24개의 범주로 나누고 각 범주에 상세한 표현자들을 포함한다. 분자 표현자 값을 계산한 후에 이들 중 적합하지 않은 것, 즉 모든 샘플 화합물에 대해 값이 동일하게 나와 모형의 독립변수가 될 수 없는 것들을 추려 내었다. 이는 관련 없는 분자표현자가 예측모형에 포함되는 것을 막아 모형의 신뢰도를 높이는 동시에 이렇게 분자표현자의 개수를 줄임으로써 최적 모형을 찾는 데 드는 계산 시간을 줄일 수 있기 때문이다.In the optimized structure, molecular descriptors represented by various meaningful values reflecting the properties of molecules as well as the above-described physical property information can be obtained. Some molecular descriptors can express the characteristics of two-dimensional structures, while others represent the characteristics of three-dimensional structures. Divided into 24 categories, including detailed presenters in each category. After calculating the molecular descriptor values, we picked out those that were not suitable, that is, the values were the same for all sample compounds and could not be independent variables in the model. This is because it prevents irrelevant molecular expressions from being included in the prediction model, thereby increasing the reliability of the model and reducing the computation time required to find the optimal model by reducing the number of molecular expressions.
단계 4에서는 샘플 화합물들을 예측모형을 탐색하는데 사용할 훈련집합(training set)과 훈련집합에 의해 결정된 모형의 예측성능을 시험하는데 사용할 시험집합(test set), 이렇게 두 부분으로 나누는 작업을 진행한다. 유사한 분자들이 한쪽 부분에만 치우쳐 분포하지 않도록 주의하면서 샘플 탄화수소들과 비탄화수소들을 5:5 ~ 8:2, 바람직하게는 7 대 3의 비율로 각각 나누었다.In step 4, the sample compounds are divided into two parts: the training set used to explore the prediction model, and the test set used to test the predictive performance of the model determined by the training set. The sample hydrocarbons and the non-hydrocarbons were divided between 5: 5 and 8: 2, preferably in a ratio of 7 to 3, taking care not to distribute similar molecules in only one portion.
이후 훈련집합을 토대로 최선의 다중선형회귀모형(multiple linear regression model)을 찾는다. 여기서 ‘최선’이라 함은 상대적인 의미로서 비교적 짧은 시간 내에 구할 수 있으면서 절대적인 의미에서의 최적 해에 매우 근접한 성능을 갖는다는 의미로 쓰여진 것이다. 최적 해를 직접 구하지 않는 이유는 긴 계산시간 때문인데 예를 들어 1978개의 분자표현자들 중 적합한 분자표현자들의 개수가 1700개일 때, 이 중에서 5개를 뽑아 만들 수 있는 서로 다른 다중선형회귀모형들의 총 개수는 이며 이들을 다 조사하는 것은 현실적으로 불가능하다.We then find the best multiple linear regression model based on the training set. The term 'best' is used in the sense of relative meaning that it can be obtained in a relatively short time and has a performance very close to the optimal solution in the absolute sense. The reason for not finding the optimal solution directly is because of the long computation time. For example, when there are 1700 suitable molecular representations out of 1978 molecular representations, you can choose from five different linear regression models. The total number is It is practically impossible to investigate them all.
한정된 시간 내에 유용한 결과를 얻기 위해 본 발명에서는 유전적 알고리즘(genetic algorithm) [Judson, "Genetic Algorithms and Their Uses in Chemistry", Reviews in Computational Chemistry, Lipkowitz & Boyd, Eds., Vol.10, pp.1-73 (VCH Publishers, NY, 1997)]을 채택하였으며 그 상세한 방법은 다음과 같다. 먼저 분자표현자들의 풀(pool)에서 일정한 개수의 분자표현자들을 무작위로 뽑아 만든 다수의 다중선형회귀모형들로 구성된 개체군(population)을 생성한다. 예를 들어 1700개의 적합한 분자표현자들 중 5개를 무작위로 뽑아 만든 1000개의 서로 다른 다중선형회귀모형들로 개체군을 만들었다고 하자.In order to obtain useful results within a limited time, the present invention uses a genetic algorithm [Judson, "Genetic Algorithms and Their Uses in Chemistry", Reviews in Computational Chemistry, Lipkowitz & Boyd, Eds., Vol. 10, pp. 1 -73 (VCH Publishers, NY, 1997)]. First, a population of multiple linear regression models is created by randomly drawing a certain number of molecular descriptors from a pool of molecular descriptors. For example, let's say we created a population of 1000 different polylinear regression models that were randomly drawn from 5 of the 1700 suitable molecular descriptors.
이때 염색체(chromosome)라 불리는 각 개체(individual)들은 뽑힌 분자표현자들의 번호들을 조합하여 부호화한다. 예를 들어 1700개의 분자표현자중 45, 167, 684, 1033, 1502번째의 분자표현자들로 형성한 다중선형회귀모형의 염색체는 (45, 167, 684, 1033, 1502)와 같이 표현할 수 있다. 이렇게 생성된 개체군으로부터 두 개의 부모 염색체를 선택한 뒤 교배(crossover)하여 자식들을 만들어 내는데 본 발명에서는 부모 염색체를 선택하는 선택기법으로 Roulette Wheel 방법을 채택하였다.Individuals, called chromosomes, are coded by combining the numbers of extracted molecular descriptors. For example, the chromosome of the multiple linear regression model formed by the 45th, 167, 684, 1033, and 1502th molecular descriptors among 1700 molecular descriptors can be expressed as (45, 167, 684, 1033, 1502). Two parent chromosomes are selected from the populations thus generated and crossed over to generate children. In the present invention, the Roulette Wheel method is adopted as a selection method for selecting the parent chromosomes.
