GPUMD：训练与使用偶极模型

这篇用真实水分子偶极标签训练model_type 1模型，完整走一遍准备数据、提交、预测和画图。它学习几何到偶极矢量的映射，不是用来运行分子动力学的能量/力势。模型类型定义见GPUMD手册。

1. 准备数据与目录#

下载水分子标签、完整输入、训练模型、原生输出和绘图脚本，保存为gpumd-tnep-water-wave215.zip。在自己的工作目录执行：

unzip gpumd-tnep-water-wave215.zip -d water-tnep
cd water-tnep
bash view.sh
ls figures

view.sh读取随包参考结果并重新画图，不提交计算。已生成analysis和figures时会停止；再次处理请解压到新的目录，避免混用结果。

标签来自前一篇真实电子结构计算，使用ORCA6.1.1 PBE/def2-SVP。GPUMD/nep为5.9.1；P100和V10016G分别加载对应模块。本例每个任务一张卡，不要求多卡。

module load ase/3.29.0
python3 prepare_models.py
cd cases/dipole-p100-s13579
head -n 5 training.xyz
cat base-nep.in

准备程序按原几何15/5/5分组，再生成旋转朝向；不把同一原几何同时放入训练和测试。独立测试文件在训练结束后才交给预测程序。

2. 完整训练输入#

version 4
model_type 1
type 2 O H
cutoff 4.0 3.0
n_max 4 4
basis_size 4 4
l_max 4 2 1
neuron 12
population 30
batch 60
lambda_1 0.0
lambda_2 0.0
lambda_e 0.0
lambda_f 0.0
lambda_v 1.0
seed 13579
generation 10000
output_interval 100

model_type 1选择偶极模型，type 2 O H定义元素顺序；两类截断为4与3 Å。lambda_v在本辅助模型分支中控制目标响应拟合，不应按能量势训练把它误解为这里存在DFT维里标签。能量与力权重设零，因为这不是能量/力模型。10,000代是固定教学预算，不根据测试集选择停止点。

3. 提交单卡任务#

sbatch job.slurm
squeue -u "$USER"

要在当前算例目录提交，脚本以此作为运行目录。任务依次完成训练、训练集回算、验证集预测、独立测试及变换对照；完整输入会留在training及各prediction-*目录。

另一个种子的算例位于cases/dipole-v100-s24680，使用V10016G模块和队列。本例同时报告两个固定种子，不按误差挑一个替代另一个。两种子分别在两类卡上训练，二者差异不能解释为GPU型号造成的精度差异。

如果手动拆开训练和预测，训练目录需要nep.in、train.xyz、test.xyz；其中原生test.xyz在训练时是验证集，另留的heldout.xyz才是本例独立测试。预测目录保留相同架构与训练好的nep.txt，设置prediction 1，输入预测对象为train.xyz。

4. 提取整分子偶极#

head prediction-heldout/dipole_train.out
head training/nep.txt

原生每行6列，前3列预测xyz，后3列目标xyz；输出除以原子数。本例每个分子3个原子，所以恢复整分子结果须乘3，见官方偶极输出说明。输入标签本来就是整分子值，不要在输入端再除3。

所有4个模型完成后，回到包的根目录处理新结果：

cd ../..
module load ase/3.29.0
python3 analyze_models.py --new
head analysis-new/dipole-p100-s13579-heldout.csv

如果只运行了一个模型，最后一条改为：

python3 analyze_models.py --new --case dipole-p100-s13579

不要接着再运行另一条分析命令写同一目录；需要换分析范围时使用新的解压目录。analysis-new读取自己的cases，而不加--new读取随包参考输出。

5. 本次实际结果#

每个种子均训练10,000代，独立测试为5个不同几何、每个2个朝向，按所有xyz分量计算RMSE：

这是相对于PBE/def2-SVP标签的小范围拟合误差，不是相对于实验的误差。旋转版本不增加独立测试几何数量；图中全部分量保留，未剔除不利点。

还检查了旋转、平移、交换两个H及反射后的预测是否遵守相应变换。对中性分子，平移不改变总偶极；对带电体系不能直接套用这一处理。

本例没有生成液态轨迹或红外谱。若要研究IR，除合适的偶极模型外，还需要可靠的动力学势、轨迹采样与偶极时间相关函数；仅有这份孤立分子辅助模型不构成液态水谱学工作流。下一篇是极化率模型，不要与qNEP电荷势混淆。