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Appendix Ⅱ: pwdata

pwdata 是 PWMLFF 的数据预处理工具，包括如下功能：

atom.config(PWmat)、POSCAR(VASP)、lmp.init(Lammps)、cp2k.init(CP2K) 之间的文件互转；
对这些结构做阔胞、晶格缩放、晶格或原子位置微扰；
提取各种轨迹文件 MOVEMENT(PWmat)、OUTCAR(VASP)、lammps dump file(Lammps)、cp2k md file(CP2K) 或常用训练数据 pwmlff/npy、extxyz、deepmd/npy、deepmd/raw、meta OMAT24 开源数据集 之后转换为 pwmlff/npy 或者 extxyz 格式文件。对于meta数据集，增加了cpu并行和查询操作，以快速从超过一亿结构的数据库中查找自己想要的结构。

支持的数据类型

Software	file	multi-Image	label	format
PWmat	MOVEMENT	True	True	'pwmat/movement'
PWmat	OUT.MLMD	False	True	'pwmat/movement'
PWmat	atom.config	False	False	'pwmat/config'
VASP	OUTCAR	True	True	'vasp/outcar'
VASP	poscar	False	False	'vasp/poscar'
LAMMPS	lmp.init	False	False	'lammps/lmp'
LAMMPS	dump	True	False	'lammps/dump'
CP2K	stdout, xyz, pdb	True	True	'cp2k/md'
CP2K	stdout	False	True	'cp2k/scf'
PWMLFF	*.npy	True	True	'pwmlff/npy'
DeepMD (read)	.npy, .raw	True	True	'deepmd/npy', 'deepmd/raw'
* (extended xyz)	*.xyz	True	True	'extxyz'
Meta (read)	*aselmdb	True	True	'meta'

安装方式

pip命令安装：

pip install pwdata

#安装pwdata,如果已安装，则升级到最新版本
pip install pwdata --upgrade

# 列出所有可安装版本 
pip index versions pwdata
# 输出结果示例：
# pwdata (0.3.2)
# Available versions: 0.3.2, 0.3.1, 0.3.0, 0.2.16, 0.2.15
#   INSTALLED: 0.3.2
#   LATEST:    0.3.2
# 安装指定版本
pip install pwdata==n.m.o

pwdata 命令行调用方式

pwdata支持命令行操作以及源码接入两种方式。

一、命令行操作

命令列表： pwdata 命令列表如下，您可以通过 '-h' 选项获取该命令列表的详细解释以及所有支持参数。这里 pwdata -h 用于输出所有可用命令，以及该命令的使用例子。

pwdata -h
pwdata convert_config or cvt_config -h
pwdata convert_configs or cvt_configs -h
pwdata scale_cell or scale -h
pwdata super_cell or super -h
pwdata perturb -h

下面对命令做详细说明

1. 结构互转 convert_config

该命令用于各种结构之间的互转，您可以使用 convert_config 或者它的缩写 cvt_config 参数如下所示

pwdata convert_config [-h] -i INPUT -f INPUT_FORMAT [-s SAVENAME] [-o OUTPUT_FORMAT] [-c] [-t ATOM_TYPES [ATOM_TYPES ...]]

`-h`

输出帮助信息，将列出 scale 命令的所有可用参数及其解释

`-i`

必选参数，输入文件的文件路径，支持绝对路径或者相对路径

`-f`

可选参数，输入文件的格式，如不指定将根据输入文件自动推测输入格式，支持的格式有 ['pwmat/config','vasp/poscar', 'lammps/lmp', 'cp2k/scf']

`-o`

可选参数，输出文件的格式，支持的格式有['pwmat/config','vasp/poscar', 'lammps/lmp']，如果未指定该参数，将会使用输入结构的格式，此时如果输入的文件格式是cp2k/scf，那么将使用pwmat/config格式

`-s`

输出文件的名称，与 -o 配合使用。如果未指定，对于 pwmat/config 格式将使用 atom.config 作为文件名，对于 vasp/poscar 格式使用 POSCAR,对于 lammps/lmp 格式使用 lammps.lmp 作为文件名

`-c`

是否使用分数坐标，如果指定了 -c 参数，在保存结构时将使用笛卡尔坐标，否则使用分数坐标。注意，pwmat/config 只支持分数坐标，此时该参数将失效

`-t`

输入结构的原子类型，该参数用于当输入结构是 lammps/lmp或 lammps/dump 格式时指定结构的原子类型，可以是元素名称或者原子编号，顺序需要与输入结构中保持一致。对于其他格式的输入文件，该参数失效

我们在源码的根目录下提供了 examples，您可以下载后使用这些测试例子：

# convert_config 案例：atom.config 转 poscar
# 执行完毕后将在examples/test_workdir目录下生成结构文件 cvtcnf_atom.POSCAR
pwdata cvt_config -i examples/pwmat_data/LiGePS_atom.config -s examples/test_workdir/cvtcnf_atom.POSCAR -o vasp/poscar

2. 训练数据提取 convert_configs

提取各种轨迹文件 MOVEMENT(PWmat)、OUTCAR(VASP)、lammps dump file(Lammps)、cp2k md file(CP2K) 或常用训练数据 pwmlff/npy、extxyz、deepmd/npy、deepmd/raw、meta OMAT24 开源数据集为 pwmlff/npy 或者 extxyz 格式文件。您可以使用 convert_configs 或者它的缩写 cvt_configs.

