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快速上手DeePMD数据集准备 | CP2K篇
AI4S
CP2K
dpdata
AI4SCP2Kdpdata
ZhexuanS
发布于 2023-09-14
推荐镜像 :Basic Image:ubuntu22.04-py3.10
推荐机型 :c2_m4_cpu
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CP2K_dpdata(v3)

快速上手DeePMD数据集准备 | CP2K篇

代码
文本

©️ Copyright 2023 @ Authors
作者：宋哲轩 📨
日期：2023-09-14
共享协议：本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。
快速开始：点击上方的 开始连接 按钮，选择 ubuntu:22.04-py3.10 镜像及任意节点配置，稍等片刻即可运行。

代码
文本

本文使用dpdata对CP2K生成的第一性原理数据(单点能计算,在本文简记为fp & 从头算分子动力学aimd)进行格式转化，得到DeePMD-kit可以直接使用的npy格式

学习基础：CP2K基本知识

软件使用：CP2K(2022.2), dpdata(0.2.16), cp2kdata(v0.4.3)

dpdata/cp2kdata对现有CP2K版本支持情况：fp_output(-2023), AIMD_output(-2023)

* 🎉最新版的dpdata/cp2kdata对CP2K的支持版本进行了较大更新——CP2K7.1, 8.x, 9.x, 2022等(详情见github主页)。

特别感谢：@njzjz @robinzyb @ChiahsinChu @link89 ...每一位开发者的贡献~💕

代码
文本

1. CP2K输入文件要求

  1. PRINT LEVERL选择MEDIUM及以上

  2. 对于单点计算时，选择RUN_TYPE ENERGY_FORCE

  3. 打开输出力的选项：

    fp:&FORCE_EVAL &PRINT &FORCES

    aimd:&MOTION &PRINT &FORCES

当前文件夹下包含了从头算分子动力学(aimd)和单点计算(fp)的输出结果

文件夹下还提供了lbg直接提交CP2K任务的job_cp2k.json

代码
文本
[1]
# 复制bohr数据集中所需文件到当前目录
! cp -r /bohr/0914-yiic/v3/* .
代码
文本
[2]
! tree ./00_fp
! tree ./00_aimd
./00_fp
├── 000
│   ├── STDOUTERR
│   ├── input.inp
│   ├── job_cp2k.json
│   ├── lbg-13387-8917799.sh
│   ├── lbg-13387-8917799.sh.bak
│   ├── lbg-13387-8918922.sh
│   ├── lbg-13387-8918922.sh.bak
│   └── output.log
└── 001
    ├── STDOUTERR
    ├── input.inp
    ├── job_cp2k.json
    ├── lbg-13387-8917816.sh
    ├── lbg-13387-8917816.sh.bak
    ├── lbg-13387-8918924.sh
    ├── lbg-13387-8918924.sh.bak
    └── output.log

2 directories, 16 files
./00_aimd
├── 000
│   ├── STDOUTERR
│   ├── aimd-1.ener
│   ├── aimd-1.restart
│   ├── aimd-1.restart.bak-1
│   ├── aimd-1.restart.bak-2
│   ├── aimd-frc-1.xyz
│   ├── aimd-pos-1.xyz
│   ├── input.inp
│   ├── job_cp2k.json
│   ├── lbg-13387-8917653.sh
│   ├── lbg-13387-8917653.sh.bak
│   ├── lbg-13387-8918919.sh
│   ├── lbg-13387-8918919.sh.bak
│   └── output.log
└── 001
    ├── STDOUTERR
    ├── aimd-1.ener
    ├── aimd-1.restart
    ├── aimd-1.restart.bak-1
    ├── aimd-1.restart.bak-2
    ├── aimd-frc-1.xyz
    ├── aimd-pos-1.xyz
    ├── input.inp
    ├── job_cp2k.json
    ├── lbg-13387-8917688.sh
    ├── lbg-13387-8917688.sh.bak
    ├── lbg-13387-8918920.sh
    ├── lbg-13387-8918920.sh.bak
    └── output.log

2 directories, 28 files
代码
文本

2. fp输出处理

2.1 单个结构

dpdata.LabeledSystem('file',fmt='cp2k/output')

