aa95ade3eabf95d9178d445224e47620c1fce7f6
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / gmxana / gmx_make_edi.c
1 /*
2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
3  *
4  * Copyright (c) 2012,2013,2014,2015, by the GROMACS development team, led by
5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
8  *
9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
12  * of the License, or (at your option) any later version.
13  *
14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
17  * Lesser General Public License for more details.
18  *
19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
20  * License along with GROMACS; if not, see
21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
23  *
24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
25  * consider that scientific software is very special. Version
26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
30  * official version at http://www.gromacs.org.
31  *
32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
34  */
35 /* The make_edi program was generously contributed by Oliver Lange, based
36  * on the code from g_anaeig. You can reach him as olange@gwdg.de. He
37  * probably also holds copyright to the following code.
38  */
39 #include "gmxpre.h"
40
41 #include <ctype.h>
42 #include <math.h>
43 #include <stdlib.h>
44 #include <string.h>
45
46 #include "gromacs/commandline/pargs.h"
47 #include "gromacs/fileio/confio.h"
48 #include "gromacs/fileio/pdbio.h"
49 #include "gromacs/fileio/tpxio.h"
50 #include "gromacs/fileio/xvgr.h"
51 #include "gromacs/gmxana/eigio.h"
52 #include "gromacs/legacyheaders/macros.h"
53 #include "gromacs/legacyheaders/readinp.h"
54 #include "gromacs/legacyheaders/txtdump.h"
55 #include "gromacs/legacyheaders/typedefs.h"
56 #include "gromacs/math/vec.h"
57 #include "gromacs/topology/index.h"
58 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
59 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
60 #include "gromacs/utility/futil.h"
61 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
62
63 typedef struct
64 {
65     real        deltaF0;
66     gmx_bool    bHarmonic;
67     gmx_bool    bConstForce;   /* Do constant force flooding instead of
68                                   evaluating a flooding potential             */
69     real        tau;
70     real        deltaF;
71     real        kT;
72     real        constEfl;
73     real        alpha2;
74 } t_edflood;
75
76
77 /* This type is for the average, reference, target, and origin structure   */
78 typedef struct edix
79 {
80     int          nr;            /* number of atoms this structure contains */
81     int         *anrs;          /* atom index numbers                      */
82     rvec        *x;             /* positions                               */
83     real        *sqrtm;         /* sqrt of the masses used for mass-
84                                  * weighting of analysis                   */
85 } t_edix;
86
87
88 typedef struct edipar
89 {
90     int         nini;           /* total Nr of atoms                    */
91     gmx_bool    fitmas;         /* true if trans fit with cm            */
92     gmx_bool    pcamas;         /* true if mass-weighted PCA            */
93     int         presteps;       /* number of steps to run without any
94                                  *    perturbations ... just monitoring */
95     int         outfrq;         /* freq (in steps) of writing to edo    */
96     int         maxedsteps;     /* max nr of steps per cycle            */
97     struct edix sref;           /* reference positions, to these fitting
98                                  * will be done                         */
99     struct edix sav;            /* average positions                    */
100     struct edix star;           /* target positions                     */
101     struct edix sori;           /* origin positions                     */
102     real        slope;          /* minimal slope in acceptance radexp   */
103     int         ned;            /* Nr of atoms in essdyn buffer         */
104     t_edflood   flood;          /* parameters especially for flooding   */
105 } t_edipar;
106
107
108
109 void make_t_edx(struct edix *edx, int natoms, rvec *pos, atom_id index[])
110 {
111     edx->nr   = natoms;
112     edx->anrs = index;
113     edx->x    = pos;
114 }
115
116 void write_t_edx(FILE *fp, struct edix edx, const char *comment)
117 {
118     /*here we copy only the pointers into the t_edx struct
119        no data is copied and edx.box is ignored  */
120     int i;
121     fprintf(fp, "#%s \n %d \n", comment, edx.nr);
122     for (i = 0; i < edx.nr; i++)
123     {
124         fprintf(fp, "%d  %f  %f  %f\n", (edx.anrs)[i]+1, (edx.x)[i][XX], (edx.x)[i][YY], (edx.x)[i][ZZ]);
125     }
126 }
127
128 int sscan_list(int *list[], const char *str, const char *listname)
129 {
130     /*this routine scans a string of the form 1,3-6,9 and returns the
131        selected numbers (in this case 1 3 4 5 6 9) in NULL-terminated array of integers.
