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🧮 计算器脚本

计算器模块用于从 MD 轨迹、NEP 模型和结构文件中计算材料性质。

脚本位置： Scripts/calculators/

功能概览

计算器模块大致可以分为三类：

  • 轨迹性质： 从 GPUMD 或 extxyz 轨迹计算 MSD、离子电导率等时间相关性质；
  • NEP 辅助计算： 使用 NEP 模型预测能量/力/应力、提取描述符、计算 DOAS、进行 NEB 或结构优化；
  • 极性材料分析： 为钙钛矿和极性材料构建近邻列表、计算局域位移、平均结构、八面体倾转和局域极化。

如果你还不熟悉某个脚本，建议先用交互模式查看输入提示；如果已经知道参数，则可以直接使用 gpumdkit.sh -calc ... 调用。

任务 命令 主要输入
离子电导率 gpumdkit.sh -calc ionic-cond <element> <charge> msd.out、thermo.out、model.xyz
MSD gpumdkit.sh -calc msd <trajectory.xyz> <element> <dt_fs> extxyz 轨迹
NEP 预测 gpumdkit.sh -calc nep <input.xyz> <output.xyz> <nep.txt> extxyz + NEP 模型
NEP 描述符 gpumdkit.sh -calc des <input.xyz> <output.npy> <nep.txt> <element> extxyz + NEP 模型
DOAS gpumdkit.sh -calc doas <input.xyz> <nep.txt> <output.txt> extxyz + NEP 模型
NEB gpumdkit.sh -calc neb <initial.xyz> <final.xyz> <n_images> <nep.txt> 初末态结构
结构优化 gpumdkit.sh -calc minimize <structure> <nep.txt> [fmax] [max_steps] 结构 + NEP 模型
邻居列表 gpumdkit.sh -calc nlist ... 参见 极性材料分析
位移 gpumdkit.sh -calc disp ... 参见 极性材料分析
平均结构 gpumdkit.sh -calc avg-struct ... 参见 极性材料分析
八面体倾转 gpumdkit.sh -calc oct-tilt ... 参见 极性材料分析
ABO3 极化 gpumdkit.sh -calc pol-abo3 ... 参见 极性材料分析

查看完整帮助：

gpumdkit.sh -calc -h

命令行帮助表类似：

+-------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                      CALCULATOR TOOLS                                                 |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| Usage: gpumdkit.sh -calc <type> [args...]                                                             |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| ionic-cond <element> <charge>                 Calculate ionic conductivity from MSD data              |
| nep <input.xyz> <output.xyz> <nep_model>      Calculate energy/force/virial with a NEP model          |
| des <input.xyz> <output.npy> <nep_model> <el> Calculate NEP descriptors for one element               |
| doas <input.xyz> <nep_model> <output.txt>     Calculate density of atomistic states                   |
| neb <initial.xyz> <final.xyz> <n_images> <nep> Run NEB calculation with a NEP model                   |
| minimize <structure> <nep_model> [fmax] [n]   Minimize a structure with a NEP model                   |
| msd <trajectory.xyz> <element> <dt_fs> [n]    Calculate MSD from an extxyz trajectory                 |
| nlist [script args...]                        Build neighbor lists                                    |
| disp [script args...]                         Calculate displacement from trajectory                  |
| avg-struct [script args...]                   Calculate averaged structure                            |
| oct-tilt [script args...]                     Calculate octahedral tilt                               |
| pol-abo3 [script args...]                     Calculate local polarization for ABO3                   |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------+

交互模式中选择 4) Calculators，菜单如下：

+----------------------------------------------------------+
|                     CALCULATOR TOOLS                     |
+----------------------------------------------------------+
| 401) Calc ionic conductivity                             |
| 402) Calc properties by nep                              |
| 403) Calc descriptors of specific elements               |
| 404) Calc density of atomistic states (DOAS)             |
| 405) Calc nudged elastic band (NEB) by nep               |
| 406) Build neighbor list                                 |
| 407) Calc displacement from trajectory                   |
| 408) Calc averaged structure                             |
| 409) Calc octahedral tilt                                |
| 410) Calc polarization for ABO3                          |
| 411) Minimize structure by nep                           |
| 412) Calc mean square displacement (MSD) from trajectory |
+----------------------------------------------------------+
| 000) Return to the main menu                             |
+----------------------------------------------------------+
Input the function number:

离子电导率

calc_ion_conductivity.py 从 msd.out 计算离子扩散系数和离子电导率。

gpumdkit.sh -calc ionic-cond Li 1

交互模式选择 401，会看到：

>-------------------------------------------------<
| This function calls the script in calculators   |
| Script: calc_ion_conductivity.py                |
| Developer: Zihan YAN (yanzihan@westlake.edu.cn) |
>-------------------------------------------------<
Input <element> <charge> (eg. Li 1)
------------>>

常用输入文件：

文件 作用
msd.out 必需，MSD 数据
thermo.out 可选，自动读取温度
model.xyz 可选，自动读取体积和离子数
run.in 可选，识别扩胞信息

如果缺少自动识别所需文件，脚本会交互式询问温度、体积和离子数。

手动模式的提示类似：

Files 'thermo.out' and 'model.xyz' are not found.
Please provide the following values:
--------------------------->
Enter average temperature (in K):
Enter system volume (in A^3):
Enter number of ions:

输出示例：

Diffusivity (D):
  D_x: 4.153e-07 cm^2/s
  D_y: 4.174e-07 cm^2/s
  D_z: 2.610e-07 cm^2/s
  D_total: 3.646e-07 cm^2/s
------------------------------
Ionic Conductivity:
  Sigma_x: 2.576e-02 mS/cm
  Sigma_y: 2.589e-02 mS/cm
  Sigma_z: 1.619e-02 mS/cm
  Sigma_total: 2.261e-02 mS/cm

从轨迹计算 MSD

calc_msd.py 可以直接从 extxyz 轨迹中计算指定元素的 MSD。

gpumdkit.sh -calc msd dump.xyz Li 10
gpumdkit.sh -calc msd dump.xyz Li 10 5000

交互模式选择 412，会看到：

Input <extxyz_file> <element_symbol> <dt_fs> [max_corr_steps]
  Optional argument: max_corr_steps (default: frame number)
Example: dump.xyz Li 10
------------>>

参数含义：

参数 含义
dump.xyz 输入轨迹
Li 目标扩散元素
10 帧间隔，单位 fs
5000 可选，最大相关步数

输出：

  • msd.out

msd.out 的开头是文本表格，包含时间和不同方向的 MSD 列。生成后可以继续使用绘图命令检查扩散区间和自扩散系数。

随后可绘图：

gpumdkit.sh -plt msd
gpumdkit.sh -plt sdc
MSD plot SDC plot

NEP 预测性质

calc_properties_with_nep.py 使用训练好的 NEP 模型计算能量、力和应力。

依赖： calorine

pip install calorine

gpumdkit.sh -calc nep structures.xyz predictions.xyz nep.txt

使用此功能可以用训练好的 NEP 模型进行预测。建议在使用前先验证模型在目标结构上的预测质量，再将输出作为后续分析或筛选依据。

提示： 预测前可以清理 extxyz 元数据：

gpumdkit.sh -clean_xyz train.xyz clean_train.xyz

NEP 描述符

gpumdkit.sh -calc des train.xyz descriptors.npy nep.txt Li

用途包括：

  • 用 PCA/UMAP 可视化局域环境；
  • 比较训练集和候选结构；
  • 判断新数据是否扩展了描述符空间。

绘图：

gpumdkit.sh -plt des pca
gpumdkit.sh -plt des umap
Descriptor UMAP

DOAS

calc_doas.py 用于计算 Wang et al. 提出的 density of atomistic states。

gpumdkit.sh -calc doas structures.xyz nep.txt doas.out
gpumdkit.sh -plt doas doas.out Li

脚本会：

  1. 读取所有结构；
  2. 使用 NEP 进行结构优化；
  3. 提取每个原子的能量；
  4. 按元素分组输出；
  5. 用绘图脚本可视化分布。

对于很大的体系，如果主要目的是获得优化后的结构和原子能量分布，直接在 GPUMD 中完成最小化和原子能量输出通常会更高效。

Density of atomistic states

NEB 和结构优化

NEB：

gpumdkit.sh -calc neb initial.xyz final.xyz 9 nep.txt

这会使用 NEP 模型运行含 9 个中间像的 NEB 计算。运行过程中脚本会询问原子固定方式：

  • none：不固定原子；
  • index：按原子序号固定；
  • element：固定某一种元素的所有原子；
  • position：固定坐标范围内的原子。

结构优化（通过 calorine）：

依赖： calorine

pip install calorine

gpumdkit.sh -calc minimize POSCAR nep.txt 0.01 1000

输出包括：

  • minimize.xyz
  • minimize.log

使用 OVITO 计算 RDF

rdf_calculator_ovito.py 使用 OVITO 的分析工具计算径向分布函数。

依赖： OVITO

pip install ovito

输入文件： 结构文件（单帧或轨迹）

python Scripts/calculators/rdf_calculator_ovito.py trajectory.xyz 6.0 400

参数：

参数 含义
trajectory.xyz 输入结构文件
6.0 RDF 计算的最大距离（Å）
400 直方图的分箱数

可视化：

gpumdkit.sh -plt rdf

注意： 建议优先使用 GPUMD 中的 compute_rdf 命令。

铁电和极性材料工具

选项 406–410 面向钙钛矿和极性材料分析，常用于从 MD 轨迹中提取局域结构信息，然后进一步分析相变、畴结构或极化纹理。

这些脚本在本页只做快速索引，因为它们通常需要组合使用。推荐阅读专题教程中的完整工作流和参数说明：极性材料分析。

菜单 CLI 子命令 作用 详细说明
406 gpumdkit.sh -calc nlist ... 构建指定中心原子和近邻原子之间的近邻列表 极性材料分析
407 gpumdkit.sh -calc disp ... 根据轨迹和近邻列表计算局域位移 极性材料分析
408 gpumdkit.sh -calc avg-struct ... 从轨迹中计算平均结构 极性材料分析
409 gpumdkit.sh -calc oct-tilt ... 计算八面体倾转角 极性材料分析
410 gpumdkit.sh -calc pol-abo3 ... 根据 Born 有效电荷估算 ABO3 局域极化 极性材料分析

部分脚本需要安装 ferrodispcalc：

pip3 install git+https://github.com/MoseyQAQ/ferrodispcalc.git

一个典型顺序是先用 nlist 建立近邻列表，再用该近邻列表计算位移、倾转或极化。对于平均结构，可以直接从轨迹出发，用长度容差控制哪些帧参与平均。