Roulette Wheel 방법은 일반적으로 가장 많이 사용하는 선택 알고리즘으로 각 염색체의 적합도(fitness)에 비례하는 만큼 룰렛의 영역을 그 염색체에 할당한 다음, 룰렛을 돌려 해당된 영역의 염색체를 선택하는 방법이다. 따라서 이 방법에서는 적합도가 높은 개체일수록 선택될 확률이 높다. 선택확률을 결정짓는 각 염색체의 적합도 계산에는 회귀모형의 결정계수(coefficient of determination: ) 또는 평균절대오차(average absolute error: AAE)를 활용하였다. 즉 결정계수값이 크거나 평균절대오차값이 작은 것이 선택확률이 높도록 하였다.The Roulette Wheel method is the most commonly used selection algorithm, which allocates a roulette region to the chromosome in proportion to the fitness of each chromosome, and then rotates the roulette to select the chromosome of the corresponding region. Therefore, in this method, the higher the fit, the more likely it is to be selected. The coefficient of determination of the regression model is used to calculate the goodness of fit for each chromosome that determines the probability of selection. ) Or average absolute error (AAE). In other words, the larger the coefficient of determination or the smaller the mean absolute error, the higher the probability of selection.
교배방법으로는 단순교배(single point crossover)법을 채택하였는데 이는 가장 일반적인 교배 방법으로서 부모 염색체에서 임의로 1개의 교배점을 선택하여 그 지점 전후의 염색체부분을 서로 교환함으로써 자식을 생성하는 것을 말한다. 예를 들어 부모 염색체가 각각 (24, 262, 343, 789, 1290), (38, 454, 554, 1322, 1449)와 같이 주어지고 3번째와 4번째 요소 사이에 교배점이 놓이게 되면 자식 염색체는 각각 (24, 262, 343, 1322, 1449), (38, 454, 554, 789, 1290)와 같이 된다. The single point crossover method is adopted as the breeding method. The most common breeding method is to generate a child by selecting one crossing point on the parent chromosome and exchanging chromosomal parts before and after the point. For example, if the parent chromosome is given as (24, 262, 343, 789, 1290), (38, 454, 554, 1322, 1449), and there is a crossing point between the third and fourth elements, then the child chromosomes are (24, 262, 343, 1322, 1449), (38, 454, 554, 789, 1290).
이렇게 자식들이 생성되면 이들의 염색체 일부를 일정 확률로 돌연변이(mutation) 시키는 과정을 거치는데 이는 임의로 몇 개의 요소를 전혀 새로운 값으로 바꾸는 것으로 현재 집단에 존재하지 않는 새로운 정보로 초기 유전자 조합 이외의 공간을 탐색할 수 있게 해주어 초기 집합의 조합 내에 적절한 해가 없을 경우를 보완해주는 과정이다.When the offspring are created, they have a chance of mutating a portion of their chromosomes, which randomly replaces several elements with completely new values. This new information does not exist in the current population. It is a process that makes it possible to search to compensate for the case where there is no proper solution in the initial set combination.
이 같은 방법으로 새로이 구해진 개체들로 기존 개체군의 일부 또는 전부를 교체하여 새 세대의 개체군을 생성한다. 이 과정을 반복하여 그 세대수가 미리 정한 값(보통 10~1000 사이에서 선택)에 이르면 가장 적합도가 큰 개체, 즉 예측성능이 가장 좋은 회귀모형을 선택하고 끝낸다.In this way, a new generation of populations are created by replacing some or all of the existing populations with newly obtained entities. Repeat this process until the number of generations reaches a predetermined value (usually chosen between 10 and 1000), and then selects and ends with the regression model with the best predictive performance.
일단 이렇게 최선의 다중선형회귀모형이 선정되면 다음 단계로 이 모형의 타당성을 검토한다. 만일 모형에 포함된 분자표현자의 t검정값이 좋지 않다든지 하는 문제점이 발견되면 이전 단계로 돌아가 다른 모형을 찾는다. 예를 들어 샘플 화합물의 수가 1005이고 선정된 모형이 5개의 분자표현자로 구성되어 있을 경우 그 중 한 분자표현자에 대한 t검정값이 3.3이상이면 이는 이 분자표현자가 해당 물성과 무관할 확률이 0.1%이하임을 뜻한다. 본 발명에서는 대략 3미만의 t검정값을 갖는 분자표현자가 존재할 경우 선정된 모형을 버리고 다른 모형을 찾았다. 또한 샘플 화합물들에 대한 한 분자표현자의 값들이 소수의 몇몇 화합물들을 제외하고는 모두 동일한 경우도 신뢰성 있는 모형이라고 볼 수 없어 마찬가지로 조처하였다. 일반적으로 모형에 포함되는 분자표현자의 개수를 늘리면 예측성능은 높아지지만 이와 같은 문제들이 발생하게 되므로 보통 최종 모형은 이 단계들을 분자표현자의 개수를 바꿔가며 여러 번의 시행착오를 거쳐 반복 수행함으로써 얻어진다. 선정된 모형에 더 이상 문제가 나타나지 않으면 다음 단계로 넘어간다.Once this best multiple linear regression model has been selected, the next step is to examine its validity. If a problem is found that the t-test value of the molecular descriptors included in the model is not good, go back and look for another model. For example, if the number of sample compounds is 1005 and the selected model consists of five molecular descriptors, if the t-test for one of the molecular descriptors is 3.3 or higher, then the probability that the molecular descriptor is irrelevant to that property is 0.1 It means less than%. In the present invention, when there is a molecular presenter having a t-test value of less than about 3, the selected model is discarded and another model is found. In addition, even if the values of the molecular descriptors for the sample compounds are the same except for a few few compounds, they are not considered to be reliable models. In general, increasing the number of molecular expressions included in the model increases the predictive performance, but such problems occur. Therefore, the final model is usually obtained by repeating these steps through several trials and errors while changing the number of molecular expressions. If the problem no longer appears in the selected model, proceed to the next step.
