src/tools/addconf.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  *                        VERSION 3.2.0
  10  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  11  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  12  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team,
  13  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  14
  15  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  16  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  17  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  18  * of the License, or (at your option) any later version.
  19  *
  20  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  21  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  22  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  23  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  24  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  25  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  26  *
  27  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  28  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  29  *
  30  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  31  *
  32  * And Hey:
  33  * Green Red Orange Magenta Azure Cyan Skyblue
  34  */
  35 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  36 #include <config.h>
  37 #endif
  38
  39 #include <stdlib.h>
  40 #include <string.h>
  41 #include "vec.h"
  42 #include "macros.h"
  43 #include "smalloc.h"
  44 #include "addconf.h"
  45 #include "force.h"
  46 #include "gstat.h"
  47 #include "names.h"
  48 #include "nsgrid.h"
  49 #include "mdatoms.h"
  50 #include "nrnb.h"
  51 #include "ns.h"
  52 #include "mtop_util.h"
  53 #include "chargegroup.h"
  54
  55 static real box_margin;
  56
  57 static real max_dist(rvec *x, real *r, int start, int end)
  58 {
  59   real maxd;
  60   int i,j;
  61
  62   maxd=0;
  63   for(i=start; i<end; i++)
  64     for(j=i+1; j<end; j++)
  65       maxd=max(maxd,sqrt(distance2(x[i],x[j]))+0.5*(r[i]+r[j]));
  66
  67   return 0.5*maxd;
  68 }
  69
  70 static gmx_bool outside_box_minus_margin2(rvec x,matrix box)
  71 {
  72   return ( (x[XX]<2*box_margin) || (x[XX]>box[XX][XX]-2*box_margin) ||
  73            (x[YY]<2*box_margin) || (x[YY]>box[YY][YY]-2*box_margin) ||
  74            (x[ZZ]<2*box_margin) || (x[ZZ]>box[ZZ][ZZ]-2*box_margin) );
  75 }
  76
  77 static gmx_bool outside_box_plus_margin(rvec x,matrix box)
  78 {
  79   return ( (x[XX]<-box_margin) || (x[XX]>box[XX][XX]+box_margin) ||
  80            (x[YY]<-box_margin) || (x[YY]>box[YY][YY]+box_margin) ||
  81            (x[ZZ]<-box_margin) || (x[ZZ]>box[ZZ][ZZ]+box_margin) );
  82 }
  83
  84 static int mark_res(int at, gmx_bool *mark, int natoms, t_atom *atom,int *nmark)
  85 {
  86   int resind;
  87
  88   resind = atom[at].resind;
  89   while( (at > 0) && (resind==atom[at-1].resind) )
  90     at--;
  91   while( (at < natoms) && (resind==atom[at].resind) ) {
  92     if (!mark[at]) {
  93       mark[at]=TRUE;
  94       (*nmark)++;
  95     }
  96     at++;
  97   }
  98
  99   return at;
 100 }
 101
 102 static real find_max_real(int n,real radius[])
 103 {
 104   int  i;
