src/daComposant/daAlgorithms/NonLinearLeastSquares.py

   1 #-*-coding:iso-8859-1-*-
   2 #
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   4 #
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  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
  22 import logging
  23 from daCore import BasicObjects, PlatformInfo
  24 m = PlatformInfo.SystemUsage()
  25
  26 import numpy
  27 import scipy.optimize
  28
  29 if logging.getLogger().level < 30:
  30     iprint  = 1
  31     message = scipy.optimize.tnc.MSG_ALL
  32     disp    = 1
  33 else:
  34     iprint  = -1
  35     message = scipy.optimize.tnc.MSG_NONE
  36     disp    = 0
  37
  38 # ==============================================================================
  39 class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
  40     def __init__(self):
  41         BasicObjects.Algorithm.__init__(self, "NONLINEARLEASTSQUARES")
  42         self.defineRequiredParameter(
  43             name     = "Minimizer",
  44             default  = "LBFGSB",
  45             typecast = str,
  46             message  = "Minimiseur utilisé",
  47             listval  = ["LBFGSB","TNC", "CG", "NCG", "BFGS"],
  48             )
  49         self.defineRequiredParameter(
  50             name     = "MaximumNumberOfSteps",
  51             default  = 15000,
  52             typecast = int,
  53             message  = "Nombre maximal de pas d'optimisation",
  54             minval   = -1
  55             )
  56         self.defineRequiredParameter(
  57             name     = "CostDecrementTolerance",
  58             default  = 1.e-7,
  59             typecast = float,
  60             message  = "Diminution relative minimale du cout lors de l'arrêt",
  61             )
  62         self.defineRequiredParameter(
  63             name     = "ProjectedGradientTolerance",
  64             default  = -1,
  65             typecast = float,
  66             message  = "Maximum des composantes du gradient projeté lors de l'arrêt",
  67             minval   = -1,
  68             )
  69         self.defineRequiredParameter(
  70             name     = "GradientNormTolerance",
  71             default  = 1.e-05,
  72             typecast = float,
  73             message  = "Maximum des composantes du gradient lors de l'arrêt",
  74             )
  75
  76     def run(self, Xb=None, Y=None, H=None, M=None, R=None, B=None, Q=None, Parameters=None):
  77         """
  78         Calcul de l'estimateur moindres carrés pondérés non linéaires
  79         (assimilation variationnelle sans ébauche)
  80         """
  81         logging.debug("%s Lancement"%self._name)
  82         logging.debug("%s Taille mémoire utilisée de %.1f Mo"%(self._name, m.getUsedMemory("Mo")))
  83         #
  84         # Paramètres de pilotage
  85         # ----------------------
  86         self.setParameters(Parameters)
  87         #
  88         if self._parameters.has_key("Bounds") and (type(self._parameters["Bounds"]) is type([]) or type(self._parameters["Bounds"]) is type(())) and (len(self._parameters["Bounds"]) > 0):
  89             Bounds = self._parameters["Bounds"]
  90             logging.debug("%s Prise en compte des bornes effectuee"%(self._name,))
  91         else:
  92             Bounds = None
  93         #
  94         # Opérateur d'observation
  95         # -----------------------
  96         Hm = H["Direct"].appliedTo
  97         Ha = H["Adjoint"].appliedInXTo
  98         #
  99         # Utilisation éventuelle d'un vecteur H(Xb) précalculé
 100         # ----------------------------------------------------
 101         if H["AppliedToX"] is not None and H["AppliedToX"].has_key("HXb"):
 102             logging.debug("%s Utilisation de HXb"%self._name)
 103             HXb = H["AppliedToX"]["HXb"]
 104         else:
 105             logging.debug("%s Calcul de Hm(Xb)"%self._name)
 106             HXb = Hm( Xb )
 107         HXb = numpy.asmatrix(HXb).flatten().T
 108         #
 109         # Calcul de l'innovation
 110         # ----------------------
 111         if Y.size != HXb.size:
 112             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))
 113         if max(Y.shape) != max(HXb.shape):
 114             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))
 115         d  = Y - HXb
 116         logging.debug("%s Innovation d = %s"%(self._name, d))
 117         #
 118         # Précalcul des inversions de B et R
 119         # ----------------------------------
 120         # if B is not None:
 121         #     BI = B.I
 122         # elif self._parameters["B_scalar"] is not None:
 123         #     BI = 1.0 / self._parameters["B_scalar"]
 124         # else:
 125         #     raise ValueError("Background error covariance matrix has to be properly defined!")