그 다음인 단계 7에서는 모형을 형성하는데 참여하지 않았던 시험집합을 이용하여 찾아낸 모형의 예측성능을 평가한다. 만일 훈련집합에서 보다 예측성능이 많이 떨어지거나 예측이 크게 벗어나는 샘플들이 보이는 등의 문제점이 발견되면 단계 4로 가서 훈련집합과 시험집합을 재조정한 뒤 이후 단계를 진행한다. 여기서 훈련집합과 시험집합의 차이가 훈련집합에 대해서 얻은 절대평균오차(AAE)의 20%를 넘지 않으면 예측성능이 만족되는 것으로 판단한다.Next, in Step 7, assess the predictive performance of the found model using test sets that did not participate in model formation. If a problem is found in the training set that results in much lower predictive performance or samples that are significantly off predicted, go to step 4 and readjust the training and test sets before proceeding. If the difference between the training set and the test set does not exceed 20% of the absolute mean error (AAE) obtained for the training set, it is judged that the predictive performance is satisfied.
이렇게 하여 인화 하한 부피 퍼센트에 대한 다중선형회귀모형이 일단 확립되면 인공신경망모형을 확립하기 위해 먼저 분자표현자들의 데이터와 인화 하한 부피 퍼센트의 실험값 데이터를 표준화하는 작업, 즉 각 값에서 해당 데이터의 평균을 뺀 뒤 표준편차로 나누는 작업을 진행한다. 이렇게 준비된 전체 샘플을 대략 6:2:2의 비율로 훈련집합(training set), 검증집합(validation set), 시험집합(test set)으로 나눈다.In this way, once a multiple linear regression model for the lower volume percent of flammable is established, the first step is to normalize the data of molecular presenters and experimental data of the lower volume percent of flammability to establish an artificial neural model, that is, the mean of the data at each value. Subtract and divide by the standard deviation. The entire sample thus prepared is divided into a training set, a validation set, and a test set in an approximately 6: 2: 2 ratio.
이후 이들을 사용하여 최선의 인공신경망모형을 탐색한다. 이때 탐색 범위는 도 2에서처럼 입력층과 출력층 사이에 한 개의 은닉층을 가지면서 이 3개 층이 전방향으로(feed forward), 즉 입력에서 출력으로 향하는 방향으로만 연결되어 있는 구조를 갖는 신경망으로 제한하였다. 입력층은 이미 확립되어 있는 다중선형회귀모형에 포함된 각 분자표현자들의 값을 입력 받는, 같은 개수만큼의 노드들로 구성하였으며 출력층은 인화 하한 부피 퍼센트를 출력하는 한 개의 노드로 구성하였다. 또한 은닉층의 활성화 함수로는 Sigmoid 함수 즉 을, 출력층의 활성화 함수로는 선형함수 즉 를 채택하였다. 따라서 입력층의 각 노드들이 받는 입력값들을 라 할 때 은닉층의 j번째 노드의 출력값은 와 같이 주어지며 은닉층이 개의 노드로 이루어져 있을 때 출력층 출력노드의 최종 출력값은 와 같이 주어진다. 여기서 는 문턱 가중치(threshold weight)를 의미한다.We then use them to find the best artificial neural network model. In this case, the search range is limited to a neural network having a hidden layer between the input layer and the output layer as shown in FIG. 2 and having three structures connected only in a feed forward direction, that is, in a direction from the input to the output. It was. The input layer consisted of the same number of nodes that received the values of each of the molecular markers included in the established polylinear regression model, and the output layer consisted of one node that outputs the lower volume percentage of the printout. In addition, as the activation function of the hidden layer, the Sigmoid function, , The activation function of the output layer is a linear function Was adopted. Therefore, the input values that each node in the input layer receives In this case, the output value of the j th node of the hidden layer is Is given by The final output value of the output layer output node when composed of four nodes As shown in Fig. here Denotes a threshold weight.
탐색은 은닉노드의 수가 1개인 것부터 차례로 개수를 늘려가며 진행하는데 보통 입력노드 개수의 2배가 될 때까지 진행하지만 만족스러운 모형이 나오지 않을 경우 더 진행하여 탐색한다. 자세한 절차는 다음과 같다. 먼저 은닉노드의 각 개수 별로, 난수 발생 함수를 써서 생성한 가중치 들의 다양한 초기값세트(보통 1000세트이내)를 마련하고, 훈련집합을 사용하여 각 세트로 초기화된 신경망을 역전파 알고리즘을 통해 반복 훈련함으로써 가중치 들의 최적화된 값을 찾는다. 최적화에 대한 판단은 매 훈련 후 경신된 가중치들의 값으로 정해지는 모형을 검증집합에 적용하였을 때 그 평균제곱오차(mean square error)의 값이 최소가 되는 것으로 한다. 보통은 3000~5000번의 반복훈련 내에 이러한 시점이 나오게 된다. 이렇게 얻어진 각 초기값세트에 대응하는 최적화된 신경망모형을 훈련집합, 검증집합, 시험집합에 각각 적용하여 그 평균제곱오차들이 모두 다중선형회귀모형의 그것들보다 작은 것만을 모은다. 이러한 것이 여러 개 있을 경우, 결정계수나 평균절대오차 등을 기준으로 가장 우수한 모형을 선택한다.The search proceeds from increasing the number of hidden nodes to one in order. Usually, the search proceeds to twice the number of input nodes. However, if a satisfactory model is not found, the search proceeds further. The detailed procedure is as follows. First, the weight generated by using random number generation function for each number of hidden nodes Prepare different sets of initial values (usually within 1000 sets) and weight them by repeatedly training the neural networks initialized with each set using the back-up algorithm. Find the optimal value for these. The judgment of the optimization is that the mean square error is minimized when the model, which is determined by the updated weights after each training, is applied to the test set. Normally this will occur within 3000 to 5000 repetitions. The optimized neural network model corresponding to each set of initial values thus obtained is applied to the training set, the test set, and the test set, respectively, to collect only those whose mean square errors are smaller than those of the multiple linear regression model. If there are several of these, choose the best model based on the coefficient of determination or the absolute absolute error.