132        memory for this list will be allocated  in this routine -- sscan_list expects *list to
133        be a NULL-Pointer
134
135        listname is a string used in the errormessage*/
136
137
138     int   i, istep;
139     char  c;
140     char *pos, *startpos, *step;
141     int   n = strlen(str);
142
143     /*enums to define the different lexical stati */
144     enum {
145         sBefore, sNumber, sMinus, sRange, sZero, sSmaller, sError, sSteppedRange
146     };
147
148     int   status     = sBefore; /*status of the deterministic automat to scan str   */
149     int   number     = 0;
150     int   end_number = 0;
151
152     char *start = NULL; /*holds the string of the number behind a ','*/
153     char *end   = NULL; /*holds the string of the number behind a '-' */
154
155     int   nvecs = 0;    /* counts the number of vectors in the list*/
156
157     step = NULL;
158     snew(pos, n+4);
159     startpos = pos;
160     strcpy(pos, str);
161     pos[n]   = ',';
162     pos[n+1] = '1';
163     pos[n+2] = '\0';
164
165     *list = NULL;
166
167     while ((c = *pos) != 0)
168     {
169         switch (status)
170         {
171             /* expect a number */
172             case sBefore: if (isdigit(c))
173                 {
174                     start  = pos;
175                     status = sNumber;
176                     break;
177                 }
178                 else
179                 {
180                     status = sError;
181                 } break;
182
183             /* have read a number, expect ',' or '-' */
184             case sNumber: if (c == ',')
185                 {
186                     /*store number*/
187                     srenew(*list, nvecs+1);
188                     (*list)[nvecs++] = number = strtol(start, NULL, 10);
189                     status           = sBefore;
190                     if (number == 0)
191                     {
192                         status = sZero;
193                     }
194                     break;
195                 }
196                 else if (c == '-')
197                 {
198                     status = sMinus; break;
199                 }
200                 else if (isdigit(c))
201                 {
202                     break;
203                 }
204                 else
205                 {
206                     status = sError;
207                 } break;
208
209             /* have read a '-' -> expect a number */
210             case sMinus:
211                 if (isdigit(c))
212                 {
213                     end    = pos;
214                     status = sRange; break;
215                 }
216                 else
217                 {
218                     status = sError;
219                 } break;
220
221             case sSteppedRange:
222                 if (isdigit(c))
223                 {
224                     if (step)
225                     {
226                         status = sError; break;
227                     }
228                     else
229                     {
230                         step = pos;
231                     }
232                     status = sRange;
233                     break;
234                 }
235                 else
236                 {
237                     status = sError;
238                 } break;
239
240             /* have read the number after a minus, expect ',' or ':' */
241             case sRange:
242                 if (c == ',')
243                 {
244                     /*store numbers*/
245                     end_number = strtol(end, NULL, 10);
246                     number     = strtol(start, NULL, 10);
247                     status     = sBefore;
248                     if (number == 0)
249                     {
250                         status = sZero; break;
251                     }
252                     if (end_number <= number)
253                     {
254                         status = sSmaller; break;
255                     }
256                     srenew(*list, nvecs+end_number-number+1);
257                     if (step)
258                     {
259                         istep = strtol(step, NULL, 10);
260                         step  = NULL;
261                     }
262                     else
263                     {
264                         istep = 1;
265                     }
266                     for (i = number; i <= end_number; i += istep)
267                     {
268                         (*list)[nvecs++] = i;
269                     }
270                     break;
271                 }
272                 else if (c == ':')
273                 {
274                     status = sSteppedRange;
275                     break;
276                 }
277                 else if (isdigit(c))
278                 {
279                     break;
280                 }
281                 else
282                 {
283                     status = sError;
284                 } break;
285
286             /* format error occured */
287             case sError:
288                 gmx_fatal(FARGS, "Error in the list of eigenvectors for %s at pos %d with char %c", listname, pos-startpos, *(pos-1));
289                 break;
290             /* logical error occured */
291             case sZero:
292                 gmx_fatal(FARGS, "Error in the list of eigenvectors for %s at pos %d: eigenvector 0 is not valid", listname, pos-startpos);
293                 break;
294             case sSmaller:
295                 gmx_fatal(FARGS, "Error in the list of eigenvectors for %s at pos %d: second index %d is not bigger than %d", listname, pos-startpos, end_number, number);
296                 break;
297         }
298         ++pos; /* read next character */
299     }          /*scanner has finished */
300
301     /* append zero to list of eigenvectors */
302     srenew(*list, nvecs+1);
303     (*list)[nvecs] = 0;
304     sfree(startpos);
305     return nvecs;
306 } /*sscan_list*/
307
308 void write_eigvec(FILE* fp, int natoms, int eig_list[], rvec** eigvecs, int nvec, const char *grouptitle, real steps[])
309 {
310 /* eig_list is a zero-terminated list of indices into the eigvecs array.
