PLUMED 伞形采样窗口实操

伞形采样不是把一个集体变量永远锁死，而是在多个目标位置附近用有限强度的谐势采样，再通过 WHAM 去掉各窗口偏置。本组用 PLUMED 原生 pesmd 的二维解析势演示全过程，先把文件、窗口和统计操作讲清楚。

1. 下载并查看参考结果#

下载完整输入、短命令、采样数据和五张图，解压后进入 plumed-umbrella-wave276：

unzip plumed-umbrella-wave276*.zip
cd plumed-umbrella-wave276
bash run.sh

run.sh 只读取参考 CSV 绘图，不采样、不提交任务。reference/ 保留两组真实采样坐标、WHAM 曲线、窗口分布和软限制数据。

准备运行自己的一遍时，在已分配的 CPU 资源中执行：

bash sample.sh
bash plot.sh work/analysis own-figures

该命令顺序采样 14 个窗口，另做四个软限制小例，然后启动每次七个 MPI 进程的 WHAM。至少需要 7 个可用 CPU；不要在公共登录环境中随意开长任务。本例是 CPU 工具操作，不调用 CUDA，也不代表 GPU 性能。

2. 本例的物理模型和单位#

解析势为 U(x,y)=4(x²−1)²+y²/2，两个势阱在 x=±1，解析自由能沿 x 的能垒为 4 kBT。这里的坐标、能量和时间均为无量纲，UNITS NATURAL 下 kBT=1；TEMP=1 不能解释成 1 开尔文。本例不是实际分子或材料的力场计算。

七个谐势中心为 −1.2、−0.8、−0.4、0、0.4、0.8、1.2，力常数 20。每窗口 200000 步、步长 0.005，总无量纲时间 1000；去除前 40000 步，再每 20 步保存一帧，留下每窗口 8000 帧。两组独立随机种子用于检查结果差异。

窗口 0 的完整 input.dat：

temperature 1
friction 1
tstep 0.005
dimension 2
nstep 200000
ipos -1.2 0
periodic false
idum 10100

该安装版本需要显式写 periodic false。本模型 x、y 均不按周期坐标处理；不能为了绕过输入问题随意改为周期势。

3. plumed.dat 逐行操作#

UNITS NATURAL
d: DISTANCE ATOMS=1,2 COMPONENTS
u: MATHEVAL 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: RESTRAINT ARG=d.x AT=-1.2 KAPPA=20
PRINT ARG=d.x,d.y,u,b.bias,b.force2 STRIDE=20 FILE=COLVAR FMT=%24.16e

DISTANCE ... COMPONENTS 读取原点与移动点之间的 x、y 坐标；MATHEVAL 定义解析势，physical: BIASVALUE 把它的力施加给原生动力学。这里名为 physical.bias 的量承担基础物理势的角色。

b: RESTRAINT 是额外的伞形偏置，形式为 κ(x−x₀)²/2。输出 b.bias 为偏置能，b.force2 为偏置对该集体变量的力平方。它们不是基础物理势和伞形势相加后的全部能量与力。

cat inputs/seed-101/window-0/input.dat
cat inputs/seed-101/window-0/plumed.dat
head -n 5 work/seed-101/window-0/COLVAR

4. 原生运行命令#

完整短命令已处理目录和输出；若只想理解单窗口原生调用，在新目录准备文件后执行：

module load plumed/2.9.4-oneapi2024.2
mkdir single-window
cp inputs/seed-101/window-0/{input.dat,plumed.dat} single-window/
cd single-window
plumed pesmd < input.dat > native.log

PLUMED 2.9.4 此 CPU 构建使用 oneAPI 2024.2、Intel MPI 2021.13 和 sequential MKL。不要把它与基于 Open MPI 的其他私有 kernel 混用。新手可直接用已配置的脚本；申请实际 CPU 任务时仍按自己的账号与队列规则选择资源。

5. 检查窗口重叠#

相邻窗口必须有共同采样区域；窗口之间完全断开时，WHAM 很难确定它们之间的相对自由能。本例相邻窗口重叠指标约 0.50–0.85。只把不同窗口曲线画在一起，并不等于已经去掉偏置。

head -n 8 work/analysis/overlap-101.csv
head -n 8 work/analysis/samples-101.csv

继续看 WHAM 去偏置与自由能绘图。

参考：PLUMED pesmd。