 126         #
 127         if R is not None:
 128             RI = R.I
 129         elif self._parameters["R_scalar"] is not None:
 130             RI = 1.0 / self._parameters["R_scalar"]
 131         else:
 132             raise ValueError("Observation error covariance matrix has to be properly defined!")
 133         #
 134         # Définition de la fonction-coût
 135         # ------------------------------
 136         def CostFunction(x):
 137             _X  = numpy.asmatrix(x).flatten().T
 138             logging.debug("%s CostFunction X  = %s"%(self._name, numpy.asmatrix( _X ).flatten()))
 139             _HX = Hm( _X )
 140             _HX = numpy.asmatrix(_HX).flatten().T
 141             Jb  = 0.
 142             Jo  = 0.5 * (Y - _HX).T * RI * (Y - _HX)
 143             J   = float( Jb ) + float( Jo )
 144             logging.debug("%s CostFunction Jb = %s"%(self._name, Jb))
 145             logging.debug("%s CostFunction Jo = %s"%(self._name, Jo))
 146             logging.debug("%s CostFunction J  = %s"%(self._name, J))
 147             self.StoredVariables["CurrentState"].store( _X.A1 )
 148             self.StoredVariables["CostFunctionJb"].store( Jb )
 149             self.StoredVariables["CostFunctionJo"].store( Jo )
 150             self.StoredVariables["CostFunctionJ" ].store( J )
 151             return float( J )
 152         #
 153         def GradientOfCostFunction(x):
 154             _X      = numpy.asmatrix(x).flatten().T
 155             logging.debug("%s GradientOfCostFunction X      = %s"%(self._name, numpy.asmatrix( _X ).flatten()))
 156             _HX     = Hm( _X )
 157             _HX     = numpy.asmatrix(_HX).flatten().T
 158             GradJb  = 0.
 159             GradJo  = - Ha( (_X, RI * (Y - _HX)) )
 160             GradJ   = numpy.asmatrix( GradJb ).flatten().T + numpy.asmatrix( GradJo ).flatten().T
 161             logging.debug("%s GradientOfCostFunction GradJb = %s"%(self._name, numpy.asmatrix( GradJb ).flatten()))
 162             logging.debug("%s GradientOfCostFunction GradJo = %s"%(self._name, numpy.asmatrix( GradJo ).flatten()))
 163             logging.debug("%s GradientOfCostFunction GradJ  = %s"%(self._name, numpy.asmatrix( GradJ  ).flatten()))
 164             return GradJ.A1
 165         #
 166         # Point de démarrage de l'optimisation : Xini = Xb
 167         # ------------------------------------
 168         if type(Xb) is type(numpy.matrix([])):
 169             Xini = Xb.A1.tolist()
 170         else:
 171             Xini = list(Xb)
 172         logging.debug("%s Point de démarrage Xini = %s"%(self._name, Xini))
 173         #
 174         # Minimisation de la fonctionnelle
 175         # --------------------------------
 176         if self._parameters["Minimizer"] == "LBFGSB":
 177             Minimum, J_optimal, Informations = scipy.optimize.fmin_l_bfgs_b(
 178                 func        = CostFunction,
 179                 x0          = Xini,
 180                 fprime      = GradientOfCostFunction,
 181                 args        = (),
 182                 bounds      = Bounds,
 183                 maxfun      = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"]-1,
 184                 factr       = self._parameters["CostDecrementTolerance"]*1.e14,
 185                 pgtol       = self._parameters["ProjectedGradientTolerance"],
 186                 iprint      = iprint,
 187                 )
 188             nfeval = Informations['funcalls']
 189             rc     = Informations['warnflag']
 190         elif self._parameters["Minimizer"] == "TNC":
 191             Minimum, nfeval, rc = scipy.optimize.fmin_tnc(
 192                 func        = CostFunction,
 193                 x0          = Xini,
 194                 fprime      = GradientOfCostFunction,
 195                 args        = (),
 196                 bounds      = Bounds,