311    eigvecs are coordinates of eigenvectors
312    grouptitle to write in the comment line
313    steps  -- array with stepsizes for evLINFIX, evLINACC and evRADACC
314  */
315
316     int  n = 0, i; rvec x;
317     real sum;
318     while (eig_list[n++])
319     {
320         ;                 /*count selected eigenvecs*/
321
322     }
323     fprintf(fp, "# NUMBER OF EIGENVECTORS + %s\n %d\n", grouptitle, n-1);
324
325     /* write list of eigenvector indicess */
326     for (n = 0; eig_list[n]; n++)
327     {
328         if (steps)
329         {
330             fprintf(fp, "%8d   %g\n", eig_list[n], steps[n]);
331         }
332         else
333         {
334             fprintf(fp, "%8d   %g\n", eig_list[n], 1.0);
335         }
336     }
337     n = 0;
338
339     /* dump coordinates of the selected eigenvectors */
340     while (eig_list[n])
341     {
342         sum = 0;
343         for (i = 0; i < natoms; i++)
344         {
345             if (eig_list[n] > nvec)
346             {
347                 gmx_fatal(FARGS, "Selected eigenvector %d is higher than maximum number %d of available eigenvectors", eig_list[n], nvec);
348             }
349             copy_rvec(eigvecs[eig_list[n]-1][i], x);
350             sum += norm2(x);
351             fprintf(fp, "%8.5f %8.5f %8.5f\n", x[XX], x[YY], x[ZZ]);
352         }
353         n++;
354     }
355 }
356
357
358 /*enum referring to the different lists of eigenvectors*/
359 enum {
360     evLINFIX, evLINACC, evFLOOD, evRADFIX, evRADACC, evRADCON, evMON,  evNr
361 };
362 #define oldMAGIC 666
363 #define MAGIC 670
364
365
366 void write_the_whole_thing(FILE* fp, t_edipar *edpars, rvec** eigvecs,
367                            int nvec, int *eig_listen[], real* evStepList[])
368 {
369 /* write edi-file */
370
371     /*Header*/
372     fprintf(fp, "#MAGIC\n %d \n#NINI\n %d\n#FITMAS\n %d\n#ANALYSIS_MAS\n %d\n",
373             MAGIC, edpars->nini, edpars->fitmas, edpars->pcamas);
374     fprintf(fp, "#OUTFRQ\n %d\n#MAXLEN\n %d\n#SLOPECRIT\n %f\n",
375             edpars->outfrq, edpars->maxedsteps, edpars->slope);
376     fprintf(fp, "#PRESTEPS\n %d\n#DELTA_F0\n %f\n#INIT_DELTA_F\n %f\n#TAU\n %f\n#EFL_NULL\n %f\n#ALPHA2\n %f\n#KT\n %f\n#HARMONIC\n %d\n#CONST_FORCE_FLOODING\n %d\n",
377             edpars->presteps, edpars->flood.deltaF0, edpars->flood.deltaF, edpars->flood.tau, edpars->flood.constEfl,
378             edpars->flood.alpha2, edpars->flood.kT, edpars->flood.bHarmonic, edpars->flood.bConstForce);
379
380     /* Average and reference positions */
381     write_t_edx(fp, edpars->sref, "NREF, XREF");
382     write_t_edx(fp, edpars->sav, "NAV, XAV");
383
384     /*Eigenvectors */
385
386     write_eigvec(fp, edpars->ned, eig_listen[evMON], eigvecs, nvec, "COMPONENTS GROUP 1", NULL);
387     write_eigvec(fp, edpars->ned, eig_listen[evLINFIX], eigvecs, nvec, "COMPONENTS GROUP 2", evStepList[evLINFIX]);
388     write_eigvec(fp, edpars->ned, eig_listen[evLINACC], eigvecs, nvec, "COMPONENTS GROUP 3", evStepList[evLINACC]);
389     write_eigvec(fp, edpars->ned, eig_listen[evRADFIX], eigvecs, nvec, "COMPONENTS GROUP 4", evStepList[evRADFIX]);
390     write_eigvec(fp, edpars->ned, eig_listen[evRADACC], eigvecs, nvec, "COMPONENTS GROUP 5", NULL);
391     write_eigvec(fp, edpars->ned, eig_listen[evRADCON], eigvecs, nvec, "COMPONENTS GROUP 6", NULL);
392     write_eigvec(fp, edpars->ned, eig_listen[evFLOOD], eigvecs, nvec, "COMPONENTS GROUP 7", evStepList[evFLOOD]);
393
394
395     /*Target and Origin positions */
396     write_t_edx(fp, edpars->star, "NTARGET, XTARGET");
397     write_t_edx(fp, edpars->sori, "NORIGIN, XORIGIN");
398 }
399
400 int read_conffile(const char *confin, char *title, rvec *x[])
401 {
402 /* read coordinates out of STX file  */
403     int      natoms;
404     t_atoms  confat;
405     matrix   box;
406     printf("read coordnumber from file %s\n", confin);
407     get_stx_coordnum(confin, &natoms);
408     printf("number of coordinates in file %d\n", natoms);
409 /*  if (natoms != ncoords)
410      gmx_fatal(FARGS,"number of coordinates in coordinate file (%s, %d)\n"
411            "             does not match topology (= %d)",
412            confin,natoms,ncoords);
413    else {*/
414     /* make space for coordinates and velocities */
415     init_t_atoms(&confat, natoms, FALSE);
416     snew(*x, natoms);
417     read_stx_conf(confin, title, &confat, *x, NULL, NULL, box);
418     return natoms;
419 }
420
421
422 void read_eigenvalues(int vecs[], const char *eigfile, real values[],
423                       gmx_bool bHesse, real kT)
424 {
425     int      neig, nrow, i;
426     double **eigval;
427
428     neig = read_xvg(eigfile, &eigval, &nrow);
429
430     fprintf(stderr, "Read %d eigenvalues\n", neig);
431     for (i = bHesse ? 6 : 0; i < neig; i++)
432     {
433         if (eigval[1][i] < -0.001 && bHesse)
434         {
435             fprintf(stderr,
436                     "WARNING: The Hessian Matrix has negative eigenvalue %f, we set it to zero (no flooding in this direction)\n\n", eigval[1][i]);
437         }
438
439         if (eigval[1][i] < 0)
440         {
441             eigval[1][i] = 0;
442         }
443     }
444     if (bHesse)
445     {
446         for (i = 0; vecs[i]; i++)
447         {
448             if (vecs[i] < 7)
449             {
450                 gmx_fatal(FARGS, "ERROR: You have chosen one of the first 6 eigenvectors of the HESSE Matrix. That does not make sense, since they correspond to the 6 rotational and translational degrees of freedom.\n\n");
451             }
452             values[i] = eigval[1][vecs[i]-1]/kT;
453         }
454     }
455     else
456     {
457         for (i = 0; vecs[i]; i++)
