src/mdlib/pull_rotation.c

   1 /*
   2  *
   3  *                This source code is part of
   4  *
   5  *                 G   R   O   M   A   C   S
   6  *
   7  *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
   8  *
   9  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  10  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  11  * Copyright (c) 2001-2008, The GROMACS development team,
  12  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  13
  14  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  15  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  16  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  17  * of the License, or (at your option) any later version.
  18  *
  19  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  20  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  21  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  22  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  23  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  24  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  25  *
  26  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  27  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  28  *
  29  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  30  *
  31  * And Hey:
  32  * Gallium Rubidium Oxygen Manganese Argon Carbon Silicon
  33  */
  34 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  35 #include <config.h>
  36 #endif
  37
  38 #include <stdio.h>
  39 #include <stdlib.h>
  40 #include <string.h>
  41 #include "domdec.h"
  42 #include "gmx_wallcycle.h"
  43 #include "trnio.h"
  44 #include "smalloc.h"
  45 #include "network.h"
  46 #include "pbc.h"
  47 #include "futil.h"
  48 #include "mdrun.h"
  49 #include "txtdump.h"
  50 #include "names.h"
  51 #include "mtop_util.h"
  52 #include "names.h"
  53 #include "nrjac.h"
  54 #include "vec.h"
  55 #include "gmx_ga2la.h"
  56 #include "xvgr.h"
  57 #include "gmxfio.h"
  58 #include "mpelogging.h"
  59 #include "groupcoord.h"
  60 #include "pull_rotation.h"
  61 #include "gmx_sort.h"
  62
  63
  64 static char *RotStr = {"Enforced rotation:"};
  65
  66
  67 /* Set the minimum weight for the determination of the slab centers */
  68 #define WEIGHT_MIN (10*GMX_FLOAT_MIN)
  69
  70 /* Helper structure for sorting positions along rotation vector             */
  71 typedef struct {
  72     real xcproj;            /* Projection of xc on the rotation vector        */
  73     int ind;                /* Index of xc                                    */
  74     real m;                 /* Mass                                           */
  75     rvec x;                 /* Position                                       */
  76     rvec x_ref;             /* Reference position                             */
  77 } sort_along_vec_t;
  78
  79
  80 /* Enforced rotation / flexible: determine the angle of each slab             */
  81 typedef struct gmx_slabdata
  82 {
  83     int  nat;               /* Number of atoms belonging to this slab         */
  84     rvec *x;                /* The positions belonging to this slab. In
  85                                general, this should be all positions of the
  86                                whole rotation group, but we leave those away
  87                                that have a small enough weight                */
  88     rvec *ref;              /* Same for reference                             */
  89     real *weight;           /* The weight for each atom                       */
  90 } t_gmx_slabdata;
  91
  92
  93 /* Enforced rotation data for all groups                                      */
  94 typedef struct gmx_enfrot
  95 {
  96     FILE  *out_rot;         /* Output file for rotation data                  */
  97     FILE  *out_torque;      /* Output file for torque data                    */
  98     FILE  *out_angles;      /* Output file for slab angles for flexible type  */
  99     FILE  *out_slabs;       /* Output file for slab centers                   */
 100     int   bufsize;          /* Allocation size of buf                         */
 101     rvec  *xbuf;            /* Coordinate buffer variable for sorting         */
 102     real  *mbuf;            /* Masses buffer variable for sorting             */
 103     sort_along_vec_t *data; /* Buffer variable needed for position sorting    */
 104     real  *mpi_inbuf;       /* MPI buffer                                     */
 105     real  *mpi_outbuf;      /* MPI buffer                                     */
 106     int   mpi_bufsize;      /* Allocation size of in & outbuf                 */
 107     real  Vrot;             /* (Local) part of the enf. rotation potential    */
 108 } t_gmx_enfrot;
 109
 110
 111 /* Global enforced rotation data for a single rotation group                  */
 112 typedef struct gmx_enfrotgrp
 113 {
 114     real    degangle;       /* Rotation angle in degrees                      */
 115     matrix  rotmat;         /* Rotation matrix                                */
 116     atom_id *ind_loc;       /* Local rotation indices                         */
 117     int     nat_loc;        /* Number of local group atoms                    */
 118     int     nalloc_loc;     /* Allocation size for ind_loc and weight_loc     */
 119
 120     real  V;                /* Rotation potential for this rotation group     */
 121     rvec  *f_rot_loc;       /* Array to store the forces on the local atoms
 122                                resulting from enforced rotation potential     */
 123
 124     /* Collective coordinates for the whole rotation group */
 125     real  *xc_ref_length;   /* Length of each x_rotref vector after x_rotref
 126                                has been put into origin                       */
 127     int   *xc_ref_ind;      /* Position of each local atom in the collective
 128                                array                                          */
 129     rvec  xc_center;        /* Center of the rotation group positions, may
 130                                be mass weighted                               */
 131     rvec  xc_ref_center;    /* dito, for the reference positions              */
 132     rvec  *xc;              /* Current (collective) positions                 */
 133     ivec  *xc_shifts;       /* Current (collective) shifts                    */
 134     ivec  *xc_eshifts;      /* Extra shifts since last DD step                */
 135     rvec  *xc_old;          /* Old (collective) positions                     */
 136     rvec  *xc_norm;         /* Normalized form of the current positions       */
 137     rvec  *xc_ref_sorted;   /* Reference positions (sorted in the same order
 138                                as xc when sorted)                             */
 139     int   *xc_sortind;      /* Where is a position found after sorting?       */
 140     real  *mc;              /* Collective masses                              */
 141     real  *mc_sorted;
 142     real  invmass;          /* one over the total mass of the rotation group  */
 143
 144     real  torque_v;         /* Torque in the direction of rotation vector     */
 145     real  angle_v;          /* Actual angle of the whole rotation group       */
 146     /* Fixed rotation only */
 147     real  weight_v;         /* Weights for angle determination                */
 148     rvec  *xr_loc;          /* Local reference coords, correctly rotated      */
 149     rvec  *x_loc_pbc;       /* Local current coords, correct PBC image        */
 150     real  *m_loc;           /* Masses of the current local atoms              */
 151
 152     /* Flexible rotation only */
 153     int   nslabs_alloc;     /* For this many slabs memory is allocated        */
 154     int   slab_first;       /* Lowermost slab for that the calculation needs
 155                                to be performed at a given time step           */
 156     int   slab_last;        /* Uppermost slab ...                             */
 157     int   slab_first_ref;   /* First slab for which reference COG is stored   */
 158     int   slab_last_ref;    /* Last ...                                       */
 159     int   slab_buffer;      /* Slab buffer region around reference slabs      */
 160     int   *firstatom;       /* First relevant atom for a slab                 */
 161     int   *lastatom;        /* Last relevant atom for a slab                  */
 162     rvec  *slab_center;     /* Gaussian-weighted slab center (COG)            */
 163     rvec  *slab_center_ref; /* Gaussian-weighted slab COG for the
 164                                reference positions                            */
 165     real  *slab_weights;    /* Sum of gaussian weights in a slab              */
 166     real  *slab_torque_v;   /* Torque T = r x f for each slab.                */
 167                             /* torque_v = m.v = angular momentum in the
 168                                direction of v                                 */
 169     real  max_beta;         /* min_gaussian from inputrec->rotgrp is the
 170                                minimum value the gaussian must have so that
 171                                the force is actually evaluated max_beta is
 172                                just another way to put it                     */
 173     real  *gn_atom;         /* Precalculated gaussians for a single atom      */
 174     int   *gn_slabind;      /* Tells to which slab each precalculated gaussian
 175                                belongs                                        */
 176     rvec  *slab_innersumvec;/* Inner sum of the flexible2 potential per slab;
 177                                this is precalculated for optimization reasons */
 178     t_gmx_slabdata *slab_data; /* Holds atom positions and gaussian weights
 179                                of atoms belonging to a slab                   */
 180 } t_gmx_enfrotgrp;
 181
 182
 183 /* Activate output of forces for correctness checks */
 184 /* #define PRINT_FORCES */
 185 #ifdef PRINT_FORCES
 186 #define PRINT_FORCE_J  fprintf(stderr,"f%d = %15.8f %15.8f %15.8f\n",erg->xc_ref_ind[j],erg->f_rot_loc[j][XX], erg->f_rot_loc[j][YY], erg->f_rot_loc[j][ZZ]);
 187 #define PRINT_POT_TAU  fprintf(stderr,"potential = %15.8f\n" "torque    = %15.8f", erg->V, erg->torque_v);
 188 #else
 189 #define PRINT_FORCE_J
 190 #define PRINT_POT_TAU
 191 #endif
 192
 193 /* Shortcuts for often used queries */
 194 #define ISFLEX(rg) ( (rg->eType==erotgFLEX) || (rg->eType==erotgFLEXT) || (rg->eType==erotgFLEX2) || (rg->eType==erotgFLEX2T) )
 195 #define ISCOLL(rg) ( (rg->eType==erotgFLEX) || (rg->eType==erotgFLEXT) || (rg->eType==erotgFLEX2) || (rg->eType==erotgFLEX2T) || (rg->eType==erotgRMPF) || (rg->eType==erotgRM2PF) )
 196
 197
 198
 199 static double** allocate_square_matrix(int dim)
 200 {
 201     int i;
 202     double** mat = NULL;
 203
 204
 205     snew(mat, dim);
 206     for(i=0; i<dim; i++)
 207         snew(mat[i], dim);
 208
 209     return mat;
 210 }
 211
 212
 213 static void free_square_matrix(double** mat, int dim)
 214 {
 215     int i;
 216
 217
 218     for (i=0; i<dim; i++)
 219         sfree(mat[i]);
 220     sfree(mat);
 221 }
 222
 223
 224 /* Output rotation energy, torques, etc. for each rotation group */
 225 static void reduce_output(t_commrec *cr, t_rot *rot, real t, gmx_large_int_t step)
 226 {
 227     int      g,i,islab,nslabs=0;
 228     int      count;      /* MPI element counter                               */
 229     t_rotgrp *rotg;
 230     gmx_enfrot_t er;     /* Pointer to the enforced rotation buffer variables */
 231     gmx_enfrotgrp_t erg; /* Pointer to enforced rotation group data           */
 232     gmx_bool bFlex;
 233
 234
 235     er=rot->enfrot;
 236
 237     /* Fill the MPI buffer with stuff to reduce: */
 238     if (PAR(cr))
 239     {
 240         count=0;
 241         for (g=0; g < rot->ngrp; g++)
 242         {
 243             rotg = &rot->grp[g];
 244             erg = rotg->enfrotgrp;
 245             nslabs = erg->slab_last - erg->slab_first + 1;
 246             er->mpi_inbuf[count++] = erg->V;
 247             er->mpi_inbuf[count++] = erg->torque_v;
 248             er->mpi_inbuf[count++] = erg->angle_v;
 249             er->mpi_inbuf[count++] = erg->weight_v; /* weights are not needed for flex types, but this is just a single value */
 250             if (ISFLEX(rotg))
 251             {
 252                 /* (Re-)allocate memory for MPI buffer: */
 253                 if (er->mpi_bufsize < count+nslabs)
 254                 {
 255                     er->mpi_bufsize = count+nslabs;
 256                     srenew(er->mpi_inbuf , er->mpi_bufsize);
 257                     srenew(er->mpi_outbuf, er->mpi_bufsize);
 258                 }
 259                 for (i=0; i<nslabs; i++)
 260                     er->mpi_inbuf[count++] = erg->slab_torque_v[i];
 261             }
 262         }
 263 #ifdef GMX_MPI
 264         MPI_Reduce(er->mpi_inbuf, er->mpi_outbuf, count, GMX_MPI_REAL, MPI_SUM, MASTERRANK(cr), cr->mpi_comm_mygroup);
 265 #endif
 266         /* Copy back the reduced data from the buffer on the master */
 267         if (MASTER(cr))
 268         {
 269             count=0;
 270             for (g=0; g < rot->ngrp; g++)
 271             {
 272                 rotg = &rot->grp[g];
 273                 erg = rotg->enfrotgrp;
 274                 nslabs = erg->slab_last - erg->slab_first + 1;
 275                 erg->V        = er->mpi_outbuf[count++];
 276                 erg->torque_v = er->mpi_outbuf[count++];
 277                 erg->angle_v  = er->mpi_outbuf[count++];
 278                 erg->weight_v = er->mpi_outbuf[count++];
 279                 if (ISFLEX(rotg))
 280                 {
 281                     for (i=0; i<nslabs; i++)
 282                         erg->slab_torque_v[i] = er->mpi_outbuf[count++];
 283                 }
 284             }
 285         }
 286     }
 287
 288     /* Output */
 289     if (MASTER(cr))
 290     {
 291         /* Angle and torque for each rotation group */
 292         for (g=0; g < rot->ngrp; g++)
 293         {
 294             rotg=&rot->grp[g];
 295             bFlex = ISFLEX(rotg);
 296
 297             erg=rotg->enfrotgrp;
 298
 299             /* Output to main rotation output file: */
 300             if ( do_per_step(step, rot->nstrout) )
 301             {
 302                 if (bFlex)
 303                     fprintf(er->out_rot, "%12.4f", erg->angle_v); /* RMSD fit angle */
 304                 else
 305                     fprintf(er->out_rot, "%12.4f", (erg->angle_v/erg->weight_v)*180.0*M_1_PI);
 306                 fprintf(er->out_rot, "%12.3e", erg->torque_v);
 307                 fprintf(er->out_rot, "%12.3e", erg->V);
 308             }
 309
 310             /* Output to torque log file: */
 311             if ( bFlex && do_per_step(step, rot->nstsout) )
 312             {
 313                 fprintf(er->out_torque, "%12.3e%6d", t, g);
 314                 for (i=erg->slab_first; i<=erg->slab_last; i++)
 315                 {
 316                     islab = i - erg->slab_first;  /* slab index */
 317                     /* Only output if enough weight is in slab */
 318                     if (erg->slab_weights[islab] > rotg->min_gaussian)
 319                         fprintf(er->out_torque, "%6d%12.3e", i, erg->slab_torque_v[islab]);
 320                 }
 321                 fprintf(er->out_torque , "\n");
 322             }
 323         }
 324         if ( do_per_step(step, rot->nstrout) )
 325             fprintf(er->out_rot, "\n");
 326     }
 327 }
 328
 329
 330 /* Add the forces from enforced rotation potential to the local forces.