 197                 maxfun      = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
 198                 pgtol       = self._parameters["ProjectedGradientTolerance"],
 199                 ftol        = self._parameters["CostDecrementTolerance"],
 200                 messages    = message,
 201                 )
 202         elif self._parameters["Minimizer"] == "CG":
 203             Minimum, fopt, nfeval, grad_calls, rc = scipy.optimize.fmin_cg(
 204                 f           = CostFunction,
 205                 x0          = Xini,
 206                 fprime      = GradientOfCostFunction,
 207                 args        = (),
 208                 maxiter     = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
 209                 gtol        = self._parameters["GradientNormTolerance"],
 210                 disp        = disp,
 211                 full_output = True,
 212                 )
 213         elif self._parameters["Minimizer"] == "NCG":
 214             Minimum, fopt, nfeval, grad_calls, hcalls, rc = scipy.optimize.fmin_ncg(
 215                 f           = CostFunction,
 216                 x0          = Xini,
 217                 fprime      = GradientOfCostFunction,
 218                 args        = (),
 219                 maxiter     = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
 220                 avextol     = self._parameters["CostDecrementTolerance"],
 221                 disp        = disp,
 222                 full_output = True,
 223                 )
 224         elif self._parameters["Minimizer"] == "BFGS":
 225             Minimum, fopt, gopt, Hopt, nfeval, grad_calls, rc = scipy.optimize.fmin_bfgs(
 226                 f           = CostFunction,
 227                 x0          = Xini,
 228                 fprime      = GradientOfCostFunction,
 229                 args        = (),
 230                 maxiter     = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
 231                 gtol        = self._parameters["GradientNormTolerance"],
 232                 disp        = disp,
 233                 full_output = True,
 234                 )
 235         else:
 236             raise ValueError("Error in Minimizer name: %s"%self._parameters["Minimizer"])
 237         #
 238         # Correction pour pallier a un bug de TNC sur le retour du Minimum
 239         # ----------------------------------------------------------------
 240         StepMin = numpy.argmin( self.StoredVariables["CostFunctionJ"].valueserie() )
 241         MinJ    = self.StoredVariables["CostFunctionJ"].valueserie(step = StepMin)
 242         Minimum = self.StoredVariables["CurrentState"].valueserie(step = StepMin)
 243         #
 244         logging.debug("%s %s Step of min cost  = %s"%(self._name, self._parameters["Minimizer"], StepMin))
 245         logging.debug("%s %s Minimum cost      = %s"%(self._name, self._parameters["Minimizer"], MinJ))
 246         logging.debug("%s %s Minimum state     = %s"%(self._name, self._parameters["Minimizer"], Minimum))
 247         logging.debug("%s %s Nb of F           = %s"%(self._name, self._parameters["Minimizer"], nfeval))
 248         logging.debug("%s %s RetCode           = %s"%(self._name, self._parameters["Minimizer"], rc))
 249         #
 250         # Obtention de l'analyse
 251         # ----------------------
 252         Xa = numpy.asmatrix(Minimum).T
 253         logging.debug("%s Analyse Xa = %s"%(self._name, Xa))
 254         #
 255         self.StoredVariables["Analysis"].store( Xa.A1 )
 256         self.StoredVariables["Innovation"].store( d.A1 )
 257         #
 258         logging.debug("%s Taille mémoire utilisée de %.1f Mo"%(self._name, m.getUsedMemory("MB")))
 259         logging.debug("%s Terminé"%self._name)
 260         #
 261         return 0
 262
 263 # ==============================================================================
 264 if __name__ == "__main__":
 265     print '\n AUTODIAGNOSTIC \n'