458         {
459             if (vecs[i] > (neig-6))
460             {
461                 gmx_fatal(FARGS, "ERROR: You have chosen one of the last 6 eigenvectors of the COVARIANCE Matrix. That does not make sense, since they correspond to the 6 rotational and translational degrees of freedom.\n\n");
462             }
463             values[i] = 1/eigval[1][vecs[i]-1];
464         }
465     }
466     /* free memory */
467     for (i = 0; i < nrow; i++)
468     {
469         sfree(eigval[i]);
470     }
471     sfree(eigval);
472 }
473
474
475 static real *scan_vecparams(const char *str, const char * par, int nvecs)
476 {
477     char    f0[256], f1[256];         /*format strings adapted every pass of the loop*/
478     double  d, tcap = 0;
479     int     i;
480     real   *vec_params;
481
482     snew(vec_params, nvecs);
483     if (str)
484     {
485         f0[0] = '\0';
486         for (i = 0; (i < nvecs); i++)
487         {
488             strcpy(f1, f0);    /*f0 is the format string for the "to-be-ignored" numbers*/
489             strcat(f1, "%lf"); /*and f1 to read the actual number in this pass of the loop*/
490             if (sscanf(str, f1, &d) != 1)
491             {
492                 gmx_fatal(FARGS, "Not enough elements for %s parameter (I need %d)", par, nvecs);
493             }
494             vec_params[i] = d;
495             tcap         += d;
496             strcat(f0, "%*s");
497         }
498     }
499     return vec_params;
500 }
501
502
503 void init_edx(struct edix *edx)
504 {
505     edx->nr = 0;
506     snew(edx->x, 1);
507     snew(edx->anrs, 1);
508 }
509
510 void filter2edx(struct edix *edx, int nindex, atom_id index[], int ngro,
511                 atom_id igro[], rvec *x, const char* structure)
512 {
513 /* filter2edx copies coordinates from x to edx which are given in index
514  */
515
516     int pos, i;
517     int ix = edx->nr;
518     edx->nr += nindex;
519     srenew(edx->x, edx->nr);
520     srenew(edx->anrs, edx->nr);
521     for (i = 0; i < nindex; i++, ix++)
522     {
523         for (pos = 0; pos < ngro-1 && igro[pos] != index[i]; ++pos)
524         {
525         }
526         ;                                                            /*search element in igro*/
527         if (igro[pos] != index[i])
528         {
529             gmx_fatal(FARGS, "Couldn't find atom with index %d in structure %s", index[i], structure);
530         }
531         edx->anrs[ix] = index[i];
532         copy_rvec(x[pos], edx->x[ix]);
533     }
534 }
535
536 void get_structure(t_atoms *atoms, const char *IndexFile,
537                    const char *StructureFile, struct edix *edx, int nfit,
538                    atom_id ifit[], int nav, atom_id index[])
539 {
540     atom_id *igro; /*index corresponding to target or origin structure*/
541     int      ngro;
542     int      ntar;
543     rvec    *xtar;
544     char     title[STRLEN];
545     char   * grpname;
546
547
548     ntar = read_conffile(StructureFile, title, &xtar);
549     printf("Select an index group of %d elements that corresponds to the atoms in the structure file %s\n",
550            ntar, StructureFile);
551     get_index(atoms, IndexFile, 1, &ngro, &igro, &grpname);
552     if (ngro != ntar)
553     {
554         gmx_fatal(FARGS, "You selected an index group with %d elements instead of %d", ngro, ntar);
555     }
556     init_edx(edx);
557     filter2edx(edx, nfit, ifit, ngro, igro, xtar, StructureFile);
558
559     /* If average and reference/fitting structure differ, append the average structure as well */
560     if (ifit != index) /*if fit structure is different append these coordinates, too -- don't mind duplicates*/
561     {
562         filter2edx(edx, nav, index, ngro, igro, xtar, StructureFile);
563     }
564 }
565
566 int gmx_make_edi(int argc, char *argv[])
567 {
568
569     static const char *desc[] = {
570         "[THISMODULE] generates an essential dynamics (ED) sampling input file to be used with [TT]mdrun[tt]",
571         "based on eigenvectors of a covariance matrix ([gmx-covar]) or from a",
572         "normal modes analysis ([gmx-nmeig]).",
573         "ED sampling can be used to manipulate the position along collective coordinates",
574         "(eigenvectors) of (biological) macromolecules during a simulation. Particularly,",
575         "it may be used to enhance the sampling efficiency of MD simulations by stimulating",
576         "the system to explore new regions along these collective coordinates. A number",
577         "of different algorithms are implemented to drive the system along the eigenvectors",
578         "([TT]-linfix[tt], [TT]-linacc[tt], [TT]-radfix[tt], [TT]-radacc[tt], [TT]-radcon[tt]),",
579         "to keep the position along a certain (set of) coordinate(s) fixed ([TT]-linfix[tt]),",
580         "or to only monitor the projections of the positions onto",
581         "these coordinates ([TT]-mon[tt]).[PAR]",
582         "References:[PAR]",
583         "A. Amadei, A.B.M. Linssen, B.L. de Groot, D.M.F. van Aalten and ",
584         "H.J.C. Berendsen; An efficient method for sampling the essential subspace ",
585         "of proteins., J. Biomol. Struct. Dyn. 13:615-626 (1996)[PAR]",
586         "B.L. de Groot, A. Amadei, D.M.F. van Aalten and H.J.C. Berendsen; ",
587         "Towards an exhaustive sampling of the configurational spaces of the ",
588         "two forms of the peptide hormone guanylin,",
589         "J. Biomol. Struct. Dyn. 13 : 741-751 (1996)[PAR]",
590         "B.L. de Groot, A.Amadei, R.M. Scheek, N.A.J. van Nuland and H.J.C. Berendsen; ",
591         "An extended sampling of the configurational space of HPr from E. coli",
