一種集成LAMMPS分子動(dòng)力學(xué)軟件的參數(shù)描述方法和規(guī)范

虞超，楊小渝*，趙旭山，王宗國(guó)

1.中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)信息中心，北京 100190

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引言

隨著材料計(jì)算方法的改進(jìn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微觀、介觀、宏觀各個(gè)尺度的材料計(jì)算方法和技術(shù)都有很大進(jìn)步。但由于不同尺度的研究之間較為獨(dú)立[1]，不同尺度對(duì)材料的描述和計(jì)算方法都不同，極大限制了多尺度的材料研究。不同空間尺度和時(shí)間尺度計(jì)算方法的集成也是高通量材料集成計(jì)算的重要研究?jī)?nèi)容。不僅將高通量方法、數(shù)據(jù)方法、實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用于材料的多尺度研究，利用高通量計(jì)算技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)方法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)等，提高多尺度建模和計(jì)算的效率，而且利用不同尺度計(jì)算方法的優(yōu)勢(shì)，將不同尺度的計(jì)算方法集成在一起，取長(zhǎng)補(bǔ)短，加速材料的研究。

分子動(dòng)力學(xué)是從原子尺度研究材料性質(zhì)的學(xué)科。在分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算中，利用原子間相互作用勢(shì)[1-3]以及每個(gè)原子的坐標(biāo)，原子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律遵守Newton 方程[1]，通過(guò)求解經(jīng)典力學(xué)方程求出作用在每一個(gè)原子上的合力，計(jì)算每個(gè)原子的速度，隨時(shí)間演化，模擬原子運(yùn)動(dòng)的軌跡，最終根據(jù)統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法，得出體系的物化性質(zhì)。分子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算精度不如第一性原理計(jì)算方法，但由于 Newton 方程的數(shù)值求解相對(duì)容易，計(jì)算速度和計(jì)算規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一性原理計(jì)算，因此分子動(dòng)力學(xué)適合于較大空間尺度和較長(zhǎng)時(shí)間尺度的研究。

分子動(dòng)力學(xué)中模擬尺度常用的模擬軟件是LAMMPS[5]，并且開(kāi)源免費(fèi)。有廣大的使用者和支持者。但由于 LAMMPS 是一款非圖形化界面軟件，并且參數(shù)使用較為復(fù)雜。往往對(duì)于使用者有較高的門檻[4]。為了使 LAMMPS 使用更加簡(jiǎn)單方便。LAMMPS 軟件需要圖形化使用界面以及自動(dòng)化的使用流程。本課題組已設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了 MatCloud 高通量材料集成計(jì)算平臺(tái)，作者積極參與了該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作，具體包括：適用于多用戶、大批量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索的材料結(jié)構(gòu)和第一性原理計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)；高通量材料第一性原理計(jì)算工作流執(zhí)行引擎；基本的高通量材料結(jié)構(gòu)建模工具、第一性原理計(jì)算工具、數(shù)據(jù)處理和分析工具[6]等。接下來(lái)準(zhǔn)備集成基于 LAMMPS 軟件的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算工具，擴(kuò)大 MatCloud 的生態(tài)圈。將不同尺度的計(jì)算方法集成在一起，加速材料研究。

開(kāi)發(fā)者在 MatCloud 的上集成 LAMMPS 軟件主要分為以下幾步：(1) 編寫 LAMMPS 性質(zhì)計(jì)算參數(shù)設(shè)置頁(yè)面 (2) 獲取前端設(shè)置參數(shù)信息并將其整理成規(guī)范格式 (Unique Parameter description)，(3) 解析格式規(guī)范化的參數(shù) (Unique Parameter description) 生成 LAMMPS 計(jì)算的輸入文件，(4) 再結(jié)合 LAMMPS建模產(chǎn)生的 LAMMPS 構(gòu)型文件 (LAMMPS Input Structure) 進(jìn)行 LAMMPS 計(jì)算，(5) 抽取結(jié)果并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。利用 MatCloud 強(qiáng)大的工作流框架我們可以很容易實(shí)現(xiàn) LAMMPS 計(jì)算、抽取結(jié)果并存入數(shù)據(jù)庫(kù)這兩步。開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)編寫前端交互界面來(lái)方便地獲取用戶設(shè)置的 LAMMPS 計(jì)算參數(shù)。所以問(wèn)題的核心在于如何將用戶設(shè)置的參數(shù)整理成規(guī)范格式以及解析參數(shù)生成 LAMMPS 計(jì)算的輸入文件。