参数如下所示

pwdata convert_configs [-h] -i INPUT [INPUT ...] -f INPUT_FORMAT [-t ATOM_TYPES [ATOM_TYPES ...]] [-s SAVEPATH] [-o OUTPUT_FORMAT] [-c] [-p TRAIN_VALID_RATIO] [-r] [-g GAP] [-q QUERY] [-n CPU_NUMS] [-m]

`-h`

输出帮助信息，将列出 scale 命令的所有可用参数及其解释

`-i`

必选参数，输入文件的文件路径，支持绝对路径或者相对路径。该参数为列表形式，支持输入多个文件路径或者目录。pwdata对 pwmlff/npy、extxyz、deepmd/npy、deepmd/raw、meta OMAT24 开源数据集实现了目录自动查询，您只需要指定数据源根目录即可。

例如对于examples/pwmlff_data/LiSiC，该目录下存在'C2, C448, C448Li75, C64Si32, Li1Si24, Li3Si8, Li8, Li88Si20, Si1, Si217'这些子目录, 输入'-i examples/pwmlff_data' 即可。

此外，如果您的文件或者目录较多（如meta数据库这类非常多的子文件），您也可以将这些路径写入一个json文件中，如下所示，命令中指定-i jsonfile 即可。

{
    "datapath" : [
        "/share/public/PWMLFF_test_data/eqv2-models/datasets/decompress/Omat24/train/rattled-1000-subsampled",
        "/share/public/PWMLFF_test_data/eqv2-models/datasets/decompress/Omat24/train/rattled-300",
        "/share/public/PWMLFF_test_data/eqv2-models/datasets/decompress/Omat24/train/rattled-300-subsampled"
    ]
}

`-f`

可选参数，输入文件的格式，pwdata实现了对输入数据的格式自动推理，不需要显式指定输入格式。支持的格式有 ['pwmat/movement', 'vasp/outcar', 'lammps/dump', 'cp2k/md', 'pwmlff/npy', 'deepmd/npy', 'deepmd/raw', 'extxyz', 'meta']

`-o`

可选参数，输出文件的格式，支持的格式有['pwmlff/npy','extxyz']，默认格式为'pwmlff/npy'

`-s`

可选参数，输出文件的目录，如不指定，将使用当前目录

`-p`

可选参数，提取后的数据划分为训练集和测试集的比例，取值范围[0.0,1.0] 默认为1.0，即不划分测试集

`-r`

可选参数，bool类型，划分测试集时，是否采用随机划分，与-p参数配合使用。例如'-p 0.8 -r '随机划分80%为训练集，20%为测试集，'-p 0.8' 取前80%作为训练集，后20%作为测试集

`-m`

可选参数，int类型，该参数仅用于输出文件格式为extxyz，设置 '-m 1' 所有结构会保存到一个xyz文件中，默认保存到一个xyz文件中。设置 '-m 0' 将按照元素类型保存到不同的xyz文件中，

`-g`

可选参数，int类型，该参数用于提取轨迹文件时，指定每隔多少步取一帧结构。默认值为1

`-q`

可选参数，str类型，该参数值在输入类型为meta时生效，用于查询数据库操作，详细的使用参考 meta查询演示

`-n`

可选参数，int类型，该参数在输入类型为meta时生效，用于设置并行查询数据库时使用的CPU核数，默认使用单核

`-t`

如果输入格式是 lammps/lmp或 lammps/dump 格式，该参数用于指定结构的原子类型，可以是元素名称或者原子编号，顺序需要与输入结构中保持一致

如果输入格式是meta，该该参数用于查找所有只存在这些元素类型的结构。

convert_configs 案例

我们在源码的根目录下提供了 examples，您可以下载后使用这些测试例子：

例1. 将目录 examples/pwmlff_data/LiSiC 下的所有 pwmlff/npy 格式数据提取为 xyz格式，其中训练集占80%，测试集占20%，执行完毕后，在examples/test_workdir/0_1_configs_extxyz目录下会产生train.xyz 和 valid.xyz两个文件。

pwdata convert_configs -i examples/pwmlff_data/LiSiC -s examples/test_workdir/0_1_configs_extxyz -o extxyz -p 0.8

例2. 将PWmat 轨迹文件 50_LiGePS_movement 和 lisi_50_movement 每隔5步提取一帧，随机划分80%结构做为训练集20%作为测试集，存在examples/test_workdir/3_1_configs_extxyz目录下

pwdata convert_configs -i examples/pwmat_data/50_LiGePS_movement examples/pwmat_data/lisi_50_movement -s examples/test_workdir/3_1_configs_extxyz -o extxyz -p 0.8 -r -g 5

