分子动力学模拟之周期性边界处理
技术背景
周期性边界是分子动力学模拟中常用的一种技术手段,不仅可以完整的概述完整的分子体系的特性,在一部分场景下还可以提升计算的效率,从作用上来看更像是一类的近似模型(假设有一个原子逃出这个周期性边界封装的盒子,一定会有另一个相同原子从相对的边界走进这个盒子)。
不加周期性边界的场景
首先我们用简单的python代码演示一个没加周期性边界条件的示例,一个红色的原子从坐标轴的0位置处移动到100的位置,但是盒子大小仅仅设置为20,这个大小也是我们的可见范围。也就是说,超过20之后我们就看不见这个原子了,具体代码实现如下所示:
import numpy as np
import time
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
from IPython import displayfig = plt.figure()
ims = []
for i in range(100):plt.xlim(0.0,20.0,5.0)x1 = iy1 = 5im = plt.plot(x1, y1, 'o', color="red")ims.append(im)time.sleep(0.1)ani = animation.ArtistAnimation(fig, ims, repeat_delay=0)
ani.save('mol.gif', writer='pillow')
运行完成后会在当前路径下生成一个名为mol.gif
的动态图,效果如下:
![](/assets/blank.gif)
使用uint类型实现周期性边界
在python中可以用numpy的数据类型来转换给定的数据,而且性能有一定的保障。如果是用c++来编码,我们知道格式转换和移位操作之类的性能非常高,相比于数据的乘加运算而言,这种操作速度要快上许多。这里我们使用无符号的整型变量来处理周期性边界问题,我们用numpy的一些具体操作来看下无符号整数变量的一些对应操作:
In [1]: import numpy as npIn [2]: np.uint(2**16) # 默认的uint是32位
Out[2]: 65536In [3]: np.uint(2**16+1) # 默认的uint是32位
Out[3]: 65537In [4]: np.uint16(2**16) # 指定16位,超过最大数2**16-1之后归零
Out[4]: 0In [5]: np.uint16(2**16-1) # 指定16位,不超过最大数2**16-1结果不变
Out[5]: 65535In [6]: np.uint16(-1) # 下限为0,超过下限后从最大数2**16-1开始计算
Out[6]: 65535In [7]: np.uint16(-2**16) # 越过一个0之后又达到了边界的0
Out[7]: 0In [8]: np.int16(2**15-1) # 带符号整数的最大数是2**15-1,比无符号整数位少了一个比特位
Out[8]: 32767In [9]: np.int16(2**15) # 超过最大数是从最小数-2**15开始计数
Out[9]: -32768In [10]: np.int16(-2**15) # 不越过最小数结果不变
Out[10]: -32768In [11]: np.int16(-2**15-1) # 越过最小数从最大数2**15-1开始计数
Out[11]: 32767
再回过头来思考一下其中的逻辑,首先,int16的一个比特位被用来做符号存储,因此最大可表示的数字是\(2^{15}-1\),最小可表示的数字为\(-2^{15}\)。关于为什么负数的数量比正数多一个,这是因为16个比特位一共可以表示\(2^{16}\)个数字,那么如果包括0在内的话,只有在区分正0和负0的情况下,正数和负数的数量才会是一样的。所以,我们可以将负0可以用来表示\(-2^{15}\)这个数,这样看起来就多出来了一个负数,实际上只是一种优化的策略。无符号整数和带符号的整数都是周期性的锯齿形函数,但是无符号整数取得的空间都在正数上,所以在分子动力学模拟中更倾向于取无符号整数来处理周期性边界问题。
为了更加清晰的展现无符号整数的函数图像与周期性边界条件下的原子运动轨迹,我们将两张图画在一起来看下这个结果:
import numpy as np
import time
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
from IPython import displayfig = plt.figure()
ims = []
box_size = 20.0
x = []
y = []
for i in range(100):plt.subplot(211)x.append(i)y.append(np.uint16(i*(2**16-1)/box_size)*box_size/(2**16-1))plt.plot(x, y, color="black")im = plt.plot(x[-1], y[-1], 'o', color="red")ims.append(im)plt.subplot(212)plt.xlim(0.0,box_size,5.0)x1 = np.uint16(i*(2**16-1)/box_size)*box_size/(2**16-1)y1 = 5im = plt.plot(x1, y1, 'o', color="red")ims.append(im)time.sleep(0.1)ani = animation.ArtistAnimation(fig, ims, repeat_delay=0)
ani.save('mol.gif', writer='pillow')
运行后生成的图片如下图所示:
![](/assets/blank.gif)
需要注意的是,这里做类型转换之前,要将周期性盒子的边长转化到跟无符号整数位长度一致,才能够使用无符号整数来处理周期性边界问题,所以先后有两次单位转换。但是如果我们只是需要判断是否超出了边界,那就不需要做第二次的单位转换。值得一提的是,如果采用格式转换的形式来做计算,而免去if的使用,在循环操作下也是有相当的编译优化空间的。
总结概要
本文从分子动力学模拟中的周期性边界处理角度出发,介绍了无符号整数和带符号整数的一些应用的技巧,使用这些格式转换的技术有可能在程序的性能优化中带来一定的效果。同时为了更加直观的展示分子模拟的效果,我们用animation展示了一个简单的动态图绘制的案例,其中还包含了多个子图的绘图技术。
版权声明
本文首发链接为:https://www.cnblogs.com/dechinphy/p/box.html
作者ID:DechinPhy
更多原著文章请参考:https://www.cnblogs.com/dechinphy/
打赏专用链接:https://www.cnblogs.com/dechinphy/gallery/image/379634.html
腾讯云专栏同步:https://cloud.tencent.com/developer/column/91958
分子动力学模拟之周期性边界处理相关推荐
- gromacs manual_GROMACS蛋白配体分子动力学模拟结果分析简要笔记
0. 引言 本文以前文(https://zhuanlan.zhihu.com/p/149862369)为基础,对蛋白配体复合物分子模拟体系的结果进行一系列的粗浅分析,本文记述了简要的分析方法. 1 M ...