LAMMPS 軟件參數(shù)較為復(fù)雜，且很多參數(shù)之間有復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系。給集成工作帶來(lái)很大的難度[7]。主要?dú)w結(jié)為以下三種形式的計(jì)算參數(shù)組合不一致問(wèn)題：LAMMPS 軟件中不同材料性質(zhì)計(jì)算的 (如粘度計(jì)算、熱導(dǎo)率計(jì)算等) 參數(shù)組合不一致問(wèn)題；LAMMPS 軟件中不同 LAMMPS 命令的 (如 fix、pair_style 等) 參數(shù)組合不一致問(wèn)題；LAMMPS 軟件中同一個(gè) LAMMPS命令的參數(shù)組合不一致問(wèn)題。這三種形式參數(shù)組合不一致問(wèn)題導(dǎo)致我們?cè)趨?shù)解析的過(guò)程中必須為不同的參數(shù)組合都單獨(dú)來(lái)解析生成 LAMMPS 計(jì)算的輸入文件，這樣的實(shí)現(xiàn)方式不具備通用性，并且使解析參數(shù)工作變得復(fù)雜和繁冗。這給想在第三方平臺(tái)集成LAMMPS 軟件的開(kāi)發(fā)用戶帶來(lái)很大的困難。

為了使 LAMMPS 軟件的開(kāi)發(fā)用戶高效的開(kāi)展集成工作，本文提出 LAMMPS 參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范和LAMMPS 參數(shù)解析引擎。首先通過(guò) LAMMPS 參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范將 LAMMPS 軟件中不同參數(shù)組合納入?yún)?shù)數(shù)據(jù)規(guī)范體系。然后我們通過(guò) LAMMPS 參數(shù)解析引擎來(lái)統(tǒng)一解析不同的參數(shù)組合，從而以通用且友好的方式集成 LAMMPS 軟件中的不同材料性質(zhì)計(jì)算工具。這套標(biāo)準(zhǔn)不僅僅局限于將 LAMMPS 軟件集成在MatCloud 平臺(tái)，更應(yīng)該是一種在第三方平臺(tái)上集成LAMMPS 軟件的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

本項(xiàng)目基于 MatCloud 平臺(tái)，利用 MatCloud 已有的科學(xué)工作流框架[12]，作業(yè)管理框架以及平臺(tái)計(jì)算資源，集成 LAMMPS 軟件。包括界面模塊 (用戶設(shè)置計(jì)算參數(shù))、后臺(tái)模塊 (解析用戶參數(shù)、提交計(jì)算作業(yè)、結(jié)果抽取)、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊 (存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果)。為L(zhǎng)AMMPS 軟件提供圖形化交互界面以及自動(dòng)化的使用流程。

本文內(nèi)容安排如下：第 1 節(jié)介紹本文研究的主要內(nèi)容以及研究方法，第 2 節(jié)介紹集成 LAMMPS 的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，其中 2.1 節(jié)描述了 LAMMPS 軟件集成流程，2.2 節(jié)描述了 LAMMPS 參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范，2.3 描述了 LAMMPS 參數(shù)解析引擎。第 3 節(jié)介紹了應(yīng)用案例，其中描述了粘度性質(zhì)計(jì)算和熱導(dǎo)率性質(zhì)計(jì)算參數(shù)并進(jìn)行對(duì)比。第 4 節(jié)做總結(jié)。