 331  * Should be called after the SR forces have been evaluated */
 332 extern real add_rot_forces(t_rot *rot, rvec f[], t_commrec *cr, gmx_large_int_t step, real t)
 333 {
 334     int g,l,ii;
 335     t_rotgrp *rotg;
 336     gmx_enfrot_t er;     /* Pointer to the enforced rotation buffer variables */
 337     gmx_enfrotgrp_t erg; /* Pointer to enforced rotation group data           */
 338
 339
 340     er=rot->enfrot;
 341
 342     GMX_MPE_LOG(ev_add_rot_forces_start);
 343
 344     /* Reduce energy,torque, angles etc. to get the sum values (per rotation group)
 345      * on the master and output these values to file. */
 346     if ( do_per_step(step, rot->nstrout) || do_per_step(step, rot->nstsout) )
 347         reduce_output(cr, rot, t, step);
 348
 349     /* Total rotation potential is the sum over all rotation groups */
 350     er->Vrot = 0.0;
 351
 352     /* Loop over enforced rotation groups (usually 1, though)
 353      * Apply the forces from rotation potentials */
 354     for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 355     {
 356         rotg = &rot->grp[g];
 357         erg=rotg->enfrotgrp;
 358         er->Vrot += erg->V;
 359         for (l=0; l<erg->nat_loc; l++)
 360         {
 361             /* Get the right index of the local force */
 362             ii = erg->ind_loc[l];
 363             /* Add */
 364             rvec_inc(f[ii],erg->f_rot_loc[l]);
 365         }
 366     }
 367
 368     GMX_MPE_LOG(ev_add_rot_forces_finish);
 369
 370     return (MASTER(cr)? er->Vrot : 0.0);
 371 }
 372
 373
 374 /* The Gaussian norm is chosen such that the sum of the gaussian functions
 375  * over the slabs is approximately 1.0 everywhere */
 376 #define GAUSS_NORM   0.569917543430618
 377
 378
 379 /* Calculate the maximum beta that leads to a gaussian larger min_gaussian,
 380  * also does some checks
 381  */
 382 static double calc_beta_max(real min_gaussian, real slab_dist)
 383 {
 384     double sigma;
 385     double arg;
 386
 387
 388     /* Actually the next two checks are already made in grompp */
 389     if (slab_dist <= 0)
 390         gmx_fatal(FARGS, "Slab distance of flexible rotation groups must be >=0 !");
 391     if (min_gaussian <= 0)
 392         gmx_fatal(FARGS, "Cutoff value for Gaussian must be > 0. (You requested %f)");
 393
 394     /* Define the sigma value */
 395     sigma = 0.7*slab_dist;
 396
 397     /* Calculate the argument for the logarithm and check that the log() result is negative or 0 */
 398     arg = min_gaussian/GAUSS_NORM;
 399     if (arg > 1.0)
 400         gmx_fatal(FARGS, "min_gaussian of flexible rotation groups must be <%g", GAUSS_NORM);
 401
 402     return sqrt(-2.0*sigma*sigma*log(min_gaussian/GAUSS_NORM));
 403 }
 404
 405
 406 static inline real calc_beta(rvec curr_x, t_rotgrp *rotg, int n)
 407 {
 408     return iprod(curr_x, rotg->vec) - rotg->slab_dist * n;
 409 }
 410
 411
 412 static inline real gaussian_weight(rvec curr_x, t_rotgrp *rotg, int n)
 413 {
 414     const real norm = GAUSS_NORM;
 415     real       sigma;
 416
 417
 418     /* Define the sigma value */
 419     sigma = 0.7*rotg->slab_dist;
 420     /* Calculate the Gaussian value of slab n for position curr_x */
 421     return norm * exp( -0.5 * sqr( calc_beta(curr_x, rotg, n)/sigma ) );
 422 }
 423
 424
 425 /* Returns the weight in a single slab, also calculates the Gaussian- and mass-
 426  * weighted sum of positions for that slab */
 427 static real get_slab_weight(int j, t_rotgrp *rotg, rvec xc[], real mc[], rvec *x_weighted_sum)
 428 {
 429     rvec curr_x;              /* The position of an atom                      */
 430     rvec curr_x_weighted;     /* The gaussian-weighted position               */
 431     real gaussian;            /* A single gaussian weight                     */
 432     real wgauss;              /* gaussian times current mass                  */
 433     real slabweight = 0.0;    /* The sum of weights in the slab               */
 434     int i,islab;
 435     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data      */
 436
 437
 438     erg=rotg->enfrotgrp;
 439     clear_rvec(*x_weighted_sum);
 440
 441     /* Slab index */
 442     islab = j - erg->slab_first;
 443
 444     /* Loop over all atoms in the rotation group */
 445      for (i=0; i<rotg->nat; i++)
 446      {
 447          copy_rvec(xc[i], curr_x);
 448          gaussian = gaussian_weight(curr_x, rotg, j);
 449          wgauss = gaussian * mc[i];
 450          svmul(wgauss, curr_x, curr_x_weighted);
 451          rvec_add(*x_weighted_sum, curr_x_weighted, *x_weighted_sum);
 452          slabweight += wgauss;
 453      } /* END of loop over rotation group atoms */
 454
 455      return slabweight;
 456 }
 457
 458
 459 static void get_slab_centers(
 460         t_rotgrp *rotg,       /* The rotation group information               */
 461         rvec      *xc,        /* The rotation group positions; will
 462                                  typically be enfrotgrp->xc, but at first call
 463                                  it is enfrotgrp->xc_ref                      */
 464         real      *mc,        /* The masses of the rotation group atoms       */
 465         t_commrec *cr,        /* Communication record                         */
 466         int       g,          /* The number of the rotation group             */
 467         real      time,       /* Used for output only                         */
 468         FILE      *out_slabs, /* For outputting center per slab information   */
 469         gmx_bool  bOutStep,   /* Is this an output step?                      */
 470         gmx_bool  bReference) /* If this routine is called from
 471                                  init_rot_group we need to store
 472                                  the reference slab centers                   */
 473 {
 474     int j,islab;
 475     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
 476
 477
 478     erg=rotg->enfrotgrp;
 479
 480     /* Loop over slabs */
 481     for (j = erg->slab_first; j <= erg->slab_last; j++)
 482     {
 483         islab = j - erg->slab_first;
 484         erg->slab_weights[islab] = get_slab_weight(j, rotg, xc, mc, &erg->slab_center[islab]);
 485
 486         /* We can do the calculations ONLY if there is weight in the slab! */
 487         if (erg->slab_weights[islab] > WEIGHT_MIN)
 488         {
 489             svmul(1.0/erg->slab_weights[islab], erg->slab_center[islab], erg->slab_center[islab]);
 490         }
 491         else
 492         {
 493             /* We need to check this here, since we divide through slab_weights
 494              * in the flexible low-level routines! */
 495             gmx_fatal(FARGS, "Not enough weight in slab %d. Slab center cannot be determined!", j);
 496         }
 497
 498         /* At first time step: save the centers of the reference structure */
 499         if (bReference)
 500             copy_rvec(erg->slab_center[islab], erg->slab_center_ref[islab]);
 501     } /* END of loop over slabs */
 502
 503     /* Output on the master */
 504     if (MASTER(cr) && bOutStep)
 505     {
 506         fprintf(out_slabs, "%12.3e%6d", time, g);
 507         for (j = erg->slab_first; j <= erg->slab_last; j++)
 508         {
 509             islab = j - erg->slab_first;
 510             fprintf(out_slabs, "%6d%12.3e%12.3e%12.3e",
 511                     j,erg->slab_center[islab][XX],erg->slab_center[islab][YY],erg->slab_center[islab][ZZ]);
 512         }
 513         fprintf(out_slabs, "\n");
 514     }
 515 }
 516
 517
 518 static void calc_rotmat(
 519         rvec vec,
 520         real degangle,  /* Angle alpha of rotation at time t in degrees       */
 521         matrix rotmat)  /* Rotation matrix                                    */
 522 {
 523     real radangle;            /* Rotation angle in radians */
 524     real cosa;                /* cosine alpha              */
 525     real sina;                /* sine alpha                */
 526     real OMcosa;              /* 1 - cos(alpha)            */
 527     real dumxy, dumxz, dumyz; /* save computations         */
 528     rvec rot_vec;             /* Rotate around rot_vec ... */
 529
 530
 531     radangle = degangle * M_PI/180.0;
 532     copy_rvec(vec , rot_vec );
 533
 534     /* Precompute some variables: */
 535     cosa   = cos(radangle);
 536     sina   = sin(radangle);
 537     OMcosa = 1.0 - cosa;
 538     dumxy  = rot_vec[XX]*rot_vec[YY]*OMcosa;
 539     dumxz  = rot_vec[XX]*rot_vec[ZZ]*OMcosa;
 540     dumyz  = rot_vec[YY]*rot_vec[ZZ]*OMcosa;
 541
 542     /* Construct the rotation matrix for this rotation group: */
 543     /* 1st column: */
 544     rotmat[XX][XX] = cosa  + rot_vec[XX]*rot_vec[XX]*OMcosa;
 545     rotmat[YY][XX] = dumxy + rot_vec[ZZ]*sina;
 546     rotmat[ZZ][XX] = dumxz - rot_vec[YY]*sina;
 547     /* 2nd column: */
 548     rotmat[XX][YY] = dumxy - rot_vec[ZZ]*sina;
 549     rotmat[YY][YY] = cosa  + rot_vec[YY]*rot_vec[YY]*OMcosa;
 550     rotmat[ZZ][YY] = dumyz + rot_vec[XX]*sina;
 551     /* 3rd column: */
 552     rotmat[XX][ZZ] = dumxz + rot_vec[YY]*sina;
 553     rotmat[YY][ZZ] = dumyz - rot_vec[XX]*sina;
 554     rotmat[ZZ][ZZ] = cosa  + rot_vec[ZZ]*rot_vec[ZZ]*OMcosa;
 555
 556 #ifdef PRINTMATRIX
 557     int iii,jjj;
 558
 559     for (iii=0; iii<3; iii++) {
 560         for (jjj=0; jjj<3; jjj++)
 561             fprintf(stderr, " %10.8f ",  rotmat[iii][jjj]);
 562         fprintf(stderr, "\n");
 563     }
 564 #endif
 565 }
 566
 567
 568 /* Calculates torque on the rotation axis tau = position x force */
 569 static inline real torque(
 570         rvec rotvec,  /* rotation vector; MUST be normalized!                 */
 571         rvec force,   /* force                                                */
 572         rvec x,       /* position of atom on which the force acts             */
 573         rvec pivot)   /* pivot point of rotation axis                         */
 574 {
 575     rvec vectmp, tau;
 576
 577
 578     /* Subtract offset */
 579     rvec_sub(x,pivot,vectmp);
 580
 581     /* position x force */
 582     cprod(vectmp, force, tau);
 583
 584     /* Return the part of the torque which is parallel to the rotation vector */
 585     return iprod(tau, rotvec);
 586 }
 587
 588
 589 /* Right-aligned output of value with standard width */
 590 static void print_aligned(FILE *fp, char *str)
 591 {
 592     fprintf(fp, "%12s", str);
 593 }
 594
 595
 596 /* Right-aligned output of value with standard short width */
 597 static void print_aligned_short(FILE *fp, char *str)
 598 {
 599     fprintf(fp, "%6s", str);
 600 }
 601
 602
 603 static FILE *open_output_file(const char *fn, int steps, const char what[])
 604 {
 605     FILE *fp;
 606
 607
 608     fp = ffopen(fn, "w");
 609
 610     fprintf(fp, "# Output of %s is written in intervals of %d time step%s.\n#\n",
 611             what,steps, steps>1 ? "s":"");
 612
 613     return fp;
 614 }
 615
 616
 617 /* Open output file for slab center data. Call on master only */
 618 static FILE *open_slab_out(t_rot *rot, const char *fn)
 619 {
 620     FILE      *fp=NULL;
 621     int       g,i;
 622     t_rotgrp  *rotg;
 623
 624
 625     for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 626     {
 627         rotg = &rot->grp[g];
 628         if (ISFLEX(rotg))
 629         {
 630             if (NULL == fp)
 631                 fp = open_output_file(fn, rot->nstsout, "gaussian weighted slab centers");
 632             fprintf(fp, "# Rotation group %d (%s), slab distance %f nm, %s.\n",
 633                     g, erotg_names[rotg->eType], rotg->slab_dist, rotg->bMassW? "centers of mass":"geometrical centers");
 634         }
 635     }
 636
 637     if (fp != NULL)
 638     {
 639         fprintf(fp, "# Reference centers are listed first (t=-1).\n");
 640         fprintf(fp, "# The following columns have the syntax:\n");
 641         fprintf(fp, "#     ");
 642         print_aligned_short(fp, "t");
 643         print_aligned_short(fp, "grp");
 644         /* Print ascii legend for the first two entries only ... */
 645         for (i=0; i<2; i++)
 646         {
 647             print_aligned_short(fp, "slab");
 648             print_aligned(fp, "X center");
 649             print_aligned(fp, "Y center");
 650             print_aligned(fp, "Z center");
 651         }
 652         fprintf(fp, " ...\n");
 653         fflush(fp);
 654     }
 655
 656     return fp;
 657 }
 658
 659
 660 /* Open output file and print some general information about the rotation groups.
 661  * Call on master only */
 662 static FILE *open_rot_out(const char *fn, t_rot *rot, const output_env_t oenv,
 663                           unsigned long Flags)
 664 {
 665     FILE       *fp;
 666     int        g,nsets;
 667     t_rotgrp   *rotg;
 668     const char **setname;
 669     char       buf[50], buf2[75];
 670     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
 671     gmx_bool   bFlex;
 672
 673
 674     if (Flags & MD_APPENDFILES)
 675     {
 676         fp = gmx_fio_fopen(fn,"a");
 677     }
 678     else
 679     {
 680         fp = xvgropen(fn, "Rotation angles and energy", "Time [ps]", "angles [degrees] and energies [kJ/mol]", oenv);
 681         fprintf(fp, "# Output of enforced rotation data is written in intervals of %d time step%s.\n#\n", rot->nstrout, rot->nstrout > 1 ? "s":"");
 682         fprintf(fp, "# The scalar tau is the torque [kJ/mol] in the direction of the rotation vector v.\n");
 683         fprintf(fp, "# To obtain the vectorial torque, multiply tau with the group's rot_vec.\n");
 684         fprintf(fp, "# For flexible groups, tau(t,n) from all slabs n have been summed in a single value tau(t) here.\n");
 685         fprintf(fp, "# The torques tau(t,n) are found in the rottorque.log (-rt) output file\n");
 686         fprintf(fp, "#\n");
 687
 688         for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 689         {
 690             rotg = &rot->grp[g];
 691             erg=rotg->enfrotgrp;
 692             bFlex = ISFLEX(rotg);
 693
 694             fprintf(fp, "# Rotation group %d, potential type '%s':\n"      , g, erotg_names[rotg->eType]);
 695             fprintf(fp, "# rot_massw%d          %s\n"                      , g, yesno_names[rotg->bMassW]);
 696             fprintf(fp, "# rot_vec%d            %12.5e %12.5e %12.5e\n"    , g, rotg->vec[XX], rotg->vec[YY], rotg->vec[ZZ]);
 697             fprintf(fp, "# rot_rate%d           %12.5e degrees/ps\n"       , g, rotg->rate);
 698             fprintf(fp, "# rot_k%d              %12.5e kJ/(mol*nm^2)\n"    , g, rotg->k);
 699             if ( rotg->eType==erotgISO || rotg->eType==erotgPM || rotg->eType==erotgRM || rotg->eType==erotgRM2)
 700                 fprintf(fp, "# rot_pivot%d          %12.5e %12.5e %12.5e  nm\n", g, rotg->pivot[XX], rotg->pivot[YY], rotg->pivot[ZZ]);
 701
 702             if (bFlex)
 703             {
 704                 fprintf(fp, "# rot_slab_distance%d   %f nm\n", g, rotg->slab_dist);
 705                 fprintf(fp, "# rot_min_gaussian%d   %12.5e\n", g, rotg->min_gaussian);
 706             }
 707
 708             /* Output the centers of the rotation groups for the pivot-free potentials */
 709             if ((rotg->eType==erotgISOPF) || (rotg->eType==erotgPMPF) || (rotg->eType==erotgRMPF) || (rotg->eType==erotgRM2PF
 710                 || (rotg->eType==erotgFLEXT) || (rotg->eType==erotgFLEX2T)) )
 711             {
 712                 fprintf(fp, "# %s of ref. grp. %d  %12.5e %12.5e %12.5e\n",
 713                         rotg->bMassW? "COM":"COG", g,
 714                                 erg->xc_ref_center[XX], erg->xc_ref_center[YY], erg->xc_ref_center[ZZ]);
 715
 716                 fprintf(fp, "# initial %s grp. %d  %12.5e %12.5e %12.5e\n",
 717                         rotg->bMassW? "COM":"COG", g,
 718                                 erg->xc_center[XX], erg->xc_center[YY], erg->xc_center[ZZ]);
 719             }
 720
 721             if ( (rotg->eType == erotgRM2) || (rotg->eType==erotgFLEX2) || (rotg->eType==erotgFLEX2T) )
 722             {
 723                 fprintf(fp, "# rot_eps%d            %12.5e nm^2\n", g, rotg->eps);
 724             }
 725         }
 726
 727         fprintf(fp, "#\n# Legend for the following data columns:\n");
 728         fprintf(fp, "#     ");
 729         print_aligned_short(fp, "t");
 730         nsets = 0;
 731         snew(setname, 4*rot->ngrp);
 732
 733         for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 734         {
 735             rotg = &rot->grp[g];
 736             sprintf(buf, "theta_ref%d", g);
 737             print_aligned(fp, buf);
 738             sprintf(buf2, "%s [degrees]", buf);
 739             setname[nsets] = strdup(buf2);
 740             nsets++;
 741         }
 742         for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 743         {
 744             rotg = &rot->grp[g];
 745             bFlex = ISFLEX(rotg);
 746
 747             /* For flexible axis rotation we use RMSD fitting to determine the
 748              * actual angle of the rotation group */
 749             if (bFlex)
 750                 sprintf(buf, "theta-fit%d", g);
 751             else
 752                 sprintf(buf, "theta-av%d", g);
 753             print_aligned(fp, buf);
 754             sprintf(buf2, "%s [degrees]", buf);
 755             setname[nsets] = strdup(buf2);
 756             nsets++;
 757
 758             sprintf(buf, "tau%d", g);
 759             print_aligned(fp, buf);
 760             sprintf(buf2, "%s [kJ/mol]", buf);
 761             setname[nsets] = strdup(buf2);
 762             nsets++;
 763
 764             sprintf(buf, "energy%d", g);
 765             print_aligned(fp, buf);
 766             sprintf(buf2, "%s [kJ/mol]", buf);
 767             setname[nsets] = strdup(buf2);
 768             nsets++;
 769         }
 770         fprintf(fp, "\n#\n");
 771
 772         if (nsets > 1)
 773             xvgr_legend(fp, nsets, setname, oenv);
 774         sfree(setname);
 775
 776         fflush(fp);
 777     }
 778
 779     return fp;
 780 }
 781
 782
 783 /* Call on master only */
 784 static FILE *open_angles_out(t_rot *rot, const char *fn)
 785 {
 786     int      g;
 787     FILE     *fp=NULL;
 788     t_rotgrp *rotg;
 789
 790
 791     /* Open output file and write some information about it's structure: */
 792     fp = open_output_file(fn, rot->nstsout, "rotation group angles");
 793     fprintf(fp, "# All angles given in degrees, time in ps.\n");
 794     for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 795     {
 796         rotg = &rot->grp[g];
 797         if (ISFLEX(rotg))
 798         {
 799             fprintf(fp, "# Rotation group %d (%s), slab distance %f nm, fit type %s.\n",
 800                     g, erotg_names[rotg->eType], rotg->slab_dist, erotg_fitnames[rotg->eFittype]);
 801         }
 802     }
 803     fprintf(fp, "# The following columns will have the syntax:\n");
 804     fprintf(fp, "#     ");
 805     print_aligned_short(fp, "t");
 806     print_aligned_short(fp, "grp");
 807     print_aligned(fp, "theta_ref");
 808     print_aligned_short(fp, "slab");
 809     print_aligned_short(fp, "atoms");
 810     print_aligned(fp, "theta_fit");
 811     print_aligned_short(fp, "slab");
 812     print_aligned_short(fp, "atoms");
 813     print_aligned(fp, "theta_fit");
 814     fprintf(fp, " ...\n");
 815     fflush(fp);
 816     return fp;
 817 }
 818
 819
 820 /* Open torque output file and write some information about it's structure.
