src/gromacs/mdlib/energyoutput.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2019, 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
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  13  *
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  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
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  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
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  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 /*! \libinternal \file
  36  * \brief Header for the code that writes energy-like quantities.
  37  *
  38  * \author Mark Abraham <mark.j.abraham@gmail.com>
  39  * \author Paul Bauer <paul.bauer.q@gmail.com>
  40  * \author Artem Zhmurov <zhmurov@gmail.com>
  41  *
  42  * \ingroup module_mdlib
  43  * \inlibraryapi
  44  */
  45 #ifndef GMX_MDLIB_ENERGYOUTPUT_H
  46 #define GMX_MDLIB_ENERGYOUTPUT_H
  47
  48 #include <cstdio>
  49
  50 #include "gromacs/mdtypes/enerdata.h"
  51
  52 class energyhistory_t;
  53 struct ener_file;
  54 struct gmx_ekindata_t;
  55 struct gmx_enerdata_t;
  56 struct SimulationGroups;
  57 struct gmx_mtop_t;
  58 struct gmx_output_env_t;
  59 struct pull_t;
  60 struct t_ebin;
  61 struct t_expanded;
  62 struct t_fcdata;
  63 struct t_grpopts;
  64 struct t_inputrec;
  65 struct t_lambda;
  66 class t_state;
  67
  68 struct t_mde_delta_h_coll;
  69
  70 namespace gmx
  71 {
  72 class Awh;
  73 class Constraints;
  74 struct MdModulesNotifier;
  75 } // namespace gmx
  76
  77 //! \brief Printed names for intergroup energies
  78 extern const char* egrp_nm[egNR + 1];
  79
  80 /* \brief delta_h block type enum: the kinds of energies written out. */
  81 enum
  82 {
  83     //! Delta H BAR energy difference
  84     dhbtDH = 0,
  85     //! dH/dlambda derivative
  86     dhbtDHDL = 1,
  87     //! System energy
  88     dhbtEN,
  89     //! pV term
  90     dhbtPV,
  91     //! Expanded ensemble statistics
  92     dhbtEXPANDED,
  93     //! Total number of energy types in this enum
  94     dhbtNR
  95 };
  96
  97 namespace gmx
  98 {
  99
 100 /* Energy output class
 101  *
 102  * This is the collection of energy averages collected during mdrun, and to
 103  * be written out to the .edr file.
 104  *
 105  * \todo Use more std containers.
 106  * \todo Remove GMX_CONSTRAINTVIR
 107  * \todo Write free-energy output also to energy file (after adding more tests)
 108  */
 109 class EnergyOutput
 110 {
 111 public:
 112     /*! \brief Initiate MD energy bin
 113      *
 114      * \param[in] fp_ene     Energy output file.
 115      * \param[in] mtop       Topology.
 116      * \param[in] ir         Input parameters.
 117      * \param[in] pull_work  Pulling simulations data
 118      * \param[in] fp_dhdl    FEP file.
 119      * \param[in] isRerun    Is this is a rerun instead of the simulations.
 120      * \param[in] mdModulesNotifier Notifications to MD modules.
 121      */
 122     EnergyOutput(ener_file*               fp_ene,
 123                  const gmx_mtop_t*        mtop,
 124                  const t_inputrec*        ir,
 125                  const pull_t*            pull_work,
 126                  FILE*                    fp_dhdl,
 127                  bool                     isRerun,
 128                  const MdModulesNotifier& mdModulesNotifier);
 129
 130     ~EnergyOutput();
 131
 132     /*! \brief Update the averaging structures.
 133      *
 134      * Called every step on which the thermodynamic values are evaluated.
 135      *
 136      * \param[in] bDoDHDL  Whether the FEP is enabled.
 137      * \param[in] bSum     If this stepshould be recorded to compute sums and averaes.
 138      * \param[in] time     Current simulation time.
 139      * \param[in] tmass    Total mass
 140      * \param[in] enerd    Energy data object.
 141      * \param[in] state    System state.
 142      * \param[in] fep      FEP data.
 143      * \param[in] expand   Expanded ensemble (for FEP).
 144      * \param[in] lastbox  PBC data.
 145      * \param[in] svir     Constraint virial.
 146      * \param[in] fvir     Force virial.
 147      * \param[in] vir      Total virial.
 148      * \param[in] pres     Pressure.
 149      * \param[in] ekind    Kinetic energy data.
 150      * \param[in] mu_tot   Total dipole.
 151      * \param[in] constr   Constraints object to get RMSD from (for LINCS only).