例3. 将examples/deepmd_data/alloy目录下的所有 deepmd/npy 格式文件提取为pwmlff/npy格式，不划分测试集

pwdata convert_configs -i examples/deepmd_data/alloy -s ./test_workdir/7_0_configs_PWdata

例4. 将 examples/xyz_data 目录下的所有后缀为 xyz 的文件提取为pwmlff/npy格式，随机划分80%和20%作为训练和测试集，保存在examples/test_workdir/5_0_configs_PWdata目录

pwdata convert_configs -i examples/xyz_data -s examples/test_workdir/5_0_configs_PWdata -p 0.8 -r -g 1

例5.在examples/meta_data/alex_val 目录下所有后缀为.aselmdb的 meta数据库中，查询元素类型为Pt和Ge的结构,将查询到的所有结构保存到./test_workdir/10_1_configs_extxyz目录下不划分测试集

pwdata convert_configs -i examples/meta_data/alex_val -s ./test_workdir/10_1_configs_extxyz -t Pt Ge

例6. 在meta_data['data_path']中列出的所有目录或者文件下的所有后缀为.aselmdb的 meta数据库中，查询元素类型为Pt和Ge的结构,把查询到的所有结构保存到./test_workdir/ 10_1_configs_extxyz目录下，不划分测试集

pwdata convert_configs -i examples/meta_data.json -s ./test_workdir/10_1_configs_extxyz -o extxyz -t Pt Ge

convert_configs meta 查询例子

例1. 查询只包含 Pt和Ge 两种元素的结构，并将查询结果输出到为xyz格式。执行完成后将会在examples/test_workdir/10_1_configs_extxyz目录下生成一个train.xyz和valid.xyz两个文件

pwdata convert_configs -i examples/meta_data/alex_val/alex_go_aao_001.aselmdb examples/meta_data/alex_val/alex_go_aao_002.aselmdb -s examples/test_workdir/10_1_configs_extxyz -o extxyz -p 0.8 -r -t Pt Ge

例2. 使用-q 参数查询，查询包含了Cu元素的所有结构

pwdata convert_configs -i examples/meta_data/alex_val/alex_go_aao_001.aselmdb examples/meta_data/alex_val/alex_go_aao_002.aselmdb -s examples/test_workdir/10_1_configs_extxyz -o extxyz -p 0.8 -r -q Cu

例3. 使用-q 参数查询，查询结构中H原子数目少于3个的所有结构

pwdata convert_configs -i examples/meta_data/alex_val/alex_go_aao_001.aselmdb examples/meta_data/alex_val/alex_go_aao_002.aselmdb -s examples/test_workdir/10_1_configs_extxyz -o extxyz -p 0.8 -r -q H<3

例4. 使用-q 参数查询，查询结构中，包含Cu原子并且H原子数目少于3个的所有结构

pwdata convert_configs -i examples/meta_data/alex_val/alex_go_aao_001.aselmdb examples/meta_data/alex_val/alex_go_aao_002.aselmdb -s examples/test_workdir/10_1_configs_extxyz -o extxyz -p 0.8 -r -q Cu,H<3

例5. 使用-q 参数查询，查询结构中，至少包含2个H原子且至少包含1个O原子的所有结构

pwdata convert_configs -i examples/meta_data/alex_val/alex_go_aao_001.aselmdb examples/meta_data/alex_val/alex_go_aao_002.aselmdb -s examples/test_workdir/10_1_configs_extxyz -o extxyz -p 0.8 -r -q H2O

一些其他查询语句

| ---query string---| -------------------------Function Explanation---------------------------- |
| v3                | has ‘v3’ key                                                              |
| abc=bla-bla       | has key ‘abc’ with value ‘bla-bla’                                        |
| v3,abc=bla-bla    | both of the above                                                         |
| calculator=nwchem | calculations done with NWChem                                             |
| 2.2<bandgap<3.0   | ‘bandgap’ key has value between 2.2 and 3.0                               |
| natoms>=10        | 10 or more atoms                                                          |
| id=2345           | specific id                                                               |
| age<1h            | not older than 1 hour                                                     |
| age>1y            | older than 1 year                                                         |
| pbc=TTT           | Periodic boundary conditions along all three axes                         |
| pbc=TTF           | Periodic boundary conditions along the first two axes (F=False, T=True)   |
https://databases.fysik.dtu.dk/ase/ase/db/db.html#id7

提示

pwdata 使用了输入格式的自动推测，以及数据目录自动查询，指定 pwmlff/npy、extxyz、deepmd/npy、deepmd/raw、meta OMAT24 开源数据集 这些数据源的根目录即可自动读取。

注意：pwdata在自动查找数据源时，如您未显式指定数据源格式，pwdata会将输入目录下的所有可用数据源都作为输入数据。

3. 晶格缩放 scale_cell

该命令用于对结构的晶格做缩放，您可以使用 scale_cell 或者它的缩写 scale 参数如下所示

pwdata scale_cell [-h] -r SCALE_FACTOR [SCALE_FACTOR ...] -i INPUT -f INPUT_FORMAT [-s SAVENAME] [-o OUTPUT_FORMAT] [-c] [-t ATOM_TYPES [ATOM_TYPES ...]]