代码
文本
[3]
# 更新dpdata,cp2kdata
! pip install -U dpdata
! pip install -U cp2kdata
import dpdata
import numpy as np
Looking in indexes: https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple
Requirement already satisfied: dpdata in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (0.2.14)
Collecting dpdata
  Downloading https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/packages/44/cd/e769009f379cb693d51c69022a7e80dea2685a8283515b883c23336a9de4/dpdata-0.2.16-py3-none-any.whl (137 kB)
     ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 137.3/137.3 kB 2.6 MB/s eta 0:00:00a 0:00:01
Requirement already satisfied: h5py in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (from dpdata) (3.8.0)
Requirement already satisfied: monty in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (from dpdata) (2022.9.9)
Requirement already satisfied: wcmatch in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (from dpdata) (8.4.1)
Requirement already satisfied: numpy>=1.14.3 in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (from dpdata) (1.24.2)
Requirement already satisfied: scipy in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (from dpdata) (1.10.1)
Requirement already satisfied: bracex>=2.1.1 in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (from wcmatch->dpdata) (2.3.post1)
Installing collected packages: dpdata
  Attempting uninstall: dpdata
    Found existing installation: dpdata 0.2.14
    Uninstalling dpdata-0.2.14:
      Successfully uninstalled dpdata-0.2.14
Successfully installed dpdata-0.2.16
WARNING: Running pip as the 'root' user can result in broken permissions and conflicting behaviour with the system package manager. It is recommended to use a virtual environment instead: https://pip.pypa.io/warnings/venv
Looking in indexes: https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple
Collecting cp2kdata
  Downloading https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/packages/cd/e4/5cfaea8d3f073592c9f2345dbbbbd75b234586c9c70fc8b3c838f1fd31ae/Cp2kData-0.4.3-py3-none-any.whl (39 kB)
Collecting numpy>=1.24.3
  Downloading https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/packages/71/3c/3b1981c6a1986adc9ee7db760c0c34ea5b14ac3da9ecfcf1ea2a4ec6c398/numpy-1.25.2-cp310-cp310-manylinux_2_17_x86_64.manylinux2014_x86_64.whl (18.2 MB)
     ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 18.2/18.2 MB 22.5 MB/s eta 0:00:0000:0100:01
Requirement already satisfied: monty in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (from cp2kdata) (2022.9.9)
Collecting matplotlib>=3.3.2
  Downloading https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/packages/f6/ec/bd1fb2338012d6ff57046ab73bf9c962b12c80d8e5848bf233846ebbc876/matplotlib-3.7.3-cp310-cp310-manylinux_2_17_x86_64.manylinux2014_x86_64.whl (11.6 MB)
     ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 11.6/11.6 MB 12.3 MB/s eta 0:00:0000:0100:01
Requirement already satisfied: scipy>=1.5.4 in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (from cp2kdata) (1.10.1)
Collecting regex
  Downloading https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/packages/d1/df/460ca6171a8494fcf37af43f52f6fac23e38784bb4a26563f6fa01ef6faf/regex-2023.8.8-cp310-cp310-manylinux_2_17_x86_64.manylinux2014_x86_64.whl (771 kB)
     ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 771.9/771.9 kB 21.6 MB/s eta 0:00:0000:01
Requirement already satisfied: dpdata in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (from cp2kdata) (0.2.16)
Collecting click
  Downloading https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/packages/00/2e/d53fa4befbf2cfa713304affc7ca780ce4fc1fd8710527771b58311a3229/click-8.1.7-py3-none-any.whl (97 kB)
     ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 97.9/97.9 kB 29.0 MB/s eta 0:00:00
Collecting ase>=3.20.1
  Downloading https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/packages/38/b0/3c0a7afaf66274588216c251376ac2bea0269eb7a5e1da77521811060553/ase-3.22.1-py3-none-any.whl (2.2 MB)
     ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2.2/2.2 MB 26.0 MB/s eta 0:00:00a 0:00:01
Requirement already satisfied: python-dateutil>=2.7 in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (from matplotlib>=3.3.2->cp2kdata) (2.8.2)
Collecting contourpy>=1.0.1
  Downloading https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/packages/aa/55/02c6d24804592b862b38a85c9b3283edc245081390a520ccd11697b6b24f/contourpy-1.1.0-cp310-cp310-manylinux_2_17_x86_64.manylinux2014_x86_64.whl (300 kB)
     ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 300.7/300.7 kB 30.4 MB/s eta 0:00:00
Collecting kiwisolver>=1.0.1
  Downloading https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/packages/6f/40/4ab1fdb57fced80ce5903f04ae1aed7c1d5939dda4fd0c0aa526c12fe28a/kiwisolver-1.4.5-cp310-cp310-manylinux_2_12_x86_64.manylinux2010_x86_64.whl (1.6 MB)
     ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1.6/1.6 MB 33.0 MB/s eta 0:00:00a 0:00:01
Collecting cycler>=0.10
  Downloading https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/packages/5c/f9/695d6bedebd747e5eb0fe8fad57b72fdf25411273a39791cde838d5a8f51/cycler-0.11.0-py3-none-any.whl (6.4 kB)
Collecting pyparsing>=2.3.1
  Downloading https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/packages/39/92/8486ede85fcc088f1b3dba4ce92dd29d126fd96b0008ea213167940a2475/pyparsing-3.1.1-py3-none-any.whl (103 kB)
     ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 103.1/103.1 kB 22.5 MB/s eta 0:00:00
Collecting pillow>=6.2.0
  Downloading https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/packages/3d/36/e78f09d510354977e10102dd811e928666021d9c451e05df962d56477772/Pillow-10.0.0-cp310-cp310-manylinux_2_28_x86_64.whl (3.4 MB)
     ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 3.4/3.4 MB 45.3 MB/s eta 0:00:0000:0100:01
Collecting fonttools>=4.22.0
  Downloading https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/packages/2b/e8/61b8525acf26ec222518bdff127ae502bfa3408981fb5e5493f2b037d7fb/fonttools-4.42.1-cp310-cp310-manylinux_2_17_x86_64.manylinux2014_x86_64.whl (4.5 MB)
     ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 4.5/4.5 MB 65.0 MB/s eta 0:00:0000:0100:01
Requirement already satisfied: packaging>=20.0 in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (from matplotlib>=3.3.2->cp2kdata) (23.0)
Requirement already satisfied: h5py in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (from dpdata->cp2kdata) (3.8.0)
Requirement already satisfied: wcmatch in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (from dpdata->cp2kdata) (8.4.1)
Requirement already satisfied: six>=1.5 in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (from python-dateutil>=2.7->matplotlib>=3.3.2->cp2kdata) (1.16.0)
Requirement already satisfied: bracex>=2.1.1 in /opt/mamba/lib/python3.10/site-packages (from wcmatch->dpdata->cp2kdata) (2.3.post1)
Installing collected packages: regex, pyparsing, pillow, numpy, kiwisolver, fonttools, cycler, click, contourpy, matplotlib, ase, cp2kdata
  Attempting uninstall: numpy
    Found existing installation: numpy 1.24.2
    Uninstalling numpy-1.24.2:
      Successfully uninstalled numpy-1.24.2
Successfully installed ase-3.22.1 click-8.1.7 contourpy-1.1.0 cp2kdata-0.4.3 cycler-0.11.0 fonttools-4.42.1 kiwisolver-1.4.5 matplotlib-3.7.3 numpy-1.25.2 pillow-10.0.0 pyparsing-3.1.1 regex-2023.8.8
WARNING: Running pip as the 'root' user can result in broken permissions and conflicting behaviour with the system package manager. It is recommended to use a virtual environment instead: https://pip.pypa.io/warnings/venv
代码
文本
[4]
# 使用LabeledSystem读取CP2K的单点能输出文件
data=dpdata.LabeledSystem('00_fp/000/output.log',fmt='cp2k/output')
print(data)
Data Summary
Labeled System
-------------------
Frame Numbers      : 1
Atom Numbers       : 1000
Including Virials  : No
Element List       :
-------------------
C  O  H
300  300  400
代码
文本