 105   real rmax;
 106
 107   rmax = 0;
 108   if (n > 0) {
 109     rmax = radius[0];
 110     for(i=1; (i<n); i++)
 111       rmax = max(rmax,radius[i]);
 112   }
 113   return rmax;
 114 }
 115
 116 static void combine_atoms(t_atoms *ap,t_atoms *as,
 117                           rvec xp[],rvec *vp,rvec xs[],rvec *vs,
 118                           t_atoms **a_comb,rvec **x_comb,rvec **v_comb)
 119 {
 120   t_atoms *ac;
 121   rvec    *xc,*vc=NULL;
 122   int     i,j,natot,res0;
 123
 124   /* Total number of atoms */
 125   natot = ap->nr+as->nr;
 126
 127   snew(ac,1);
 128   init_t_atoms(ac,natot,FALSE);
 129
 130   snew(xc,natot);
 131   if (vp && vs) snew(vc,natot);
 132
 133   /* Fill the new structures */
 134   for(i=j=0; (i<ap->nr); i++,j++) {
 135     copy_rvec(xp[i],xc[j]);
 136     if (vc) copy_rvec(vp[i],vc[j]);
 137     memcpy(&(ac->atom[j]),&(ap->atom[i]),sizeof(ap->atom[i]));
 138     ac->atom[j].type = 0;
 139   }
 140   res0 = ap->nres;
 141   for(i=0; (i<as->nr); i++,j++) {
 142     copy_rvec(xs[i],xc[j]);
 143     if (vc) copy_rvec(vs[i],vc[j]);
 144     memcpy(&(ac->atom[j]),&(as->atom[i]),sizeof(as->atom[i]));
 145     ac->atom[j].type    = 0;
 146     ac->atom[j].resind += res0;
 147   }
 148   ac->nr   = j;
 149   ac->nres = ac->atom[j-1].resind+1;
 150   /* Fill all elements to prevent uninitialized memory */
 151   for(i=0; i<ac->nr; i++) {
 152     ac->atom[i].m     = 1;
 153     ac->atom[i].q     = 0;
 154     ac->atom[i].mB    = 1;
 155     ac->atom[i].qB    = 0;
 156     ac->atom[i].type  = 0;
 157     ac->atom[i].typeB = 0;
 158     ac->atom[i].ptype = eptAtom;
 159   }
 160
 161   /* Return values */
 162   *a_comb = ac;
 163   *x_comb = xc;
 164   *v_comb = vc;
 165 }
 166
 167 static t_forcerec *fr=NULL;
 168
 169 void do_nsgrid(FILE *fp,gmx_bool bVerbose,
 170                matrix box,rvec x[],t_atoms *atoms,real rlong,
 171                const output_env_t oenv)
 172 {
 173   gmx_mtop_t *mtop;
 174   gmx_localtop_t *top;
 175   t_mdatoms  *md;
 176   t_block    *cgs;
 177   t_inputrec *ir;
 178   t_nrnb     nrnb;
 179   t_commrec  *cr;
 180   int        *cg_index;
 181   gmx_moltype_t *molt;
 182   gmx_ffparams_t *ffp;
 183   ivec       *nFreeze;
 184   int        i,m,natoms;
 185   rvec       box_size;
 186   real       *lambda,*dvdl;
 187
 188   natoms = atoms->nr;
 189
 190   /* Charge group index */
 191   snew(cg_index,natoms);
 192   for(i=0; (i<natoms); i++)
 193     cg_index[i]=i;
 194
 195   /* Topology needs charge groups and exclusions */
 196   snew(mtop,1);
 197   init_mtop(mtop);
 198   mtop->natoms = natoms;
 199   /* Make one moltype that contains the whol system */
 200   mtop->nmoltype = 1;
 201   snew(mtop->moltype,mtop->nmoltype);
 202   molt = &mtop->moltype[0];
 203   molt->name  = mtop->name;
 204   molt->atoms = *atoms;
 205   stupid_fill_block(&molt->cgs,mtop->natoms,FALSE);
 206   stupid_fill_blocka(&molt->excls,natoms);
 207   /* Make one molblock for the whole system */
 208   mtop->nmolblock = 1;
 209   snew(mtop->molblock,mtop->nmolblock);
 210   mtop->molblock[0].type = 0;
 211   mtop->molblock[0].nmol = 1;