`-h`

输出帮助信息，将列出 scale 命令的所有可用参数及其解释

`-r`

必选参数，晶格的缩放因子， $Lattic_{new}= factor * Lattice_{old}$ ， factor 取值范围 (0.0, 1.0)，浮点类型的列表，用空格隔开。例如 '-r 0.97 0.98 0.99' 表示对输入结构分别做0.97、0.98、0.99的晶格缩放，必选参数

`-i`

必选参数，输入文件的文件路径，支持绝对路径或者相对路径，必选参数

`-f`

可选参数，如不显式指定，将根据输入文件自动推测。输入文件的格式，支持的格式有 ['pwmat/config','vasp/poscar', 'lammps/lmp', 'cp2k/scf']，必选参数

`-o`

`-s`

可选参数，输出文件的名称，与 -o 配合使用，并将缩放因子作为前缀。如果未指定，对于 pwmat/config 格式将使用 atom.config 作为文件名，对于 vasp/poscar 格式使用 POSCAR ,对于 lammps/lmp 格式使用 lammps.lmp 作为文件名。例如 '-o pwmat/config -s atom.config -r 0.99' 缩放后的新文件名称为 '0.99_atom.config'

`-c`

可选参数，是否使用分数坐标，如果指定了 -c 参数，在保存结构时将使用笛卡尔坐标，否则使用分数坐标。注意，PWmat只支持分数坐标，此时该参数将失效

`-t`

我们在源码的根目录下提供了 examples，您可以下载后使用这些测试例子：

# scale_cell 命令例子
pwdata scale_cell -r 0.98 0.99 0.97 0.95 -i examples/pwmat_data/lisi_atom.config -f pwmat/config -s examples/test_workdir/scale_atom.config -o pwmat/config

#或命令的缩写
pwdata scale -r 0.98 0.99 0.97 0.95 -i examples/pwmat_data/lisi_atom.config -f pwmat/config -s examples/test_workdir/scale_atom.config -o pwmat/config

#执行完毕后将在examples/test_workdir目录下生成4个缩放后的文件，分被名为 0.98_scale_atom.config、0.99_scale_atom.config、0.97_scale_atom.config、0.95_scale_atom.config

4. 阔胞 super_cell

该命令用于对结构的晶格做缩放，您可以使用 super_cell 或者它的缩写 super。参数如下所示

pwdata super_cell [-h] -m SUPERCELL_MATRIX [SUPERCELL_MATRIX ...] -i INPUT -f INPUT_FORMAT [-s SAVENAME] [-o OUTPUT_FORMAT] [-c] [-p PERIODICITY [PERIODICITY ...]] [-l TOLERANCE] [-t ATOM_TYPES [ATOM_TYPES ...]]

`-h`

输出帮助信息，将列出 super 命令的所有可用参数及其解释

`-m`

必选参数，超晶胞矩阵 (3x3)，3个或者9个值，例如 '-m 2 0 0 0 2 0 0 0 2' 或者 '-m 2 2 2' 表示超晶胞是 2x2x2 的，必选参数

`-i`

必选参数，输入文件的文件路径，支持绝对路径或者相对路径，必选参数

`-f`

可选参数，如不显式指定，将根据输入文件自动推测。输入文件的格式，支持的格式有 ['pwmat/config','vasp/poscar', 'lammps/lmp', 'cp2k/scf']，必选参数

`-o`

`-s`

可选参数，输出文件的名称，与 -o 配合使用。如果未指定，对于 pwmat/config 格式将使用 atom.config 作为文件名，对于 vasp/poscar 格式使用 POSCAR ,对于 lammps/lmp 格式使用 lammps.lmp 作为文件名。例如 '-o pwmat/config -s super_atom.config' 缩放后的新文件名称为 'super_atom.config'

`-c`

`-t`

`-p`

可选参数，周期性边界条件。例如，[1, 1, 1] 表示系统在 x, y, z 方向上是周期性的。默认为 [1,1,1]

`-l`

可选参数，分数坐标的容差。默认为 1e-5。防止轻微负坐标被映射到模拟盒中

我们在源码的根目录下提供了 examples，您可以下载后使用这些测试例子：

# super_cell 命令例子
pwdata super_cell -m 2 3 4 -i examples/pwmat_data/lisi_atom.config -s examples/test_workdir/super_atom.config -o pwmat/config 

#或命令的缩写
pwdata super -m 2 0 0 0 3 0 0 0 4 -i examples/pwmat_data/lisi_atom.config -s examples/test_workdir/super_atom.config -o pwmat/config 

# 执行完成后将在 examples/test_workdir 目录下生成一个名为 super_atom.config 的文件，采用了2X3X4阔胞

5. 晶格和原子位置微扰 perturb

该命令用于对结构的晶格或者原子位置坐微扰。参数如下所示

pwdata perturb [-h] [-d ATOM_PERT_DISTANCE] [-e CELL_PERT_FRACTION] -n PERT_NUM -i INPUT -f  INPUT_FORMAT [-s SAVENAME] [-o OUTPUT_FORMAT] [-c] [-t ATOM_TYPES [ATOM_TYPES ...]]

