أخذ عينات من الأحداث النادرة

يُعدّ أخذ عينات من الأحداث النادرة مصطلحًا جامعًا لمجموعة من أساليب المحاكاة الحاسوبية التي تهدف إلى أخذ عينات انتقائية من مناطق "خاصة" في الفضاء الديناميكي للأنظمة، والتي من غير المرجح أن تصل إلى تلك المناطق الخاصة من خلال المحاكاة التقليدية. ومن الأمثلة الشائعة على الأحداث النادرة في هذا السياق، تكوّن قطرة مطر من بخار ماء مشبع: فعلى الرغم من أن قطرات المطر تتشكل يوميًا، إلا أن تكوّن قطرة سائلة يُعدّ نادرًا للغاية مقارنةً بالمقاييس الزمنية والطولية التي تحددها حركة جزيئات الماء في الحالة البخارية.

نظراً للاستخدام الواسع النطاق لمحاكاة الحاسوب في مجالات شديدة التباين، فإن المقالات المنشورة حول هذا الموضوع تأتي من مصادر متباينة للغاية، مما يجعل من الصعب إجراء مسح شامل لتقنيات أخذ عينات الأحداث النادرة. ^{[ 1 ]} تشمل الطرق المعاصرة أخذ عينات مسار الانتقال (TPS)، ^{[ 2 ]} وأخذ عينات واجهة انتقال تبادل النسخ (RETIS)، ^{[ 3 ]} وتجارب المحاكاة المتكررة بعد الوصول إلى العتبات (RESTART)، ^{[ 4 ]} وأخذ عينات التدفق الأمامي (FFS)، ^{[ 5 ] [ 6 ]} والتقسيم المعمم ، ^{[ 7 ] [ 8 ]} والتقسيم التكيفي متعدد المستويات (AMS)، ^{[ 9 ]} وأخذ عينات الأحداث النادرة للعمليات العشوائية (SPRES)، ^{[ 10 ]} وأخذ عينات الخط ، ^{[ 11 ]} ومحاكاة المجموعات الفرعية ، ^{[ 12 ]} والتجميع الموزون (WE). ^{[ 13 ] [ 14 ]} أول تقنية للأحداث النادرة تم نشرها كانت من قبل هيرمان كان وثيودور إدوارد هاريس في عام 1951، ^{[ 15 ]} والذين أشاروا بدورهم إلى تقرير فني غير منشور من قبل جون فون نيومان وستانيسلاف أولام .

إذا كان النظام خارج حالة التوازن الديناميكي الحراري ، فمن المحتمل أن يكون هناك اعتماد زمني في تدفق الأحداث النادرة. ولمتابعة التطور الزمني لاحتمالية وقوع حدث نادر، من الضروري الحفاظ على تدفق ثابت للمسارات نحو المنطقة المستهدفة في فضاء التكوين. صُممت SPRES خصيصًا لهذا الغرض، كما أن AMS صالحة، على الأقل من الناحية النظرية، للتطبيقات التي تتطلب ذلك.

في الحالات التي تتحقق فيها حالة مستقرة تبديدية (أي أن شروط التوازن الديناميكي الحراري لا يتم استيفاؤها، ولكن تدفق الأحداث النادرة يظل ثابتًا مع ذلك) فإن FFS والأساليب الأخرى يمكن أن تكون مناسبة بالإضافة إلى أساليب عدم التوازن الكاملة الأكثر تكلفة عادةً.

إذا افترضنا التوازن الديناميكي الحراري ، فلن يكون هناك اعتماد زمني على تدفق الأحداث النادرة، وقد يكون النهج الديناميكي الحراري، بدلاً من النهج الإحصائي، أكثر ملاءمةً لحل المشكلة. تُعتبر هذه الطرق عمومًا منفصلة عن طرق الأحداث النادرة، ولكنها قد تعالج المشكلات نفسها. في هذه الاستراتيجيات، يتم إعداد سطح طاقة حرة (أو سطح طاقة ، للأنظمة الصغيرة). بالنسبة لنظام صغير، يمكن رسم هذا السطح بالكامل، بينما بالنسبة لنظام ذي عدد أكبر من درجات الحرية، سيظل من الضروري إسقاطه على مجموعة من إحداثيات التقدم.