 212   mtop->molblock[0].natoms_mol = natoms;
 213   /* Initialize a single energy group */
 214   mtop->groups.grps[egcENER].nr = 1;
 215   mtop->groups.ngrpnr[egcENER]  = 0;
 216   mtop->groups.grpnr[egcENER]   = NULL;
 217
 218   ffp = &mtop->ffparams;
 219
 220   ffp->ntypes = 1;
 221   ffp->atnr   = 1;
 222   ffp->reppow = 12;
 223   snew(ffp->functype,1);
 224   snew(ffp->iparams,1);
 225   ffp->iparams[0].lj.c6  = 1;
 226   ffp->iparams[0].lj.c12 = 1;
 227
 228   /* inputrec structure */
 229   snew(ir,1);
 230   ir->coulombtype = eelCUT;
 231   ir->vdwtype     = evdwCUT;
 232   ir->ndelta      = 2;
 233   ir->ns_type     = ensGRID;
 234   snew(ir->opts.egp_flags,1);
 235
 236   top = gmx_mtop_generate_local_top(mtop,ir);
 237
 238   /* Some nasty shortcuts */
 239   cgs  = &(top->cgs);
 240
 241     /* mdatoms structure */
 242   snew(nFreeze,2);
 243   snew(md,1);
 244   md = init_mdatoms(fp,mtop,FALSE);
 245   atoms2md(mtop,ir,0,NULL,0,mtop->natoms,md);
 246   sfree(nFreeze);
 247
 248   /* forcerec structure */
 249   if (fr == NULL)
 250     fr = mk_forcerec();
 251   snew(cr,1);
 252   cr->nnodes   = 1;
 253   /* cr->nthreads = 1; */
 254
 255   /*    ir->rlist       = ir->rcoulomb = ir->rvdw = rlong;
 256         printf("Neighborsearching with a cut-off of %g\n",rlong);
 257         init_forcerec(stdout,fr,ir,top,cr,md,box,FALSE,NULL,NULL,NULL,TRUE);*/
 258   fr->cg0 = 0;
 259   fr->hcg = top->cgs.nr;
 260   fr->nWatMol = 0;
 261
 262   /* Prepare for neighboursearching */
 263   init_nrnb(&nrnb);
 264
 265   /* Init things dependent on parameters */
 266   ir->rlistlong = ir->rlist = ir->rcoulomb = ir->rvdw = rlong;
 267   /* create free energy data to avoid NULLs */
 268   snew(ir->fepvals,1);
 269   printf("Neighborsearching with a cut-off of %g\n",rlong);
 270   init_forcerec(stdout,oenv,fr,NULL,ir,mtop,cr,box,FALSE,
 271                 NULL,NULL,NULL,NULL,NULL,TRUE,-1);
 272   if (debug)
 273     pr_forcerec(debug,fr,cr);
 274
 275   /* Calculate new stuff dependent on coords and box */
 276   for(m=0; (m<DIM); m++)
 277     box_size[m] = box[m][m];
 278   calc_shifts(box,fr->shift_vec);
 279   put_charge_groups_in_box(fp,0,cgs->nr,fr->ePBC,box,cgs,x,fr->cg_cm);
 280
 281   /* Do the actual neighboursearching */
 282   snew(lambda,efptNR);
 283   snew(dvdl,efptNR);
 284   init_neighbor_list(fp,fr,md->homenr);
 285   search_neighbours(fp,fr,x,box,top,
 286                     &mtop->groups,cr,&nrnb,md,lambda,dvdl,NULL,TRUE,FALSE,FALSE);
 287
 288   if (debug)
 289     dump_nblist(debug,cr,fr,0);
 290
 291   if (bVerbose)
 292     fprintf(stderr,"Successfully made neighbourlist\n");
 293 }
 294
 295 gmx_bool bXor(gmx_bool b1,gmx_bool b2)
 296 {
 297   return (b1 && !b2) || (b2 && !b1);
 298 }
 299
 300 void add_conf(t_atoms *atoms, rvec **x, rvec **v, real **r, gmx_bool bSrenew,
 301               int ePBC, matrix box, gmx_bool bInsert,
 302               t_atoms *atoms_solvt,rvec *x_solvt,rvec *v_solvt,real *r_solvt,
 303               gmx_bool bVerbose,real rshell,int max_sol, const output_env_t oenv)
 304 {
 305   t_nblist   *nlist;
 306   t_atoms    *atoms_all;
 307   real       max_vdw,*r_prot,*r_all,n2,r2,ib1,ib2;
