PLUMED OPES与Explore：从双势阱模型开始

OPES通过沿集体变量调整偏置，帮助体系跨越难以直接采样的区域。本篇先用已知势能的二维模型学习输入、运行与输出；之后再把集体变量定义接入自己的MD引擎。

这里的物理势是U(x,y)=4(x²−1)²+0.5y²，两个势阱位于x=±1，沿x的物理势垒为4 kBT。它是实际运行的解析模型动力学，没有使用材料势或DFT；自然单位时间不能直接换成某种分子的ps或反应速率。

1. 下载后先看结果#

下载OPES运行、重加权与STATE资料包，保存为example.zip：

python3 -m zipfile -e example.zip .
cd plumed-opes-complete
bash results.sh
bash read.sh
bash plot.sh

这几条命令读取已保存的实际结果，生成analysis-read/与figures/，不重跑MD。

四个目录分别是OPES、OPES Explore各两个随机种子。每个实际运行200000步，步长0.005，输出20001行，最终时间1000个自然时间单位。

2. 模型动力学输入#

cat inputs/opes_metad-797101/input.dat

temperature 1
friction 1
tstep 0.005
dimension 2
nstep 200000
ipos -1 0
periodic false
idum 797101

pesmd把二维坐标放在两个虚拟点的相对位置里，因此PLUMED输入用d.x、d.y读取坐标。温度设为1，UNITS NATURAL下kBT=1；随机种子和初始位置保存在各目录的输入中。

3. 完整OPES输入#

UNITS NATURAL
d: DISTANCE ATOMS=1,2 COMPONENTS NOPBC
u: CUSTOM ARG=d.x,d.y VAR=x,y FUNC=4*(x*x-1)^2+0.5*y*y PERIODIC=NO
physical: BIASVALUE ARG=u
b: OPES_METAD ARG=d.x TEMP=1 PACE=100 SIGMA=0.1 BARRIER=8 KERNEL_CUTOFF=8 BIASFACTOR=5 STATE_WFILE=STATE STATE_WSTRIDE=200000
PRINT ARG=d.x,d.y,u,b.bias,b.rct,b.zed,b.neff,b.nker STRIDE=10 FILE=COLVAR FMT=%24.16e

u定义物理势；physical: BIASVALUE ARG=u让这个势参与模型动力学。b才是增强采样偏置，两者后处理时要区分。

• ARG=d.x：本例沿x建立偏置。
• PACE=100：每100步更新一次核。
• SIGMA=0.1：设置初始宽度。
• BARRIER=8：偏置配置的能垒尺度，和物理势本身的4不同。
• BIASFACTOR=5：本例的目标分布参数。
• KERNEL_CUTOFF=8：显式扩大核截断范围，用于本例的偏置能量/力对照；见STATE教程。
• STATE_WFILE与STATE_WSTRIDE：保存偏置状态。

Explore目录把方法名换成OPES_METAD_EXPLORE。两种方法的目标和更新方式有区别，不能把Explore简单理解为始终更快或结果更准。

4. 提交计算#

sbatch run.slurm

脚本申请CPU整节点56核资源，实际单线程依次运行四组模型及后处理。CPU资源暂不可用时，先使用保存结果学习即可。

脚本自动准备CP2K配套的PLUMED 2.10.1：

source /etc/profile.d/lmod.sh
module purge
module load cp2k/2026.2-8173m
plumed_prefix=/public/software/cp2k/deps/2026.2/8173m/plumed-2.10.1
export LD_LIBRARY_PATH="$plumed_prefix/lib:${LD_LIBRARY_PATH:-}"

实际原生命令在对应案例目录执行：

"$plumed_prefix/bin/plumed" pesmd < input.dat

整个过程已封装在run.sh，不必手动重复。使用新解压目录运行，避免覆盖已有的work/。

5. 看哪些输出#

head work/opes_metad-797101/COLVAR
head work/opes_metad-797101/KERNELS
head work/opes_metad-797101/STATE
bash read.sh work analysis-new
bash plot.sh analysis-new figures-new work

COLVAR含坐标、物理势、OPES偏置与诊断量。KERNELS保存核的更新记录，STATE保存可恢复的完整偏置状态；nker是当前压缩后的核数量，不等于总步数。neff是原生内部诊断，不是独立采样帧数。

运行环境为PLUMED 2.10.1，配套Intel oneAPI 2024.2、Intel MPI 2021.13、GSL 2.8及MKL顺序库。继续做自由能分析见原生重加权。方法定义和参数可查OPES官方说明。