이렇게 인공신경망모형이 선정되면 마지막으로 과적합(overfitting) 방지기준을 설정한다. 이는 과도한 훈련의 결과로 인공신경망이 미지의 입력에 대해 엉뚱한 답을 내놓는 불안정성을 개선하기 위한 조처로 기준값을 정하는데 다중선형회귀모형의 예측값과 인공신경망모형의 예측값을 각각 실험값과 비교하여 어느모형이 예측에 이득이 되는지를 판단하고, 이득이 최대가 되는 기준값(탄화수소의 경우 0.4vol%, 비탄화수소의 경우 1.5vol%)을 선정한다. 인공신경망모형과 다중선형회귀모형의 예측값들 차이의 절대값이 기준값을 넘을 경우 다중선형회귀모형의 예측값을 채택하고 이보다 작을 경우 인공신경망모형의 값을 채택하게 하는 것을 말한다.When the artificial neural network model is selected, an overfitting prevention standard is finally set. As a result of over-training, the artificial neural network sets the reference value as a measure to improve the instability of the wrong input to the unknown input. Determine if the prediction will benefit, and choose a reference value (0.4 vol% for hydrocarbons and 1.5 vol% for non-hydrocarbons) that maximizes the gain. When the absolute value of the difference between the predicted values of the artificial neural network model and the multiple linear regression model exceeds the reference value, the predicted value of the multiple linear regression model is adopted.
이 같은 과정을 거쳐 인화 하한 부피 퍼센트에 대한 QSPR 모형을 확립한 결과는 표 1 및 2에 간략히 나와 있다.
The results of establishing the QSPR model for the lower flammable volume percentage through this process are summarized in Tables 1 and 2.
P2: 상대적 양전하(RPCG Relative positive charge (QMPOS/QTPLUS))
P3: 3차원 Balaban 지수(3D-Balaban index)
P4: 관성 모멘트 C(Moment of inertia C)
P5: 거리행렬 평균 고유벡터계수 합(average eigenvector coefficient sum from distance matrix)
P6: 이중결합의 상대적인 수(Relative number of double bonds)
P7: 수소원자의 평균 결합차수(Average bond order of a H atom)
P8: 탄소원자의 최소 결합차수 (>0.1) (Min (>0.1) bond order of a C atom)
P9: Balaban X 지수(Balaban X index)
P10: 결합정보내용(주변대칭 차수0)(bond information content (neighborhood symmetry of 0-order))P1: H autocorrelation of lag 3 / Weighted by atomic Sanderson electronegativities
P2: RPCG Relative positive charge (QMPOS / QTPLUS)
P3: 3D Balaban index
P4: Moment of inertia C
P5: average eigenvector coefficient sum from distance matrix
P6: Relative number of double bonds
P7: Average bond order of a H atom
P8: minimum bond order of carbon atoms (> 0.1) (Min (> 0.1) bond order of a C atom)
P9: Balaban X index
P10: bond information content (neighborhood symmetry of 0-order)
= (l=10, m=20)Lower Flammability Volume Percent (vol%)
= ( l = 10, m = 20)
P2: 성분접근지향적 가중 포괄불변분자 지수/원자 전자위상 상태 가중(3rd component accessibility directional WHIM index / weighted by atomic electrotopological states)
P3: 위상거리2 C-C 결합의 존재여부
P4: 성분접근지향적 가중 포괄불변분자 지수/원자량 가중(3rd component accessibility directional WHIM index / weighted by atomic masses)
P5: 산소원자의 수(number of Oxygen atoms)
P6: 수소원자의 평균 원자가(Average valency of a H atom)
P7: 회전가능 결합 비율(rotatable bond fraction)
P8: 삼중결합의 상대적인 수(Relative number of triple bonds)
P9: 중력 지수 (모든 결합)(Gravitation index (all bonds))
P10: R 자기상관 차수1/비가중
P11: 산소원자의 상대적인 수(Relative number of O atoms)
P12: 고리의 상대적인 수(Relative number of rings)
P13: 탄소원자의 최소 부분전하(Min partial charge for a C atom)
P14: Narumi의 기하 위상학적 지수
P15: 평균 결합정보 내용 (차수0) P1: 1 / molecular weight
P2: 3rd component accessibility directional WHIM index / weighted by atomic electrotopological states
P3: Presence of phase distance 2 CC coupling
P4: 3rd component accessibility directional WHIM index / weighted by atomic masses
P5: number of Oxygen atoms
P6: Average valency of a H atom
P7: rotatable bond fraction
P8: Relative number of triple bonds
P9: Gravitation index (all bonds)
P10:
P11: Relative number of O atoms
P12: Relative number of rings
P13: Min partial charge for a C atom
P14: Narumi's Geometric Topological Index
P15: Average combined information content (degree 0)
= (l=15, m=10)Lower Flammability Volume Percent (vol%)
= ( l = 15, m = 10)
도 3은 각 모형의 예측성능을 보여주는 패리티(parity) 도면들이며 이 도면들로부터 QSPR 모형이 우수한 성능을 가짐을 눈으로 확인할 수 있다. 또한 1190개 화합물들에 대한 실험데이터 중 실험오차가 알려진 것들의 평균 절대오차는 약 0.25 vol%이며 이 값을 중심으로 실험값과 예측값 사이의 오차를 히스토그램으로 그린 것이 도 4이다. 이 도면들에서 QSPR 모형은 92.35%의 확률로 평균 실험오차의 범위 이내로 인화 하한 부피 퍼센트값을 예측하고 있음을 보여주어 QSPR 모형이 정확함을 증명해준다.