 308   int        natoms_prot,natoms_solvt;
 309   int        i,j,jj,m,j0,j1,jjj,jnres,jnr,inr,iprot,is1,is2;
 310   int        prev,resnr,nresadd,d,k,ncells,maxincell;
 311   int        dx0,dx1,dy0,dy1,dz0,dz1;
 312   int        ntest,nremove,nkeep;
 313   rvec       dx,xi,xj,xpp,*x_all,*v_all;
 314   gmx_bool       *remove,*keep;
 315   int        bSolSol;
 316
 317   natoms_prot  = atoms->nr;
 318   natoms_solvt = atoms_solvt->nr;
 319   if (natoms_solvt <= 0) {
 320     fprintf(stderr,"WARNING: Nothing to add\n");
 321     return;
 322   }
 323
 324   if (ePBC == epbcSCREW)
 325     gmx_fatal(FARGS,"Sorry, %s pbc is not yet supported",epbc_names[ePBC]);
 326
 327   if (bVerbose)
 328     fprintf(stderr,"Calculating Overlap...\n");
 329
 330   /* Set margin around box edges to largest solvent dimension.
 331    * The maximum distance between atoms in a solvent molecule should
 332    * be calculated. At the moment a fudge factor of 3 is used.
 333    */
 334   r_prot     = *r;
 335   box_margin = 3*find_max_real(natoms_solvt,r_solvt);
 336   max_vdw    = max(3*find_max_real(natoms_prot,r_prot),box_margin);
 337   fprintf(stderr,"box_margin = %g\n",box_margin);
 338
 339   snew(remove,natoms_solvt);
 340
 341   nremove = 0;
 342   if (!bInsert) {
 343     for(i=0; i<atoms_solvt->nr; i++)
 344       if ( outside_box_plus_margin(x_solvt[i],box) )
 345         i=mark_res(i,remove,atoms_solvt->nr,atoms_solvt->atom,&nremove);
 346     fprintf(stderr,"Removed %d atoms that were outside the box\n",nremove);
 347   }
 348
 349   /* Define grid stuff for genbox */
 350   /* Largest VDW radius */
 351   snew(r_all,natoms_prot+natoms_solvt);
 352   for(i=j=0; i<natoms_prot; i++,j++)
 353     r_all[j]=r_prot[i];
 354   for(i=0; i<natoms_solvt; i++,j++)
 355     r_all[j]=r_solvt[i];
 356
 357   /* Combine arrays */
 358   combine_atoms(atoms,atoms_solvt,*x,v?*v:NULL,x_solvt,v_solvt,
 359                 &atoms_all,&x_all,&v_all);
 360
 361   /* Do neighboursearching step */
 362   do_nsgrid(stdout,bVerbose,box,x_all,atoms_all,max_vdw,oenv);
 363
 364   /* check solvent with solute */
 365   nlist = &(fr->nblists[0].nlist_sr[eNL_VDW]);
 366   fprintf(stderr,"nri = %d, nrj = %d\n",nlist->nri,nlist->nrj);
 367   for(bSolSol=0; (bSolSol<=(bInsert ? 0 : 1)); bSolSol++) {
 368     ntest = nremove = 0;
 369     fprintf(stderr,"Checking %s-Solvent overlap:",
 370             bSolSol ? "Solvent" : "Protein");
 371     for(i=0; (i<nlist->nri && nremove<natoms_solvt); i++) {
 372       inr = nlist->iinr[i];
 373       j0  = nlist->jindex[i];
 374       j1  = nlist->jindex[i+1];
 375       rvec_add(x_all[inr],fr->shift_vec[nlist->shift[i]],xi);
 376
 377       for(j=j0; (j<j1 && nremove<natoms_solvt); j++) {
 378         jnr = nlist->jjnr[j];
 379         copy_rvec(x_all[jnr],xj);
 380
 381         /* Check solvent-protein and solvent-solvent */
 382         is1 = inr-natoms_prot;
 383         is2 = jnr-natoms_prot;
 384
 385         /* Check if at least one of the atoms is a solvent that is not yet
 386          * listed for removal, and if both are solvent, that they are not in the
 387          * same residue.