 821  * Call on master only */
 822 static FILE *open_torque_out(t_rot *rot, const char *fn)
 823 {
 824     FILE      *fp;
 825     int       g;
 826     t_rotgrp  *rotg;
 827
 828
 829     fp = open_output_file(fn, rot->nstsout,"torques");
 830
 831     for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
 832     {
 833         rotg = &rot->grp[g];
 834         if (ISFLEX(rotg))
 835         {
 836             fprintf(fp, "# Rotation group %d (%s), slab distance %f nm.\n", g, erotg_names[rotg->eType], rotg->slab_dist);
 837             fprintf(fp, "# The scalar tau is the torque [kJ/mol] in the direction of the rotation vector.\n");
 838             fprintf(fp, "# To obtain the vectorial torque, multiply tau with\n");
 839             fprintf(fp, "# rot_vec%d            %10.3e %10.3e %10.3e\n", g, rotg->vec[XX], rotg->vec[YY], rotg->vec[ZZ]);
 840             fprintf(fp, "#\n");
 841         }
 842     }
 843     fprintf(fp, "# The following columns will have the syntax (tau=torque for that slab):\n");
 844     fprintf(fp, "#     ");
 845     print_aligned_short(fp, "t");
 846     print_aligned_short(fp, "grp");
 847     print_aligned_short(fp, "slab");
 848     print_aligned(fp, "tau");
 849     print_aligned_short(fp, "slab");
 850     print_aligned(fp, "tau");
 851     fprintf(fp, " ...\n");
 852     fflush(fp);
 853
 854     return fp;
 855 }
 856
 857
 858 static void swap_val(double* vec, int i, int j)
 859 {
 860     double tmp = vec[j];
 861
 862
 863     vec[j]=vec[i];
 864     vec[i]=tmp;
 865 }
 866
 867
 868 static void swap_col(double **mat, int i, int j)
 869 {
 870     double tmp[3] = {mat[0][j], mat[1][j], mat[2][j]};
 871
 872
 873     mat[0][j]=mat[0][i];
 874     mat[1][j]=mat[1][i];
 875     mat[2][j]=mat[2][i];
 876
 877     mat[0][i]=tmp[0];
 878     mat[1][i]=tmp[1];
 879     mat[2][i]=tmp[2];
 880 }
 881
 882
 883 /* Eigenvectors are stored in columns of eigen_vec */
 884 static void diagonalize_symmetric(
 885         double **matrix,
 886         double **eigen_vec,
 887         double eigenval[3])
 888 {
 889     int n_rot;
 890
 891
 892     jacobi(matrix,3,eigenval,eigen_vec,&n_rot);
 893
 894     /* sort in ascending order */
 895     if (eigenval[0] > eigenval[1])
 896     {
 897         swap_val(eigenval, 0, 1);
 898         swap_col(eigen_vec, 0, 1);
 899     }
 900     if (eigenval[1] > eigenval[2])
 901     {
 902         swap_val(eigenval, 1, 2);
 903         swap_col(eigen_vec, 1, 2);
 904     }
 905     if (eigenval[0] > eigenval[1])
 906     {
 907         swap_val(eigenval, 0, 1);
 908         swap_col(eigen_vec, 0, 1);
 909     }
 910 }
 911
 912
 913 static void align_with_z(
 914         rvec* s,           /* Structure to align */
 915         int natoms,
 916         rvec axis)
 917 {
 918     int    i, j, k;
 919     rvec   zet = {0.0, 0.0, 1.0};
 920     rvec   rot_axis={0.0, 0.0, 0.0};
 921     rvec   *rotated_str=NULL;
 922     real   ooanorm;
 923     real   angle;
 924     matrix rotmat;
 925
 926
 927     snew(rotated_str, natoms);
 928
 929     /* Normalize the axis */
 930     ooanorm = 1.0/norm(axis);
 931     svmul(ooanorm, axis, axis);
 932
 933     /* Calculate the angle for the fitting procedure */
 934     cprod(axis, zet, rot_axis);
 935     angle = acos(axis[2]);
 936     if (angle < 0.0)
 937         angle += M_PI;
 938
 939     /* Calculate the rotation matrix */
 940     calc_rotmat(rot_axis, angle*180.0/M_PI, rotmat);
 941
 942     /* Apply the rotation matrix to s */
 943     for (i=0; i<natoms; i++)
 944     {
 945         for(j=0; j<3; j++)
 946         {
 947             for(k=0; k<3; k++)
 948             {
 949                 rotated_str[i][j] += rotmat[j][k]*s[i][k];
 950             }
 951         }
 952     }
 953
 954     /* Rewrite the rotated structure to s */
 955     for(i=0; i<natoms; i++)
 956     {
 957         for(j=0; j<3; j++)
 958         {
 959             s[i][j]=rotated_str[i][j];
 960         }
 961     }
 962
 963     sfree(rotated_str);
 964 }
 965
 966
 967 static void calc_correl_matrix(rvec* Xstr, rvec* Ystr, double** Rmat, int natoms)
 968 {
 969     int i, j, k;
 970
 971
 972     for (i=0; i<3; i++)
 973         for (j=0; j<3; j++)
 974             Rmat[i][j] = 0.0;
 975
 976     for (i=0; i<3; i++)
 977         for (j=0; j<3; j++)
 978             for (k=0; k<natoms; k++)
 979                 Rmat[i][j] += Ystr[k][i] * Xstr[k][j];
 980 }
 981
 982
 983 static void weigh_coords(rvec* str, real* weight, int natoms)
 984 {
 985     int i, j;
 986
 987
 988     for(i=0; i<natoms; i++)
 989     {
 990         for(j=0; j<3; j++)
 991             str[i][j] *= sqrt(weight[i]);
 992     }
 993 }
 994
 995
 996 static real opt_angle_analytic(
 997         rvec* ref_s,
 998         rvec* act_s,
 999         real* weight,
1000         int natoms,
1001         rvec ref_com,
1002         rvec act_com,
1003         rvec axis)
1004 {
1005     int    i, j, k;
1006     rvec   *ref_s_1=NULL;
1007     rvec   *act_s_1=NULL;
1008     rvec   shift;
1009     double **Rmat, **RtR, **eigvec;
1010     double eigval[3];
1011     double V[3][3], WS[3][3];
1012     double rot_matrix[3][3];
1013     double opt_angle;
1014
1015
1016     /* Do not change the original coordinates */
1017     snew(ref_s_1, natoms);
1018     snew(act_s_1, natoms);
1019     for(i=0; i<natoms; i++)
1020     {
1021         copy_rvec(ref_s[i], ref_s_1[i]);
1022         copy_rvec(act_s[i], act_s_1[i]);
1023     }
1024
1025     /* Translate the structures to the origin */
1026     shift[XX] = -ref_com[XX];
1027     shift[YY] = -ref_com[YY];
1028     shift[ZZ] = -ref_com[ZZ];
1029     translate_x(ref_s_1, natoms, shift);
1030
1031     shift[XX] = -act_com[XX];
1032     shift[YY] = -act_com[YY];
1033     shift[ZZ] = -act_com[ZZ];
1034     translate_x(act_s_1, natoms, shift);
1035
1036     /* Align rotation axis with z */
1037     align_with_z(ref_s_1, natoms, axis);
1038     align_with_z(act_s_1, natoms, axis);
1039
1040     /* Correlation matrix */
1041     Rmat = allocate_square_matrix(3);
1042
1043     for (i=0; i<natoms; i++)
1044     {
1045         ref_s_1[i][2]=0.0;
1046         act_s_1[i][2]=0.0;
1047     }
1048
1049     /* Weight positions with sqrt(weight) */
1050     if (NULL != weight)
1051     {
1052         weigh_coords(ref_s_1, weight, natoms);
1053         weigh_coords(act_s_1, weight, natoms);
1054     }
1055
1056     /* Calculate correlation matrices R=YXt (X=ref_s; Y=act_s) */
1057     calc_correl_matrix(ref_s_1, act_s_1, Rmat, natoms);
1058
1059     /* Calculate RtR */
1060     RtR = allocate_square_matrix(3);
1061     for (i=0; i<3; i++)
1062     {
1063         for (j=0; j<3; j++)
1064         {
1065             for (k=0; k<3; k++)
1066             {
1067                 RtR[i][j] += Rmat[k][i] * Rmat[k][j];
1068             }
1069         }
1070     }
1071     /* Diagonalize RtR */
1072     snew(eigvec,3);
1073     for (i=0; i<3; i++)
1074         snew(eigvec[i],3);
1075
1076     diagonalize_symmetric(RtR, eigvec, eigval);
1077     swap_col(eigvec,0,1);
1078     swap_col(eigvec,1,2);
1079     swap_val(eigval,0,1);
1080     swap_val(eigval,1,2);
1081
1082     /* Calculate V */
1083     for(i=0; i<3; i++)
1084     {
1085         for(j=0; j<3; j++)
1086         {
1087             V[i][j]  = 0.0;
1088             WS[i][j] = 0.0;
1089         }
1090     }
1091
1092     for (i=0; i<2; i++)
1093         for (j=0; j<2; j++)
1094             WS[i][j] = eigvec[i][j] / sqrt(eigval[j]);
1095
1096     for (i=0; i<3; i++)
1097     {
1098         for (j=0; j<3; j++)
1099         {
1100             for (k=0; k<3; k++)
1101             {
1102                 V[i][j] += Rmat[i][k]*WS[k][j];
1103             }
1104         }
1105     }
1106     free_square_matrix(Rmat, 3);
1107
1108     /* Calculate optimal rotation matrix */
1109     for (i=0; i<3; i++)
1110         for (j=0; j<3; j++)
1111             rot_matrix[i][j] = 0.0;
1112
1113     for (i=0; i<3; i++)
1114     {
1115         for(j=0; j<3; j++)
1116         {
1117             for(k=0; k<3; k++){
1118                 rot_matrix[i][j] += eigvec[i][k]*V[j][k];
1119             }
1120         }
1121     }
1122     rot_matrix[2][2] = 1.0;
1123
1124     /* In some cases abs(rot_matrix[0][0]) can be slighly larger
1125      * than unity due to numerical inacurracies. To be able to calculate
1126      * the acos function, we put these values back in range. */
1127     if (rot_matrix[0][0] > 1.0)
1128     {
1129         rot_matrix[0][0] = 1.0;
1130     }
1131     else if (rot_matrix[0][0] < -1.0)
1132     {
1133         rot_matrix[0][0] = -1.0;
1134     }
1135
1136     /* Determine the optimal rotation angle: */
1137     opt_angle = (-1.0)*acos(rot_matrix[0][0])*180.0/M_PI;
1138     if (rot_matrix[0][1] < 0.0)
1139         opt_angle = (-1.0)*opt_angle;
1140
1141     /* Give back some memory */
1142     free_square_matrix(RtR, 3);
1143     sfree(ref_s_1);
1144     sfree(act_s_1);
1145     for (i=0; i<3; i++)
1146         sfree(eigvec[i]);
1147     sfree(eigvec);
1148
1149     return (real) opt_angle;
1150 }
1151
1152
1153 /* Determine angle of the group by RMSD fit to the reference */
1154 /* Not parallelized, call this routine only on the master */
1155 static real flex_fit_angle(t_rotgrp *rotg)
1156 {
1157     int         i;
1158     rvec        *fitcoords=NULL;
1159     rvec        center;         /* Center of positions passed to the fit routine */
1160     real        fitangle;       /* Angle of the rotation group derived by fitting */
1161     rvec        coord;
1162     real        scal;
1163     gmx_enfrotgrp_t erg;        /* Pointer to enforced rotation group data */
1164
1165
1166     erg=rotg->enfrotgrp;
1167
1168     /* Get the center of the rotation group.
1169      * Note, again, erg->xc has been sorted in do_flexible */
1170     get_center(erg->xc, erg->mc_sorted, rotg->nat, center);
1171
1172     /* === Determine the optimal fit angle for the rotation group === */
1173     if (rotg->eFittype == erotgFitNORM)
1174     {
1175         /* Normalize every position to it's reference length */
1176         for (i=0; i<rotg->nat; i++)
1177         {
1178             /* Put the center of the positions into the origin */
1179             rvec_sub(erg->xc[i], center, coord);
1180             /* Determine the scaling factor for the length: */
1181             scal = erg->xc_ref_length[erg->xc_sortind[i]] / norm(coord);
1182             /* Get position, multiply with the scaling factor and save  */
1183             svmul(scal, coord, erg->xc_norm[i]);
1184         }
1185         fitcoords = erg->xc_norm;
1186     }
1187     else
1188     {
1189         fitcoords = erg->xc;
1190     }
1191     /* From the point of view of the current positions, the reference has rotated
1192      * backwards. Since we output the angle relative to the fixed reference,
1193      * we need the minus sign. */
1194     fitangle = -opt_angle_analytic(erg->xc_ref_sorted, fitcoords, erg->mc_sorted,
1195                                    rotg->nat, erg->xc_ref_center, center, rotg->vec);
1196
1197     return fitangle;
1198 }
1199
1200
1201 /* Determine actual angle of each slab by RMSD fit to the reference */
1202 /* Not parallelized, call this routine only on the master */
1203 static void flex_fit_angle_perslab(
1204         int  g,
1205         t_rotgrp *rotg,
1206         double t,
1207         real degangle,
1208         FILE *fp)
1209 {
1210     int         i,l,n,islab,ind;
1211     rvec        curr_x, ref_x;
1212     rvec        act_center;  /* Center of actual positions that are passed to the fit routine */
1213     rvec        ref_center;  /* Same for the reference positions */
1214     real        fitangle;    /* Angle of a slab derived from an RMSD fit to
1215                               * the reference structure at t=0  */
1216     t_gmx_slabdata *sd;
1217     gmx_enfrotgrp_t erg;     /* Pointer to enforced rotation group data */
1218     real        OOm_av;      /* 1/average_mass of a rotation group atom */
1219     real        m_rel;       /* Relative mass of a rotation group atom  */
1220
1221
1222     erg=rotg->enfrotgrp;
1223
1224     /* Average mass of a rotation group atom: */
1225     OOm_av = erg->invmass*rotg->nat;
1226
1227     /**********************************/
1228     /* First collect the data we need */
1229     /**********************************/
1230
1231     /* Collect the data for the individual slabs */
1232     for (n = erg->slab_first; n <= erg->slab_last; n++)
1233     {
1234         islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
1235         sd = &(rotg->enfrotgrp->slab_data[islab]);
1236         sd->nat = erg->lastatom[islab]-erg->firstatom[islab]+1;
1237         ind = 0;
1238
1239         /* Loop over the relevant atoms in the slab */
1240         for (l=erg->firstatom[islab]; l<=erg->lastatom[islab]; l++)
1241         {
1242             /* Current position of this atom: x[ii][XX/YY/ZZ] */
1243             copy_rvec(erg->xc[l], curr_x);
1244
1245             /* The (unrotated) reference position of this atom is copied to ref_x.