3 is a parity diagram showing the predictive performance of each model, and it can be seen from these figures that the QSPR model has excellent performance. In addition, the average absolute error of the experimental data of the 1190 compounds of which the experimental error is known is about 0.25 vol%, and the error between the experimental value and the predicted value is plotted as a histogram based on this value. In these figures, the QSPR model demonstrates that the QSPR model is accurate by showing that it has a 92.35% probability of predicting the lower percentile volume percentage within the range of the mean experimental error.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and any person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains may make various modifications without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Such changes are intended to fall within the scope of the claims.
Claims (28)
상기 제1단계에서 입력된 상기 탄화수소 계열 유기화합물의 인화 하한 부피 퍼센트에 대한 분자표현자값을 준비하는 제2단계;
최적의 분자표현자들을 추출하는 제3단계;
훈련집합과 시험집합으로 실험데이터를 분리하는 제4단계;
훈련집합에 대하여 최적의 다중선형회귀모형을 탐색하는 제5단계;
선택된 모형의 타당성을 검토하는 제6단계;
상기 제6단계에서 타당성이 없으면, 상기 제5단계, 제6단계를 반복하고, 타당성이 있으면 시험집합에 대하여 모형의 예측성능을 테스트하는 제7단계;
시험집합에 대한 상기 제7단계 테스트에서 성능이 기준을 만족하지 못하면 제4단계 내지 제7단계를 반복하고, 기준을 만족하면 샘플 표준화 후 3개 집합으로 분리하는 제8단계;
전체 샘플을 3개 집합으로 나눈 후에 최적의 인공신경망모형을 탐색하는 제9단계;
상기 제8단계에서 성능 테스트를 만족하는 상기 최적의 다중선형회귀모형으로 구한 인화 하한 부피 퍼센트 예측값과 상기 제9단계에서 탐색된 상기 최적의 인공신경망모형으로 구한 인화 하한 부피 퍼센트 예측값 차이의 절대값을 미리 설정된 과적합 방지 기준값과 비교하는 제10단계; 및
상기 차이가 상기 과적합 방지 기준값 보다 크면 상기 제8단계에서 얻은 다중선형회귀모형에 의한 인화 하한 부피 퍼센트 예측값을 인화 하한 부피 퍼센트 값으로 채택하고 상기 과적합 방지 기준값 보다 작으면 상기 제9단계에서 탐색된 인공신경망모형에 의한 인화 하한 부피 퍼센트 예측값을 인화 하한 부피 퍼센트 값으로 채택하는 제11단계를 포함하는 다중선형회귀-인공신경망 모형을 통하여 탄화수소 계열 유기화합물의 인화 하한 부피 퍼센트를 구하는 방법.
A first step of inputting hydrocarbon-based experimental data among collected sample organic compounds;
A second step of preparing a molecular presenter value for the lower limit of volume of flammability of the hydrocarbon-based organic compound input in the first step;
Extracting optimal molecular descriptors;
A fourth step of separating the experimental data into a training set and a test set;
A fifth step of searching for an optimal multiple linear regression model for the training set;
A sixth step of examining the validity of the selected model;
A seventh step of repeating the fifth and sixth steps if there is no validity in the sixth step, and testing the predictive performance of the model with respect to the test set if it is valid;
An eighth step of repeating steps 4 to 7 if the performance does not satisfy the criterion in the seventh step test for the test set, and separating the three sets after sample normalization if the criterion is satisfied;
A ninth step of searching for an optimal artificial neural network model after dividing the entire sample into three sets;
The absolute value of the difference between the lower flammable volume percent predicted value obtained by the optimal multilinear regression model satisfying the performance test in the eighth step and the lower flammable volume percent predicted value obtained by the optimal neural network model found in the nineth step. A tenth step of comparing with a preset overfit prevention reference value; And
If the difference is greater than the overfit reference value, the lower limit volume percent predicted by the multiple linear regression model obtained in the eighth step is used as the lower limit of the volume percentage, and if the difference is smaller than the overfit reference value, the search is performed in the ninth step. A method for obtaining a lower flammable volume percentage of a hydrocarbon-based organic compound through a multiple linear regression-artificial neural network model comprising the eleventh step of adopting the lower flammable volume percentage predicted value of the artificial neural network model as the lower flammable volume percentage value.
The method of claim 1, wherein the optimal molecular descriptors in the third step are independent molecular descriptors whose values are not the same for all the sample compounds, and ignition of the hydrocarbon-based organic compounds through the multiple linear regression-artificial neural network model. How to find the lower volume percentage.
The method of claim 1, wherein the training set and the test set in the fourth step is divided by the ratio of 5: 5 to 8: 2, the lower limit of the flammable volume percentage of the hydrocarbon-based organic compound through a multiple linear regression-artificial neural network model How to obtain.
2. The multiple linear regression-artificial neural network model according to claim 1, wherein in the fifth step, the multiple linear regression model searches for a multiple linear regression model by applying a genetic algorithm to the training set. Lowering the volume percent lower limit of flammability of hydrocarbon-based organic compounds.