通过打印的输出信息，我们得到data读取了1帧结构，其含有1000个原子数目，无维里信息(取决于实际需求，维里信息非训练必要数据)；体系包含C,O,H三种元素，对应原子数目为300,300,400

🎈小tip：如果我们希望dpdata按照指定元素顺序输出，可增加type_map关键词：

代码
文本
[5]
# 指定元素顺序进行dpdata读取/转换
data=dpdata.LabeledSystem('00_fp/000/output.log',fmt='cp2k/output',type_map=['H','C','O'])
print(data)
Data Summary
Labeled System
-------------------
Frame Numbers      : 1
Atom Numbers       : 1000
Including Virials  : No
Element List       :
-------------------
H  C  O
400  300  300
代码
文本
[6]
# 转化为deepmd的数据格式并输出到指定位置
data.to_deepmd_npy('./01_dp/fp_single/',fmt='deepmd-npy')
! tree ./01_dp/fp_single/
./01_dp/fp_single/
├── set.000
│   ├── box.npy
│   ├── coord.npy
│   ├── energy.npy
│   └── force.npy
├── type.raw
└── type_map.raw

1 directory, 6 files
代码
文本

至此，deepmd-npy格式的文件已经输出至指定位置

其中，各文件的含义如下：

  • type_map.raw: 体系的元素，其位置序号为0, 1, 2...
  • type.raw: 体系的原子对应的元素种类，其中0,1,2即type.raw中对应位置的元素
  • box/coord/energy/force.npy: 记录每帧结构的盒子、坐标、能量和力的信息
代码
文本
[7]
# npy格式的文件读取,以energy为例
energy=np.load('./01_dp/fp_single/set.000/energy.npy')
print(len(energy))
print(energy)
1
[-183762.88766277]
代码
文本

现在，你已经掌握了dpdata的基本使用技巧，并学会读取CP2K单个结构文件，输出成deepmd-npy格式。不过在实际问题中，我们常常需要批量处理多个单点能的文件，这时应该怎么做？

代码
文本

2.2 多个文件下的文件

dpdata.MultiSystem.from_dir('dir_path',file_name='file',fmt='cp2k/output')

代码
文本
[8]
# 使用LabeledSystem读取文件夹下多个CP2K的单点能输出文件
data=dpdata.MultiSystems.from_dir('00_fp',file_name='output.log',fmt='cp2k/output')
print(data)
print(data.systems)
MultiSystems (1 systems containing 2 frames)
{'C300O300H400': Data Summary
Labeled System
-------------------
Frame Numbers      : 2
Atom Numbers       : 1000
Including Virials  : No
Element List       :
-------------------
C  O  H
300  300  400}
代码
文本

看来只需稍加修改关键词，就可以实现对多个文件夹的输出信息读取，我们还按照2.1的步骤将data输出至01_fp/dp_all位置

代码
文本
[9]
# 转化为deepmd的数据格式并输出到指定位置
data.to_deepmd_npy('./01_dp/fp_all/',fmt='deepmd-npy')
! tree ./01_dp/fp_all/
./01_dp/fp_all/
├── C150O150H200
│   ├── set.000
│   │   ├── box.npy
│   │   ├── coord.npy
│   │   ├── energy.npy
│   │   └── force.npy
│   ├── type.raw
│   └── type_map.raw
└── C300O300H400
    ├── set.000
    │   ├── box.npy
    │   ├── coord.npy
    │   ├── energy.npy
    │   └── force.npy
    ├── type.raw
    └── type_map.raw

4 directories, 12 files
代码
文本

3. AIMD输出处理

3.1 单条轨迹

dpdata.LabeledSystem('dir_path',cp2k_output_name='output.log',fmt='cp2kdata/md')

代码
文本
[10]
# 使用LabeledSystem读取CP2K的AIMD输出文件；注意第一个参数是aimd输出所在的文件夹位置
data=dpdata.LabeledSystem('./00_aimd/000/',cp2k_output_name='output.log',fmt='cp2kdata/md')
print(data)

# 转化为deepmd的数据格式并输出到指定位置
data.to_deepmd_npy('./01_dp/aimd_single/',fmt='deepmd-npy')
! tree ./01_dp/aimd_single/
--- You are parsing data using package Cp2kData ---
You are reading cell information from ./00_aimd/000/output.log
Obtian Energies From ./00_aimd/000/aimd-1.ener
Obtian Structures From ./00_aimd/000/aimd-pos-1.xyz
Obtian Froces From ./00_aimd/000/aimd-frc-1.xyz
Atom names are fake chemical symbols as you set in cp2k input.
--- You are parsing data using package Cp2kData ---
Data Summary
Labeled System
-------------------
Frame Numbers      : 51
Atom Numbers       : 500
Including Virials  : No
Element List       :
-------------------
C  O  H
150  150  200
./01_dp/aimd_single/
├── set.000
│   ├── box.npy
│   ├── coord.npy
│   ├── energy.npy
│   └── force.npy
├── type.raw
└── type_map.raw