1246              * Beware, the xc coords have been sorted in do_flexible */
1247             copy_rvec(erg->xc_ref_sorted[l], ref_x);
1248
1249             /* Save data for doing angular RMSD fit later */
1250             /* Save the current atom position */
1251             copy_rvec(curr_x, sd->x[ind]);
1252             /* Save the corresponding reference position */
1253             copy_rvec(ref_x , sd->ref[ind]);
1254
1255             /* Maybe also mass-weighting was requested. If yes, additionally
1256              * multiply the weights with the relative mass of the atom. If not,
1257              * multiply with unity. */
1258             m_rel = erg->mc_sorted[l]*OOm_av;
1259
1260             /* Save the weight for this atom in this slab */
1261             sd->weight[ind] = gaussian_weight(curr_x, rotg, n) * m_rel;
1262
1263             /* Next atom in this slab */
1264             ind++;
1265         }
1266     }
1267
1268     /******************************/
1269     /* Now do the fit calculation */
1270     /******************************/
1271
1272     fprintf(fp, "%12.3e%6d%12.3f", t, g, degangle);
1273
1274     /* === Now do RMSD fitting for each slab === */
1275     /* We require at least SLAB_MIN_ATOMS in a slab, such that the fit makes sense. */
1276 #define SLAB_MIN_ATOMS 4
1277
1278     for (n = erg->slab_first; n <= erg->slab_last; n++)
1279     {
1280         islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
1281         sd = &(rotg->enfrotgrp->slab_data[islab]);
1282         if (sd->nat >= SLAB_MIN_ATOMS)
1283         {
1284             /* Get the center of the slabs reference and current positions */
1285             get_center(sd->ref, sd->weight, sd->nat, ref_center);
1286             get_center(sd->x  , sd->weight, sd->nat, act_center);
1287             if (rotg->eFittype == erotgFitNORM)
1288             {
1289                 /* Normalize every position to it's reference length
1290                  * prior to performing the fit */
1291                 for (i=0; i<sd->nat;i++) /* Center */
1292                 {
1293                     rvec_dec(sd->ref[i], ref_center);
1294                     rvec_dec(sd->x[i]  , act_center);
1295                     /* Normalize x_i such that it gets the same length as ref_i */
1296                     svmul( norm(sd->ref[i])/norm(sd->x[i]), sd->x[i], sd->x[i] );
1297                 }
1298                 /* We already subtracted the centers */
1299                 clear_rvec(ref_center);
1300                 clear_rvec(act_center);
1301             }
1302             fitangle = -opt_angle_analytic(sd->ref, sd->x, sd->weight, sd->nat,
1303                                            ref_center, act_center, rotg->vec);
1304             fprintf(fp, "%6d%6d%12.3f", n, sd->nat, fitangle);
1305         }
1306     }
1307     fprintf(fp     , "\n");
1308
1309 #undef SLAB_MIN_ATOMS
1310 }
1311
1312
1313 /* Shift x with is */
1314 static inline void shift_single_coord(matrix box, rvec x, const ivec is)
1315 {
1316     int tx,ty,tz;
1317
1318
1319     tx=is[XX];
1320     ty=is[YY];
1321     tz=is[ZZ];
1322
1323     if(TRICLINIC(box))
1324     {
1325         x[XX] += tx*box[XX][XX]+ty*box[YY][XX]+tz*box[ZZ][XX];
1326         x[YY] += ty*box[YY][YY]+tz*box[ZZ][YY];
1327         x[ZZ] += tz*box[ZZ][ZZ];
1328     } else
1329     {
1330         x[XX] += tx*box[XX][XX];
1331         x[YY] += ty*box[YY][YY];
1332         x[ZZ] += tz*box[ZZ][ZZ];
1333     }
1334 }
1335
1336
1337 /* Determine the 'home' slab of this atom which is the
1338  * slab with the highest Gaussian weight of all */
1339 #define round(a) (int)(a+0.5)
1340 static inline int get_homeslab(
1341         rvec curr_x,   /* The position for which the home slab shall be determined */
1342         rvec rotvec,   /* The rotation vector */
1343         real slabdist) /* The slab distance */
1344 {
1345     real dist;
1346
1347
1348     /* The distance of the atom to the coordinate center (where the
1349      * slab with index 0) is */
1350     dist = iprod(rotvec, curr_x);
1351
1352     return round(dist / slabdist);
1353 }
1354
1355
1356 /* For a local atom determine the relevant slabs, i.e. slabs in
1357  * which the gaussian is larger than min_gaussian
1358  */
1359 static int get_single_atom_gaussians(
1360         rvec      curr_x,
1361         t_commrec *cr,
1362         t_rotgrp  *rotg)
1363 {
1364    int slab, homeslab;
1365    real g;
1366    int count = 0;
1367    gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
1368
1369
1370    erg=rotg->enfrotgrp;
1371
1372    /* Determine the 'home' slab of this atom: */
1373    homeslab = get_homeslab(curr_x, rotg->vec, rotg->slab_dist);
1374
1375    /* First determine the weight in the atoms home slab: */
1376    g = gaussian_weight(curr_x, rotg, homeslab);
1377
1378    erg->gn_atom[count] = g;
1379    erg->gn_slabind[count] = homeslab;
1380    count++;
1381
1382
1383    /* Determine the max slab */
1384    slab = homeslab;
1385    while (g > rotg->min_gaussian)
1386    {
1387        slab++;
1388        g = gaussian_weight(curr_x, rotg, slab);
1389        erg->gn_slabind[count]=slab;
1390        erg->gn_atom[count]=g;
1391        count++;
1392    }
1393    count--;
1394
1395    /* Determine the max slab */
1396    slab = homeslab;
1397    do
1398    {
1399        slab--;
1400        g = gaussian_weight(curr_x, rotg, slab);
1401        erg->gn_slabind[count]=slab;
1402        erg->gn_atom[count]=g;
1403        count++;
1404    }
1405    while (g > rotg->min_gaussian);
1406    count--;
1407
1408    return count;
1409 }
1410
1411
1412 static void flex2_precalc_inner_sum(t_rotgrp *rotg, t_commrec *cr)
1413 {
1414     int  i,n,islab;
1415     rvec  xi;                /* positions in the i-sum                        */
1416     rvec  xcn, ycn;          /* the current and the reference slab centers    */
1417     real gaussian_xi;
1418     rvec yi0;
1419     rvec  rin;               /* Helper variables                              */
1420     real  fac,fac2;
1421     rvec innersumvec;
1422     real OOpsii,OOpsiistar;
1423     real sin_rin;          /* s_ii.r_ii */
1424     rvec s_in,tmpvec,tmpvec2;
1425     real mi,wi;            /* Mass-weighting of the positions                 */
1426     real N_M;              /* N/M                                             */
1427     gmx_enfrotgrp_t erg;    /* Pointer to enforced rotation group data */
1428
1429
1430     erg=rotg->enfrotgrp;
1431     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
1432
1433     /* Loop over all slabs that contain something */
1434     for (n=erg->slab_first; n <= erg->slab_last; n++)
1435     {
1436         islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
1437
1438         /* The current center of this slab is saved in xcn: */
1439         copy_rvec(erg->slab_center[islab], xcn);
1440         /* ... and the reference center in ycn: */
1441         copy_rvec(erg->slab_center_ref[islab+erg->slab_buffer], ycn);
1442
1443         /*** D. Calculate the whole inner sum used for second and third sum */
1444         /* For slab n, we need to loop over all atoms i again. Since we sorted
1445          * the atoms with respect to the rotation vector, we know that it is sufficient
1446          * to calculate from firstatom to lastatom only. All other contributions will
1447          * be very small. */
1448         clear_rvec(innersumvec);
1449         for (i = erg->firstatom[islab]; i <= erg->lastatom[islab]; i++)
1450         {
1451             /* Coordinate xi of this atom */
1452             copy_rvec(erg->xc[i],xi);
1453
1454             /* The i-weights */
1455             gaussian_xi = gaussian_weight(xi,rotg,n);
1456             mi = erg->mc_sorted[i];  /* need the sorted mass here */
1457             wi = N_M*mi;
1458
1459             /* Calculate rin */
1460             copy_rvec(erg->xc_ref_sorted[i],yi0); /* Reference position yi0   */
1461             rvec_sub(yi0, ycn, tmpvec2);          /* tmpvec2 = yi0 - ycn      */
1462             mvmul(erg->rotmat, tmpvec2, rin);     /* rin = Omega.(yi0 - ycn)  */
1463
1464             /* Calculate psi_i* and sin */
1465             rvec_sub(xi, xcn, tmpvec2);           /* tmpvec2 = xi - xcn       */
1466             cprod(rotg->vec, tmpvec2, tmpvec);    /* tmpvec = v x (xi - xcn)  */
1467             OOpsiistar = norm2(tmpvec)+rotg->eps; /* OOpsii* = 1/psii* = |v x (xi-xcn)|^2 + eps */
1468             OOpsii = norm(tmpvec);                /* OOpsii = 1 / psii = |v x (xi - xcn)| */
1469
1470                                        /*         v x (xi - xcn)          */
1471             unitv(tmpvec, s_in);       /*  sin = ----------------         */
1472                                        /*        |v x (xi - xcn)|         */
1473
1474             sin_rin=iprod(s_in,rin);   /* sin_rin = sin . rin             */
1475
1476             /* Now the whole sum */
1477             fac = OOpsii/OOpsiistar;
1478             svmul(fac, rin, tmpvec);
1479             fac2 = fac*fac*OOpsii;
1480             svmul(fac2*sin_rin, s_in, tmpvec2);
1481             rvec_dec(tmpvec, tmpvec2);
1482
1483             svmul(wi*gaussian_xi*sin_rin, tmpvec, tmpvec2);
1484
1485             rvec_inc(innersumvec,tmpvec2);
1486         } /* now we have the inner sum, used both for sum2 and sum3 */
1487
1488         /* Save it to be used in do_flex2_lowlevel */
1489         copy_rvec(innersumvec, erg->slab_innersumvec[islab]);
1490     } /* END of loop over slabs */
1491 }
1492
1493
1494 static void flex_precalc_inner_sum(t_rotgrp *rotg, t_commrec *cr)
1495 {
1496     int   i,n,islab;
1497     rvec  xi;                /* position                                      */
1498     rvec  xcn, ycn;          /* the current and the reference slab centers    */
1499     rvec  qin,rin;           /* q_i^n and r_i^n                               */
1500     real  bin;
1501     rvec  tmpvec;
1502     rvec  innersumvec;       /* Inner part of sum_n2                          */
1503     real  gaussian_xi;       /* Gaussian weight gn(xi)                        */
1504     real  mi,wi;             /* Mass-weighting of the positions               */
1505     real  N_M;               /* N/M                                           */
1506
1507     gmx_enfrotgrp_t erg;    /* Pointer to enforced rotation group data */
1508
1509
1510     erg=rotg->enfrotgrp;
1511     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
1512
1513     /* Loop over all slabs that contain something */
1514     for (n=erg->slab_first; n <= erg->slab_last; n++)
1515     {
1516         islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
1517
1518         /* The current center of this slab is saved in xcn: */
1519         copy_rvec(erg->slab_center[islab], xcn);
1520         /* ... and the reference center in ycn: */
1521         copy_rvec(erg->slab_center_ref[islab+erg->slab_buffer], ycn);
1522
1523         /* For slab n, we need to loop over all atoms i again. Since we sorted
1524          * the atoms with respect to the rotation vector, we know that it is sufficient
1525          * to calculate from firstatom to lastatom only. All other contributions will
1526          * be very small. */
1527         clear_rvec(innersumvec);
1528         for (i=erg->firstatom[islab]; i<=erg->lastatom[islab]; i++)
1529         {
1530             /* Coordinate xi of this atom */
1531             copy_rvec(erg->xc[i],xi);
1532
1533             /* The i-weights */
1534             gaussian_xi = gaussian_weight(xi,rotg,n);
1535             mi = erg->mc_sorted[i];  /* need the sorted mass here */
1536             wi = N_M*mi;
1537
1538             /* Calculate rin and qin */
1539             rvec_sub(erg->xc_ref_sorted[i], ycn, tmpvec); /* tmpvec = yi0-ycn */
1540             mvmul(erg->rotmat, tmpvec, rin);      /* rin = Omega.(yi0 - ycn)  */
1541             cprod(rotg->vec, rin, tmpvec);    /* tmpvec = v x Omega*(yi0-ycn) */
1542
1543                                              /*        v x Omega*(yi0-ycn)    */
1544             unitv(tmpvec, qin);              /* qin = ---------------------   */
1545                                              /*       |v x Omega*(yi0-ycn)|   */
1546
1547             /* Calculate bin */
1548             rvec_sub(xi, xcn, tmpvec);            /* tmpvec = xi-xcn          */
1549             bin = iprod(qin, tmpvec);             /* bin  = qin*(xi-xcn)      */
1550
1551             svmul(wi*gaussian_xi*bin, qin, tmpvec);
1552
1553             /* Add this contribution to the inner sum: */
1554             rvec_add(innersumvec, tmpvec, innersumvec);
1555         } /* now we have the inner sum vector S^n for this slab */
1556         /* Save it to be used in do_flex_lowlevel */
1557         copy_rvec(innersumvec, erg->slab_innersumvec[islab]);
1558     }
1559 }
1560
1561
1562 static real do_flex2_lowlevel(
1563         t_rotgrp  *rotg,
1564         real      sigma,    /* The Gaussian width sigma */
1565         rvec      x[],
1566         gmx_bool  bCalcTorque,
1567         matrix    box,
1568         t_commrec *cr)
1569 {
1570     int  count,ic,ii,j,m,n,islab,iigrp;
1571     rvec  xj;                /* position in the i-sum                         */
1572     rvec  yj0;               /* the reference position in the j-sum           */
1573     rvec  xcn, ycn;          /* the current and the reference slab centers    */
1574     real V;                  /* This node's part of the rotation pot. energy  */
1575     real gaussian_xj;        /* Gaussian weight                               */
1576     real beta;
1577
1578     real  numerator;
1579     rvec  rjn;               /* Helper variables                              */
1580     real  fac,fac2;
1581
1582     real OOpsij,OOpsijstar;
1583     real OOsigma2;           /* 1/(sigma^2)                                   */
1584     real sjn_rjn;
1585     real betasigpsi;
1586     rvec sjn,tmpvec,tmpvec2;
1587     rvec sum1vec_part,sum1vec,sum2vec_part,sum2vec,sum3vec,sum4vec,innersumvec;
1588     real sum3,sum4;
1589     gmx_enfrotgrp_t erg;     /* Pointer to enforced rotation group data       */
1590     real mj,wj;              /* Mass-weighting of the positions               */
1591     real N_M;                /* N/M                                           */
1592     real Wjn;                /* g_n(x_j) m_j / Mjn                            */
1593
1594     /* To calculate the torque per slab */
1595     rvec slab_force;         /* Single force from slab n on one atom          */
1596     rvec slab_sum1vec_part;
1597     real slab_sum3part,slab_sum4part;
1598     rvec slab_sum1vec, slab_sum2vec, slab_sum3vec, slab_sum4vec;
1599
1600
1601     erg=rotg->enfrotgrp;
1602
1603     /* Pre-calculate the inner sums, so that we do not have to calculate
1604      * them again for every atom */
1605     flex2_precalc_inner_sum(rotg, cr);
1606
1607     /********************************************************/
1608     /* Main loop over all local atoms of the rotation group */
1609     /********************************************************/
1610     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
1611     V = 0.0;
1612     OOsigma2 = 1.0 / (sigma*sigma);
1613     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
1614     {
1615         /* Local index of a rotation group atom  */
1616         ii = erg->ind_loc[j];
1617         /* Position of this atom in the collective array */
1618         iigrp = erg->xc_ref_ind[j];
1619         /* Mass-weighting */
1620         mj = erg->mc[iigrp];  /* need the unsorted mass here */
1621         wj = N_M*mj;
1622
1623         /* Current position of this atom: x[ii][XX/YY/ZZ]
1624          * Note that erg->xc_center contains the center of mass in case the flex2-t
1625          * potential was chosen. For the flex2 potential erg->xc_center must be
1626          * zero. */
1627         rvec_sub(x[ii], erg->xc_center, xj);
1628
1629         /* Shift this atom such that it is near its reference */
1630         shift_single_coord(box, xj, erg->xc_shifts[iigrp]);
1631
1632         /* Determine the slabs to loop over, i.e. the ones with contributions
1633          * larger than min_gaussian */
1634         count = get_single_atom_gaussians(xj, cr, rotg);
1635
1636         clear_rvec(sum1vec_part);
1637         clear_rvec(sum2vec_part);
1638         sum3 = 0.0;
1639         sum4 = 0.0;
1640         /* Loop over the relevant slabs for this atom */
1641         for (ic=0; ic < count; ic++)
1642         {
1643             n = erg->gn_slabind[ic];
1644
1645             /* Get the precomputed Gaussian value of curr_slab for curr_x */
1646             gaussian_xj = erg->gn_atom[ic];
1647
1648             islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
1649
1650             /* The (unrotated) reference position of this atom is copied to yj0: */
1651             copy_rvec(rotg->x_ref[iigrp], yj0);
1652
1653             beta = calc_beta(xj, rotg,n);
1654
1655             /* The current center of this slab is saved in xcn: */
1656             copy_rvec(erg->slab_center[islab], xcn);
1657             /* ... and the reference center in ycn: */
1658             copy_rvec(erg->slab_center_ref[islab+erg->slab_buffer], ycn);
1659
1660             rvec_sub(yj0, ycn, tmpvec2);          /* tmpvec2 = yj0 - ycn      */
1661
1662             /* Rotate: */
1663             mvmul(erg->rotmat, tmpvec2, rjn);     /* rjn = Omega.(yj0 - ycn)  */
1664
1665             /* Subtract the slab center from xj */
1666             rvec_sub(xj, xcn, tmpvec2);           /* tmpvec2 = xj - xcn       */
1667
1668             /* Calculate sjn */
1669             cprod(rotg->vec, tmpvec2, tmpvec);    /* tmpvec = v x (xj - xcn)  */
1670
1671             OOpsijstar = norm2(tmpvec)+rotg->eps; /* OOpsij* = 1/psij* = |v x (xj-xcn)|^2 + eps */
1672
1673             numerator = sqr(iprod(tmpvec, rjn));
1674
1675             /*********************************/
1676             /* Add to the rotation potential */
1677             /*********************************/
1678             V += 0.5*rotg->k*wj*gaussian_xj*numerator/OOpsijstar;
1679
1680
1681             /*************************************/
1682             /* Now calculate the force on atom j */
1683             /*************************************/
1684
1685             OOpsij = norm(tmpvec);    /* OOpsij = 1 / psij = |v x (xj - xcn)| */
1686
1687                                            /*         v x (xj - xcn)          */
1688             unitv(tmpvec, sjn);            /*  sjn = ----------------         */
1689                                            /*        |v x (xj - xcn)|         */
1690
1691             sjn_rjn=iprod(sjn,rjn);        /* sjn_rjn = sjn . rjn             */
1692
1693
1694             /*** A. Calculate the first of the four sum terms: ****************/
1695             fac = OOpsij/OOpsijstar;
1696             svmul(fac, rjn, tmpvec);