 388          */
 389         if ((!bSolSol &&
 390              bXor((is1 >= 0),(is2 >= 0)) &&  /* One atom is protein */
 391              ((is1 < 0) || ((is1 >= 0) && !remove[is1])) &&
 392              ((is2 < 0) || ((is2 >= 0) && !remove[is2]))) ||
 393
 394             (bSolSol  &&
 395              (is1 >= 0) && (!remove[is1]) &&   /* is1 is solvent */
 396              (is2 >= 0) && (!remove[is2]) &&   /* is2 is solvent */
 397              (bInsert || /* when inserting also check inside the box */
 398               (outside_box_minus_margin2(x_solvt[is1],box) && /* is1 on edge */
 399                outside_box_minus_margin2(x_solvt[is2],box))   /* is2 on edge */
 400               ) &&
 401              (atoms_solvt->atom[is1].resind !=  /* Not the same residue */
 402               atoms_solvt->atom[is2].resind))) {
 403
 404           ntest++;
 405           rvec_sub(xi,xj,dx);
 406           n2 = norm2(dx);
 407           r2 = sqr(r_all[inr]+r_all[jnr]);
 408           if (n2 < r2) {
 409             if (bInsert) {
 410               nremove = natoms_solvt;
 411               for(k=0; k<nremove; k++) {
 412                 remove[k] = TRUE;
 413               }
 414             }
 415             /* Need only remove one of the solvents... */
 416             if (is2 >= 0)
 417               (void) mark_res(is2,remove,natoms_solvt,atoms_solvt->atom,
 418                               &nremove);
 419             else if (is1 >= 0)
 420               (void) mark_res(is1,remove,natoms_solvt,atoms_solvt->atom,
 421                               &nremove);
 422             else
 423               fprintf(stderr,"Neither atom is solvent%d %d\n",is1,is2);
 424           }
 425         }
 426       }
 427     }
 428     if (!bInsert) {
 429       fprintf(stderr," tested %d pairs, removed %d atoms.\n",ntest,nremove);
 430     }
 431   }
 432   if (debug)
 433     for(i=0; i<natoms_solvt; i++)
 434       fprintf(debug,"remove[%5d] = %s\n",i,bool_names[remove[i]]);
 435
 436   /* Search again, now with another cut-off */
 437   if (rshell > 0) {
 438     do_nsgrid(stdout,bVerbose,box,x_all,atoms_all,rshell,oenv);
 439     nlist = &(fr->nblists[0].nlist_sr[eNL_VDW]);
 440     fprintf(stderr,"nri = %d, nrj = %d\n",nlist->nri,nlist->nrj);
 441     nkeep = 0;
 442     snew(keep,natoms_solvt);
 443     for(i=0; i<nlist->nri; i++) {
 444       inr = nlist->iinr[i];
 445       j0  = nlist->jindex[i];
 446       j1  = nlist->jindex[i+1];
 447
 448       for(j=j0; j<j1; j++) {
 449         jnr = nlist->jjnr[j];
 450
 451         /* Check solvent-protein and solvent-solvent */
 452         is1 = inr-natoms_prot;
 453         is2 = jnr-natoms_prot;
 454
 455         /* Check if at least one of the atoms is a solvent that is not yet
 456          * listed for removal, and if both are solvent, that they are not in the
 457          * same residue.