`-h`

输出帮助信息，将列出 super 命令的所有可用参数及其解释

`-d`

可选参数，原子微扰的距离，决定原子相对原始位置的移动距离。对每个原子的三个坐标值，分别加上从 [-atom_pert_distance，atom_pert_distance] 范围内的均匀分布中随机采样的值。微扰是以埃为单位的距离。例如，0.01 表示原子的移动距离是 0.01 埃，默认值为0，即不对原子位置微扰

`-e`

可选参数，晶胞变形的程度。对 9 个晶格值分别加上从[-cell_pert_fraction，cell_pert_fraction] 范围内的均匀分布中随机采样的值。例如，0.03 表示晶胞变形的程度是相对原始晶胞的 3%，默认值为0，即不对晶格做微扰

`-n`

必选参数，需要微扰的结构数量

`-i`

必选参数，输入文件的文件路径，支持绝对路径或者相对路径，必选参数

`-f`

可选参数，如不显式指定，将根据输入文件自动推测。输入文件的格式，支持的格式有 ['pwmat/config','vasp/poscar', 'lammps/lmp', 'cp2k/scf']，必选参数

`-o`

`-s`

`-c`

`-t`

我们在源码的根目录下提供了 examples，您可以下载后使用这些测试例子：

# perturb 命令例子
pwdata perturb -e 0.01 -d 0.04 -n 20 -i examples/pwmat_data/lisi_atom.config -f pwmat/config -s examples/test_workdir/perturb_atom -o pwmat/config
# 微扰后将在 examples/test_workdir/pertub_atom 目录下生成20个微扰后的结构

二、直接结合 PWMLFF 使用

~~这种使用方式是将 pwdata 作为 PWMLFF 的一个子模块，直接调用 pwdata 的接口。并将分子动力学轨迹标签直接输出保存为 .npy 文件。~~该功能已移入pwdata包内，使用方式和输入参数都不改变。

pwdata extract.json

其中 extract.json 是一个 JSON 格式的配置文件，用于指定数据集的生成方式。配置文件的格式如下：

{
  "seed": 666,
  "valid_shuffle": false,
  "train_valid_ratio": 0.8,
  "raw_files": ["./MOVEMENT", "./MOVEMENT_alcho", "./MOVEMENT_ec"],
  "format": "pwmat/movement",
  "trainSetDir": "PWdata",
  "trainDataPath": "train",
  "validDataPath": "valid"
}

seed: 随机数种子，用于数据集的划分
valid_shuffle: 是否对全部数据进行随机打乱。例如，存在 10 个 images，valid_shuffle 为 true 时，将对 10 个 images 进行随机打乱，然后按照 train_valid_ratio 的比例划分训练集和验证集。valid_shuffle 为 false 时，将按照 train_valid_ratio 的比例按顺序划分训练集和验证集。默认为 True
train_valid_ratio: 训练集和验证集的比例
raw_files: 原始数据的路径
format: 原始数据的格式，用于训练集的生成，所以支持的格式有 pwmat/movement, vasp/outcar, cp2k/md
trainSetDir: 生成的数据集的保存路径
trainDataPath: 生成的训练集的保存路径
validDataPath: 生成的验证集的保存路径

三、作为独立工具使用 (接口调用)

pwdata 也可以作为一个独立的工具使用，通过调用 pwdata 的接口来生成数据集或者进行数据转换。pwdata 的接口调用方式如下：

Config (self, format: str, data_path: str, pbc = None, atom_names = None, index = ':', **kwargs) 源码

从输入文件中读取数据。

参数:

format: 字符串. 输入文件的格式。支持的格式有：pwmat/config, vasp/poscar, lammps/dump, lammps/lmp, pwmat/movement, vasp/outcar, cp2k/md, cp2k/scf, pwmlff/npy, deepmd/npy, deepmd/raw, extxyz、meta。

pwmat/config: PWmat 结构文件，例如 atom.config.

pwmat/movement: PWmat 分子动力学轨迹文件，例如 MOVEMENT.

lammps/dump: LAMMPS dump 文件, 例如 dump.lammptraj.

lammps/lmp: LAMMPS 结构文件，例如 in.lmp.

vasp/poscar: VASP 结构文件，例如 POSCAR.

vasp/outcar: VASP 分子动力学轨迹文件，例如 OUTCAR.

cp2k/md: CP2K 标准输出文件，原子位置文件及对应的原子力文件，例如 cp2k.out, *pos-1.xyz, *pos-1.pdb, *frac-1.xyz.

cp2k/scf: CP2K 标准输出文件，例如 cp2k.out.

pwmlff/npy: PWMLFF 数据集文件，例如 energies.npy.

deepmd/npy: DeepMD 数据集文件，例如 force.npy.

deepmd/raw: DeepMD 数据集文件，例如 force.raw.

extxyz: 扩展的 xyz 文件，例如 *.xyz.

meta: meta开源的数据文件，后缀名为.aselmdb.

