src/gromacs/awh/coordstate.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2015,2016,2017,2018,2019,2020, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35
  36 /*! \internal \file
  37  * \brief
  38  * Implements the CoordState class.
  39  *
  40  * \author Viveca Lindahl
  41  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
  42  * \ingroup module_awh
  43  */
  44
  45 #include "gmxpre.h"
  46
  47 #include "coordstate.h"
  48
  49 #include <algorithm>
  50
  51 #include "gromacs/math/utilities.h"
  52 #include "gromacs/mdtypes/awh_history.h"
  53 #include "gromacs/mdtypes/awh_params.h"
  54 #include "gromacs/random/threefry.h"
  55 #include "gromacs/random/uniformrealdistribution.h"
  56 #include "gromacs/utility/arrayref.h"
  57 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  58 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
  59 #include "gromacs/utility/stringutil.h"
  60
  61 #include "biasgrid.h"
  62
  63 namespace gmx
  64 {
  65
  66 CoordState::CoordState(const AwhBiasParams&          awhBiasParams,
  67                        const std::vector<DimParams>& dimParams,
  68                        const BiasGrid&               grid)
  69 {
  70     for (size_t d = 0; d < dimParams.size(); d++)
  71     {
  72         coordValue_[d] = dimParams[d].scaleUserInputToInternal(awhBiasParams.dimParams[d].coordValueInit);
  73     }
  74
  75     /* The grid-point index is always the nearest point to the coordinate.
  76      * We initialize the umbrella location to the same nearest point.
  77      * More correctly one would sample from the biased distribution,
  78      * but it doesn't really matter, as this will happen after a few steps.
  79      */
  80     gridpointIndex_    = grid.nearestIndex(coordValue_);
  81     umbrellaGridpoint_ = gridpointIndex_;
  82 }
  83
  84 namespace
  85 {
  86
  87 /*! \brief Generate a sample from a discrete probability distribution defined on [0, distr.size() - 1].
  88  *
  89  * The pair (indexSeed0,indexSeed1) should be different for every invocation.
  90  *
  91  * \param[in] distr       Normalized probability distribution to generate a sample from.
  92  * \param[in] seed        Random seed for initializing the random number generator.
  93  * \param[in] indexSeed0  Random seed needed by the random number generator.
  94  * \param[in] indexSeed1  Random seed needed by the random number generator.
  95  * \returns a sample index in [0, distr.size() - 1]
  96  */
  97 int getSampleFromDistribution(ArrayRef<const double> distr, int64_t seed, int64_t indexSeed0, int64_t indexSeed1)
  98 {
  99     gmx::ThreeFry2x64<0>               rng(seed, gmx::RandomDomain::AwhBiasing);
 100     gmx::UniformRealDistribution<real> uniformRealDistr;
 101
 102     GMX_RELEASE_ASSERT(!distr.empty(), "We need a non-zero length distribution to sample from");
 103
 104     /* Generate the cumulative probability distribution function */
 105     std::vector<double> cumulativeDistribution(distr.size());
 106
 107     cumulativeDistribution[0] = distr[0];
 108
 109     for (gmx::index i = 1; i < distr.ssize(); i++)
 110     {
 111         cumulativeDistribution[i] = cumulativeDistribution[i - 1] + distr[i];
 112     }
 113
 114     GMX_RELEASE_ASSERT(gmx_within_tol(cumulativeDistribution.back(), 1.0, 0.01),
 115                        "Attempt to get sample from non-normalized/zero distribution");
 116
 117     /* Use binary search to convert the real value to an integer in [0, ndistr - 1] distributed according to distr. */
 118     rng.restart(indexSeed0, indexSeed1);
 119
 120     double value = uniformRealDistr(rng);
 121     int sample = std::upper_bound(cumulativeDistribution.begin(), cumulativeDistribution.end() - 1, value)
 122                  - cumulativeDistribution.begin();
 123
 124     return sample;
 125 }
 126
 127 } // namespace
 128
 129 void CoordState::sampleUmbrellaGridpoint(const BiasGrid&             grid,
 130                                          int                         gridpointIndex,
 131                                          gmx::ArrayRef<const double> probWeightNeighbor,
 132                                          int64_t                     step,
 133                                          int64_t                     seed,
 134                                          int                         indexSeed)
 135 {
 136     /* Sample new umbrella reference value from the probability distribution
 137      * which is defined for the neighboring points of the current coordinate.
 138      */
 139     const std::vector<int>& neighbor = grid.point(gridpointIndex).neighbor;
 140
 141     /* In order to use the same seed for all AWH biases and get independent
 142        samples we use the index of the bias. */
 143     int localIndex = getSampleFromDistribution(probWeightNeighbor, seed, step, indexSeed);
 144
 145     umbrellaGridpoint_ = neighbor[localIndex];
 146 }
 147
 148 void CoordState::setCoordValue(const BiasGrid& grid, const awh_dvec coordValue)
 149 {
 150     /* We need to check for valid (probable) coordinate values, to give
 151      * a clear error message instead of a low-level assertion failure.
 152      * We allow values up to 10*sigma beyond the bounds. For points at
 153      * the bounds this means a chance of less than 2*10-45 of a false positive
 154      * in the usual case that the PMF is flat or goes up beyond the bounds.
 155      * In the worst reasonable case of the PMF curving down with a curvature
 156      * of half the harmonic force constant, the chance is 1.5*10-12.
 157      */
 158     constexpr int c_marginInSigma = 10;
 159
 160     for (int dim = 0; dim < grid.numDimensions(); dim++)
 161     {
 162         const GridAxis& axis = grid.axis(dim);
 163         /* We do not check periodic coordinates, since that is more complicated
 164          * and those cases are less likely to cause problems.
 165          */
 166         if (!axis.isPeriodic())
 167         {
 168             const double margin = axis.spacing() * c_marginInSigma / BiasGrid::c_numPointsPerSigma;
 169             if (coordValue[dim] < axis.origin() - margin
 170                 || coordValue[dim] > axis.origin() + axis.length() + margin)
 171             {
 172                 std::string mesg = gmx::formatString(
 173                         "Coordinate %d of an AWH bias has a value %f which is more than %d sigma "
 174                         "out of the AWH range of [%f, %f]. You seem to have an unstable reaction "
 175                         "coordinate setup or an unequilibrated system.",
 176                         dim + 1, coordValue[dim], c_marginInSigma, axis.origin(),
 177                         axis.origin() + axis.length());
 178                 GMX_THROW(SimulationInstabilityError(mesg));
 179             }
 180         }
 181
 182         coordValue_[dim] = coordValue[dim];
 183     }
 184
 185     /* The grid point closest to the coordinate value defines the current
 186      * neighborhood of points. Besides at steps when global updates and/or
 187      * checks are performed, only the neighborhood will be touched.
 188      */
 189     gridpointIndex_ = grid.nearestIndex(coordValue_);
 190 }
 191
 192 void CoordState::restoreFromHistory(const AwhBiasStateHistory& stateHistory)
 193 {
 194     umbrellaGridpoint_ = stateHistory.umbrellaGridpoint;
 195 }
 196
 197 } // namespace gmx