592         "Proteins: Struct. Funct. Gen. 26: 314-322 (1996)",
593         "[PAR]You will be prompted for one or more index groups that correspond to the eigenvectors,",
594         "reference structure, target positions, etc.[PAR]",
595
596         "[TT]-mon[tt]: monitor projections of the coordinates onto selected eigenvectors.[PAR]",
597         "[TT]-linfix[tt]: perform fixed-step linear expansion along selected eigenvectors.[PAR]",
598         "[TT]-linacc[tt]: perform acceptance linear expansion along selected eigenvectors.",
599         "(steps in the desired directions will be accepted, others will be rejected).[PAR]",
600         "[TT]-radfix[tt]: perform fixed-step radius expansion along selected eigenvectors.[PAR]",
601         "[TT]-radacc[tt]: perform acceptance radius expansion along selected eigenvectors.",
602         "(steps in the desired direction will be accepted, others will be rejected).",
603         "[BB]Note:[bb] by default the starting MD structure will be taken as origin of the first",
604         "expansion cycle for radius expansion. If [TT]-ori[tt] is specified, you will be able",
605         "to read in a structure file that defines an external origin.[PAR]",
606         "[TT]-radcon[tt]: perform acceptance radius contraction along selected eigenvectors",
607         "towards a target structure specified with [TT]-tar[tt].[PAR]",
608         "NOTE: each eigenvector can be selected only once. [PAR]",
609         "[TT]-outfrq[tt]: frequency (in steps) of writing out projections etc. to [REF].xvg[ref] file[PAR]",
610         "[TT]-slope[tt]: minimal slope in acceptance radius expansion. A new expansion",
611         "cycle will be started if the spontaneous increase of the radius (in nm/step)",
612         "is less than the value specified.[PAR]",
613         "[TT]-maxedsteps[tt]: maximum number of steps per cycle in radius expansion",
614         "before a new cycle is started.[PAR]",
615         "Note on the parallel implementation: since ED sampling is a 'global' thing",
616         "(collective coordinates etc.), at least on the 'protein' side, ED sampling",
617         "is not very parallel-friendly from an implementation point of view. Because",
618         "parallel ED requires some extra communication, expect the performance to be",
619         "lower as in a free MD simulation, especially on a large number of ranks and/or",
620         "when the ED group contains a lot of atoms. [PAR]",
621         "Please also note that if your ED group contains more than a single protein,",
622         "then the [REF].tpr[ref] file must contain the correct PBC representation of the ED group.",
623         "Take a look on the initial RMSD from the reference structure, which is printed",
624         "out at the start of the simulation; if this is much higher than expected, one",
625         "of the ED molecules might be shifted by a box vector. [PAR]",
626         "All ED-related output of [TT]mdrun[tt] (specify with [TT]-eo[tt]) is written to a [REF].xvg[ref] file",
627         "as a function of time in intervals of OUTFRQ steps.[PAR]",
628         "[BB]Note[bb] that you can impose multiple ED constraints and flooding potentials in",
629         "a single simulation (on different molecules) if several [REF].edi[ref] files were concatenated",
630         "first. The constraints are applied in the order they appear in the [REF].edi[ref] file. ",
631         "Depending on what was specified in the [REF].edi[ref] input file, the output file contains for each ED dataset",
632         "",
633         " * the RMSD of the fitted molecule to the reference structure (for atoms involved in fitting prior to calculating the ED constraints)",
634         " * projections of the positions onto selected eigenvectors",
635         "",
636         "FLOODING:[PAR]",
637         "with [TT]-flood[tt], you can specify which eigenvectors are used to compute a flooding potential,",
638         "which will lead to extra forces expelling the structure out of the region described",
639         "by the covariance matrix. If you switch -restrain the potential is inverted and the structure",
640         "is kept in that region.",
641         "[PAR]",
642         "The origin is normally the average structure stored in the [TT]eigvec.trr[tt] file.",
643         "It can be changed with [TT]-ori[tt] to an arbitrary position in configuration space.",
644         "With [TT]-tau[tt], [TT]-deltaF0[tt], and [TT]-Eflnull[tt] you control the flooding behaviour.",
645         "Efl is the flooding strength, it is updated according to the rule of adaptive flooding.",
646         "Tau is the time constant of adaptive flooding, high [GRK]tau[grk] means slow adaption (i.e. growth). ",
647         "DeltaF0 is the flooding strength you want to reach after tau ps of simulation.",
648         "To use constant Efl set [TT]-tau[tt] to zero.",
649         "[PAR]",
650         "[TT]-alpha[tt] is a fudge parameter to control the width of the flooding potential. A value of 2 has been found",
651         "to give good results for most standard cases in flooding of proteins.",
652         "[GRK]alpha[grk] basically accounts for incomplete sampling, if you sampled further the width of the ensemble would",
653         "increase, this is mimicked by [GRK]alpha[grk] > 1.",
654         "For restraining, [GRK]alpha[grk] < 1 can give you smaller width in the restraining potential.",
655         "[PAR]",
656         "RESTART and FLOODING:",
657         "If you want to restart a crashed flooding simulation please find the values deltaF and Efl in",
658         "the output file and manually put them into the [REF].edi[ref] file under DELTA_F0 and EFL_NULL."