1 研究?jī)?nèi)容和方法

目前國(guó)外集成了 LAMMPS 軟件的材料計(jì)算軟件的有 MedeA，Pymatgen 和 ASE。Pymatgen 和 ASE用 Python 腳本封裝了 LAMMPS 的命令，用戶可以通過(guò)編寫 Python 腳本來(lái)運(yùn)行 LAMMPS 軟件[9-10]，Pymatgen 和 ASE 需要用戶熟悉 Python 編程，且沒(méi)有自動(dòng)化的使用流程。因此對(duì)于初學(xué)者使用起來(lái)不友好。MedeA 是一種圖形化界面軟件，目前已經(jīng)集成了LAMMPS，VASP 等材料計(jì)算軟件的部分功能[8]，它是基于客戶端/服務(wù)器的架構(gòu)模式。用戶需要在本地安裝軟件，并且數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在本地，需要消耗本地大量的計(jì)算資源和存儲(chǔ)空間。因此相對(duì)于一般用戶，使用代價(jià)過(guò)于昂貴。目前國(guó)內(nèi)在這個(gè)領(lǐng)域基本是處于空白狀態(tài)。

LAMMPS 軟件中的不同的材料性質(zhì)計(jì)算都包含輸入文件和輸出文件[5]。輸入文件 (LAMMPS.in) 中描述了計(jì)算參數(shù)的配置和所需要計(jì)算的材料性質(zhì)。輸出文件 (LAMMPS.logs) 描述了計(jì)算的中間狀態(tài)結(jié)果和所需要計(jì)算的材料性質(zhì)結(jié)果。本文的核心是如何快速高效的解析參數(shù)生成 LAMMPS 計(jì)算的輸入文件(LAMMPS.in)。

LAMMPS 軟件參數(shù)較復(fù)雜，且很多參數(shù)之間有復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系。給集成工作帶來(lái)很大的難度。主要?dú)w結(jié)為以下三種形式的參數(shù)集合不一致問(wèn)題：

LAMMPS 軟件中不同材料性質(zhì)計(jì)算的 (粘度計(jì)算、熱導(dǎo)率計(jì)算等) 參數(shù)組合不一致問(wèn)題：比如LAMMPS 軟件中的粘度性質(zhì)計(jì)算和熱導(dǎo)率性質(zhì)計(jì)算所需要執(zhí)行的 LAMMPS 命令組合不同，以至于我們需要為不同的計(jì)算功能模塊單獨(dú)來(lái)編碼解析，這樣的實(shí)現(xiàn)方式不具備通用性且工作量太大。

LAMMPS 軟件中不同 LAMMPS 命令 (fix、pair_style、compute 命令等) 的參數(shù)組合不一致問(wèn)題：如LAMMPS 中的 fix 命令下有六個(gè)參數(shù)需要設(shè)置，而pair_style 命令只有兩個(gè)參數(shù)需要設(shè)置。以至于我們需要為不同 LAMMPS 命令中的參數(shù)組合都單獨(dú)來(lái)編碼解析，這樣的實(shí)現(xiàn)方式不具備通用性且工作量太大。

LAMMPS 軟件中同一個(gè) LAMMPS 命令中參數(shù)組合不一致問(wèn)題：如 LAMMPS 中 fix 命令下的 style參數(shù)，當(dāng) style 參數(shù)取不同的值的時(shí)候，用戶需要附加設(shè)置的參數(shù)不一樣。當(dāng) style 取值為 ave/time 時(shí)，需要附加設(shè)置 Nevery、Nrepeat、Nfreq、Values 參數(shù)，當(dāng) style 取值為 langevin 時(shí)，需要附加設(shè)置 start_Temperature、stop_Temperature、damp、seed，這樣就導(dǎo)致在同一個(gè) LAMMPS 命令中由于設(shè)置 style 參數(shù)值的不同而需要設(shè)置的附加參數(shù)不同的問(wèn)題，以至于我們需要為同一個(gè) LAMMPS 命令中不同參數(shù)組合都單獨(dú)來(lái)編碼解析，這樣的實(shí)現(xiàn)方式不具備通用性且工作量太大。