The method of claim 4, wherein the genetic algorithm generates a population composed of a plurality of multiple linear regression models randomly drawn from a predetermined number of molecular representations in a pool of molecular representations. Making; Encoding each individual by combining the numbers of the extracted molecular presenters; Selecting two parent chromosomes from the created population by the Roulette Wheel method and generating offspring by a single point crossover method; And generating a new population by mutating a portion of the chromosomes of the generated progeny with a certain probability, and then replacing a part of the existing population with them to generate a new population. A method for obtaining the lower volume percent of flammable organic compound.
The method of claim 1, wherein the fifth step is to calculate the lower flammable volume percentage of the hydrocarbon-based organic compound through the multiple linear regression-artificial neural network model including determining the predictive performance by the coefficient of regression or the mean absolute error. Way.
The method of claim 1, wherein the lower limit of the flammable volume percentage of the hydrocarbon-based organic compound is obtained through a multilinear regression-artificial neural network model in which the validity in the sixth step is determined by a t-test value.
The method of claim 1, wherein in the eighth step, if the predictive performance of the test set is similar to the predicted performance of the training set, a multiple linear regression model is determined, and the predictive performance of the test set is different from the predicted performance of the training set. The method then calculates the lower percent flammable volume of hydrocarbon-based organic compounds through a multiple linear regression-artificial neural network model that reclassifies the training and test sets.
The method of claim 1, wherein in the ninth step, the search range by the neural network has one hidden layer between the input layer and the output layer and is connected only in a feed forward. A method of obtaining the lower flammable volume percentage of a hydrocarbon-based organic compound through neural network model.
10. The method of claim 9, wherein the ignition lower limit volume percentage of the hydrocarbon-based organic compound is obtained through a multiple linear regression-artificial neural network model, using a sigmoid function as an activation function of the hidden layer.
2. The method of claim 1, wherein the threshold value for flammability of the hydrocarbon-based organic compound is obtained through a multiple linear regression-artificial neural network model according to claim 10, wherein the reference value for preventing overfitting is 0.4 vol%.
샘플 유기화합물들의 상기 비탄화수소 계열 유기화합물의 인화 하한 부피 퍼센트에 대한 분자표현자값 준비하는 제2단계;
최적의 분자표현자들을 추출하는 제3단계;
훈련집합과 시험집합으로 실험데이터를 분리하는 제4단계;
훈련집합에 대하여 최적의 다중선형회귀모형을 탐색하는 제5단계;
선택된 모형의 타당성을 검토하는 제6단계;
상기 제6단계에서 타당성이 없으면, 상기 제5단계, 제6단계를 반복하고, 타당성이 있으면 시험집합에 대하여 모형의 예측성능을 테스트하는 제7단계;
시험집합에 대한 상기 제7단계 테스트에서 성능을 만족하지 못하면 제4단계 내지 제7단계를 반복하고, 성능을 만족하면 샘플 표준화 후 3개 집합으로 분리하는 제8단계;
전체 샘플을 3개 집합으로 나눈 후에 최적의 인공신경망모형 탐색하는 제9단계;
상기 제8단계에서 성능 테스트를 만족하는 상기 최적의 다중선형회귀모형으로 구한 인화 하한 부피 퍼센트 예측값과 상기 제9단계에서 탐색된 상기 최적의 인공신경망모형으로 구한 인화 하한 부피 퍼센트 예측값 차이의 절대값을 미리 설정된 과적합 방지 기준값과 비교하는 제10단계; 및
상기 차이가 상기 과적합 방지 기준값 보다 크면 상기 제8단계에서 얻은 다중선형회귀모형에 의한 인화 하한 부피 퍼센트 예측값을 인화 하한 부피 퍼센트 값으로 채택하고 상기 과적합 방지 기준값 보다 작으면 상기 제9단계에서 탐색된 인공신경망모형에 의한 인화 하한 부피 퍼센트 예측값을 인화 하한 부피 퍼센트 값으로 채택하는 제11단계를 포함하는 다중선형회귀-인공신경망 모형을 통하여 비탄화수소 계열 유기화합물의 인화 하한 부피 퍼센트를 구하는 방법.
A first step of inputting non-hydrocarbon-based experimental data among collected sample organic compounds;
A second step of preparing a molecular presenter value for a lower ignition limit volume percentage of the non-hydrocarbon based organic compounds of the sample organic compounds;
Extracting optimal molecular descriptors;
A fourth step of separating the experimental data into a training set and a test set;
A fifth step of searching for an optimal multiple linear regression model for the training set;
A sixth step of examining the validity of the selected model;
A seventh step of repeating the fifth and sixth steps if there is no validity in the sixth step, and testing the predictive performance of the model with respect to the test set if it is valid;
An eighth step of repeating the fourth to seventh steps if the performance is not satisfied in the seventh step test on the test set, and separating the three sets after normalizing the sample if the performance is satisfied;
A ninth step of searching for an optimal neural network model after dividing the entire sample into three sets;
The absolute value of the difference between the lower flammable volume percent predicted value obtained by the optimal multilinear regression model satisfying the performance test in the eighth step and the lower flammable volume percent predicted value obtained by the optimal neural network model found in the nineth step. A tenth step of comparing with a preset overfit prevention reference value; And
If the difference is greater than the overfit reference value, the lower limit volume percent predicted by the multiple linear regression model obtained in the eighth step is used as the lower limit of the volume percentage, and if the difference is smaller than the overfit reference value, the search is performed in the ninth step. A method for obtaining a lower flammable volume percentage of a non-hydrocarbon-based organic compound using a multiple linear regression-artificial neural network model comprising the eleventh step of adopting a lower flammable volume percentage predicted value by the artificial neural network model as a lower flammable volume percentage value.