1697             fac2 = fac*fac*OOpsij;
1698             svmul(fac2*sjn_rjn, sjn, tmpvec2);
1699             rvec_dec(tmpvec, tmpvec2);
1700             fac2 = wj*gaussian_xj; /* also needed for sum4 */
1701             svmul(fac2*sjn_rjn, tmpvec, slab_sum1vec_part);
1702             /********************/
1703             /*** Add to sum1: ***/
1704             /********************/
1705             rvec_inc(sum1vec_part, slab_sum1vec_part); /* sum1 still needs to vector multiplied with v */
1706
1707             /*** B. Calculate the forth of the four sum terms: ****************/
1708             betasigpsi = beta*OOsigma2*OOpsij; /* this is also needed for sum3 */
1709             /********************/
1710             /*** Add to sum4: ***/
1711             /********************/
1712             slab_sum4part = fac2*betasigpsi*fac*sjn_rjn*sjn_rjn; /* Note that fac is still valid from above */
1713             sum4 += slab_sum4part;
1714
1715             /*** C. Calculate Wjn for second and third sum */
1716             /* Note that we can safely divide by slab_weights since we check in
1717              * get_slab_centers that it is non-zero. */
1718             Wjn = gaussian_xj*mj/erg->slab_weights[islab];
1719
1720             /* We already have precalculated the inner sum for slab n */
1721             copy_rvec(erg->slab_innersumvec[islab], innersumvec);
1722
1723             /* Weigh the inner sum vector with Wjn */
1724             svmul(Wjn, innersumvec, innersumvec);
1725
1726             /*** E. Calculate the second of the four sum terms: */
1727             /********************/
1728             /*** Add to sum2: ***/
1729             /********************/
1730             rvec_inc(sum2vec_part, innersumvec); /* sum2 still needs to be vector crossproduct'ed with v */
1731
1732             /*** F. Calculate the third of the four sum terms: */
1733             slab_sum3part = betasigpsi * iprod(sjn, innersumvec);
1734             sum3 += slab_sum3part; /* still needs to be multiplied with v */
1735
1736             /*** G. Calculate the torque on the local slab's axis: */
1737             if (bCalcTorque)
1738             {
1739                 /* Sum1 */
1740                 cprod(slab_sum1vec_part, rotg->vec, slab_sum1vec);
1741                 /* Sum2 */
1742                 cprod(innersumvec, rotg->vec, slab_sum2vec);
1743                 /* Sum3 */
1744                 svmul(slab_sum3part, rotg->vec, slab_sum3vec);
1745                 /* Sum4 */
1746                 svmul(slab_sum4part, rotg->vec, slab_sum4vec);
1747
1748                 /* The force on atom ii from slab n only: */
1749                 for (m=0; m<DIM; m++)
1750                     slab_force[m] = rotg->k * (-slab_sum1vec[m] + slab_sum2vec[m] - slab_sum3vec[m] + 0.5*slab_sum4vec[m]);
1751
1752                 erg->slab_torque_v[islab] += torque(rotg->vec, slab_force, xj, xcn);
1753             }
1754         } /* END of loop over slabs */
1755
1756         /* Construct the four individual parts of the vector sum: */
1757         cprod(sum1vec_part, rotg->vec, sum1vec);      /* sum1vec =   { } x v  */
1758         cprod(sum2vec_part, rotg->vec, sum2vec);      /* sum2vec =   { } x v  */
1759         svmul(sum3, rotg->vec, sum3vec);              /* sum3vec =   { } . v  */
1760         svmul(sum4, rotg->vec, sum4vec);              /* sum4vec =   { } . v  */
1761
1762         /* Store the additional force so that it can be added to the force
1763          * array after the normal forces have been evaluated */
1764         for (m=0; m<DIM; m++)
1765             erg->f_rot_loc[j][m] = rotg->k * (-sum1vec[m] + sum2vec[m] - sum3vec[m] + 0.5*sum4vec[m]);
1766
1767 #ifdef SUM_PARTS
1768         fprintf(stderr, "sum1: %15.8f %15.8f %15.8f\n",    -rotg->k*sum1vec[XX],    -rotg->k*sum1vec[YY],    -rotg->k*sum1vec[ZZ]);
1769         fprintf(stderr, "sum2: %15.8f %15.8f %15.8f\n",     rotg->k*sum2vec[XX],     rotg->k*sum2vec[YY],     rotg->k*sum2vec[ZZ]);
1770         fprintf(stderr, "sum3: %15.8f %15.8f %15.8f\n",    -rotg->k*sum3vec[XX],    -rotg->k*sum3vec[YY],    -rotg->k*sum3vec[ZZ]);
1771         fprintf(stderr, "sum4: %15.8f %15.8f %15.8f\n", 0.5*rotg->k*sum4vec[XX], 0.5*rotg->k*sum4vec[YY], 0.5*rotg->k*sum4vec[ZZ]);
1772 #endif
1773
1774         PRINT_FORCE_J
1775
1776     } /* END of loop over local atoms */
1777
1778     return V;
1779 }
1780
1781
1782 static real do_flex_lowlevel(
1783         t_rotgrp *rotg,
1784         real      sigma,     /* The Gaussian width sigma                      */
1785         rvec      x[],
1786         gmx_bool  bCalcTorque,
1787         matrix    box,
1788         t_commrec *cr)
1789 {
1790     int   count,ic,ii,j,m,n,islab,iigrp;
1791     rvec  xj,yj0;            /* current and reference position                */
1792     rvec  xcn, ycn;          /* the current and the reference slab centers    */
1793     rvec  xj_xcn;            /* xj - xcn                                      */
1794     rvec  qjn;               /* q_i^n                                         */
1795     rvec  sum_n1,sum_n2;     /* Two contributions to the rotation force       */
1796     rvec  innersumvec;       /* Inner part of sum_n2                          */
1797     rvec  s_n;
1798     rvec  force_n;           /* Single force from slab n on one atom          */
1799     rvec  tmpvec,tmpvec2,tmp_f;   /* Helper variables            */
1800     real  V;                 /* The rotation potential energy                 */
1801     real  OOsigma2;          /* 1/(sigma^2)                                   */
1802     real  beta;              /* beta_n(xj)                                    */
1803     real  bjn;               /* b_j^n                                         */
1804     real  gaussian_xj;       /* Gaussian weight gn(xj)                        */
1805     real  betan_xj_sigma2;
1806     real  mj,wj;             /* Mass-weighting of the positions               */
1807     real  N_M;               /* N/M                                           */
1808     gmx_enfrotgrp_t erg;     /* Pointer to enforced rotation group data       */
1809
1810
1811     erg=rotg->enfrotgrp;
1812
1813     /* Pre-calculate the inner sums, so that we do not have to calculate
1814      * them again for every atom */
1815     flex_precalc_inner_sum(rotg, cr);
1816
1817     /********************************************************/
1818     /* Main loop over all local atoms of the rotation group */
1819     /********************************************************/
1820     OOsigma2 = 1.0/(sigma*sigma);
1821     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
1822     V = 0.0;
1823     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
1824     {
1825         /* Local index of a rotation group atom  */
1826         ii = erg->ind_loc[j];
1827         /* Position of this atom in the collective array */
1828         iigrp = erg->xc_ref_ind[j];
1829         /* Mass-weighting */
1830         mj = erg->mc[iigrp];  /* need the unsorted mass here */
1831         wj = N_M*mj;
1832
1833         /* Current position of this atom: x[ii][XX/YY/ZZ]
1834          * Note that erg->xc_center contains the center of mass in case the flex-t
1835          * potential was chosen. For the flex potential erg->xc_center must be
1836          * zero. */
1837         rvec_sub(x[ii], erg->xc_center, xj);
1838
1839         /* Shift this atom such that it is near its reference */
1840         shift_single_coord(box, xj, erg->xc_shifts[iigrp]);
1841
1842         /* Determine the slabs to loop over, i.e. the ones with contributions
1843          * larger than min_gaussian */
1844         count = get_single_atom_gaussians(xj, cr, rotg);
1845
1846         clear_rvec(sum_n1);
1847         clear_rvec(sum_n2);
1848
1849         /* Loop over the relevant slabs for this atom */
1850         for (ic=0; ic < count; ic++)
1851         {
1852             n = erg->gn_slabind[ic];
1853
1854             /* Get the precomputed Gaussian for xj in slab n */
1855             gaussian_xj = erg->gn_atom[ic];
1856
1857             islab = n - erg->slab_first; /* slab index */
1858
1859             /* The (unrotated) reference position of this atom is saved in yj0: */
1860             copy_rvec(rotg->x_ref[iigrp], yj0);
1861
1862             beta = calc_beta(xj, rotg, n);
1863
1864             /* The current center of this slab is saved in xcn: */
1865             copy_rvec(erg->slab_center[islab], xcn);
1866             /* ... and the reference center in ycn: */
1867             copy_rvec(erg->slab_center_ref[islab+erg->slab_buffer], ycn);
1868
1869             rvec_sub(yj0, ycn, tmpvec); /* tmpvec = yj0 - ycn */
1870
1871             /* Rotate: */
1872             mvmul(erg->rotmat, tmpvec, tmpvec2); /* tmpvec2 = Omega.(yj0-ycn) */
1873
1874             /* Subtract the slab center from xj */
1875             rvec_sub(xj, xcn, xj_xcn);           /* xj_xcn = xj - xcn         */
1876
1877             /* Calculate qjn */
1878             cprod(rotg->vec, tmpvec2, tmpvec); /* tmpvec = v x Omega.(xj-xcn) */
1879
1880                                  /*         v x Omega.(xj-xcn)    */
1881             unitv(tmpvec,qjn);   /*  qjn = --------------------   */
1882                                  /*        |v x Omega.(xj-xcn)|   */
1883
1884             bjn = iprod(qjn, xj_xcn);   /* bjn = qjn * (xj - xcn) */
1885
1886             /*********************************/
1887             /* Add to the rotation potential */
1888             /*********************************/
1889             V += 0.5*rotg->k*wj*gaussian_xj*sqr(bjn);
1890
1891             /****************************************************************/
1892             /* sum_n1 will typically be the main contribution to the force: */
1893             /****************************************************************/
1894             betan_xj_sigma2 = beta*OOsigma2;  /*  beta_n(xj)/sigma^2  */
1895
1896             /* The next lines calculate
1897              *  qjn - (bjn*beta(xj)/(2sigma^2))v  */
1898             svmul(bjn*0.5*betan_xj_sigma2, rotg->vec, tmpvec2);
1899             rvec_sub(qjn,tmpvec2,tmpvec);
1900
1901             /* Multiply with gn(xj)*bjn: */
1902             svmul(gaussian_xj*bjn,tmpvec,tmpvec2);
1903
1904             /* Sum over n: */
1905             rvec_inc(sum_n1,tmpvec2);
1906
1907             /* We already have precalculated the Sn term for slab n */
1908             copy_rvec(erg->slab_innersumvec[islab], s_n);
1909                                                                           /*          beta_n(xj)              */
1910             svmul(betan_xj_sigma2*iprod(s_n, xj_xcn), rotg->vec, tmpvec); /* tmpvec = ---------- s_n (xj-xcn) */
1911                                                                           /*            sigma^2               */
1912
1913             rvec_sub(s_n, tmpvec, innersumvec);
1914
1915             /* We can safely divide by slab_weights since we check in get_slab_centers
1916              * that it is non-zero. */
1917             svmul(gaussian_xj/erg->slab_weights[islab], innersumvec, innersumvec);
1918
1919             rvec_add(sum_n2, innersumvec, sum_n2);
1920
1921             GMX_MPE_LOG(ev_inner_loop_finish);
1922
1923             /* Calculate the torque: */
1924             if (bCalcTorque)
1925             {
1926                 /* The force on atom ii from slab n only: */
1927                 rvec_sub(innersumvec, tmpvec2, force_n);
1928                 svmul(rotg->k, force_n, force_n);
1929                 erg->slab_torque_v[islab] += torque(rotg->vec, force_n, xj, xcn);
1930             }
1931         } /* END of loop over slabs */
1932
1933         /* Put both contributions together: */
1934         svmul(wj, sum_n1, sum_n1);
1935         svmul(mj, sum_n2, sum_n2);
1936         rvec_sub(sum_n2,sum_n1,tmp_f); /* F = -grad V */
1937
1938         /* Store the additional force so that it can be added to the force
1939          * array after the normal forces have been evaluated */
1940         for(m=0; m<DIM; m++)
1941             erg->f_rot_loc[j][m] = rotg->k*tmp_f[m];
1942
1943         PRINT_FORCE_J
1944
1945     } /* END of loop over local atoms */
1946
1947     return V;
1948 }
1949
1950 #ifdef PRINT_COORDS
1951 static void print_coordinates(t_commrec *cr, t_rotgrp *rotg, rvec x[], matrix box, int step)
1952 {
1953     int i;
1954     static FILE *fp;
1955     static char buf[STRLEN];
1956     static gmx_bool bFirst=1;
1957
1958
1959     if (bFirst)
1960     {
1961         sprintf(buf, "coords%d.txt", cr->nodeid);
1962         fp = fopen(buf, "w");
1963         bFirst = 0;
1964     }
1965
1966     fprintf(fp, "\nStep %d\n", step);
1967     fprintf(fp, "box: %f %f %f %f %f %f %f %f %f\n",
1968             box[XX][XX], box[XX][YY], box[XX][ZZ],
1969             box[YY][XX], box[YY][YY], box[YY][ZZ],
1970             box[ZZ][XX], box[ZZ][ZZ], box[ZZ][ZZ]);
1971     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
1972     {
1973         fprintf(fp, "%4d  %f %f %f\n", i,
1974                 erg->xc[i][XX], erg->xc[i][YY], erg->xc[i][ZZ]);
1975     }
1976     fflush(fp);
1977
1978 }
1979 #endif
1980
1981
1982 static int projection_compare(const void *a, const void *b)
1983 {
1984     sort_along_vec_t *xca, *xcb;
1985
1986
1987     xca = (sort_along_vec_t *)a;
1988     xcb = (sort_along_vec_t *)b;
1989
1990     if (xca->xcproj < xcb->xcproj)
1991         return -1;
1992     else if (xca->xcproj > xcb->xcproj)
1993         return 1;
1994     else
1995         return 0;
1996 }
1997
1998
1999 static void sort_collective_coordinates(
2000         t_rotgrp *rotg,         /* Rotation group */
2001         sort_along_vec_t *data) /* Buffer for sorting the positions */
2002 {
2003     int i;
2004     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2005
2006
2007     erg=rotg->enfrotgrp;
2008
2009     /* The projection of the position vector on the rotation vector is
2010      * the relevant value for sorting. Fill the 'data' structure */
2011     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2012     {
2013         data[i].xcproj = iprod(erg->xc[i], rotg->vec);  /* sort criterium */
2014         data[i].m      = erg->mc[i];
2015         data[i].ind    = i;
2016         copy_rvec(erg->xc[i]    , data[i].x    );
2017         copy_rvec(rotg->x_ref[i], data[i].x_ref);
2018     }
2019     /* Sort the 'data' structure */
2020     gmx_qsort(data, rotg->nat, sizeof(sort_along_vec_t), projection_compare);
2021
2022     /* Copy back the sorted values */
2023     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2024     {
2025         copy_rvec(data[i].x    , erg->xc[i]           );
2026         copy_rvec(data[i].x_ref, erg->xc_ref_sorted[i]);
2027         erg->mc_sorted[i]  = data[i].m;
2028         erg->xc_sortind[i] = data[i].ind;
2029     }
2030 }
2031
2032
2033 /* For each slab, get the first and the last index of the sorted atom
2034  * indices */
2035 static void get_firstlast_atom_per_slab(t_rotgrp *rotg, t_commrec *cr)
2036 {
2037     int i,islab,n;
2038     real beta;
2039     gmx_enfrotgrp_t erg;     /* Pointer to enforced rotation group data */
2040
2041
2042     erg=rotg->enfrotgrp;
2043
2044     GMX_MPE_LOG(ev_get_firstlast_start);
2045
2046     /* Find the first atom that needs to enter the calculation for each slab */
2047     n = erg->slab_first;  /* slab */
2048     i = 0; /* start with the first atom */
2049     do
2050     {
2051         /* Find the first atom that significantly contributes to this slab */
2052         do /* move forward in position until a large enough beta is found */
2053         {
2054             beta = calc_beta(erg->xc[i], rotg, n);
2055             i++;
2056         } while ((beta < -erg->max_beta) && (i < rotg->nat));
2057         i--;
2058         islab = n - erg->slab_first;  /* slab index */
2059         erg->firstatom[islab] = i;
2060         /* Proceed to the next slab */
2061         n++;
2062     } while (n <= erg->slab_last);
2063
2064     /* Find the last atom for each slab */
2065      n = erg->slab_last; /* start with last slab */
2066      i = rotg->nat-1;  /* start with the last atom */
2067      do
2068      {
2069          do /* move backward in position until a large enough beta is found */
2070          {
2071              beta = calc_beta(erg->xc[i], rotg, n);
2072              i--;
2073          } while ((beta > erg->max_beta) && (i > -1));
2074          i++;
2075          islab = n - erg->slab_first;  /* slab index */
2076          erg->lastatom[islab] = i;
2077          /* Proceed to the next slab */
2078          n--;
2079      } while (n >= erg->slab_first);
2080
2081      GMX_MPE_LOG(ev_get_firstlast_finish);
2082 }
2083
2084
2085 /* Determine the very first and very last slab that needs to be considered
2086  * For the first slab that needs to be considered, we have to find the smallest
2087  * n that obeys:
2088  *
2089  * x_first * v - n*Delta_x <= beta_max
2090  *
2091  * slab index n, slab distance Delta_x, rotation vector v. For the last slab we
2092  * have to find the largest n that obeys
2093  *
2094  * x_last * v - n*Delta_x >= -beta_max
2095  *
2096  */
2097 static inline int get_first_slab(
2098         t_rotgrp *rotg,     /* The rotation group (inputrec data) */
2099         real     max_beta,  /* The max_beta value, instead of min_gaussian */
2100         rvec     firstatom) /* First atom after sorting along the rotation vector v */
2101 {
2102     /* Find the first slab for the first atom */
2103     return ceil((iprod(firstatom, rotg->vec) - max_beta)/rotg->slab_dist);
2104 }
2105
2106
2107 static inline int get_last_slab(
2108         t_rotgrp *rotg,     /* The rotation group (inputrec data) */
2109         real     max_beta,  /* The max_beta value, instead of min_gaussian */
2110         rvec     lastatom)  /* Last atom along v */
2111 {
2112     /* Find the last slab for the last atom */
2113     return floor((iprod(lastatom, rotg->vec) + max_beta)/rotg->slab_dist);
2114 }
2115
2116
2117 static void get_firstlast_slab_check(
2118         t_rotgrp        *rotg,     /* The rotation group (inputrec data) */
2119         t_gmx_enfrotgrp *erg,      /* The rotation group (data only accessible in this file) */
2120         rvec            firstatom, /* First atom after sorting along the rotation vector v */
2121         rvec            lastatom,  /* Last atom along v */
2122         int             g,         /* The rotation group number */
2123         t_commrec       *cr)
2124 {
2125     erg->slab_first = get_first_slab(rotg, erg->max_beta, firstatom);
2126     erg->slab_last  = get_last_slab(rotg, erg->max_beta, lastatom);
2127
2128     /* Check whether we have reference data to compare against */
2129     if (erg->slab_first < erg->slab_first_ref)
2130         gmx_fatal(FARGS, "%s No reference data for first slab (n=%d), unable to proceed.",