警告
CP2K 的输入控制文件中需要设置PRINT_LEVEL MEDIUM，标准输出文件从才会存在晶格信息。

data_path: 字符串, 必选. The path of the input file.

pbc: 列表, 可选. 周期性边界条件。默认为 None。例如，[1, 1, 1] 表示系统在 x, y, z 方向上是周期性的。

atom_names: 列表, 可选. 用于 lammps/dump 文件的原子名称。默认为 None。例如，['C', 'H', 'O'] 表示系统包含碳、氢和氧原子。

index: 整数, 切片或字符串, 可选. 用于读取包含多个结构的文件时，可以通过 index 参数指定读取的结构。默认为 :，表示读取所有结构。

index=0: 第一个结构

index=-2: 倒数第二个结构

index=':' 或 index=slice(None): 所有结构

index='-3:' 或 index=slice(-3, None): 倒数第三个到最后一个结构

index='::2' 或 index=slice(0, None, 2): 偶数个数的结构

index='1::2' 或 index=slice(1, None, 2): 奇数个数的结构

kwargs: 键值对（字典）, 可选. 其他关键字参数用于读取输入文件。

unit: 字符串, 可选. 对于 LAMMPS 文件，输入文件的单位。默认为 'metal'。

style: 字符串, 可选. 对于 LAMMPS 文件，用于 lammps 模拟种原子相关联的每个原子的属性。默认为 'atomic'。详情见 LAMMPS atom_style。

sort_by_id: 布尔值, 可选. 对于 LAMMPS 文件，是否按照 id 排序原子。默认为 True。

返回: 返回一个 Image 对象的列表。每个 Image 对象包含一个结构的一些信息。

例子:
from pwdata import Config

data_file = "./cp2k.out"
format = "cp2k/scf"
config = Config(format, data_file)

Config.to (self, output_path, save_format = None, **kwargs) 源码

根据读入的文件格式，将数据保存为指定格式的文件。

参数:

output_path: 字符串, 必选. 保存文件的路径。

save_format: 字符串, 必选. 保存文件的格式。默认为 None。支持的格式有 pwmat/config, pwmat/movement, vasp/poscar, lammps/lmp, extxyz, pwmlff/npy.

Kwargs:

其他用于保存文件的关键字参数。用于以下格式的文件：pwmat/config, vasp/poscar, lammps/lmp, extxyz。

data_name: 字符串, 必选. 结构文件的保存名称。

sort: bool, 可选. 是否按照原子序数排序。默认为 None。

wrap: bool, 可选. 是否将原子映射到模拟盒中。默认为 False。

direct: bool, 必选. 原子坐标是分数坐标还是笛卡尔坐标。(0 0 0) -> (1 1 1)

用于保存标签文件的关键字参数。用于 pwmlff/npy 格式的文件。

data_name: 字符串, 必选. 数据集文件夹的保存名称。

train_data_path: 字符串, 可选. 训练集的保存路径。默认为 "train"。（"./PWdata/train"）

valid_data_path: 字符串, 可选. 验证集的保存路径。默认为 "valid"。（"./PWdata/valid"）

train_ratio: float, 必选. 训练集的比例。默认为 None。如果给定 None，将会报错。

random: bool, 可选. 是否对原始数据进行随机打乱，然后将数据划分为训练集和验证集。默认为 True。

seed: int, 可选. 随机数种子。默认为 2024。

retain_raw: bool, 可选. 是否保留原始数据。默认为 False。

警告

输入为 CP2K 的数据时，sort 参数需要设置为 False，因为 CP2K 的数据已经是按照原子序数排序的，再次排序会导致数据顺序错误。

pwmlff/npy 用于保存数据集的标签。它可以用于训练机器学习模型。

PWmat 结构文件只能保存为分数坐标，不能保存为笛卡尔坐标，因此 direct 参数无效。

LAMMPS 结构文件只能保存为笛卡尔坐标，不能保存为分数坐标，因此 direct 参数无效。

例子:
from pwdata import Config

data_file = "./POSCAR"
format = "vasp/poscar"
config = Config(format, data_file)
config.to(output_path = "./", data_name = "lmp.init", save_format = "lammps/lmp", direct = False, sort = True)
提示
对于具有相同结构的多个配置，如果有需要的话，可以在调用 .to() 方法之前调用 .append() 方法将它们拼接在一起。
例如:
from pwdata import Config

raw_data = ["./OUTCAR0", "./OUTCAR1", "./OUTCAR2"]    # the same atoms...
format = "vasp/outcar"
multi_data = Config(format, raw_data[0])
for data in raw_data[1:]:
   image_data = Config(format, data)
   multi_data.append(image_data)
multi_data.to(output_path = "./PWdata", save_format='pwmlff/npy', train_data_path='train', valid_data_path='valid', train_ratio=0.8, random=True, seed=2024, retain_raw=False)
例子2:

将'pwmat/movement'、'vasp/outcar'、'cp2k/md'、或者 'lammps/dump' 轨迹文件转换为单结构文件'pwmat/config'、 'vasp/poscar'、 'lammps/lmp'

from pwdata import Config
from pwdata.utils.constant import FORMAT

def trajs2config():
    atom_types = ["Hf", "O"] # for lammps
    input_file = "/data/home/wuxingxing/codespace/pwdata/examples/lmps_data/HfO2/30.lammpstrj"
    input_format="lammps/dump"
    save_format = "pwmat/config"
    image = Config(data_path=input_file, format=input_format, atom_names=atom_types)
    tmp_image_data = image.images
    save_dir = "./tmp_test"
    for id, config in enumerate(tmp_image_data):
        savename = "{}_{}".format(id, FORMAT.get_filename_by_format(save_format))
        image.iamges = [config]
        image.to(output_path = save_dir,
            data_name = savename,
            save_format = save_format,
            sort = True)

if __name__=="__main__":
    trajs2config()

build.supercells.make_supercell (image_data, supercell_matrix: list, pbc: list = None, wrap=True, tol=1e-5) 源码

根据输入的原始结构和超晶胞矩阵构建超晶胞。

参数:

image_data: 必选. Image 对象，包含原始结构的一些信息。

supercell_matrix: 列表, 必选. 超晶胞矩阵 (3x3)。例如，[[2, 0, 0], [0, 2, 0], [0, 0, 2]] 表示超晶胞是 2x2x2 的。

pbc: 列表, 可选. 周期性边界条件。默认为 None。例如，[1, 1, 1] 表示系统在 x, y, z 方向上是周期性的。

wrap: 布尔值, 可选. 是否将原子映射到模拟盒中（对于周期性边界条件）。默认为 True。

tol: 浮点数, 可选. 分数坐标的容差。默认为 1e-5。防止轻微负坐标被映射到模拟盒中。

返回: 一个新的 Image 对象(的列表)。每个对象包含超晶胞的一些信息。

例子:
from pwdata import Config, make_supercell

data_file = "./atom.config"
config = Config('pwmat/config', data_file)
supercell_matrix = [[2, 0, 0], [0, 2, 0], [0, 0, 2]]
supercell = make_supercell(config, supercell_matrix, pbc=[1, 1, 1])
supercell.to(output_path = "./", data_name = "atom_2x2x2.config", save_format = "pwmat/config", sort = True)

pertub.perturbation.perturb_structure (image_data, pert_num:int, cell_pert_fraction:float, atom_pert_distance:float) 源码

Perturb the structure. 微扰结构。

参数:

image_data: 必选. 需要被微扰的 Image 对象，包含原始结构的一些信息。

pert_num: 整数, 必选. 要生成的微扰结构的数量。

cell_pert_fraction: 浮点数, 必选. 决定晶胞变形的程度。例如，0.03 表示晶胞变形的程度是相对原始晶胞的 3%。

atom_pert_distance: 浮点数, 必选. 原子微扰的距离，决定原子相对原始位置的移动距离。微扰是以埃为单位的距离。例如，0.01 表示原子的移动距离是 0.01 埃。

返回: 一个新的 Image 对象的列表。每个 Image 对象包含一个微扰结构的一些信息。

例子:
from pwdata import Config, perturb_structure

data_file = "./atom.config"
config = Config('pwmat/config', data_file)
pert_num = 50
cell_pert_fraction = 0.03
atom_pert_distance = 0.01
save_format = "pwmat/config"
perturbed_structs = perturb_structure(config, pert_num, cell_pert_fraction, atom_pert_distance)
perturbed_structs.to(output_path = "~/pwdata/test/pertubed/",
          data_name = "pertubed",
          save_format = save_format,
          direct = True,
          sort = True)

pertub.scale.scale_cell (image_data, scale_factor:float) 源码

参数:

image_data: 必选. 需要被缩放的 Image 对象，包含原始结构的一些信息。

scale_factor: 浮点数, 必选. 晶胞的缩放因子。

返回: 一个新的 Image 对象(的列表)。每个 Image 对象包含一个缩放后的结构的一些信息。

例子:
from pwdata import Config, scale_cell

data_file = "./atom.config"
config = Config('pwmat/config', data_file)
scale_factor = 0.95
scaled_structs = scale_cell(config, scale_factor)
scaled_structs.to(output_path = "~/test/scaled/",
          data_name = "scaled",
          save_format = "pwmat/config",
          direct = True,
          sort = True)