659     };
660
661     /* Save all the params in this struct and then save it in an edi file.
662      * ignoring fields nmass,massnrs,mass,tmass,nfit,fitnrs,edo
663      */
664     static t_edipar edi_params;
665
666     enum  {
667         evStepNr = evRADFIX + 1
668     };
669     static const char* evSelections[evNr]      = {NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL};
670     static const char* evOptions[evNr]         = {"-linfix", "-linacc", "-flood", "-radfix", "-radacc", "-radcon", "-mon"};
671     static const char* evParams[evStepNr]      = {NULL, NULL};
672     static const char* evStepOptions[evStepNr] = {"-linstep", "-accdir", "-not_used", "-radstep"};
673     static const char* ConstForceStr;
674     static real      * evStepList[evStepNr];
675     static real        radstep  = 0.0;
676     static real        deltaF0  = 150;
677     static real        deltaF   = 0;
678     static real        tau      = .1;
679     static real        constEfl = 0.0;
680     static real        alpha    = 1;
681     static int         eqSteps  = 0;
682     static int       * listen[evNr];
683     static real        T         = 300.0;
684     const real         kB        = 2.5 / 300.0; /* k_boltzmann in MD units */
685     static gmx_bool    bRestrain = FALSE;
686     static gmx_bool    bHesse    = FALSE;
687     static gmx_bool    bHarmonic = FALSE;
688     t_pargs            pa[]      = {
689         { "-mon", FALSE, etSTR, {&evSelections[evMON]},
690           "Indices of eigenvectors for projections of x (e.g. 1,2-5,9) or 1-100:10 means 1 11 21 31 ... 91" },
691         { "-linfix", FALSE, etSTR, {&evSelections[0]},
692           "Indices of eigenvectors for fixed increment linear sampling" },
693         { "-linacc", FALSE, etSTR, {&evSelections[1]},
694           "Indices of eigenvectors for acceptance linear sampling" },
695         { "-radfix", FALSE, etSTR, {&evSelections[3]},
696           "Indices of eigenvectors for fixed increment radius expansion" },
697         { "-radacc", FALSE, etSTR, {&evSelections[4]},
698           "Indices of eigenvectors for acceptance radius expansion" },
699         { "-radcon", FALSE, etSTR, {&evSelections[5]},
700           "Indices of eigenvectors for acceptance radius contraction" },
701         { "-flood",  FALSE, etSTR, {&evSelections[2]},
702           "Indices of eigenvectors for flooding"},
703         { "-outfrq", FALSE, etINT, {&edi_params.outfrq},
704           "Freqency (in steps) of writing output in [REF].xvg[ref] file" },
705         { "-slope", FALSE, etREAL, { &edi_params.slope},
706           "Minimal slope in acceptance radius expansion"},
707         { "-linstep", FALSE, etSTR, {&evParams[0]},
708           "Stepsizes (nm/step) for fixed increment linear sampling (put in quotes! \"1.0 2.3 5.1 -3.1\")"},
709         { "-accdir", FALSE, etSTR, {&evParams[1]},
710           "Directions for acceptance linear sampling - only sign counts! (put in quotes! \"-1 +1 -1.1\")"},
711         { "-radstep", FALSE, etREAL, {&radstep},
712           "Stepsize (nm/step) for fixed increment radius expansion"},
713         { "-maxedsteps", FALSE, etINT, {&edi_params.maxedsteps},
714           "Maximum number of steps per cycle" },
715         { "-eqsteps", FALSE, etINT, {&eqSteps},
716           "Number of steps to run without any perturbations "},
717         { "-deltaF0", FALSE, etREAL, {&deltaF0},
718           "Target destabilization energy for flooding"},
719         { "-deltaF", FALSE, etREAL, {&deltaF},
720           "Start deltaF with this parameter - default 0, nonzero values only needed for restart"},
721         { "-tau", FALSE, etREAL, {&tau},
722           "Coupling constant for adaption of flooding strength according to deltaF0, 0 = infinity i.e. constant flooding strength"},
723         { "-Eflnull", FALSE, etREAL, {&constEfl},
724           "The starting value of the flooding strength. The flooding strength is updated "
725           "according to the adaptive flooding scheme. For a constant flooding strength use [TT]-tau[tt] 0. "},
726         { "-T", FALSE, etREAL, {&T},
727           "T is temperature, the value is needed if you want to do flooding "},
728         { "-alpha", FALSE, etREAL, {&alpha},
729           "Scale width of gaussian flooding potential with alpha^2 "},
730         { "-restrain", FALSE, etBOOL, {&bRestrain},
731           "Use the flooding potential with inverted sign -> effects as quasiharmonic restraining potential"},
732         { "-hessian", FALSE, etBOOL, {&bHesse},
733           "The eigenvectors and eigenvalues are from a Hessian matrix"},
734         { "-harmonic", FALSE, etBOOL, {&bHarmonic},
735           "The eigenvalues are interpreted as spring constant"},