2131                   RotStr, erg->slab_first);
2132
2133     /* Check whether we have reference data to compare against */
2134     if (erg->slab_last > erg->slab_last_ref)
2135         gmx_fatal(FARGS, "%s No reference data for last slab (n=%d), unable to proceed.",
2136                   RotStr, erg->slab_last);
2137 }
2138
2139
2140 /* Enforced rotation with a flexible axis */
2141 static void do_flexible(
2142         t_commrec *cr,
2143         gmx_enfrot_t enfrot,    /* Other rotation data                        */
2144         t_rotgrp  *rotg,        /* The rotation group                         */
2145         int       g,            /* Group number                               */
2146         rvec      x[],          /* The local positions                        */
2147         matrix    box,
2148         double    t,            /* Time in picoseconds                        */
2149         gmx_large_int_t step,   /* The time step                              */
2150         gmx_bool  bOutstepRot,  /* Output to main rotation output file        */
2151         gmx_bool  bOutstepSlab) /* Output per-slab data                       */
2152 {
2153     int          l,nslabs;
2154     real         sigma;       /* The Gaussian width sigma */
2155     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
2156
2157
2158     erg=rotg->enfrotgrp;
2159
2160     /* Define the sigma value */
2161     sigma = 0.7*rotg->slab_dist;
2162
2163     /* Sort the collective coordinates erg->xc along the rotation vector. This is
2164      * an optimization for the inner loop. */
2165     sort_collective_coordinates(rotg, enfrot->data);
2166
2167     /* Determine the first relevant slab for the first atom and the last
2168      * relevant slab for the last atom */
2169     get_firstlast_slab_check(rotg, erg, erg->xc[0], erg->xc[rotg->nat-1], g, cr);
2170
2171     /* Determine for each slab depending on the min_gaussian cutoff criterium,
2172      * a first and a last atom index inbetween stuff needs to be calculated */
2173     get_firstlast_atom_per_slab(rotg, cr);
2174
2175     /* Determine the gaussian-weighted center of positions for all slabs */
2176     get_slab_centers(rotg,erg->xc,erg->mc_sorted,cr,g,t,enfrot->out_slabs,bOutstepSlab,FALSE);
2177
2178     /* Clear the torque per slab from last time step: */
2179     nslabs = erg->slab_last - erg->slab_first + 1;
2180     for (l=0; l<nslabs; l++)
2181         erg->slab_torque_v[l] = 0.0;
2182
2183     /* Call the rotational forces kernel */
2184     GMX_MPE_LOG(ev_flexll_start);
2185     if (rotg->eType == erotgFLEX || rotg->eType == erotgFLEXT)
2186         erg->V = do_flex_lowlevel(rotg, sigma, x, bOutstepRot, box, cr);
2187     else if (rotg->eType == erotgFLEX2 || rotg->eType == erotgFLEX2T)
2188         erg->V = do_flex2_lowlevel(rotg, sigma, x, bOutstepRot, box, cr);
2189     else
2190         gmx_fatal(FARGS, "Unknown flexible rotation type");
2191     GMX_MPE_LOG(ev_flexll_finish);
2192
2193     /* Determine angle by RMSD fit to the reference - Let's hope this */
2194     /* only happens once in a while, since this is not parallelized! */
2195     if (MASTER(cr))
2196     {
2197         if (bOutstepRot)
2198         {
2199             /* Fit angle of the whole rotation group */
2200             erg->angle_v = flex_fit_angle(rotg);
2201         }
2202         if (bOutstepSlab)
2203         {
2204             /* Fit angle of each slab */
2205             flex_fit_angle_perslab(g, rotg, t, erg->degangle, enfrot->out_angles);
2206         }
2207     }
2208
2209     /* Lump together the torques from all slabs: */
2210     erg->torque_v = 0.0;
2211     for (l=0; l<nslabs; l++)
2212          erg->torque_v += erg->slab_torque_v[l];
2213
2214     PRINT_POT_TAU
2215 }
2216
2217
2218 /* Calculate the angle between reference and actual rotation group atom,
2219  * both projected into a plane perpendicular to the rotation vector: */
2220 static void angle(t_rotgrp *rotg,
2221         rvec x_act,
2222         rvec x_ref,
2223         real *alpha,
2224         real *weight)  /* atoms near the rotation axis should count less than atoms far away */
2225 {
2226     rvec xp, xrp;  /* current and reference positions projected on a plane perpendicular to pg->vec */
2227     rvec dum;
2228
2229
2230     /* Project x_ref and x into a plane through the origin perpendicular to rot_vec: */
2231     /* Project x_ref: xrp = x_ref - (vec * x_ref) * vec */
2232     svmul(iprod(rotg->vec, x_ref), rotg->vec, dum);
2233     rvec_sub(x_ref, dum, xrp);
2234     /* Project x_act: */
2235     svmul(iprod(rotg->vec, x_act), rotg->vec, dum);
2236     rvec_sub(x_act, dum, xp);
2237
2238     /* Retrieve information about which vector precedes. gmx_angle always
2239      * returns a positive angle. */
2240     cprod(xp, xrp, dum); /* if reference precedes, this is pointing into the same direction as vec */
2241
2242     if (iprod(rotg->vec, dum) >= 0)
2243         *alpha = -gmx_angle(xrp, xp);
2244     else
2245         *alpha = +gmx_angle(xrp, xp);
2246
2247     /* Also return the weight */
2248     *weight = norm(xp);
2249 }
2250
2251
2252 /* Project first vector onto a plane perpendicular to the second vector
2253  * dr = dr - (dr.v)v
2254  * Note that v must be of unit length.
2255  */
2256 static inline void project_onto_plane(rvec dr, const rvec v)
2257 {
2258     rvec tmp;
2259
2260
2261     svmul(iprod(dr,v),v,tmp);  /* tmp = (dr.v)v */
2262     rvec_dec(dr, tmp);         /* dr = dr - (dr.v)v */
2263 }
2264
2265
2266 /* Fixed rotation: The rotation reference group rotates around an axis */
2267 /* The atoms of the actual rotation group are attached with imaginary  */
2268 /* springs to the reference atoms.                                     */
2269 static void do_fixed(
2270         t_commrec *cr,
2271         t_rotgrp  *rotg,        /* The rotation group          */
2272         rvec      x[],          /* The positions               */
2273         matrix    box,          /* The simulation box          */
2274         double    t,            /* Time in picoseconds         */
2275         gmx_large_int_t step,   /* The time step               */
2276         gmx_bool  bTorque)
2277 {
2278     int       j,m;
2279     rvec      dr;
2280     rvec      tmp_f;           /* Force */
2281     real      alpha;           /* a single angle between an actual and a reference position */
2282     real      weight;          /* single weight for a single angle */
2283     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2284     rvec      tmpvec;
2285
2286     /* for mass weighting: */
2287     real      wi;              /* Mass-weighting of the positions */
2288     real      N_M;             /* N/M */
2289     real      k_wi;            /* k times wi */
2290
2291     gmx_bool  bProject;
2292
2293
2294     erg=rotg->enfrotgrp;
2295     bProject = (rotg->eType==erotgPM) || (rotg->eType==erotgPMPF);
2296
2297     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2298
2299     /* Each process calculates the forces on its local atoms */
2300     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
2301     {
2302         /* Calculate (x_i-x_c) resp. (x_i-u) */
2303         rvec_sub(erg->x_loc_pbc[j], erg->xc_center, tmpvec);
2304
2305         /* Calculate Omega*(y_i-y_c)-(x_i-x_c) */
2306         rvec_sub(erg->xr_loc[j], tmpvec, dr);
2307
2308         if (bProject)
2309             project_onto_plane(dr, rotg->vec);
2310
2311         /* Mass-weighting */
2312         wi = N_M*erg->m_loc[j];
2313
2314         /* Store the additional force so that it can be added to the force
2315          * array after the normal forces have been evaluated */
2316         k_wi = rotg->k*wi;
2317         for (m=0; m<DIM; m++)
2318         {
2319             tmp_f[m]             = k_wi*dr[m];
2320             erg->f_rot_loc[j][m] = tmp_f[m];
2321             erg->V              += 0.5*k_wi*sqr(dr[m]);
2322         }
2323
2324         if (bTorque)
2325         {
2326             /* Add to the torque of this rotation group */
2327             erg->torque_v += torque(rotg->vec, tmp_f, erg->x_loc_pbc[j], erg->xc_center);
2328
2329             /* Calculate the angle between reference and actual rotation group atom. */
2330             angle(rotg, tmpvec, erg->xr_loc[j], &alpha, &weight);  /* angle in rad, weighted */
2331             erg->angle_v  += alpha * weight;
2332             erg->weight_v += weight;
2333         }
2334         /* If you want enforced rotation to contribute to the virial,
2335          * activate the following lines:
2336             if (MASTER(cr))
2337             {
2338                Add the rotation contribution to the virial
2339               for(j=0; j<DIM; j++)
2340                 for(m=0;m<DIM;m++)
2341                   vir[j][m] += 0.5*f[ii][j]*dr[m];
2342             }
2343          */
2344
2345         PRINT_FORCE_J
2346
2347     } /* end of loop over local rotation group atoms */
2348
2349     PRINT_POT_TAU
2350 }
2351
2352
2353 /* Calculate the radial motion potential and forces */
2354 static void do_radial_motion(
2355         t_commrec *cr,
2356         t_rotgrp  *rotg,        /* The rotation group          */
2357         rvec      x[],          /* The positions               */
2358         matrix    box,          /* The simulation box          */
2359         double    t,            /* Time in picoseconds         */
2360         gmx_large_int_t step,   /* The time step               */
2361         gmx_bool  bTorque)
2362 {
2363     int       j;
2364     rvec      tmp_f;           /* Force */
2365     real      alpha;           /* a single angle between an actual and a reference position */
2366     real      weight;          /* single weight for a single angle */
2367     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2368     rvec      xj_u;            /* xj - u */
2369     rvec      tmpvec;
2370     real      fac,fac2,sum=0.0;
2371     rvec      pj;
2372
2373     /* For mass weighting: */
2374     real      wj;              /* Mass-weighting of the positions */
2375     real      N_M;             /* N/M */
2376
2377
2378     erg=rotg->enfrotgrp;
2379
2380     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2381
2382     /* Each process calculates the forces on its local atoms */
2383     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
2384     {
2385         /* Calculate (xj-u) */
2386         rvec_sub(erg->x_loc_pbc[j], erg->xc_center, xj_u);  /* xj_u = xj-u */
2387
2388         /* Calculate Omega.(yj-u) */
2389         cprod(rotg->vec, erg->xr_loc[j], tmpvec);  /* tmpvec = v x Omega.(yj-u) */
2390
2391                               /*         v x Omega.(yj-u)     */
2392         unitv(tmpvec, pj);    /*  pj = --------------------   */
2393                               /*       | v x Omega.(yj-u) |   */
2394
2395         fac = iprod(pj, xj_u);  /* fac = pj.(xj-u) */
2396         fac2 = fac*fac;
2397
2398         /* Mass-weighting */
2399         wj = N_M*erg->m_loc[j];
2400
2401         /* Store the additional force so that it can be added to the force
2402          * array after the normal forces have been evaluated */
2403         svmul(-rotg->k*wj*fac, pj, tmp_f);
2404         copy_rvec(tmp_f, erg->f_rot_loc[j]);
2405         sum += wj*fac2;
2406         if (bTorque)
2407         {
2408             /* Add to the torque of this rotation group */
2409             erg->torque_v += torque(rotg->vec, tmp_f, erg->x_loc_pbc[j], erg->xc_center);
2410
2411             /* Calculate the angle between reference and actual rotation group atom. */
2412             angle(rotg, xj_u, erg->xr_loc[j], &alpha, &weight);  /* angle in rad, weighted */
2413             erg->angle_v  += alpha * weight;
2414             erg->weight_v += weight;
2415         }
2416
2417         PRINT_FORCE_J
2418
2419     } /* end of loop over local rotation group atoms */
2420     erg->V = 0.5*rotg->k*sum;
2421
2422     PRINT_POT_TAU
2423
2424 }
2425
2426
2427 /* Calculate the radial motion pivot-free potential and forces */
2428 static void do_radial_motion_pf(
2429         t_commrec *cr,
2430         t_rotgrp  *rotg,        /* The rotation group          */
2431         rvec      x[],          /* The positions               */
2432         matrix    box,          /* The simulation box          */
2433         double    t,            /* Time in picoseconds         */
2434         gmx_large_int_t step,   /* The time step               */
2435         gmx_bool  bTorque)
2436 {
2437     int       i,ii,iigrp,j;
2438     rvec      xj;              /* Current position */
2439     rvec      xj_xc;           /* xj  - xc  */
2440     rvec      yj0_yc0;         /* yj0 - yc0 */
2441     rvec      tmp_f;           /* Force */
2442     real      alpha;           /* a single angle between an actual and a reference position */
2443     real      weight;          /* single weight for a single angle */
2444     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2445     rvec      tmpvec, tmpvec2;
2446     rvec      innersumvec;     /* Precalculation of the inner sum */
2447     rvec      innersumveckM;
2448     real      fac,fac2,V=0.0;
2449     rvec      qi,qj;
2450
2451     /* For mass weighting: */
2452     real      mj,wi,wj;        /* Mass-weighting of the positions */
2453     real      N_M;             /* N/M */
2454
2455
2456     erg=rotg->enfrotgrp;
2457
2458     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2459
2460     /* Get the current center of the rotation group: */
2461     get_center(erg->xc, erg->mc, rotg->nat, erg->xc_center);
2462
2463     /* Precalculate Sum_i [ wi qi.(xi-xc) qi ] which is needed for every single j */
2464     clear_rvec(innersumvec);
2465     for (i=0; i < rotg->nat; i++)
2466     {
2467         /* Mass-weighting */
2468         wi = N_M*erg->mc[i];
2469
2470         /* Calculate qi. Note that xc_ref_center has already been subtracted from
2471          * x_ref in init_rot_group.*/
2472         mvmul(erg->rotmat, rotg->x_ref[i], tmpvec);  /* tmpvec  = Omega.(yi0-yc0) */
2473
2474         cprod(rotg->vec, tmpvec, tmpvec2);          /* tmpvec2 = v x Omega.(yi0-yc0) */
2475
2476                               /*         v x Omega.(yi0-yc0)     */
2477         unitv(tmpvec2, qi);   /*  qi = -----------------------   */
2478                               /*       | v x Omega.(yi0-yc0) |   */
2479
2480         rvec_sub(erg->xc[i], erg->xc_center, tmpvec);  /* tmpvec = xi-xc */
2481
2482         svmul(wi*iprod(qi, tmpvec), qi, tmpvec2);
2483
2484         rvec_inc(innersumvec, tmpvec2);
2485     }
2486     svmul(rotg->k*erg->invmass, innersumvec, innersumveckM);
2487
2488     /* Each process calculates the forces on its local atoms */
2489     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
2490     {
2491         /* Local index of a rotation group atom  */
2492         ii = erg->ind_loc[j];
2493         /* Position of this atom in the collective array */
2494         iigrp = erg->xc_ref_ind[j];
2495         /* Mass-weighting */
2496         mj = erg->mc[iigrp];  /* need the unsorted mass here */
2497         wj = N_M*mj;
2498
2499         /* Current position of this atom: x[ii][XX/YY/ZZ] */
2500         copy_rvec(x[ii], xj);
2501
2502         /* Shift this atom such that it is near its reference */
2503         shift_single_coord(box, xj, erg->xc_shifts[iigrp]);
2504
2505         /* The (unrotated) reference position is yj0. yc0 has already
2506          * been subtracted in init_rot_group */
2507         copy_rvec(rotg->x_ref[iigrp], yj0_yc0);   /* yj0_yc0 = yj0 - yc0      */
2508
2509         /* Calculate Omega.(yj0-yc0) */
2510         mvmul(erg->rotmat, yj0_yc0, tmpvec2);     /* tmpvec2 = Omega.(yj0 - yc0)  */
2511
2512         cprod(rotg->vec, tmpvec2, tmpvec);  /* tmpvec = v x Omega.(yj0-yc0) */
2513
2514                               /*         v x Omega.(yj0-yc0)     */
2515         unitv(tmpvec, qj);    /*  qj = -----------------------   */
2516                               /*       | v x Omega.(yj0-yc0) |   */
2517
2518         /* Calculate (xj-xc) */
2519         rvec_sub(xj, erg->xc_center, xj_xc);  /* xj_xc = xj-xc */
2520
2521         fac = iprod(qj, xj_xc);  /* fac = qj.(xj-xc) */
2522         fac2 = fac*fac;
2523
2524         /* Store the additional force so that it can be added to the force
2525          * array after the normal forces have been evaluated */
2526         svmul(-rotg->k*wj*fac, qj, tmp_f); /* part 1 of force */
2527         svmul(mj, innersumveckM, tmpvec);  /* part 2 of force */
2528         rvec_inc(tmp_f, tmpvec);
2529         copy_rvec(tmp_f, erg->f_rot_loc[j]);
2530         V += wj*fac2;
2531         if (bTorque)
2532         {
2533             /* Add to the torque of this rotation group */
2534             erg->torque_v += torque(rotg->vec, tmp_f, xj, erg->xc_center);
2535
2536             /* Calculate the angle between reference and actual rotation group atom. */
2537             angle(rotg, xj_xc, yj0_yc0, &alpha, &weight);  /* angle in rad, weighted */
2538             erg->angle_v  += alpha * weight;
2539             erg->weight_v += weight;
2540         }
2541
2542         PRINT_FORCE_J
2543
2544     } /* end of loop over local rotation group atoms */
2545     erg->V = 0.5*rotg->k*V;
2546
2547     PRINT_POT_TAU
2548 }
2549
2550
2551 /* Precalculate the inner sum for the radial motion 2 forces */
2552 static void radial_motion2_precalc_inner_sum(t_rotgrp  *rotg, rvec innersumvec)
2553 {
2554     int       i;
2555     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2556     rvec      xi_xc;           /* xj - xc */
2557     rvec      tmpvec,tmpvec2;
2558     real      fac,fac2;
2559     rvec      ri,si;
2560     real      siri;
2561     rvec      v_xi_xc;          /* v x (xj - u) */
2562     real      psii,psiistar;
2563     real      wi;              /* Mass-weighting of the positions */
2564     real      N_M;             /* N/M */
2565     rvec      sumvec;
2566
2567     erg=rotg->enfrotgrp;
2568     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2569
2570     /* Loop over the collective set of positions */
2571     clear_rvec(sumvec);
2572     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2573     {
2574         /* Mass-weighting */
2575         wi = N_M*erg->mc[i];
2576
2577         rvec_sub(erg->xc[i], erg->xc_center, xi_xc); /* xi_xc = xi-xc         */
2578
2579         /* Calculate ri. Note that xc_ref_center has already been subtracted from
2580          * x_ref in init_rot_group.*/
2581         mvmul(erg->rotmat, rotg->x_ref[i], ri);      /* ri  = Omega.(yi0-yc0) */
2582
2583         cprod(rotg->vec, xi_xc, v_xi_xc);            /* v_xi_xc = v x (xi-u)  */
2584
2585         fac = norm2(v_xi_xc);
2586                                           /*                      1           */
2587         psiistar = 1.0/(fac + rotg->eps); /* psiistar = --------------------- */