- 分子动力学模拟手把手教你
如果你是AMBER的新用户 或对一般的分子动力学模拟毫无了解 可通过此教程入门. 教程简介 这个教程旨在介绍如何使用Amber进行分子动力学模拟,并假设您以前没有使用过Amber. 它专门为想要了解如 ...
- amber软件的分子动力学模拟步骤
进行分子动力学模拟的步骤: 1.准备模拟需要的文件: autodock对接完成得分高的复合物构象. 文本编辑器内对构象中分子分离,得到: 1): 带有受体和配体的pdb文件 2): 不含有配体的受体p ...
- 分子动力学模拟软件_功能玻璃专题——分子动力学模拟预测氧化钠含量对二元钠硅酸盐玻璃弹性模量的影响...
赵 谦 1,祖 群 1,齐 亮 2,胡永杰 2,孙雪坤3,陈 阳 1 (1. 中材科技股份有限公司,中国南京 210012:2. 美国密歇根大学,美国密歇根州安娜堡 48109-236: 3. ...
- client中周期性边界_(整理)周期性边界条件.
精品文档 精品文档 2.3.4 周期性流动与换热 如果我们计算的流动或者热场有周期性重复, 或者几何边界条件周期性重复, 就形成了 周期性流动. FLUENT 可以模拟两类周期性流动问题. 第一, 无 ...
- 干货分享 | 分子对接与分子动力学模拟在药物研发中的应用
前言 分子对接(Molecular docking)与分子动力学模拟(Molecular dynamics simulation)是计算生物学中重要的一部分,在生物学研究中不断发挥着重要的作用.分子对 ...
- 分子动力学模拟基础(一)
文章目录 1.分子模拟技术 分子模拟的分类 2.分子动力学的基本概念 分子动力学 初始化条件--模拟盒子 初始化条件--短程势函数的处理 初始化条件--长程势函数的处理 3.初等分子动力学(NVE) ...
- Amber进行分子动力学模拟以及计算mmpbsa
使用amber计算mmpbsa记录 1.文件处理 2.蛋白与分子处理 (1) 前处理 (2) 生成crd与prm文件 3.分子动力学模拟 (1)能量最小化 (2)体系加热 (3)均匀密度 (4)全局平 ...
- Gromacs分子动力学模拟流程概述
Gromacs分子动力学模拟主要可以分为以下几个步骤,不同的体系步骤可能略有不同. 在开始之前,先简单了解一下预平衡: 分子动力学模拟的最终目的是对体系进行抽样,然后计算体系的能量,各种化学键,成分分 ...
最新文章
- Android用摄像头的那点破事
- 【转】Android子线程真的不能更新UI么
- unity3d___UGui中如何创建loading...进度条
- 被动声呐 相移波束形成_100天计划-DAY9-拖曳声呐
- c++ 函数中定义函数
- urllib.error.URLError: <urlopen error [SSL: WRONG_VERSION_NUMBER] wrong version number 成功解决
- 使用字符串格式化函数
- 后台异常引起前端提示跨域出错
- IntelliJ IDEA如何去掉xml文件背景色
- ai快捷键常用表_掌握这些AI常用快捷键和小技巧,提高速度
- elastic-job和xxl-job实践对比
- java fakepath_解决文件上传取不到真实路径问题(fakepath)
- 定语从句中的关系代词
- 【CSS3】浅谈display属性flex弹性布局、gird网格布局
- unity3d:win32api,托盘运行,开机自启动,浏览文件对话框,无标题栏,自定义标题栏拖动
- 【你觉得这些技术值多少钱?】
- DIY智能小车篇(一):结构模块
- 全栈工程师实战:从 0 开发云笔记
- 源码编译安装部署LAMP平台(使用Apache,MySQL与PHP搭建Discuz论坛实例)
- 03 CoCos Creator 偏好设置中ndk配置
热门文章
- Fugiat inventore earum unde officia nihil ratione.Аллея развитый юный сынок угроза голубчик.
- 【微信小程序】rpx
- 虚拟化环境高可靠存储的构架和配置
- 为什么数据库的内容像加密了_意外的负担(或者为什么我认为加密所有内容都不是个好主意)
- 物联网云平台系统设计【一】
- Pixelmator Pro for Mac(媲美PS的修图软件)
- hpgs2wnd.exe
- 压缩包文件解压找回密码
- 微信小程序--保存图片到相册功能实现
- 同城容灾、异地容灾、 双活 数据中心、 两地三中心的区别