736         { "-constF", FALSE, etSTR, {&ConstForceStr},
737           "Constant force flooding: manually set the forces for the eigenvectors selected with -flood "
738           "(put in quotes! \"1.0 2.3 5.1 -3.1\"). No other flooding parameters are needed when specifying the forces directly."}
739     };
740 #define NPA asize(pa)
741
742     rvec        *xref1;
743     int          nvec1, *eignr1 = NULL;
744     rvec        *xav1, **eigvec1 = NULL;
745     t_atoms     *atoms = NULL;
746     int          nav; /* Number of atoms in the average structure */
747     char        *grpname;
748     const char  *indexfile;
749     int          i;
750     atom_id     *index, *ifit;
751     int          nfit;           /* Number of atoms in the reference/fit structure */
752     int          ev_class;       /* parameter _class i.e. evMON, evRADFIX etc. */
753     int          nvecs;
754     real        *eigval1 = NULL; /* in V3.3 this is parameter of read_eigenvectors */
755
756     const char  *EdiFile;
757     const char  *TargetFile;
758     const char  *OriginFile;
759     const char  *EigvecFile;
760
761     output_env_t oenv;
762
763     /*to read topology file*/
764     t_topology  top;
765     int         ePBC;
766     char        title[STRLEN];
767     matrix      topbox;
768     rvec       *xtop;
769     gmx_bool    bTop, bFit1;
770
771     t_filenm    fnm[] = {
772         { efTRN, "-f",    "eigenvec",    ffREAD  },
773         { efXVG, "-eig",  "eigenval",    ffOPTRD },
774         { efTPS, NULL,    NULL,          ffREAD },
775         { efNDX, NULL,    NULL,  ffOPTRD },
776         { efSTX, "-tar", "target", ffOPTRD},
777         { efSTX, "-ori", "origin", ffOPTRD},
778         { efEDI, "-o", "sam", ffWRITE }
779     };
780 #define NFILE asize(fnm)
781     edi_params.outfrq = 100; edi_params.slope = 0.0; edi_params.maxedsteps = 0;
782     if (!parse_common_args(&argc, argv, 0,
783                            NFILE, fnm, NPA, pa, asize(desc), desc, 0, NULL, &oenv))
784     {
785         return 0;
786     }
787
788     indexfile       = ftp2fn_null(efNDX, NFILE, fnm);
789     EdiFile         = ftp2fn(efEDI, NFILE, fnm);
790     TargetFile      = opt2fn_null("-tar", NFILE, fnm);
791     OriginFile      = opt2fn_null("-ori", NFILE, fnm);
792
793
794     for (ev_class = 0; ev_class < evNr; ++ev_class)
795     {
796         if (opt2parg_bSet(evOptions[ev_class], NPA, pa))
797         {
798             /*get list of eigenvectors*/
799             nvecs = sscan_list(&(listen[ev_class]), opt2parg_str(evOptions[ev_class], NPA, pa), evOptions[ev_class]);
800             if (ev_class < evStepNr-2)
801             {
802                 /*if apropriate get list of stepsizes for these eigenvectors*/
803                 if (opt2parg_bSet(evStepOptions[ev_class], NPA, pa))
804                 {
805                     evStepList[ev_class] =
806                         scan_vecparams(opt2parg_str(evStepOptions[ev_class], NPA, pa), evStepOptions[ev_class], nvecs);
807                 }
808                 else   /*if list is not given fill with zeros */
809                 {
810                     snew(evStepList[ev_class], nvecs);
811                     for (i = 0; i < nvecs; i++)
812                     {
813                         evStepList[ev_class][i] = 0.0;
814                     }
815                 }
816             }
817             else if (ev_class == evRADFIX)
818             {
819                 snew(evStepList[ev_class], nvecs);
820                 for (i = 0; i < nvecs; i++)
821                 {
822                     evStepList[ev_class][i] = radstep;
823                 }
824             }
825             else if (ev_class == evFLOOD)
826             {
827                 snew(evStepList[ev_class], nvecs);
828
829                 /* Are we doing constant force flooding? In that case, we read in
830                  * the fproj values from the command line */
831                 if (opt2parg_bSet("-constF", NPA, pa))
832                 {
833                     evStepList[ev_class] = scan_vecparams(opt2parg_str("-constF", NPA, pa), "-constF", nvecs);
834                 }
835             }
836             else
837             {
838             };   /*to avoid ambiguity   */
839         }
840         else     /* if there are no eigenvectors for this option set list to zero */
841         {
842             listen[ev_class] = NULL;
843             snew(listen[ev_class], 1);
844             listen[ev_class][0] = 0;
845         }
846     }
847
848     /* print the interpreted list of eigenvectors - to give some feedback*/
849     for (ev_class = 0; ev_class < evNr; ++ev_class)
850     {