2588                                           /*            |v x (xi-xc)|^2 + eps */
2589
2590         psii = gmx_invsqrt(fac);          /*                 1                */
2591                                           /*  psii    = -------------         */
2592                                           /*            |v x (xi-xc)|         */
2593
2594         svmul(psii, v_xi_xc, si);          /*  si = psii * (v x (xi-xc) )     */
2595
2596         fac = iprod(v_xi_xc, ri);                   /* fac = (v x (xi-xc)).ri */
2597         fac2 = fac*fac;
2598
2599         siri = iprod(si, ri);                       /* siri = si.ri           */
2600
2601         svmul(psiistar/psii, ri, tmpvec);
2602         svmul(psiistar*psiistar/(psii*psii*psii) * siri, si, tmpvec2);
2603         rvec_dec(tmpvec, tmpvec2);
2604         cprod(tmpvec, rotg->vec, tmpvec2);
2605
2606         svmul(wi*siri, tmpvec2, tmpvec);
2607
2608         rvec_inc(sumvec, tmpvec);
2609     }
2610     svmul(rotg->k*erg->invmass, sumvec, innersumvec);
2611 }
2612
2613
2614 /* Calculate the radial motion 2 potential and forces */
2615 static void do_radial_motion2(
2616         t_commrec *cr,
2617         t_rotgrp  *rotg,        /* The rotation group          */
2618         rvec      x[],          /* The positions               */
2619         matrix    box,          /* The simulation box          */
2620         double    t,            /* Time in picoseconds         */
2621         gmx_large_int_t step,   /* The time step               */
2622         gmx_bool  bTorque)
2623 {
2624     int       ii,iigrp,j;
2625     rvec      xj;              /* Position */
2626     real      alpha;           /* a single angle between an actual and a reference position */
2627     real      weight;          /* single weight for a single angle */
2628     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2629     rvec      xj_u;            /* xj - u */
2630     rvec      tmpvec,tmpvec2;
2631     real      fac,fac2,Vpart=0.0;
2632     rvec      rj,sj;
2633     real      sjrj;
2634     rvec      v_xj_u;          /* v x (xj - u) */
2635     real      psij,psijstar;
2636     real      mj,wj;           /* For mass-weighting of the positions */
2637     real      N_M;             /* N/M */
2638     gmx_bool  bPF;
2639     rvec      innersumvec;
2640
2641
2642     erg=rotg->enfrotgrp;
2643
2644     bPF = rotg->eType==erotgRM2PF;
2645     clear_rvec(innersumvec);
2646     if (bPF)
2647     {
2648         /* For the pivot-free variant we have to use the current center of
2649          * mass of the rotation group instead of the pivot u */
2650         get_center(erg->xc, erg->mc, rotg->nat, erg->xc_center);
2651
2652         /* Also, we precalculate the second term of the forces that is identical
2653          * (up to the weight factor mj) for all forces */
2654         radial_motion2_precalc_inner_sum(rotg,innersumvec);
2655     }
2656
2657     N_M = rotg->nat * erg->invmass;
2658
2659     /* Each process calculates the forces on its local atoms */
2660     for (j=0; j<erg->nat_loc; j++)
2661     {
2662         if (bPF)
2663         {
2664             /* Local index of a rotation group atom  */
2665             ii = erg->ind_loc[j];
2666             /* Position of this atom in the collective array */
2667             iigrp = erg->xc_ref_ind[j];
2668             /* Mass-weighting */
2669             mj = erg->mc[iigrp];
2670
2671             /* Current position of this atom: x[ii] */
2672             copy_rvec(x[ii], xj);
2673
2674             /* Shift this atom such that it is near its reference */
2675             shift_single_coord(box, xj, erg->xc_shifts[iigrp]);
2676
2677             /* The (unrotated) reference position is yj0. yc0 has already
2678              * been subtracted in init_rot_group */
2679             copy_rvec(rotg->x_ref[iigrp], tmpvec);     /* tmpvec = yj0 - yc0  */
2680
2681             /* Calculate Omega.(yj0-yc0) */
2682             mvmul(erg->rotmat, tmpvec, rj);          /* rj = Omega.(yj0-yc0)  */
2683         }
2684         else
2685         {
2686             mj = erg->m_loc[j];
2687             copy_rvec(erg->x_loc_pbc[j], xj);
2688             copy_rvec(erg->xr_loc[j], rj);           /* rj = Omega.(yj0-u)    */
2689         }
2690         /* Mass-weighting */
2691         wj = N_M*mj;
2692
2693         /* Calculate (xj-u) resp. (xj-xc) */
2694         rvec_sub(xj, erg->xc_center, xj_u);          /* xj_u = xj-u           */
2695
2696         cprod(rotg->vec, xj_u, v_xj_u);              /* v_xj_u = v x (xj-u)   */
2697
2698         fac = norm2(v_xj_u);
2699                                           /*                      1           */
2700         psijstar = 1.0/(fac + rotg->eps); /*  psistar = --------------------  */
2701                                           /*            |v x (xj-u)|^2 + eps  */
2702
2703         psij = gmx_invsqrt(fac);          /*                 1                */
2704                                           /*  psij    = ------------          */
2705                                           /*            |v x (xj-u)|          */
2706
2707         svmul(psij, v_xj_u, sj);          /*  sj = psij * (v x (xj-u) )       */
2708
2709         fac = iprod(v_xj_u, rj);                     /* fac = (v x (xj-u)).rj */
2710         fac2 = fac*fac;
2711
2712         sjrj = iprod(sj, rj);                        /* sjrj = sj.rj          */
2713
2714         svmul(psijstar/psij, rj, tmpvec);
2715         svmul(psijstar*psijstar/(psij*psij*psij) * sjrj, sj, tmpvec2);
2716         rvec_dec(tmpvec, tmpvec2);
2717         cprod(tmpvec, rotg->vec, tmpvec2);
2718
2719         /* Store the additional force so that it can be added to the force
2720          * array after the normal forces have been evaluated */
2721         svmul(-rotg->k*wj*sjrj, tmpvec2, tmpvec);
2722         svmul(mj, innersumvec, tmpvec2);  /* This is != 0 only for the pivot-free variant */
2723
2724         rvec_add(tmpvec2, tmpvec, erg->f_rot_loc[j]);
2725         Vpart += wj*psijstar*fac2;
2726         if (bTorque)
2727         {
2728             /* Add to the torque of this rotation group */
2729             erg->torque_v += torque(rotg->vec, erg->f_rot_loc[j], xj, erg->xc_center);
2730
2731             /* Calculate the angle between reference and actual rotation group atom. */
2732             angle(rotg, xj_u, rj, &alpha, &weight);  /* angle in rad, weighted */
2733             erg->angle_v  += alpha * weight;
2734             erg->weight_v += weight;
2735         }
2736
2737         PRINT_FORCE_J
2738
2739     } /* end of loop over local rotation group atoms */
2740     erg->V = 0.5*rotg->k*Vpart;
2741
2742     PRINT_POT_TAU
2743 }
2744
2745
2746 /* Determine the smallest and largest position vector (with respect to the
2747  * rotation vector) for the reference group */
2748 static void get_firstlast_atom_ref(
2749         t_rotgrp  *rotg,
2750         int       *firstindex,
2751         int       *lastindex)
2752 {
2753     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
2754     int i;
2755     real xcproj;               /* The projection of a reference position on the
2756                                   rotation vector */
2757     real minproj, maxproj;     /* Smallest and largest projection on v */
2758
2759
2760
2761     erg=rotg->enfrotgrp;
2762
2763     /* Start with some value */
2764     minproj = iprod(rotg->x_ref[0], rotg->vec);
2765     maxproj = minproj;
2766
2767     /* This is just to ensure that it still works if all the atoms of the
2768      * reference structure are situated in a plane perpendicular to the rotation
2769      * vector */
2770     *firstindex = 0;
2771     *lastindex  = rotg->nat-1;
2772
2773     /* Loop over all atoms of the reference group,
2774      * project them on the rotation vector to find the extremes */
2775     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2776     {
2777         xcproj = iprod(rotg->x_ref[i], rotg->vec);
2778         if (xcproj < minproj)
2779         {
2780             minproj = xcproj;
2781             *firstindex = i;
2782         }
2783         if (xcproj > maxproj)
2784         {
2785             maxproj = xcproj;
2786             *lastindex = i;
2787         }
2788     }
2789 }
2790
2791
2792 /* Allocate memory for the slabs */
2793 static void allocate_slabs(
2794         t_rotgrp  *rotg,
2795         FILE      *fplog,
2796         int       g,
2797         gmx_bool  bVerbose,
2798         t_commrec *cr)
2799 {
2800     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
2801     int i, nslabs;
2802
2803
2804     erg=rotg->enfrotgrp;
2805
2806     /* More slabs than are defined for the reference are never needed */
2807     nslabs = erg->slab_last_ref - erg->slab_first_ref + 1;
2808
2809     /* Remember how many we allocated */
2810     erg->nslabs_alloc = nslabs;
2811
2812     if (MASTER(cr) && bVerbose)
2813         fprintf(fplog, "%s allocating memory to store data for %d slabs (rotation group %d).\n",
2814                 RotStr, nslabs,g);
2815     snew(erg->slab_center     , nslabs);
2816     snew(erg->slab_center_ref , nslabs);
2817     snew(erg->slab_weights    , nslabs);
2818     snew(erg->slab_torque_v   , nslabs);
2819     snew(erg->slab_data       , nslabs);
2820     snew(erg->gn_atom         , nslabs);
2821     snew(erg->gn_slabind      , nslabs);
2822     snew(erg->slab_innersumvec, nslabs);
2823     for (i=0; i<nslabs; i++)
2824     {
2825         snew(erg->slab_data[i].x     , rotg->nat);
2826         snew(erg->slab_data[i].ref   , rotg->nat);
2827         snew(erg->slab_data[i].weight, rotg->nat);
2828     }
2829     snew(erg->xc_ref_sorted, rotg->nat);
2830     snew(erg->xc_sortind   , rotg->nat);
2831     snew(erg->firstatom    , nslabs);
2832     snew(erg->lastatom     , nslabs);
2833 }
2834
2835
2836 /* From the extreme coordinates of the reference group, determine the first
2837  * and last slab of the reference. We can never have more slabs in the real
2838  * simulation than calculated here for the reference.
2839  */
2840 static void get_firstlast_slab_ref(t_rotgrp *rotg, real mc[], int ref_firstindex, int ref_lastindex)
2841 {
2842     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
2843     int first,last,firststart;
2844     rvec dummy;
2845
2846
2847     erg=rotg->enfrotgrp;
2848     first = get_first_slab(rotg, erg->max_beta, rotg->x_ref[ref_firstindex]);
2849     last  = get_last_slab( rotg, erg->max_beta, rotg->x_ref[ref_lastindex ]);
2850     firststart = first;
2851
2852     while (get_slab_weight(first, rotg, rotg->x_ref, mc, &dummy) > WEIGHT_MIN)
2853     {
2854         first--;
2855     }
2856     erg->slab_first_ref = first+1;
2857     while (get_slab_weight(last, rotg, rotg->x_ref, mc, &dummy) > WEIGHT_MIN)
2858     {
2859         last++;
2860     }
2861     erg->slab_last_ref  = last-1;
2862
2863     erg->slab_buffer = firststart - erg->slab_first_ref;
2864 }
2865
2866
2867
2868 static void init_rot_group(FILE *fplog,t_commrec *cr,int g,t_rotgrp *rotg,
2869         rvec *x,gmx_mtop_t *mtop,gmx_bool bVerbose,FILE *out_slabs)
2870 {
2871     int i,ii;
2872     rvec        coord,*xdum;
2873     gmx_bool    bFlex,bColl;
2874     t_atom      *atom;
2875     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
2876     int         ref_firstindex, ref_lastindex;
2877     real        mass,totalmass;
2878
2879
2880     /* Do we have a flexible axis? */
2881     bFlex = ISFLEX(rotg);
2882     /* Do we use a global set of coordinates? */
2883     bColl = ISCOLL(rotg);
2884
2885     erg=rotg->enfrotgrp;
2886
2887     /* Allocate space for collective coordinates if needed */
2888     if (bColl)
2889     {
2890         snew(erg->xc        , rotg->nat);
2891         snew(erg->xc_shifts , rotg->nat);
2892         snew(erg->xc_eshifts, rotg->nat);
2893
2894         /* Save the original (whole) set of positions such that later the
2895          * molecule can always be made whole again */
2896         snew(erg->xc_old    , rotg->nat);
2897         if (MASTER(cr))
2898         {
2899             for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2900             {
2901                 ii = rotg->ind[i];
2902                 copy_rvec(x[ii], erg->xc_old[i]);
2903             }
2904         }
2905 #ifdef GMX_MPI
2906         if (PAR(cr))
2907             gmx_bcast(rotg->nat*sizeof(erg->xc_old[0]),erg->xc_old, cr);
2908 #endif
2909
2910         if (rotg->eFittype == erotgFitNORM)
2911         {
2912             snew(erg->xc_ref_length, rotg->nat); /* in case fit type NORM is chosen */
2913             snew(erg->xc_norm      , rotg->nat);
2914         }
2915     }
2916     else
2917     {
2918         snew(erg->xr_loc   , rotg->nat);
2919         snew(erg->x_loc_pbc, rotg->nat);
2920     }
2921
2922     snew(erg->f_rot_loc , rotg->nat);
2923     snew(erg->xc_ref_ind, rotg->nat);
2924
2925     /* xc_ref_ind needs to be set to identity in the serial case */
2926     if (!PAR(cr))
2927         for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2928             erg->xc_ref_ind[i] = i;
2929
2930     /* Copy the masses so that the COM can be determined. For all types of
2931      * enforced rotation, we store the masses in the erg->mc array. */
2932     snew(erg->mc, rotg->nat);
2933     if (bFlex)
2934         snew(erg->mc_sorted, rotg->nat);
2935     if (!bColl)
2936         snew(erg->m_loc, rotg->nat);
2937     totalmass=0.0;
2938     for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2939     {
2940         if (rotg->bMassW)
2941         {
2942             gmx_mtop_atomnr_to_atom(mtop,rotg->ind[i],&atom);
2943             mass=atom->m;
2944         }
2945         else
2946         {
2947             mass=1.0;
2948         }
2949         erg->mc[i] = mass;
2950         totalmass += mass;
2951     }
2952     erg->invmass = 1.0/totalmass;
2953
2954     /* Set xc_ref_center for any rotation potential */
2955     if ((rotg->eType==erotgISO) || (rotg->eType==erotgPM) || (rotg->eType==erotgRM) || (rotg->eType==erotgRM2))
2956     {
2957         /* Set the pivot point for the fixed, stationary-axis potentials. This
2958          * won't change during the simulation */
2959         copy_rvec(rotg->pivot, erg->xc_ref_center);
2960         copy_rvec(rotg->pivot, erg->xc_center    );
2961     }
2962     else
2963     {
2964         /* Center of the reference positions */
2965         get_center(rotg->x_ref, erg->mc, rotg->nat, erg->xc_ref_center);
2966
2967         /* Center of the actual positions */
2968         if (MASTER(cr))
2969         {
2970             snew(xdum, rotg->nat);
2971             for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2972             {
2973                 ii = rotg->ind[i];
2974                 copy_rvec(x[ii], xdum[i]);
2975             }
2976             get_center(xdum, erg->mc, rotg->nat, erg->xc_center);
2977             sfree(xdum);
2978         }
2979 #ifdef GMX_MPI
2980         if (PAR(cr))
2981             gmx_bcast(sizeof(erg->xc_center), erg->xc_center, cr);
2982 #endif
2983     }
2984
2985     if ( (rotg->eType != erotgFLEX) && (rotg->eType != erotgFLEX2) )
2986     {
2987         /* Put the reference positions into origin: */
2988         for (i=0; i<rotg->nat; i++)
2989             rvec_dec(rotg->x_ref[i], erg->xc_ref_center);
2990     }
2991
2992     /* Enforced rotation with flexible axis */
2993     if (bFlex)
2994     {
2995         /* Calculate maximum beta value from minimum gaussian (performance opt.) */
2996         erg->max_beta = calc_beta_max(rotg->min_gaussian, rotg->slab_dist);
2997
2998         /* Determine the smallest and largest coordinate with respect to the rotation vector */
2999         get_firstlast_atom_ref(rotg, &ref_firstindex, &ref_lastindex);
3000
3001         /* From the extreme coordinates of the reference group, determine the first
3002          * and last slab of the reference. */
3003         get_firstlast_slab_ref(rotg, erg->mc, ref_firstindex, ref_lastindex);
3004
3005         /* Allocate memory for the slabs */
3006         allocate_slabs(rotg, fplog, g, bVerbose, cr);
3007
3008         /* Flexible rotation: determine the reference centers for the rest of the simulation */
3009         erg->slab_first = erg->slab_first_ref;
3010         erg->slab_last = erg->slab_last_ref;
3011         get_slab_centers(rotg,rotg->x_ref,erg->mc,cr,g,-1,out_slabs,TRUE,TRUE);
3012
3013         /* Length of each x_rotref vector from center (needed if fit routine NORM is chosen): */
3014         if (rotg->eFittype == erotgFitNORM)
3015         {
3016             for (i=0; i<rotg->nat; i++)
3017             {
3018                 rvec_sub(rotg->x_ref[i], erg->xc_ref_center, coord);
3019                 erg->xc_ref_length[i] = norm(coord);
3020             }
3021         }
3022     }
3023 }
3024
3025
3026 extern void dd_make_local_rotation_groups(gmx_domdec_t *dd,t_rot *rot)
3027 {
3028     gmx_ga2la_t ga2la;
3029     int g;
3030     t_rotgrp *rotg;
3031     gmx_enfrotgrp_t erg;      /* Pointer to enforced rotation group data */
3032
3033     ga2la = dd->ga2la;
3034
3035     for(g=0; g<rot->ngrp; g++)
3036     {
3037         rotg = &rot->grp[g];
3038         erg  = rotg->enfrotgrp;
3039
3040
3041         dd_make_local_group_indices(ga2la,rotg->nat,rotg->ind,
3042                 &erg->nat_loc,&erg->ind_loc,&erg->nalloc_loc,erg->xc_ref_ind);
3043     }
3044 }
3045
3046
3047 extern void init_rot(FILE *fplog,t_inputrec *ir,int nfile,const t_filenm fnm[],
3048         t_commrec *cr, rvec *x, matrix box, gmx_mtop_t *mtop, const output_env_t oenv,
3049         gmx_bool bVerbose, unsigned long Flags)
3050 {
3051     t_rot    *rot;
3052     t_rotgrp *rotg;
3053     int      g;
3054     int      nat_max=0;     /* Size of biggest rotation group */
3055     gmx_enfrot_t er;        /* Pointer to the enforced rotation buffer variables */
3056     gmx_enfrotgrp_t erg;    /* Pointer to enforced rotation group data */
3057     rvec     *x_pbc=NULL;   /* Space for the pbc-correct atom positions */
3058     gmx_bool bHaveFlexGroups = FALSE;
3059
3060
3061     if ( (PAR(cr)) && !DOMAINDECOMP(cr) )
3062         gmx_fatal(FARGS, "Enforced rotation is only implemented for domain decomposition!");
3063
3064     if ( MASTER(cr) && bVerbose)
3065         fprintf(stdout, "%s Initializing ...\n", RotStr);
3066
3067
3068     rot = ir->rot;
3069     snew(rot->enfrot, 1);
3070     er=rot->enfrot;
3071
3072     /* Output every step for reruns */
3073     if (Flags & MD_RERUN)
3074     {
3075         if (fplog)
3076             fprintf(fplog, "%s rerun - will write rotation output every available step.\n", RotStr);
3077         rot->nstrout = 1;
3078         rot->nstsout = 1;
3079     }
3080
3081     er->out_slabs = NULL;
3082     if (MASTER(cr))
3083         er->out_slabs = open_slab_out(rot, opt2fn("-rs",nfile,fnm));
3084
3085     if (MASTER(cr))
3086     {
3087         /* Remove pbc, make molecule whole.