بعد رسم خريطة المشهد، وبناءً على افتراضات معينة، يمكن استخدام نظرية الحالة الانتقالية لوصف احتمالات المسارات داخله. ومن الأمثلة على طرق رسم خرائط المشاهد محاكاة تبادل النسخ ، والتي تتميز عند تطبيقها على مسائل الأحداث النادرة بتوليد أجزاء مسار صحيحة جزئيًا أثناء العملية، مما يسمح بتحليل مباشر للسلوك الديناميكي حتى دون توليد المشهد الكامل.

• أحداث نادرة

• حزمة R mistral ( متوفرة على CRAN ونسخة المطورين ) لأدوات محاكاة الأحداث النادرة
• WESTPA و wepy عبارة عن حزم برمجية لـ Weighted Ensemble .
• مجموعة أدوات بايثون freshs.org كمثال على مجموعة أدوات لتوزيع حسابات FFS و SPRES لتشغيل تجارب أخذ العينات بشكل متزامن على أجهزة متوازية أو بطريقة موزعة عبر الشبكة.
• PyRETIS مكتبة بايثون مفتوحة المصدر لمحاكاة الأحداث النادرة الجزيئية، تعتمد بشكل أساسي على أخذ عينات واجهة الانتقال (TIS) وأخذ عينات واجهة الانتقال بتبادل النسخ (RETIS). ^{[ 16 ]} تتحكم PyRETIS في مسارات الديناميكا الجزيئية لأخذ عينات من الانتقالات النادرة مع الحفاظ على ديناميكيات غير متحيزة، وقد تم دمجها مع حزم محاكاة جزيئية مثل GROMACS و LAMMPS و OpenMM و CP2K . ^{[ 17 ]} قدمت الإصدارات اللاحقة بنية أكثر نمطية، واستراتيجيات إضافية لأخذ عينات المسار، ودعمًا للحالات شبه المستقرة طويلة الأمد والانتقالات ذات تعريفات الحالة غير المحدودة، وأدوات معالجة لاحقة متكاملة. ^{[ 18 ]} تُنفذ الحزمة حركات إطلاق النار القياسية بالإضافة إلى حركات مونت كارلو الفرعية مثل قفز الحجارة، ورمي الشبكة، وسياج الأسلاك. تم تقديم حركتي قذف الحجارة ورمي الشبكة كحركات لتوليد المسارات، مصممة لتحسين فك الارتباط في محاكاة أخذ عينات المسار، ^{[ 19 ]} بينما طُوّرت حركة السياج السلكي لاحقًا كحركة فرعية عامة للمسارات الفرعية في الحالات التي يكون فيها تقييم معامل الترتيب مكلفًا أو يصعب تحديده محليًا. ^{[ 20 ]} كما توفر وثائق PyRETIS مقدمة عن PyRETIS وطرق الأحداث النادرة ، بالإضافة إلى أمثلة عملية، بما في ذلك برنامج تعليمي لحركات المسارات الفرعية في جهد أحادي البعد .
• استُخدم برنامج PyRETIS في دراسات حالة جزيئية، بما في ذلك ارتباط H-NS بالحمض النووي الغني بالأدينين والثايمين، ^{[ 21 ]} والتأين الذاتي للماء، ^{[ 22 ]} وأخذ عينات مسار التفاعلات الجوية. ^{[ 23 ]} تُدرج تطبيقات إضافية وملفات إدخال في صفحة النتائج العلمية للمشروع .
• PyVisA هي أداة لتصور وتحليل مسارات أخذ العينات ومخرجات PyRETIS. توفر أدوات لفحص مجموعات المسارات، ورسم المتغيرات الجماعية، ومعالجة عمليات محاكاة أخذ العينات. ^{[ 24 ]}