正由于如上描述的三個(gè)問(wèn)題，使得開(kāi)發(fā)人員在第三方平臺(tái)上集成 LAMMPS 軟件變得比較困難。為了高效快捷的集成 LAMMPS 軟件，本文提出 LAMMPS參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范以及 LAMMPS 參數(shù)解析引擎。首先通過(guò) LAMMPS 參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范將 LAMMPS 軟件中不同參數(shù)組合納入?yún)?shù)數(shù)據(jù)規(guī)范體系。然后我們通過(guò) LAMMPS 參數(shù)解析引擎來(lái)統(tǒng)一解析不同的參數(shù)組合。LAMMPS 參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范由三個(gè)層級(jí)組成，分別對(duì)應(yīng)著解決上面描述的三個(gè)不同問(wèn)題。一級(jí)參數(shù)的設(shè)計(jì)主要是為了解決 LAMMPS 軟件中不同材料性質(zhì)計(jì)算(如粘度、熱導(dǎo)率計(jì)算等)中參數(shù)組合不一致問(wèn)題；二級(jí)參數(shù)的設(shè)計(jì)主要是為了解決 LAMMPS 軟件不同LAMMPS 命令 (fix、pair_style、compute 命令等) 參數(shù)組合不一致問(wèn)題；三級(jí)參數(shù)的設(shè)計(jì)主要是為了解決LAMMPS 軟件中同一個(gè) LAMMPS 命令參數(shù)組合不一致問(wèn)題。將 LAMMPS 軟件中不同參數(shù)組合納入?yún)?shù)數(shù)據(jù)規(guī)范體系，再統(tǒng)一通過(guò) LAMMPS 參數(shù)解析引擎去解析，不必要為每種參數(shù)組合都單獨(dú)編碼解析，減少集成的工作量并使實(shí)現(xiàn)方式更具備通用性和擴(kuò)展性。

本課題組推出了國(guó)內(nèi)首個(gè)高通量材料計(jì)算及數(shù)據(jù)管理云平臺(tái) MatCloud[6]。MatCloud 直接與計(jì)算集群相連。支持跨地域集群調(diào)度，圖形化建模，復(fù)雜流程設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)作業(yè)在線提交和監(jiān)控、結(jié)果分?jǐn)?shù)據(jù)提取和數(shù)據(jù)管理自動(dòng)化。且用戶只需要通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)MatCloud 平臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)材料計(jì)算和數(shù)據(jù)管理[11]。操作簡(jiǎn)單和方便。因此在 MatCloud 上集成 LAMMPS 是非常有意義的工作，一方面使 MatCloud 平臺(tái)支持了跨尺度材料研究，擴(kuò)大 MatCloud 的生態(tài)圈。另一方面，也制定出在第三方平臺(tái)上集成 LAMMPS 軟件的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

為了高效快捷的在 MatCloud 平臺(tái)上集成LAMMPS 軟件，一方面我們提出了 LAMMPS 參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范以及 LAMMPS 參數(shù)解析引擎，另一方面我們可以利用 MatCloud 強(qiáng)大的工作流框架，快速的實(shí)現(xiàn)集成流程。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)主要分為三部分來(lái)描述，其中 2.1 描述 LAMMPS 軟件集成流程，2.2 描述LAMMPS 參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范，2.3 描述 LAMMPS 參數(shù)解析引擎。

2.1 LAMMPS 軟件集成流程

LAMMPS 軟件集成架構(gòu)由前端界面 (Browser)、服務(wù)器端 (Server)、數(shù)據(jù)庫(kù) (Database) 三部分構(gòu)成。開(kāi)發(fā)用戶編寫前端界面獲取用戶對(duì)于不同 LAMMPS材料性質(zhì)計(jì)算的參數(shù)。然后通過(guò) LAMMPS 參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范 (Parameter Scheme) 將不同 LAMMPS材料性質(zhì)計(jì)算的不同參數(shù)組合整理為 Unique parameter description。然后將 Unique parameter description 傳遞到服務(wù)器端。服務(wù)器端首先啟動(dòng)參數(shù)解析引擎(Parameter Parser Engine)，解析 Unique Parameter Description，生成 LAMMPS 軟件的輸入文件 LAMMPS.in。再結(jié)合 LAMMPS 建模產(chǎn)生的LAMMPS 構(gòu)型文件 (LAMMPS Input Structure) 進(jìn)行LAMMPS 計(jì)算 (Calculate)。計(jì)算完成之后，從計(jì)算結(jié)果文件中抽取結(jié)果信息 (Extract result)。最后把結(jié)果信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù) (Database) 中。

