src/daComposant/daAlgorithms/ExtendedBlue.py

   1 # -*- coding: utf-8 -*-
   2 #
   3 # Copyright (C) 2008-2021 EDF R&D
   4 #
   5 # This library is free software; you can redistribute it and/or
   6 # modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   7 # License as published by the Free Software Foundation; either
   8 # version 2.1 of the License.
   9 #
  10 # This library is distributed in the hope that it will be useful,
  11 # but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  12 # MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  13 # Lesser General Public License for more details.
  14 #
  15 # You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  16 # License along with this library; if not, write to the Free Software
  17 # Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307 USA
  18 #
  19 # See http://www.salome-platform.org/ or email : webmaster.salome@opencascade.com
  20 #
  21 # Author: Jean-Philippe Argaud, jean-philippe.argaud@edf.fr, EDF R&D
  22
  23 import logging
  24 from daCore import BasicObjects, NumericObjects
  25 import numpy
  26
  27 # ==============================================================================
  28 class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
  29     def __init__(self):
  30         BasicObjects.Algorithm.__init__(self, "EXTENDEDBLUE")
  31         self.defineRequiredParameter(
  32             name     = "StoreInternalVariables",
  33             default  = False,
  34             typecast = bool,
  35             message  = "Stockage des variables internes ou intermédiaires du calcul",
  36             )
  37         self.defineRequiredParameter(
  38             name     = "StoreSupplementaryCalculations",
  39             default  = [],
  40             typecast = tuple,
  41             message  = "Liste de calculs supplémentaires à stocker et/ou effectuer",
  42             listval  = [
  43                 "Analysis",
  44                 "APosterioriCorrelations",
  45                 "APosterioriCovariance",
  46                 "APosterioriStandardDeviations",
  47                 "APosterioriVariances",
  48                 "BMA",
  49                 "CostFunctionJ",
  50                 "CostFunctionJAtCurrentOptimum",
  51                 "CostFunctionJb",
  52                 "CostFunctionJbAtCurrentOptimum",
  53                 "CostFunctionJo",
  54                 "CostFunctionJoAtCurrentOptimum",
  55                 "CurrentOptimum",
  56                 "CurrentState",
  57                 "Innovation",
  58                 "MahalanobisConsistency",
  59                 "OMA",
  60                 "OMB",
  61                 "SampledStateForQuantiles",
  62                 "SigmaBck2",
  63                 "SigmaObs2",
  64                 "SimulatedObservationAtBackground",
  65                 "SimulatedObservationAtCurrentOptimum",
  66                 "SimulatedObservationAtCurrentState",
  67                 "SimulatedObservationAtOptimum",
  68                 "SimulationQuantiles",
  69                 ]
  70             )
  71         self.defineRequiredParameter(
  72             name     = "Quantiles",
  73             default  = [],
  74             typecast = tuple,
  75             message  = "Liste des valeurs de quantiles",
  76             minval   = 0.,
  77             maxval   = 1.,
  78             )
  79         self.defineRequiredParameter(
  80             name     = "SetSeed",
  81             typecast = numpy.random.seed,
  82             message  = "Graine fixée pour le générateur aléatoire",
  83             )
  84         self.defineRequiredParameter(
  85             name     = "NumberOfSamplesForQuantiles",
  86             default  = 100,
  87             typecast = int,
  88             message  = "Nombre d'échantillons simulés pour le calcul des quantiles",
  89             minval   = 1,
  90             )
  91         self.defineRequiredParameter(
  92             name     = "SimulationForQuantiles",
  93             default  = "Linear",
  94             typecast = str,
  95             message  = "Type de simulation en estimation des quantiles",
  96             listval  = ["Linear", "NonLinear"]
  97             )
  98         self.defineRequiredParameter( # Pas de type
  99             name     = "QBounds",
 100             message  = "Liste des paires de bornes pour les états utilisés en estimation des quantiles",