 152      */
 153     void addDataAtEnergyStep(bool                    bDoDHDL,
 154                              bool                    bSum,
 155                              double                  time,
 156                              real                    tmass,
 157                              const gmx_enerdata_t*   enerd,
 158                              const t_state*          state,
 159                              const t_lambda*         fep,
 160                              const t_expanded*       expand,
 161                              const matrix            lastbox,
 162                              const tensor            svir,
 163                              const tensor            fvir,
 164                              const tensor            vir,
 165                              const tensor            pres,
 166                              const gmx_ekindata_t*   ekind,
 167                              const rvec              mu_tot,
 168                              const gmx::Constraints* constr);
 169
 170     /*! \brief Update the data averaging structure counts.
 171      *
 172      * Updates the number of steps, the values have not being computed.
 173      */
 174     void recordNonEnergyStep();
 175
 176     /*! \brief Writes current quantites to log and energy files.
 177      *
 178      * Prints current values of energies, pressure, temperature, restraint
 179      * data, etc. to energy output file and to the log file (if not nullptr).
 180      *
 181      * This function only does something useful when bEne || bDR || bOR || log.
 182      *
 183      * \todo Perhaps this responsibility should involve some other
 184      *       object visiting all the contributing objects.
 185      *
 186      * \param[in] fp_ene   Energy file for the output.
 187      * \param[in] bEne     If it is a step for energy output or last step.
 188      * \param[in] bDR      If it is a step of writing distance restraints.
 189      * \param[in] bOR      If it is a step of writing orientation restraints.
 190      * \param[in] log      Pointer to the log file.
 191      * \param[in] step     Current step.
 192      * \param[in] time     Current simulation time.
 193      * \param[in] fcd      Bonded force computation data,
 194      *                     including orientation and distance restraints.
 195      * \param[in] awh      AWH data.
 196      */
 197     void printStepToEnergyFile(ener_file* fp_ene,
 198                                bool       bEne,
 199                                bool       bDR,
 200                                bool       bOR,
 201                                FILE*      log,
 202                                int64_t    step,
 203                                double     time,
 204                                t_fcdata*  fcd,
 205                                gmx::Awh*  awh);
 206
 207     /*! \brief Print reference temperatures for annealing groups.
 208      *
 209      * Nothing is done if log is nullptr.
 210      *
 211      * \param[in] log     Log file to print to.
 212      * \param[in] groups  Information on atom groups.
 213      * \param[in] opts    Atom temperature coupling groups options
 214      *                    (annealing is done by groups).
 215      */
 216     void printAnnealingTemperatures(FILE* log, SimulationGroups* groups, t_grpopts* opts);
 217
 218     /*! \brief Prints average values to log file.
 219      *
 220      * This is called at the end of the simulation run to print accumulated average values.
 221      * Nothing it done if log is nullptr.
 222      *
 223      * \param[in]   log      Where to print.
 224      * \param[in]   groups   Atom groups.
 225      */
 226     void printAverages(FILE* log, const SimulationGroups* groups);
 227
 228     /*! \brief Get the number of thermodynamic terms recorded.
 229      *
 230      * \todo Refactor this to return the expected output size,
 231      *       rather than exposing the implementation details about
 232      *       thermodynamic terms.
 233      *
 234      * \returns Number of thermodynamic terms.
 235      */
 236     int numEnergyTerms() const;
 237
 238     /*! \brief Fill the energyhistory_t data.
 239      *
 240      * Between .edr writes, the averages are history dependent,
 241      * and that history needs to be retained in checkpoints.
 242      * These functions set/read the energyhistory_t class
 243      * that is written to checkpoints.
 244      *
 245      * \param[out] enerhist  Energy history data structure.
 246      */
 247     void fillEnergyHistory(energyhistory_t* enerhist) const;
 248
 249     /*! \brief Restore from energyhistory_t data.
 250      *
 251      * \param[in] enerhist  Energy history data structure.
 252      */
 253     void restoreFromEnergyHistory(const energyhistory_t& enerhist);
 254
 255     //! Print an output header to the log file.
 256     void printHeader(FILE* log, int64_t steps, double time);
 257
 258 private:
 259     //! Timestep
 260     double delta_t_ = 0;
 261
 262     //! Structure to store energy components and their running averages
 263     t_ebin* ebin_ = nullptr;
 264
 265     //! Is the periodic box triclinic
 266     bool bTricl_ = false;
 267     //! NHC trotter is used
 268     bool bNHC_trotter_ = false;
 269     //! If Nose-Hoover chains should be printed
 270     bool bPrintNHChains_ = false;
 271     //! If MTTK integrator was used
 272     bool bMTTK_ = false;
 273
 274     //! Temperature control scheme
 275     int etc_ = 0;
 276
 277     //! Which of the main energy terms should be printed
 278     bool bEner_[F_NRE] = { false };
 279     //! Index for main energy terms
 280     int ie_ = 0;
 281     //! Number of energy terms from F_NRE list to be saved (i.e. number of 'true' in bEner)
 282     int f_nre_ = 0;
 283
 284     //! Index for constraints RMSD
 285     int iconrmsd_ = 0;
 286     /* !\brief How many constraints RMSD terms there are.