1 directory, 6 files
代码
文本

3.2 多条轨迹

在批量处理轨迹时，目前dpdata.MultiSystems不支持cp2k/aimd_output格式。因此，我们编写脚本进行MultiSystems() + LabeledSystem()读取转化。

data=dpdata.LabeledSystem('dir_path',cp2k_output_name='file',fmt='cp2kdata/md')

代码
文本
[11]
from dpdata import MultiSystems
import glob
import os
# 定义一个空的MultiSystems
data=MultiSystems()

# 遍历轨迹所在文件夹
aimd_list=glob.glob('./00_aimd/*/output.log')
for idx,aimd_out in enumerate(aimd_list):
dir_name=os.path.dirname(aimd_out)
# 读取单个AIMD输出文件;并将其添加到MultiSystems中
ls=dpdata.LabeledSystem(f'{dir_name}',cp2k_output_name='output.log',fmt='cp2kdata/md')
if ls:
data.append(ls)
print(data)

# 转化为deepmd的数据格式并输出到指定位置
data.to_deepmd_npy('./01_dp/aimd_all/',fmt='deepmd-npy')
! tree ./01_dp/aimd_all/
--- You are parsing data using package Cp2kData ---
You are reading cell information from ./00_aimd/000/output.log
Obtian Energies From ./00_aimd/000/aimd-1.ener
Obtian Structures From ./00_aimd/000/aimd-pos-1.xyz
Obtian Froces From ./00_aimd/000/aimd-frc-1.xyz
Atom names are fake chemical symbols as you set in cp2k input.
--- You are parsing data using package Cp2kData ---
--- You are parsing data using package Cp2kData ---
You are reading cell information from ./00_aimd/001/output.log
Obtian Energies From ./00_aimd/001/aimd-1.ener
Obtian Structures From ./00_aimd/001/aimd-pos-1.xyz
Obtian Froces From ./00_aimd/001/aimd-frc-1.xyz
Atom names are fake chemical symbols as you set in cp2k input.
--- You are parsing data using package Cp2kData ---
MultiSystems (1 systems containing 102 frames)
./01_dp/aimd_all/
└── C150O150H200
    ├── set.000
    │   ├── box.npy
    │   ├── coord.npy
    │   ├── energy.npy
    │   └── force.npy
    ├── type.raw
    └── type_map.raw

2 directories, 6 files
代码
文本

从data的输出结果，我们可以看到多个文件夹的轨迹均被读取，共计102帧结构。如果想查看体系详细信息，可以使用data.systems查看

代码
文本
[12]
print(data.systems)
{'C150O150H200': Data Summary
Labeled System
-------------------
Frame Numbers      : 102
Atom Numbers       : 500
Including Virials  : No
Element List       :
-------------------
C  O  H
150  150  200}
代码
文本

😄恭喜你！已经学会如何借助dpdata对CP2K各种类型的输出文件进行读取转化。

如果想体验一把DP全家桶(train/finetune...)，不妨直接将自己的01_dp打包成tgz格式，上传即用！

代码
文本
[13]
# 打包01_dp成tgz格式
! tar -zcvf 01_dp.tgz 01_dp
01_dp/
01_dp/aimd_all/
01_dp/aimd_all/C150O150H200/
01_dp/aimd_all/C150O150H200/set.000/
01_dp/aimd_all/C150O150H200/set.000/box.npy
01_dp/aimd_all/C150O150H200/set.000/coord.npy
01_dp/aimd_all/C150O150H200/set.000/energy.npy
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评论
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AnguseZhang

09-14 04:25
cp2k, dpdata, cp2kdata感觉都可以加上链接。

AnguseZhang

09-14 04:25
这里对cp2k具体支持哪些版本可以更显示地强调一下。比如 7.1, 8.x, 9.x, 2022等

AnguseZhang

09-14 04:26
回复 AnguseZhang 然后，致谢一些dpdata+cp2k相关的作者吧。（可以看https://github.com/deepmodeling/dpdata/commits/master/dpdata/cp2k 这里所有的GitHub名字 ）

ZhexuanS

作者
09-15 00:00
回复 AnguseZhang 已修改~
评论
 ## 3. AIMD输出处理 ### 3...

lingdu

10-18 02:50
这里用fmt='cp2kdata/md'读取很慢，改为fmt='cp2k/aimd_output'快很多

lingdu

11-26 21:58
optional `restart=True` if it is a cp2k restarted task.

bohrd85c3b

03-24 22:11
请问这个`restart=True`需要加在哪里？
评论