2.2 LAMMPS 參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范

LAMMPS 軟件存在多種計(jì)算參數(shù)集合不一致的問(wèn)題。本文提出 LAMMPS 參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范，不同的LAMMPS 參數(shù)集合都可以納入三個(gè)層級(jí)。三個(gè)層級(jí)參數(shù)的概要說(shuō)明如下：

(1) 總體數(shù)據(jù)規(guī)范

一級(jí)參數(shù)全集是由全體 LAMMPS 命令組成。一級(jí)參數(shù)的設(shè)計(jì)主要是為了解決 LAMMPS 軟件不同材料性質(zhì)計(jì)算 (粘度計(jì)算、熱導(dǎo)率計(jì)算等) 參數(shù)組合不一致問(wèn)題，不同的 LAMMPS 材料性質(zhì)計(jì)算所需要的LAMMPS 命令組合不一樣。為了統(tǒng)一起來(lái)，不同的LAMMPS 材料性質(zhì)計(jì)算所需要的 LAMMPS 命令組合都可以看作一級(jí)參數(shù)全集的子集。從而，我們就實(shí)現(xiàn)了不同的 LAMMPS 材料性質(zhì)計(jì)算中不同 LAMMPS命令組合的統(tǒng)一。全體一級(jí)參數(shù)分為簡(jiǎn)單一級(jí)參數(shù)和復(fù)雜一級(jí)參數(shù)。簡(jiǎn)單一級(jí)參數(shù)的值的類型是基本類型(Int,、Float,、String) 和數(shù)組類型，復(fù)雜一級(jí)參數(shù)的值類型是對(duì)象類型，對(duì)象類型中的變量成員由二級(jí)參數(shù)組成。

圖1 LAMMPS 軟件集成架構(gòu)圖Fig.1 LAMMPS software integration architecture diagram

圖2 總體數(shù)據(jù)規(guī)范描述Fig.2 Overall data normalization description

二級(jí)參數(shù)全集由六部分組成，包括 I D、groupID、style、args、keywords、values。二級(jí)參數(shù)的設(shè)計(jì)主要是為了解決 LAMMPS 軟件不同 LAMMPS命令 (如 fix、pair_style、compute 命令等) 參數(shù)組合不一致問(wèn)題，復(fù)雜的一級(jí)對(duì)象由二級(jí)參數(shù)組成，不同的復(fù)雜一級(jí)對(duì)象下的二級(jí)參數(shù)組合不同。為了統(tǒng)一起來(lái)，不同的復(fù)雜一級(jí)參數(shù)對(duì)應(yīng)的二級(jí)參數(shù)組合是二級(jí)參數(shù)全集的不同子集。從而，我們就可以將不同LAMMPS 命令中不同參數(shù)組合統(tǒng)一起來(lái)。全體二級(jí)參數(shù)分為簡(jiǎn)單二級(jí)參數(shù)和復(fù)雜二級(jí)參數(shù)，簡(jiǎn)單二級(jí)參數(shù)的值的類型是基本類型 (Int、Float,、String) 和數(shù)組類型，復(fù)雜二級(jí)參數(shù)的值的類型是對(duì)象類型。對(duì)象類型中的變量成員由三級(jí)參數(shù)組成。

三級(jí)參數(shù)的全集是 args 對(duì)象下所有可能出現(xiàn)的附屬參數(shù)。三級(jí)參數(shù)的設(shè)計(jì)主要是為了解決 LAMMPS軟件同一個(gè) LAMMPS 命令參數(shù)組合不一致問(wèn)題。復(fù)雜二級(jí)參數(shù) args 對(duì)象由三級(jí)參數(shù)組成，二級(jí)參數(shù)style 取值不同，所對(duì)應(yīng) args 下面的三級(jí)參數(shù)組合不同。為了統(tǒng)一起來(lái)。args 對(duì)象中不同的附屬參數(shù)組合是三級(jí)參數(shù)全集的子集。從而，我們就可以將同一個(gè)LAMMPS 命令中不同參數(shù)組合統(tǒng)一起來(lái)。三級(jí)參數(shù)的取值類型都是簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型 (Int、Float 、String) 和數(shù)組類型。

通過(guò)定義以上三個(gè)層級(jí)參數(shù)，我們就可以用這一套數(shù)據(jù)參數(shù)規(guī)范去定義 LAMMPS 軟件中的參數(shù)。具體三個(gè)層級(jí)參數(shù)的描述參見(jiàn)下文：