 287      * Usually 1 if LINCS is used and 0 otherwise)
 288      * nCrmsd > 0 indicates when constraints RMSD is saves, hence no boolean
 289      */
 290     int nCrmsd_ = 0;
 291
 292     //! Is the periodic box dynamic
 293     bool bDynBox_ = false;
 294     //! Index for box dimensions
 295     int ib_ = 0;
 296     //! Index for box volume
 297     int ivol_ = 0;
 298     //! Index for density
 299     int idens_ = 0;
 300     //! Triclinic box and not a rerun
 301     bool bDiagPres_ = false;
 302     //! Reference pressure, averaged over dimensions
 303     real ref_p_ = 0.0;
 304     //! Index for thermodynamic work (pV)
 305     int ipv_ = 0;
 306     //! Index for entalpy (pV + total energy)
 307     int ienthalpy_ = 0;
 308
 309     /*! \brief If the constraints virial should be printed.
 310      * Can only be true if "GMX_CONSTRAINTVIR" environmental variable is set */
 311     bool bConstrVir_ = false;
 312     //! Index for constrains virial
 313     int isvir_ = 0;
 314     //! Index for force virial
 315     int ifvir_ = 0;
 316
 317     //! If we have pressure computed
 318     bool bPres_ = false;
 319     //! Index for total virial
 320     int ivir_ = 0;
 321     //! Index for pressure
 322     int ipres_ = 0;
 323     /*! \brief Index for surface tension
 324      * [(pres[ZZ][ZZ]-(pres[XX][XX]+pres[YY][YY])*0.5)*box[ZZ][ZZ]]*/
 325     int isurft_ = 0;
 326
 327     //! Pressure control scheme
 328     int epc_ = 0;
 329     //! Index for velocity of the box borders
 330     int ipc_ = 0;
 331
 332     //! If dipole was calculated
 333     bool bMu_ = false;
 334     //! Index for the dipole
 335     int imu_ = 0;
 336
 337     //! Index for coseine acceleration used for viscocity calculation
 338     int ivcos_ = 0;
 339     //! Index for viscocity
 340     int ivisc_ = 0;
 341
 342     //! Which energy terms from egNR list should be printed in group-to-group block
 343     bool bEInd_[egNR] = { false };
 344     //! Number of energy terms to be printed (these, for which bEInd[] == true)
 345     int nEc_ = 0;
 346     //! Number of energy output groups
 347     int nEg_ = 0;
 348     //! Number of intergroup energy sets to be printed for each energy term (nE = (nEg*(nEg+1))/2)
 349     int nE_ = 0;
 350     //! Indexes for integroup energy sets (each set with nEc energies)
 351     int* igrp_ = nullptr;
 352
 353     //! Number of temperature coupling groups
 354     int nTC_ = 0;
 355     //! Index for temperature
 356     int itemp_ = 0;
 357
 358     //! Number of Nose-Hoover chains
 359     int nNHC_ = 0;
 360     //! Number of temperature coupling coefficients in case of NH Chains
 361     int mde_n_ = 0;
 362     //! Index for temperature coupling coefficient in case of NH chains
 363     int itc_ = 0;
 364
 365     //! Number of temperature coupling terms if the temperature control is dealt by barostat (MTTK case)
 366     int nTCP_ = 0;
 367     //! Scalling factors for temperaturs control in MTTK
 368     int mdeb_n_ = 0;
 369     //! Index for scalling factor of MTTK
 370     int itcb_ = 0;
 371
 372     //! Number of acceleration groups
 373     int nU_ = 0;
 374     //! Index for group velocities
 375     int iu_ = 0;
 376
 377     //! Array to accumulate values during update
 378     real* tmp_r_ = nullptr;
 379     //! Array to accumulate values during update
 380     rvec* tmp_v_ = nullptr;
 381
 382     //! The dhdl.xvg output file
 383     FILE* fp_dhdl_ = nullptr;
 384     //! Energy components for dhdl.xvg output
 385     double* dE_ = nullptr;
 386     //! The delta U components (raw data + histogram)
 387     t_mde_delta_h_coll* dhc_ = nullptr;
 388     //! Temperatures for simulated tempering groups
 389     real* temperatures_ = nullptr;
 390     //! Number of temperatures actually saved
 391     int numTemperatures_ = 0;
 392 };
 393
 394 } // namespace gmx
 395
 396 //! Open the dhdl file for output
 397 FILE* open_dhdl(const char* filename, const t_inputrec* ir, const gmx_output_env_t* oenv);
 398
 399 #endif