13. The method of claim 12, wherein the optimal molecular descriptors in the third step are independent molecular descriptors whose values are not the same for all the sample compounds. How to find the lower flammable volume percentage.
The lower flammable volume percentage of the non-hydrocarbon-based organic compound through the multiple linear regression-artificial neural network model of claim 12, wherein the training set and the test set are divided in a ratio of 5: 5 to 6: 4 in the fourth step. How to obtain.
13. The method of claim 12, wherein in the fifth step, the multiple linear regression model searches for the multiple linear regression model by applying a genetic algorithm to the training set. How to find the lower percent flammable volume of non-hydrocarbon organic compounds.
The method of claim 15, wherein the genetic algorithm generates a population composed of a plurality of multiple linear regression models randomly drawn from the pool of molecular presenters. Making; Encoding each individual by combining the numbers of the extracted molecular presenters; Selecting two parent chromosomes from the created population by the Roulette Wheel method and generating offspring by a single point crossover method; And generating a new population by mutating a portion of the chromosomes of the generated progeny with a certain probability and replacing a part of the existing population with them to generate a new population. A method of obtaining the lower volume percentage of flammable organic compounds.
The method of claim 12, wherein the fifth step is to determine the lower flammable volume percentage of the non-hydrocarbon-based organic compound through the multiple linear regression-artificial neural network model including determining the predictive performance by the regression model crystal coefficient or the mean absolute error. How to obtain.
The method of claim 12, wherein the lower limit of percent flammable volume of the non-hydrocarbon-based organic compound is obtained through a multiple linear regression-artificial neural network model in which the validity in the sixth step is determined by a t-test value.
The method of claim 12, wherein in the eighth step, if the predictive performance of the test set is similar to the predicted performance of the training set, a multiple linear regression model is determined, and the predictive performance of the test set is different from the predicted performance of the training set. After that, the lower limit of percent flammability of the normal state of the non-hydrocarbon organic compounds is obtained through a multiple linear regression-artificial neural network model that reclassifies the training set and the test set.
The method of claim 12, wherein in the ninth step, the search range by the artificial neural network has one hidden layer between the input layer and the output layer and is connected only in a feed forward. How to find the lower percent of flammable volume of non-hydrocarbon organic compounds by neural network model.
21. The method of claim 20, wherein the activation function of the hidden layer uses a sigmoid function to obtain a lower flammable volume percentage of the non-hydrocarbon-based organic compound through a multiple linear regression-artificial neural network model.
13. The method of claim 12, wherein the threshold value of flammability of the non-hydrocarbon-based organic compound is obtained through the multiple linear regression-artificial neural network model, wherein the reference value for preventing overfitting is 1.5 vol%.
P1: 수소원자 자기상관 차수3/원자 Sanderson 전기음성도 가중(H autocorrelation of lag 3 / Weighted by atomic Sanderson electronegativities),
P2: 상대적 양전하(RPCG Relative positive charge (QMPOS/QTPLUS)),
P3: 3차원 Balaban 지수(3D-Balaban index),
P4: 관성 모멘트 C(Moment of inertia C),
P5: 거리행렬 평균 고유벡터계수 합(average eigenvector coefficient sum from distance matrix),
P6: 이중결합의 상대적인 수(Relative number of double bonds),
P7: 수소원자의 평균 결합차수(Average bond order of a H atom),
P8: 탄소원자의 최소 결합차수 (>0.1) (Min (>0.1) bond order of a C atom),
P9: Balaban X 지수(Balaban X index) 및
P10: 결합정보내용(주변대칭 차수0)(bond information content (neighborhood symmetry of 0-order))을 포함하는 다중선형회귀-인공신경망 모형을 통하여 탄화수소 계열 유기화합물의 인화 하한 부피 퍼센트를 구하는 방법.
The method of claim 1, wherein the optimal molecular descriptors extracted in the third step
P1: H autocorrelation of lag 3 / Weighted by atomic Sanderson electronegativities,
P2: RRCG Relative positive charge (QMPOS / QTPLUS),
P3: 3D Balaban index,
P4: Moment of inertia C,
P5: average eigenvector coefficient sum from distance matrix,
P6: Relative number of double bonds,
P7: Average bond order of a H atom,
P8: minimum bond order of carbon atoms (> 0.1) (Min (> 0.1) bond order of a C atom),
P9: Balaban X index and
P10: A method for obtaining the lower flammable volume percentage of a hydrocarbon-based organic compound using a multiple linear regression-artificial neural network model that includes bond information content (neighborhood symmetry of 0-order).
P1: 1 / 분자량(1 / molecular weight),
P2: 성분접근지향적 가중 포괄불변분자 지수/원자 전자위상 상태 가중(3rd component accessibility directional WHIM index / weighted by atomic electrotopological states),
P3: 위상거리2 C-C 결합의 존재여부(presence/absence of C - C at topological distance 02),
P4: 성분접근지향적 가중 포괄불변분자 지수/원자량 가중(3rd component accessibility directional WHIM index / weighted by atomic masses),
P5: 산소원자의 수(number of Oxygen atoms),
P6: 수소원자의 평균 원자가(Average valency of a H atom),
P7: 회전가능 결합 비율(rotatable bond fraction),
P8: 삼중결합의 상대적인 수(Relative number of triple bonds),
P9: 중력 지수 (모든 결합)(Gravitation index (all bonds)),
P10: R 자기상관 차수1/비가중(R autocorrelation of lag 1 / Unweighted),
P11: 산소원자의 상대적인 수(Relative number of O atoms),
P12: 고리의 상대적인 수(Relative number of rings),
P13: 탄소원자의 최소 부분전하(Min partial charge for a C atom),
P14: Narumi의 기하 위상학적 지수(Narumi geometric topological index) 및
P15: 평균 결합정보 내용 (차수0)(Average Bonding Information content (order 0))을 포함하는 다중선형회귀-인공신경망 모형을 통하여 비탄화수소 계열 유기화합물의 인화 하한 부피 퍼센트를 구하는 방법.