(2) 一級(jí)參數(shù)規(guī)范

本文規(guī)定一級(jí)參數(shù)全集是由全體 LAMMPS 命令組成。不同的 LAMMPS 計(jì)算由不同的一級(jí)參數(shù)組合而成。

(3) 二級(jí)參數(shù)規(guī)范

本文規(guī)定二級(jí)參數(shù)全集由 ID、groupID、style、args、keywords、values 六個(gè)參數(shù)組成，不同的一級(jí)參數(shù)子級(jí)集合由這六個(gè)參數(shù)組合而成。

(4) 三級(jí)參數(shù)規(guī)范

本文規(guī)定三級(jí)參數(shù)的全集由所有的附加參數(shù)組成。二級(jí)參數(shù) style 取值不同，對(duì)應(yīng)著二級(jí)參數(shù) args下面的子級(jí)參數(shù)集合不同。

表1 部分一級(jí)參數(shù)描述Table 1 Partial fi rst-level parameter description

2.3 LAMMPS 參數(shù)解析引擎

LAMMPS 參數(shù)解析引擎的作用是將 LAMMPS參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范格式的 Unique parameter description 解析成為 LAMMPS 的輸入文件 LAMMPS.in 文件。參數(shù)解析引擎主要由三個(gè)組件構(gòu)成，分別是基本類型解析引擎、數(shù)組類型解析引擎、對(duì)象類型解析引擎。

基本類型解析引擎主要是解析簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型(Int、Float、String) 的參數(shù)。如 units、dimension 等。該類型參數(shù)不存在子級(jí)參數(shù)。包括一級(jí)簡(jiǎn)單類型參數(shù)、二級(jí)簡(jiǎn)單類型參數(shù)和三級(jí)參數(shù)。

表2 全體二級(jí)參數(shù)描述Table 2 All second-level parameter description

表3 部分三級(jí)參數(shù)描述Table 3 Partial third-level parameter description

圖3 LAMMPS 參數(shù)解析引擎描述Fig.3 LAMMPS parameter parsing engine description

圖4 粘度性質(zhì)計(jì)算參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范Fig.4 Viscosity property calculation parameter data specif i cation

圖5 熱導(dǎo)率計(jì)算參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范Fig.5 Thermal conductivity calculation parameter data normalization

圖6 粘度計(jì)算和熱導(dǎo)率計(jì)算部分一級(jí)參數(shù)說(shuō)明，解決了粘度性質(zhì)計(jì)算和熱導(dǎo)率性質(zhì)計(jì)算的 LAMMPS 命令組合不一致問(wèn)題Fig.6 Partial fi rst-level parameter description of viscosity calculation and thermal conductivity calculation.Solving the inconsistency of LAMMPS command combination for viscosity property calculation and thermal conductivity property calculation

圖7 粘度計(jì)算和熱導(dǎo)率計(jì)算部分二級(jí)參數(shù) (pair_style、compute) 說(shuō)明。分別解決了粘度性質(zhì)計(jì)算和熱導(dǎo)率性質(zhì)計(jì)算中的不同 LAMMPS 命令中參數(shù)組合不一致的問(wèn)題Fig.7 Partial second-level parameter description(pair_style、compute) of viscosity calculation and thermal conductivity calculation,solving the inconsistency of different LAMMPS commands parameter combination in viscosity property calculation and thermal conductivity property calculation

圖8 粘度計(jì)算和熱導(dǎo)率部分三級(jí)參數(shù)說(shuō)明，分別解決了粘度性質(zhì)計(jì)算和熱導(dǎo)率性質(zhì)計(jì)算的中同一個(gè) LAMMPS 命令(fix、compute) 中參數(shù)組合不一致的問(wèn)題Fig.8 Partial third-level parameter description (f i x、compute)of viscosity calculation and thermal conductivity calculation, solving the inconsistency of same LAMMPS commands parameter combination in viscosity property calculation and thermal conductivity property calculation