 101             )
 102         self.defineRequiredParameter(
 103             name     = "ConstrainedBy",
 104             default  = "EstimateProjection",
 105             typecast = str,
 106             message  = "Prise en compte des contraintes",
 107             listval  = ["EstimateProjection"],
 108             )
 109         self.requireInputArguments(
 110             mandatory= ("Xb", "Y", "HO", "R", "B"),
 111             )
 112         self.setAttributes(tags=(
 113             "DataAssimilation",
 114             "NonLinear",
 115             "Filter",
 116             ))
 117
 118     def run(self, Xb=None, Y=None, U=None, HO=None, EM=None, CM=None, R=None, B=None, Q=None, Parameters=None):
 119         self._pre_run(Parameters, Xb, Y, U, HO, EM, CM, R, B, Q)
 120         #
 121         Hm = HO["Tangent"].asMatrix(Xb)
 122         Hm = Hm.reshape(Y.size,Xb.size) # ADAO & check shape
 123         Ha = HO["Adjoint"].asMatrix(Xb)
 124         Ha = Ha.reshape(Xb.size,Y.size) # ADAO & check shape
 125         H  = HO["Direct"].appliedTo
 126         #
 127         # Utilisation éventuelle d'un vecteur H(Xb) précalculé
 128         # ----------------------------------------------------
 129         if HO["AppliedInX"] is not None and "HXb" in HO["AppliedInX"]:
 130             HXb = H( Xb, HO["AppliedInX"]["HXb"])
 131         else:
 132             HXb = H( Xb )
 133         HXb = numpy.asmatrix(numpy.ravel( HXb )).T
 134         if Y.size != HXb.size:
 135             raise ValueError("The size %i of observations Y and %i of observed calculation H(X) are different, they have to be identical."%(Y.size,HXb.size))
 136         if max(Y.shape) != max(HXb.shape):
 137             raise ValueError("The shapes %s of observations Y and %s of observed calculation H(X) are different, they have to be identical."%(Y.shape,HXb.shape))
 138         #
 139         # Précalcul des inversions de B et R
 140         # ----------------------------------
 141         BI = B.getI()
 142         RI = R.getI()
 143         #
 144         # Calcul de l'innovation
 145         # ----------------------
 146         d  = Y - HXb
 147         #
 148         # Calcul de la matrice de gain et de l'analyse
 149         # --------------------------------------------
 150         if Y.size <= Xb.size:
 151             _A = R + numpy.dot(Hm, B * Ha)
 152             _u = numpy.linalg.solve( _A , d )
 153             Xa = Xb + B * Ha * _u
 154         else:
 155             _A = BI + numpy.dot(Ha, RI * Hm)
 156             _u = numpy.linalg.solve( _A , numpy.dot(Ha, RI * d) )
 157             Xa = Xb + _u
 158         self.StoredVariables["Analysis"].store( Xa.A1 )
 159         #
 160         # Calcul de la fonction coût
 161         # --------------------------
 162         if self._parameters["StoreInternalVariables"] or \
 163             self._toStore("CostFunctionJ")  or self._toStore("CostFunctionJAtCurrentOptimum") or \
 164             self._toStore("CostFunctionJb") or self._toStore("CostFunctionJbAtCurrentOptimum") or \
 165             self._toStore("CostFunctionJo") or self._toStore("CostFunctionJoAtCurrentOptimum") or \
 166             self._toStore("OMA") or \
 167             self._toStore("SigmaObs2") or \
 168             self._toStore("MahalanobisConsistency") or \
 169             self._toStore("SimulatedObservationAtCurrentOptimum") or \
 170             self._toStore("SimulatedObservationAtCurrentState") or \
 171             self._toStore("SimulatedObservationAtOptimum") or \
 172             self._toStore("SimulationQuantiles"):
 173             HXa  = numpy.matrix(numpy.ravel( H( Xa ) )).T
 174             oma = Y - HXa
 175         if self._parameters["StoreInternalVariables"] or \
 176             self._toStore("CostFunctionJ")  or self._toStore("CostFunctionJAtCurrentOptimum") or \
 177             self._toStore("CostFunctionJb") or self._toStore("CostFunctionJbAtCurrentOptimum") or \
 178             self._toStore("CostFunctionJo") or self._toStore("CostFunctionJoAtCurrentOptimum") or \
 179             self._toStore("MahalanobisConsistency"):
 180             Jb  = float( 0.5 * (Xa - Xb).T * BI * (Xa - Xb) )
 181             Jo  = float( 0.5 * oma.T * RI * oma )
 182             J   = Jb + Jo
 183             self.StoredVariables["CostFunctionJb"].store( Jb )
