Provtagning av sällsynta händelser
Sampling av sällsynta händelser är en samlingsterm för en grupp datorsimuleringsmetoder som är avsedda att selektivt ta prov på "speciella" regioner i det dynamiska utrymmet av system som sannolikt inte kommer att besöka dessa speciella regioner genom brute-force-simulering. Ett välbekant exempel på en sällsynt händelse i detta sammanhang skulle vara kärnbildning av en regndroppe från övermättad vattenånga: även om regndroppar bildas varje dag, i förhållande till längd- och tidsskalorna som definieras av vattenmolekylernas rörelse i ångfasen, bildas bildningen av en vätskedroppe är extremt sällsynt.
På grund av den breda användningen av datorsimulering inom väldigt olika domäner, kommer artiklar om ämnet från ganska olika källor och det är svårt att göra en sammanhängande undersökning av samplingstekniker för sällsynta händelser. Samtida metoder inkluderar Transition Path Sampling (TPS), Replica Exchange Transition Interface Sampling (RETIS), repetitiva simuleringsförsök efter att ha nått tröskelvärden (RESTART), Forward Flux Sampling (FFS), Generalized Splitting, Adaptive Multilevel Splitting (AMS), Stokastisk Process Rare Event Sampling (SPRES), Line sampling , Subset-simulering och Weighted Ensemble (WE). Den första publicerade tekniken för sällsynta händelser var av Herman Kahn och Theodore Edward Harris 1951, som i sin tur hänvisade till en opublicerad teknisk rapport av John von Neumann och Stanislaw Ulam .
Tidsberoende
Om ett system är utanför termodynamisk jämvikt , är det möjligt att det kommer att finnas tidsberoende i det sällsynta händelseflödet. För att följa tidsutvecklingen av sannolikheten för en sällsynt händelse är det nödvändigt att upprätthålla en jämn ström av banor in i målområdet för det konfigurerade rummet. SPRES är speciellt utformad för denna eventualitet och AMS är också åtminstone formellt giltigt för applikationer där detta krävs.
I de fall där ett dissipativt stabilt tillstånd uppnås (dvs. villkoren för termodynamisk jämvikt inte är uppfyllda, men flödet av sällsynta händelser är ändå konstant) kan FFS och andra metoder vara lämpliga såväl som de typiskt dyrare full-icke-jämviktsmetoderna.
Landskapsmetoder
Om antagandet om termodynamisk jämvikt görs, så finns det inget tidsberoende i det sällsynta händelseflödet och en termodynamisk snarare än statistisk inställning till problemet kan vara lämpligare. Dessa metoder är i allmänhet tänkta separat från metoder för sällsynta händelser, men kan lösa samma problem. förbereds ett fritt energilandskap (eller ett energilandskap , för små system). För ett litet system kan detta landskap kartläggas helt, medan det för ett system med ett större antal frihetsgrader fortfarande kommer att krävas en projektion på någon uppsättning framstegskoordinater.
Efter att ha kartlagt landskapet och gjort vissa antaganden, kan övergångstillståndsteori användas för att ge en beskrivning av sannolikheterna för vägar inom det. Ett exempel på en metod för att kartlägga landskap är Replica Exchange simulation, som har fördelen när den tillämpas på sällsynta händelseproblem att bitvis korrekta banafragment genereras under metoden, vilket möjliggör en viss direkt analys av det dynamiska beteendet även utan att generera hela landskapet.
Se även
Relaterad programvara
- R-paketet mistral ( CRAN och dev version ) för simuleringsverktyg för sällsynta händelser
- Python-verktygsuppsättningen freshs.org som ett exempel på verktygslåda för att distribuera FFS- och SPRES-beräkningar för att köra provtagningsförsök samtidigt på parallell hårdvara eller på ett distribuerat sätt över nätverket.
- Pyretis , ett pythonbibliotek med öppen källkod för att utföra TIS (och RETIS)-simuleringar. Den är kopplad till vanlig programvara för MD GROMACS och QM/MD CP2K -simuleringar.
- https://westpa.github.io/westpa/ och https://github.com/ADicksonLab/wepy är paket för Weighted Ensemble.
- PyVisA , En analys- och visualiseringsprogramvara för vägsamplingsutgångar med integration av maskininlärningsbaserade algoritmer.