四、一些代码案例

将MPtraj文件转换为lmdb格式

MPtraj 开源数据集为json格式，转换为lmdb格式后，配合 cvt_configs 命令 -t 和 -q 选项可以快速查找到指定结构，转换为extxyz或者pwmlff/npy格式做训练。

import json
from pwdata.fairchem.datasets.ase_datasets import LMDBDatabase
from ase import Atoms
from ase.db.row import AtomsRow
from pwdata.utils.constant import get_atomic_number_from_name
from tqdm import tqdm
import numpy as np

def MPjson2lmdb():
    mp_file = "/data/home/wuxingxing/codespace/pwdata/examples/mp_data/mptest.json"
    save_file = "/data/home/wuxingxing/codespace/pwdata/examples/mp_data/sub.aselmdb"
    Mpjson = json.load(open(mp_file))
    db = LMDBDatabase(filename=save_file, readonly=False)
    for key_1, val_1 in tqdm(Mpjson.items(), total=len(Mpjson.keys())):
        for key_2, val_2 in val_1.items():
            _atomrow, data = cvt_dict_2_atomrow(val_2)
            db._write(_atomrow, key_value_pairs={}, data=data)
    db.close()
    
def cvt_dict_2_atomrow(config:dict):
    cell = read_from_dict('matrix', config['structure']['lattice'], require=True)
    atom_type_list = get_atomic_number_from_name([_['label'] for _ in config['structure']['sites']])
    position = [_['xyz'] for _ in config['structure']['sites']]
    magmom = read_from_dict('magmom', config, require=True)
    atom = Atoms(positions=position,
                numbers=atom_type_list,
                magmoms=magmom,
                cell=cell)

    atom_rows = AtomsRow(atom)
    atom_rows.pbc = np.ones(3, bool)
    # read stress -> xx, yy, zz, yz, xz, xy
    stress = read_from_dict('stress', config, require=True)
    atom_rows.stress = [stress[0][0],stress[1][1],stress[2][2],stress[1][2],stress[0][2],stress[0][1]]
    force = read_from_dict('force', config, require=True)
    energy = read_from_dict('corrected_total_energy', config, require=True)
    atom_rows.__setattr__('force',  force)
    atom_rows.__setattr__('energy', energy)
    data = {}
    data['uncorrected_total_energy'] = read_from_dict('uncorrected_total_energy', config, default=None)
    data['corrected_total_energy'] = read_from_dict('uncorrected_total_energy', config, default=None)
    data['energy_per_atom'] = read_from_dict('energy_per_atom', config, default=None)
    data['ef_per_atom'] = read_from_dict('ef_per_atom', config, default=None)
    data['e_per_atom_relaxed'] = read_from_dict('e_per_atom_relaxed', config, default=None)
    data['ef_per_atom_relaxed'] = read_from_dict('ef_per_atom_relaxed', config, default=None)
    data['bandgap'] = read_from_dict('bandgap', config, default=None)
    data['mp_id'] = read_from_dict('mp_id', config, default=None)
    return atom_rows, data

def read_from_dict(key:str, config:dict, default=None, require=False):
    if key in config:
        return config[key]
    else:
        if require:
            raise ValueError("key {} not found in config".format(key))
        else:
            return default
if __name__=="__main__":
    MPjson2lmdb()

Appendix Ⅱ: pwdata

支持的数据类型​

安装方式​

pwdata 命令行调用方式

一、命令行操作​

1. 结构互转 convert_config​

-h​

-i​

-f​

-o​

-s​

-c​

-t​

2. 训练数据提取 convert_configs​

-h​

-i​

-f​

-o​

-s​

-p​

-r​

-m​

-g​

-q​

-n​

-t​

convert_configs 案例​

convert_configs meta 查询例子​

3. 晶格缩放 scale_cell​

-h​

-r​

-i​

-f​

-o​

-s​

-c​

-t​

4. 阔胞 super_cell​

-h​

-m​

-i​

-f​

-o​

-s​

-c​

-t​

-p​

-l​

5. 晶格和原子位置微扰 perturb​

-h​

-d​

-e​

-n​

-i​

-f​

-o​

-s​

-c​

-t​

二、直接结合 PWMLFF 使用​

三、作为独立工具使用 (接口调用)​

四、一些代码案例​

将MPtraj文件转换为lmdb格式​

支持的数据类型

安装方式

一、命令行操作

1. 结构互转 convert_config

`-h`

`-i`

`-f`

`-o`

`-s`

`-c`

`-t`

2. 训练数据提取 convert_configs

`-h`

`-i`

`-f`

`-o`

`-s`

`-p`

`-r`

`-m`

`-g`

`-q`

`-n`

`-t`

convert_configs 案例

convert_configs meta 查询例子

3. 晶格缩放 scale_cell

`-h`

`-r`

`-i`

`-f`

`-o`

`-s`

`-c`

`-t`

4. 阔胞 super_cell

`-h`

`-m`

`-i`

`-f`

`-o`

`-s`

`-c`

`-t`

`-p`

`-l`

5. 晶格和原子位置微扰 perturb

`-h`

`-d`

`-e`

`-n`

`-i`

`-f`

`-o`

`-s`

`-c`

`-t`

二、直接结合 PWMLFF 使用

三、作为独立工具使用 (接口调用)

四、一些代码案例

将MPtraj文件转换为lmdb格式