3088          * When ir->bContinuation=TRUE this has already been done, but ok. */
3089         snew(x_pbc,mtop->natoms);
3090         m_rveccopy(mtop->natoms,x,x_pbc);
3091         do_pbc_first_mtop(NULL,ir->ePBC,box,mtop,x_pbc);
3092     }
3093
3094     for (g=0; g<rot->ngrp; g++)
3095     {
3096         rotg = &rot->grp[g];
3097         if (ISFLEX(rotg))
3098             bHaveFlexGroups = TRUE;
3099
3100         if (fplog)
3101             fprintf(fplog,"%s group %d type '%s'\n", RotStr, g, erotg_names[rotg->eType]);
3102
3103         if (rotg->nat > 0)
3104         {
3105             /* Allocate space for the rotation group's data: */
3106             snew(rotg->enfrotgrp, 1);
3107             erg  = rotg->enfrotgrp;
3108
3109             nat_max=max(nat_max, rotg->nat);
3110
3111             if (PAR(cr))
3112             {
3113                 erg->nat_loc    = 0;
3114                 erg->nalloc_loc = 0;
3115                 erg->ind_loc    = NULL;
3116             }
3117             else
3118             {
3119                 erg->nat_loc = rotg->nat;
3120                 erg->ind_loc = rotg->ind;
3121             }
3122             init_rot_group(fplog,cr,g,rotg,x_pbc,mtop,bVerbose,er->out_slabs);
3123         }
3124     }
3125
3126     /* Allocate space for enforced rotation buffer variables */
3127     er->bufsize = nat_max;
3128     snew(er->data, nat_max);
3129     snew(er->xbuf, nat_max);
3130     snew(er->mbuf, nat_max);
3131
3132     /* Buffers for MPI reducing torques, angles, weights (for each group), and V */
3133     er->mpi_bufsize = 4*rot->ngrp; /* To start with */
3134     snew(er->mpi_inbuf , er->mpi_bufsize);
3135     snew(er->mpi_outbuf, er->mpi_bufsize);
3136
3137     /* Only do I/O on the MASTER */
3138     er->out_angles  = NULL;
3139     er->out_rot     = NULL;
3140     er->out_torque  = NULL;
3141     if (MASTER(cr))
3142     {
3143         er->out_rot = open_rot_out(opt2fn("-ro",nfile,fnm), rot, oenv, Flags);
3144         if (bHaveFlexGroups)
3145         {
3146             if (rot->nstrout > 0)
3147                 er->out_angles  = open_angles_out(rot, opt2fn("-ra",nfile,fnm));
3148             if (rot->nstsout > 0)
3149                 er->out_torque  = open_torque_out(rot, opt2fn("-rt",nfile,fnm));
3150         }
3151         sfree(x_pbc);
3152     }
3153 }
3154
3155
3156 extern void finish_rot(FILE *fplog,t_rot *rot)
3157 {
3158     gmx_enfrot_t er;        /* Pointer to the enforced rotation buffer variables */
3159
3160
3161     er=rot->enfrot;
3162     if (er->out_rot)
3163         gmx_fio_fclose(er->out_rot);
3164     if (er->out_slabs)
3165         gmx_fio_fclose(er->out_slabs);
3166     if (er->out_angles)
3167         gmx_fio_fclose(er->out_angles);
3168     if (er->out_torque)
3169         gmx_fio_fclose(er->out_torque);
3170 }
3171
3172
3173 /* Rotate the local reference positions and store them in
3174  * erg->xr_loc[0...(nat_loc-1)]
3175  *
3176  * Note that we already subtracted u or y_c from the reference positions
3177  * in init_rot_group().
3178  */
3179 static void rotate_local_reference(t_rotgrp *rotg)
3180 {
3181     gmx_enfrotgrp_t erg;
3182     int i,ii;
3183
3184
3185     erg=rotg->enfrotgrp;
3186
3187     for (i=0; i<erg->nat_loc; i++)
3188     {
3189         /* Index of this rotation group atom with respect to the whole rotation group */
3190         ii = erg->xc_ref_ind[i];
3191         /* Rotate */
3192         mvmul(erg->rotmat, rotg->x_ref[ii], erg->xr_loc[i]);
3193     }
3194 }
3195
3196
3197 /* Select the PBC representation for each local x position and store that
3198  * for later usage. We assume the right PBC image of an x is the one nearest to
3199  * its rotated reference */
3200 static void choose_pbc_image(rvec x[], t_rotgrp *rotg, matrix box, int npbcdim)
3201 {
3202     int d,i,ii,m;
3203     gmx_enfrotgrp_t erg;       /* Pointer to enforced rotation group data */
3204     rvec xref,xcurr,dx;
3205     ivec shift;
3206
3207
3208     erg=rotg->enfrotgrp;
3209
3210     for (i=0; i<erg->nat_loc; i++)
3211     {
3212         clear_ivec(shift);
3213
3214         /* Index of a rotation group atom  */
3215         ii = erg->ind_loc[i];
3216
3217         /* Get the reference position. The pivot (or COM or COG) was already
3218          * subtracted in init_rot_group() from the reference positions. Also,
3219          * the reference positions have already been rotated in
3220          * rotate_local_reference() */
3221         copy_rvec(erg->xr_loc[i], xref);
3222
3223         /* Subtract the (old) center from the current positions
3224          * (just to determine the shifts!) */
3225         rvec_sub(x[ii], erg->xc_center, xcurr);
3226
3227         /* Shortest PBC distance between the atom and its reference */
3228         rvec_sub(xcurr, xref, dx);
3229
3230         /* Determine the shift for this atom */
3231         for(m=npbcdim-1; m>=0; m--)
3232         {
3233             while (dx[m] < -0.5*box[m][m])
3234             {
3235                 for(d=0; d<DIM; d++)
3236                     dx[d] += box[m][d];
3237                 shift[m]++;
3238             }
3239             while (dx[m] >= 0.5*box[m][m])
3240             {
3241                 for(d=0; d<DIM; d++)
3242                     dx[d] -= box[m][d];
3243                 shift[m]--;
3244             }
3245         }
3246
3247         /* Apply the shift to the current atom */
3248         copy_rvec(x[ii], erg->x_loc_pbc[i]);
3249         shift_single_coord(box, erg->x_loc_pbc[i], shift);
3250     }
3251 }
3252
3253
3254 extern void do_rotation(
3255         t_commrec *cr,
3256         t_inputrec *ir,
3257         matrix box,
3258         rvec x[],
3259         real t,
3260         gmx_large_int_t step,
3261         gmx_wallcycle_t wcycle,
3262         gmx_bool bNS)
3263 {
3264     int      g,i,ii;
3265     t_rot    *rot;
3266     t_rotgrp *rotg;
3267     gmx_bool outstep_slab, outstep_rot;
3268     gmx_bool bFlex,bColl;
3269     float    cycles_rot;
3270     gmx_enfrot_t er;     /* Pointer to the enforced rotation buffer variables */
3271     gmx_enfrotgrp_t erg; /* Pointer to enforced rotation group data           */
3272     rvec     transvec;
3273 #ifdef TAKETIME
3274     double t0;
3275 #endif
3276
3277
3278     rot=ir->rot;
3279     er=rot->enfrot;
3280
3281     /* When to output in main rotation output file */
3282     outstep_rot  = do_per_step(step, rot->nstrout);
3283     /* When to output per-slab data */
3284     outstep_slab = do_per_step(step, rot->nstsout);
3285
3286     /* Output time into rotation output file */
3287     if (outstep_rot && MASTER(cr))
3288         fprintf(er->out_rot, "%12.3e",t);
3289
3290     /**************************************************************************/
3291     /* First do ALL the communication! */
3292     for(g=0; g<rot->ngrp; g++)
3293     {
3294         rotg = &rot->grp[g];
3295         erg=rotg->enfrotgrp;
3296
3297         /* Do we have a flexible axis? */
3298         bFlex = ISFLEX(rotg);
3299         /* Do we use a collective (global) set of coordinates? */
3300         bColl = ISCOLL(rotg);
3301
3302         /* Calculate the rotation matrix for this angle: */
3303         erg->degangle = rotg->rate * t;
3304         calc_rotmat(rotg->vec,erg->degangle,erg->rotmat);
3305
3306         if (bColl)
3307         {
3308             /* Transfer the rotation group's positions such that every node has
3309              * all of them. Every node contributes its local positions x and stores
3310              * it in the collective erg->xc array. */
3311             communicate_group_positions(cr,erg->xc, erg->xc_shifts, erg->xc_eshifts, bNS,
3312                     x, rotg->nat, erg->nat_loc, erg->ind_loc, erg->xc_ref_ind, erg->xc_old, box);
3313         }
3314         else
3315         {
3316             /* Fill the local masses array;
3317              * this array changes in DD/neighborsearching steps */
3318             if (bNS)
3319             {
3320                 for (i=0; i<erg->nat_loc; i++)
3321                 {
3322                     /* Index of local atom w.r.t. the collective rotation group */
3323                     ii = erg->xc_ref_ind[i];
3324                     erg->m_loc[i] = erg->mc[ii];
3325                 }
3326             }
3327
3328             /* Calculate Omega*(y_i-y_c) for the local positions */
3329             rotate_local_reference(rotg);
3330
3331             /* Choose the nearest PBC images of the group atoms with respect
3332              * to the rotated reference positions */
3333             choose_pbc_image(x, rotg, box, 3);
3334
3335             /* Get the center of the rotation group */
3336             if ( (rotg->eType==erotgISOPF) || (rotg->eType==erotgPMPF) )
3337                 get_center_comm(cr, erg->x_loc_pbc, erg->m_loc, erg->nat_loc, rotg->nat, erg->xc_center);
3338         }
3339
3340     } /* End of loop over rotation groups */
3341
3342     /**************************************************************************/
3343     /* Done communicating, we can start to count cycles now ... */
3344     wallcycle_start(wcycle, ewcROT);
3345     GMX_MPE_LOG(ev_rotcycles_start);
3346
3347 #ifdef TAKETIME
3348     t0 = MPI_Wtime();
3349 #endif
3350
3351     for(g=0; g<rot->ngrp; g++)
3352     {
3353         rotg = &rot->grp[g];
3354         erg=rotg->enfrotgrp;
3355
3356         bFlex = ISFLEX(rotg);
3357         bColl = ISCOLL(rotg);
3358
3359         if (outstep_rot && MASTER(cr))
3360             fprintf(er->out_rot, "%12.4f", erg->degangle);
3361
3362         /* Clear values from last time step */
3363         erg->V        = 0.0;
3364         erg->torque_v = 0.0;
3365         erg->angle_v  = 0.0;
3366         erg->weight_v = 0.0;
3367
3368         switch(rotg->eType)
3369         {
3370             case erotgISO:
3371             case erotgISOPF:
3372             case erotgPM:
3373             case erotgPMPF:
3374                 do_fixed(cr,rotg,x,box,t,step,outstep_rot);
3375                 break;
3376             case erotgRM:
3377                 do_radial_motion(cr,rotg,x,box,t,step,outstep_rot);
3378                 break;
3379             case erotgRMPF:
3380                 do_radial_motion_pf(cr,rotg,x,box,t,step,outstep_rot);
3381                 break;
3382             case erotgRM2:
3383             case erotgRM2PF:
3384                 do_radial_motion2(cr,rotg,x,box,t,step,outstep_rot);
3385                 break;
3386             case erotgFLEXT:
3387             case erotgFLEX2T:
3388                 /* Subtract the center of the rotation group from the collective positions array
3389                  * Also store the center in erg->xc_center since it needs to be subtracted
3390                  * in the low level routines from the local coordinates as well */
3391                 get_center(erg->xc, erg->mc, rotg->nat, erg->xc_center);
3392                 svmul(-1.0, erg->xc_center, transvec);
3393                 translate_x(erg->xc, rotg->nat, transvec);
3394                 do_flexible(cr,er,rotg,g,x,box,t,step,outstep_rot,outstep_slab);
3395                 break;
3396             case erotgFLEX:
3397             case erotgFLEX2:
3398                 /* Do NOT subtract the center of mass in the low level routines! */
3399                 clear_rvec(erg->xc_center);
3400                 do_flexible(cr,er,rotg,g,x,box,t,step,outstep_rot,outstep_slab);
3401                 break;
3402             default:
3403                 gmx_fatal(FARGS, "No such rotation potential.");
3404                 break;
3405         }
3406     }
3407
3408 #ifdef TAKETIME
3409     if (MASTER(cr))
3410         fprintf(stderr, "%s calculation (step %d) took %g seconds.\n", RotStr, step, MPI_Wtime()-t0);
3411 #endif
3412
3413     /* Stop the cycle counter and add to the force cycles for load balancing */
3414     cycles_rot = wallcycle_stop(wcycle,ewcROT);
3415     if (DOMAINDECOMP(cr) && wcycle)
3416         dd_cycles_add(cr->dd,cycles_rot,ddCyclF);
3417     GMX_MPE_LOG(ev_rotcycles_finish);
3418 }