The method of claim 12, wherein the optimal molecular descriptors extracted in the third step is
P1: 1 / molecular weight,
P2: 3rd component accessibility directional WHIM index / weighted by atomic electrotopological states,
P3: presence / absence of C-C at topological distance 02,
P4: 3rd component accessibility directional WHIM index / weighted by atomic masses,
P5: number of Oxygen atoms,
P6: Average valency of a H atom,
P7: rotatable bond fraction,
P8: Relative number of triple bonds,
P9: Gravitation index (all bonds),
P10: R autocorrelation of lag 1 / Unweighted,
P11: Relative number of O atoms,
P12: Relative number of rings,
P13: Min partial charge for a C atom,
P14: Narumi's Narumi geometric topological index and
P15: Method of obtaining lower flammable volume percentage of non-hydrocarbon-based organic compounds through a multiple linear regression-artificial neural network model containing average bonding information content (order 0).
P1: 수소원자 자기상관 차수3/원자 Sanderson 전기음성도 가중(H autocorrelation of lag 3 / Weighted by atomic Sanderson electronegativities),
P2: 상대적 양전하(RPCG Relative positive charge (QMPOS/QTPLUS)),
P3: 3차원 Balaban 지수(3D-Balaban index),
P4: 관성 모멘트 C(Moment of inertia C),
P5: 거리행렬 평균 고유벡터계수 합(average eigenvector coefficient sum from distance matrix),
P6: 이중결합의 상대적인 수(Relative number of double bonds),
P7: 수소원자의 평균 결합차수(Average bond order of a H atom),
P8: 탄소원자의 최소 결합차수 (>0.1) (Min (>0.1) bond order of a C atom),
P9: Balaban X 지수(Balaban X index) 및
P10: 결합정보내용(주변대칭 차수0)(bond information content (neighborhood symmetry of 0-order))을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중선형회귀-인공신경망 모형을 통하여 탄화수소 계열 유기화합물의 인화 하한 부피 퍼센트를 구하는 방법.
In the method of obtaining the lower flammable volume percentage of a hydrocarbon-based organic compound through a multiple linear regression-artificial neural network model,
P1: H autocorrelation of lag 3 / Weighted by atomic Sanderson electronegativities,
P2: RRCG Relative positive charge (QMPOS / QTPLUS),
P3: 3D Balaban index,
P4: Moment of inertia C,
P5: average eigenvector coefficient sum from distance matrix,
P6: Relative number of double bonds,
P7: Average bond order of a H atom,
P8: minimum bond order of carbon atoms (> 0.1) (Min (> 0.1) bond order of a C atom),
P9: Balaban X index and
P10: Lower flammability limit volume percentage of hydrocarbon-based organic compounds in a multiple linear regression-artificial neural network model comprising bond information content (neighborhood symmetry of 0-order). How to obtain.
P1: 1 / 분자량(1 / molecular weight),
P2: 성분접근지향적 가중 포괄불변분자 지수/원자 전자위상 상태 가중(3rd component accessibility directional WHIM index / weighted by atomic electrotopological states),
P3: 위상거리2 C-C 결합의 존재여부(presence/absence of C - C at topological distance 02),
P4: 성분접근지향적 가중 포괄불변분자 지수/원자량 가중(3rd component accessibility directional WHIM index / weighted by atomic masses),
P5: 산소원자의 수(number of Oxygen atoms),
P6: 수소원자의 평균 원자가(Average valency of a H atom),
P7: 회전가능 결합 비율(rotatable bond fraction),
P8: 삼중결합의 상대적인 수(Relative number of triple bonds),
P9: 중력 지수 (모든 결합)(Gravitation index (all bonds)),
P10: R 자기상관 차수1/비가중(R autocorrelation of lag 1 / Unweighted),
P11: 산소원자의 상대적인 수(Relative number of O atoms),
P12: 고리의 상대적인 수(Relative number of rings),
P13: 탄소원자의 최소 부분전하(Min partial charge for a C atom),
P14: Narumi의 기하 위상학적 지수(Narumi geometric topological index) 및
P15: 평균 결합정보 내용 (차수0)(Average Bonding Information content (order 0))을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중선형회귀-인공신경망 모형을 통하여 비탄화수소 계열 유기화합물의 인화 하한 부피 퍼센트를 구하는 방법.
In the method of determining the lower percent of flammable volume of non-hydrocarbon organic compounds by multiple linear regression-artificial neural network model,
P1: 1 / molecular weight,
P2: 3rd component accessibility directional WHIM index / weighted by atomic electrotopological states,
P3: presence / absence of C-C at topological distance 02,
P4: 3rd component accessibility directional WHIM index / weighted by atomic masses,
P5: number of Oxygen atoms,
P6: Average valency of a H atom,
P7: rotatable bond fraction,
P8: Relative number of triple bonds,
P9: Gravitation index (all bonds),
P10: R autocorrelation of lag 1 / Unweighted,
P11: Relative number of O atoms,
P12: Relative number of rings,
P13: Min partial charge for a C atom,
P14: Narumi's Narumi geometric topological index and
P15: A method for obtaining the lower flammable volume percentage of a non-hydrocarbon-based organic compound through a multiple linear regression-artificial neural network model comprising average bonding information content (order 0).
A computer-readable storage medium having recorded thereon a program for executing on a computer a method for obtaining the lower flammable volume percentage of a hydrocarbon-based organic compound according to any one of claims 1 to 11, 23 and 25. .
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