 184             self.StoredVariables["CostFunctionJo"].store( Jo )
 185             self.StoredVariables["CostFunctionJ" ].store( J )
 186             self.StoredVariables["CostFunctionJbAtCurrentOptimum"].store( Jb )
 187             self.StoredVariables["CostFunctionJoAtCurrentOptimum"].store( Jo )
 188             self.StoredVariables["CostFunctionJAtCurrentOptimum" ].store( J )
 189         #
 190         # Calcul de la covariance d'analyse
 191         # ---------------------------------
 192         if self._toStore("APosterioriCovariance") or \
 193             self._toStore("SimulationQuantiles"):
 194             if   (Y.size <= Xb.size): K  = B * Ha * (R + numpy.dot(Hm, B * Ha)).I
 195             elif (Y.size >  Xb.size): K = (BI + numpy.dot(Ha, RI * Hm)).I * Ha * RI
 196             A = B - K * Hm * B
 197             if min(A.shape) != max(A.shape):
 198                 raise ValueError("The %s a posteriori covariance matrix A is of shape %s, despites it has to be a squared matrix. There is an error in the observation operator, please check it."%(self._name,str(A.shape)))
 199             if (numpy.diag(A) < 0).any():
 200                 raise ValueError("The %s a posteriori covariance matrix A has at least one negative value on its diagonal. There is an error in the observation operator, please check it."%(self._name,))
 201             if logging.getLogger().level < logging.WARNING: # La verification n'a lieu qu'en debug
 202                 try:
 203                     L = numpy.linalg.cholesky( A )
 204                 except:
 205                     raise ValueError("The %s a posteriori covariance matrix A is not symmetric positive-definite. Please check your a priori covariances and your observation operator."%(self._name,))
 206             self.StoredVariables["APosterioriCovariance"].store( A )
 207         #
 208         # Calculs et/ou stockages supplémentaires
 209         # ---------------------------------------
 210         if self._parameters["StoreInternalVariables"] or self._toStore("CurrentState"):
 211             self.StoredVariables["CurrentState"].store( numpy.ravel(Xa) )
 212         if self._toStore("CurrentOptimum"):
 213             self.StoredVariables["CurrentOptimum"].store( numpy.ravel(Xa) )
 214         if self._toStore("Innovation"):
 215             self.StoredVariables["Innovation"].store( numpy.ravel(d) )
 216         if self._toStore("BMA"):
 217             self.StoredVariables["BMA"].store( numpy.ravel(Xb) - numpy.ravel(Xa) )
 218         if self._toStore("OMA"):
 219             self.StoredVariables["OMA"].store( numpy.ravel(oma) )
 220         if self._toStore("OMB"):
 221             self.StoredVariables["OMB"].store( numpy.ravel(d) )
 222         if self._toStore("SigmaObs2"):
 223             TraceR = R.trace(Y.size)
 224             self.StoredVariables["SigmaObs2"].store( float( (d.T * (numpy.asmatrix(numpy.ravel(oma)).T)) ) / TraceR )
 225         if self._toStore("SigmaBck2"):
 226             self.StoredVariables["SigmaBck2"].store( float( (d.T * Hm * (Xa - Xb))/(Hm * B * Hm.T).trace() ) )
 227         if self._toStore("MahalanobisConsistency"):
 228             self.StoredVariables["MahalanobisConsistency"].store( float( 2.*J/d.size ) )
 229         if self._toStore("SimulationQuantiles"):
 230             HtM  = HO["Tangent"].asMatrix(ValueForMethodForm = Xa)
 231             HtM  = HtM.reshape(Y.size,Xa.size) # ADAO & check shape
 232             NumericObjects.QuantilesEstimations(self, A, Xa, HXa, H, HtM)
 233         if self._toStore("SimulatedObservationAtBackground"):
 234             self.StoredVariables["SimulatedObservationAtBackground"].store( numpy.ravel(HXb) )
 235         if self._toStore("SimulatedObservationAtCurrentState"):
 236             self.StoredVariables["SimulatedObservationAtCurrentState"].store( numpy.ravel(HXa) )
 237         if self._toStore("SimulatedObservationAtCurrentOptimum"):
 238             self.StoredVariables["SimulatedObservationAtCurrentOptimum"].store( numpy.ravel(HXa) )
 239         if self._toStore("SimulatedObservationAtOptimum"):
 240             self.StoredVariables["SimulatedObservationAtOptimum"].store( numpy.ravel(HXa) )
 241         #
 242         self._post_run(HO)
 243         return 0
 244
 245 # ==============================================================================
 246 if __name__ == "__main__":
 247     print('\n AUTODIAGNOSTIC\n')