數(shù)組類型解析引擎主要是解析數(shù)組類型的參數(shù)。比如粘度計(jì)算中fix命令會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，可以把 fix 參數(shù)設(shè)置為數(shù)組類型。如二級(jí)參數(shù) keywords 和 values 都屬于數(shù)組類型，解析時(shí)都需要啟動(dòng)數(shù)組類型解析引擎。

對(duì)象解析引擎主要是解析對(duì)象類型的參數(shù)。比如說(shuō)一級(jí)復(fù)雜類型參數(shù)和二級(jí)復(fù)雜類型參數(shù)，這些參數(shù)值的類型都是對(duì)象類型，即存在子級(jí)參數(shù)。解析時(shí)需要啟動(dòng)對(duì)象類型解析引擎。

3 應(yīng)用案例

使用 LAMMPS 主要目的是計(jì)算材料的性質(zhì) (如粘度性質(zhì)、熱導(dǎo)率性質(zhì))?？梢灶A(yù)見(jiàn)今后將把更多材料性質(zhì)的計(jì)算集成到第三方平臺(tái) (如 MatCloud)。為了讓開(kāi)發(fā)者更好的在第三方平臺(tái)集成 LAMMPS 軟件。本文提出在第三方平臺(tái)集成 LAMMPS 的基本步驟：(1) 編寫 LAMMPS 性質(zhì)計(jì)算參數(shù)設(shè)置頁(yè)面 (2) 獲取前端設(shè)置參數(shù)信息并將其整理成規(guī)范格式 (Unique parameter description (3) 解析格式規(guī)范化的參數(shù)(Unique parameter description) 生成 LAMMPS 計(jì)算的輸入文件 (4) 再結(jié)合 LAMMPS 建模產(chǎn)生的 LAMMPS構(gòu)型文件 (LAMMPS Input Structure) 進(jìn)行 LAMMPS計(jì)算 (5) 抽取結(jié)果并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

在第三方平臺(tái)上集成 LAMMPS 軟件的核心在于如何將性質(zhì)計(jì)算參數(shù)信息整理成規(guī)范格式。下面圍繞這點(diǎn)來(lái)討論如何在 MatCloud 平臺(tái)上集成粘度計(jì)算和熱導(dǎo)率計(jì)算。

開(kāi)發(fā)人員需要參考 LAMMPS 軟件中粘度計(jì)算參數(shù)使用手冊(cè)，并依照本文提出的 LAMMPS 參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范，將前端設(shè)置粘度計(jì)算參數(shù)信息整理成如上所示的結(jié)構(gòu)，從左到右依次為一級(jí)參數(shù)、二級(jí)參數(shù)、三級(jí)參數(shù)。MatCloud -LAMMPS 會(huì)將整理好的參數(shù)(Unique parameter description) 傳遞給參數(shù)解析引擎，解析成粘度計(jì)算的輸入文件，再結(jié)合 LAMMPS建模產(chǎn)生的 LAMMPS 構(gòu)型文件 (LAMMPS Input Structure)啟動(dòng) LAMMPS 軟件進(jìn)行計(jì)算，并提取結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

開(kāi)發(fā)人員需要參考 LAMMPS 軟件中熱導(dǎo)率計(jì)算參數(shù)使用手冊(cè)，并依照本文提出的 LAMMPS 參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范，將前端設(shè)置熱導(dǎo)率計(jì)算參數(shù)信息整理成如上所示的結(jié)構(gòu)，從左到右依次為一級(jí)參數(shù)、二級(jí)參數(shù)、三級(jí)參數(shù)。然后將整理好參數(shù) (Unique parameter description) 傳遞給參數(shù)解析引擎，解析成熱導(dǎo)率計(jì)算的輸入文件，再結(jié)合 LAMMPS 建模產(chǎn)生的 LAMMPS構(gòu)型文件 (LAMMPS Input Structure) 啟動(dòng) LAMMPS軟件進(jìn)行計(jì)算，并提取結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

為了說(shuō)明 LAMMPS 參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范的通用性，本文將從三個(gè)層次對(duì) LAMMPS 軟件中粘度性質(zhì)計(jì)算和熱導(dǎo)率性質(zhì)計(jì)算進(jìn)行說(shuō)明。