 458          */
 459         if (is1>=0 && is2<0)
 460           mark_res(is1,keep,natoms_solvt,atoms_solvt->atom,&nkeep);
 461         else if (is1<0 && is2>=0)
 462           mark_res(is2,keep,natoms_solvt,atoms_solvt->atom,&nkeep);
 463       }
 464     }
 465     fprintf(stderr,"Keeping %d solvent atoms after proximity check\n",
 466             nkeep);
 467     for (i=0; i<natoms_solvt; i++)
 468       remove[i] = remove[i] || !keep[i];
 469     sfree(keep);
 470   }
 471   /* count how many atoms and residues will be added and make space */
 472   if (bInsert) {
 473     j     = atoms_solvt->nr;
 474     jnres = atoms_solvt->nres;
 475   } else {
 476     j     = 0;
 477     jnres = 0;
 478     for (i=0; ((i<atoms_solvt->nr) &&
 479                ((max_sol == 0) || (jnres < max_sol))); i++) {
 480       if (!remove[i]) {
 481         j++;
 482         if ((i == 0) ||
 483             (atoms_solvt->atom[i].resind != atoms_solvt->atom[i-1].resind))
 484           jnres++;
 485       }
 486     }
 487   }
 488   if (debug)
 489     fprintf(debug,"Will add %d atoms in %d residues\n",j,jnres);
 490   if (!bInsert) {
 491     /* Flag the remaing solvent atoms to be removed */
 492     jjj = atoms_solvt->atom[i-1].resind;
 493     for ( ; (i<atoms_solvt->nr); i++) {
 494       if (atoms_solvt->atom[i].resind > jjj)
 495         remove[i] = TRUE;
 496       else
 497         j++;
 498     }
 499   }
 500
 501   if (bSrenew) {
 502     srenew(atoms->resinfo,  atoms->nres+jnres);
 503     srenew(atoms->atomname, atoms->nr+j);
 504     srenew(atoms->atom,     atoms->nr+j);
 505     srenew(*x,              atoms->nr+j);
 506     if (v) srenew(*v,       atoms->nr+j);
 507     srenew(*r,              atoms->nr+j);
 508   }
 509
 510   /* add the selected atoms_solvt to atoms */
 511   if (atoms->nr > 0) {
 512     resnr = atoms->resinfo[atoms->atom[atoms->nr-1].resind].nr;
 513   } else {
 514     resnr = 0;
 515   }
 516   prev = -1;
 517   nresadd = 0;
 518   for (i=0; i<atoms_solvt->nr; i++) {
 519     if (!remove[i]) {
 520       if (prev == -1 ||
 521           atoms_solvt->atom[i].resind != atoms_solvt->atom[prev].resind) {
 522         nresadd ++;
 523         atoms->nres++;
 524         resnr++;
 525         atoms->resinfo[atoms->nres-1] =
 526           atoms_solvt->resinfo[atoms_solvt->atom[i].resind];
 527         atoms->resinfo[atoms->nres-1].nr = resnr;
 528         /* calculate shift of the solvent molecule using the first atom */
 529         copy_rvec(x_solvt[i],dx);
 530         put_atoms_in_box(ePBC,box,1,&dx);
 531         rvec_dec(dx,x_solvt[i]);
 532       }
 533       atoms->atom[atoms->nr] = atoms_solvt->atom[i];
 534       atoms->atomname[atoms->nr] = atoms_solvt->atomname[i];
 535       rvec_add(x_solvt[i],dx,(*x)[atoms->nr]);
 536       if (v) copy_rvec(v_solvt[i],(*v)[atoms->nr]);
 537       (*r)[atoms->nr]   = r_solvt[i];
 538       atoms->atom[atoms->nr].resind = atoms->nres-1;
 539       atoms->nr++;
 540       prev=i;
 541     }
 542   }
 543   if (bSrenew)
 544     srenew(atoms->resinfo,  atoms->nres+nresadd);
 545
 546   if (bVerbose)
 547     fprintf(stderr,"Added %d molecules\n",nresadd);
 548
 549   sfree(remove);
 550   done_atom(atoms_all);
 551   sfree(x_all);
 552   sfree(v_all);
 553 }