851         printf("Eigenvector list %7s consists of the indices: ", evOptions[ev_class]);
852         i = 0;
853         while (listen[ev_class][i])
854         {
855             printf("%d ", listen[ev_class][i++]);
856         }
857         printf("\n");
858     }
859
860     EigvecFile = opt2fn("-f", NFILE, fnm);
861
862     /*read eigenvectors from eigvec.trr*/
863     read_eigenvectors(EigvecFile, &nav, &bFit1,
864                       &xref1, &edi_params.fitmas, &xav1, &edi_params.pcamas, &nvec1, &eignr1, &eigvec1, &eigval1);
865
866     bTop = read_tps_conf(ftp2fn(efTPS, NFILE, fnm),
867                          title, &top, &ePBC, &xtop, NULL, topbox, 0);
868     atoms = &top.atoms;
869
870
871     printf("\nSelect an index group of %d elements that corresponds to the eigenvectors\n", nav);
872     get_index(atoms, indexfile, 1, &i, &index, &grpname); /*if indexfile != NULL parameter 'atoms' is ignored */
873     if (i != nav)
874     {
875         gmx_fatal(FARGS, "you selected a group with %d elements instead of %d",
876                   i, nav);
877     }
878     printf("\n");
879
880
881     if (xref1 == NULL)
882     {
883         if (bFit1)
884         {
885             /* if g_covar used different coordinate groups to fit and to do the PCA */
886             printf("\nNote: the structure in %s should be the same\n"
887                    "      as the one used for the fit in g_covar\n", ftp2fn(efTPS, NFILE, fnm));
888             printf("\nSelect the index group that was used for the least squares fit in g_covar\n");
889         }
890         else
891         {
892             printf("\nNote: Apparently no fitting was done in g_covar.\n"
893                    "      However, you need to select a reference group for fitting in mdrun\n");
894         }
895         get_index(atoms, indexfile, 1, &nfit, &ifit, &grpname);
896         snew(xref1, nfit);
897         for (i = 0; i < nfit; i++)
898         {
899             copy_rvec(xtop[ifit[i]], xref1[i]);
900         }
901     }
902     else
903     {
904         nfit = nav;
905         ifit = index;
906     }
907
908     if (opt2parg_bSet("-constF", NPA, pa))
909     {
910         /* Constant force flooding is special: Most of the normal flooding
911          * options are not needed. */
912         edi_params.flood.bConstForce = TRUE;
913     }
914     else
915     {
916         /* For normal flooding read eigenvalues and store them in evSteplist[evFLOOD] */
917
918         if (listen[evFLOOD][0] != 0)
919         {
920             read_eigenvalues(listen[evFLOOD], opt2fn("-eig", NFILE, fnm), evStepList[evFLOOD], bHesse, kB*T);
921         }
922
923         edi_params.flood.tau       = tau;
924         edi_params.flood.deltaF0   = deltaF0;
925         edi_params.flood.deltaF    = deltaF;
926         edi_params.presteps        = eqSteps;
927         edi_params.flood.kT        = kB*T;
928         edi_params.flood.bHarmonic = bHarmonic;
929         if (bRestrain)
930         {
931             /* Trick: invert sign of Efl and alpha2 then this will give the same sign in the exponential and inverted sign outside */
932             edi_params.flood.constEfl = -constEfl;
933             edi_params.flood.alpha2   = -sqr(alpha);
934         }
935         else
936         {
937             edi_params.flood.constEfl = constEfl;
938             edi_params.flood.alpha2   = sqr(alpha);
939         }
940     }
941
942     edi_params.ned = nav;
943
944     /*number of system atoms  */
945     edi_params.nini = atoms->nr;
946
947
948     /*store reference and average structure in edi_params*/
949     make_t_edx(&edi_params.sref, nfit, xref1, ifit );
950     make_t_edx(&edi_params.sav, nav, xav1, index);
951
952
953     /* Store target positions in edi_params */
954     if (opt2bSet("-tar", NFILE, fnm))
955     {
956         if (0 != listen[evFLOOD][0])
957         {
958             fprintf(stderr, "\nNote: Providing a TARGET structure has no effect when using flooding.\n"
959                     "      You may want to use -ori to define the flooding potential center.\n\n");
960         }
961         get_structure(atoms, indexfile, TargetFile, &edi_params.star, nfit, ifit, nav, index);
962     }
963     else
964     {
965         make_t_edx(&edi_params.star, 0, NULL, index);
966     }
967
968     /* Store origin positions */
969     if (opt2bSet("-ori", NFILE, fnm))
970     {
971         get_structure(atoms, indexfile, OriginFile, &edi_params.sori, nfit, ifit, nav, index);
972     }
973     else
974     {
975         make_t_edx(&edi_params.sori, 0, NULL, index);
976     }
977
978     /* Write edi-file */
979     write_the_whole_thing(gmx_ffopen(EdiFile, "w"), &edi_params, eigvec1, nvec1, listen, evStepList);
980
981     return 0;
982 }