第一，粘度性質(zhì)計(jì)算和熱導(dǎo)率性質(zhì)計(jì)算所需要的 LAMMPS 命令組合不一致，把 LAMMPS 的全體命令作為一級(jí)參數(shù)全集，這樣就將兩個(gè)材料性質(zhì)計(jì)算的所需的參數(shù)組合都統(tǒng)一為一級(jí)參數(shù)全集的不同子集。從而解決了粘度性質(zhì)計(jì)算和熱導(dǎo)率性質(zhì)計(jì)算的LAMMPS 命令組合不一致問(wèn)題。

第二，粘度計(jì)算和熱導(dǎo)率計(jì)算中不同 LAMMPS命令中參數(shù)組合不一致，如粘度計(jì)算的 velocity 和熱導(dǎo)率計(jì)算的 compute 參數(shù)。定義二級(jí)參數(shù)全集由ID、groupID、style、args、keywords、values 六個(gè)參數(shù)組成。這樣就將不同計(jì)算中 (如粘度計(jì)算和熱導(dǎo)率計(jì)算) 中的不同 LAMMPS 命令 (如 pair_style 和compute 命令) 中的二級(jí)參數(shù)組合都統(tǒng)一為二級(jí)參數(shù)全集的子集。從而分別解決了粘度性質(zhì)計(jì)算和熱導(dǎo)率性質(zhì)計(jì)算中的不同 LAMMPS 命令中參數(shù)組合不一致的問(wèn)題。

第三，同一個(gè) LAMMPS 命令中參數(shù)組合不一致，比如粘度計(jì)算和熱導(dǎo)率計(jì)算中都存在重復(fù)的命令(如 fi x、compute 命令)，但由于重復(fù)命令中的二級(jí)參數(shù) style 取值不同，導(dǎo)致重復(fù)命令中 args 對(duì)象不同 (即 args 對(duì)象下的附屬參數(shù)組合不同)。定義三級(jí)參數(shù)的全集是 args 對(duì)象下所有可能出現(xiàn)的附屬參數(shù)，不同 args 對(duì)象中不同的附屬參數(shù)組合是三級(jí)參數(shù)全集的子集。從而分別解決了粘度性質(zhì)計(jì)算和熱導(dǎo)率性質(zhì)計(jì)算的中同一個(gè) LAMMPS 命令中參數(shù)組合不一致的問(wèn)題。

4 結(jié)論

本文中我們主要討論在 MatCloud 平臺(tái)上集成LAMMPS 軟件的一種高效的實(shí)現(xiàn)方式，為了解決LAMMPS 軟件集成過(guò)程中出現(xiàn)的三種形式的計(jì)算參數(shù)組合不一致問(wèn)題，本文提出 LAMMPS 參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范和 LAMMPS 參數(shù)解析引擎。將 LAMMPS 的參數(shù)集合納入 LAMMPS 參數(shù)數(shù)據(jù)規(guī)范，通過(guò) LAMMPS參數(shù)解析引擎，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的高效解析。再結(jié)合MatCloud 平臺(tái)已有的科學(xué)工作流框架，作業(yè)管理框架以及平臺(tái)計(jì)算資源，我們可以高效自動(dòng)化的利用LAMMPS 軟件開(kāi)展分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，獲取材料在原子尺度的性質(zhì)。此外，本論文提出的 LAMMPS 參數(shù)描述和規(guī)范方法也可以應(yīng)用于其它平臺(tái)對(duì) LAMMPS軟件的集成，同時(shí)，也為不同軟件參數(shù)的規(guī)范化提供新的思路。

基于本文實(shí)現(xiàn)的方法，未來(lái)一方面將繼續(xù)集成更多的 LAMMPS 性質(zhì)計(jì)算工具，來(lái)獲取更多材料性質(zhì)。另一方面，由于目前可用于開(kāi)展 LAMMPS 計(jì)算的勢(shì)函數(shù)還比較少，因此，需要借助 MatCloud 已經(jīng)集成的第一性原理計(jì)算軟件 (VASP) 開(kāi)展大量的第一性原理計(jì)算，通過(guò)結(jié)果擬合或機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的方法[13-16]，快速構(gòu)建出用于分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算的勢(shì)函數(shù)，提高計(jì)算的準(zhǔn)確度。