Salome HOME
Improving internal debug output
[modules/adao.git] / src / daComposant / daAlgorithms / 3DVAR.py
index ebfd8f9bf6738dfa74dce9788b448dc4b87f5b37..1bc5ea627ca56199cc4d4045a74589e3bb9e0b74 100644 (file)
@@ -1,6 +1,6 @@
 #-*-coding:iso-8859-1-*-
 #
-#  Copyright (C) 2008-2012 EDF R&D
+#  Copyright (C) 2008-2014 EDF R&D
 #
 #  This library is free software; you can redistribute it and/or
 #  modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
 import logging
 from daCore import BasicObjects, PlatformInfo
 m = PlatformInfo.SystemUsage()
-
-import numpy
-import scipy.optimize
-
-if logging.getLogger().level < logging.WARNING:
-    iprint  = 1
-    message = scipy.optimize.tnc.MSG_ALL
-    disp    = 1
-else:
-    iprint  = -1
-    message = scipy.optimize.tnc.MSG_NONE
-    disp    = 0
+import numpy, scipy.optimize
 
 # ==============================================================================
 class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
@@ -84,10 +73,42 @@ class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
             default  = [],
             typecast = tuple,
             message  = "Liste de calculs supplémentaires à stocker et/ou effectuer",
-            listval  = ["APosterioriCovariance", "BMA", "OMA", "OMB", "Innovation", "SigmaObs2", "MahalanobisConsistency"]
+            listval  = ["APosterioriCovariance", "BMA", "OMA", "OMB", "Innovation", "SigmaObs2", "MahalanobisConsistency", "SimulationQuantiles"]
+            )
+        self.defineRequiredParameter(
+            name     = "Quantiles",
+            default  = [],
+            typecast = tuple,
+            message  = "Liste des valeurs de quantiles",
+            )
+        self.defineRequiredParameter(
+            name     = "SetSeed",
+            typecast = numpy.random.seed,
+            message  = "Graine fixée pour le générateur aléatoire",
+            )
+        self.defineRequiredParameter(
+            name     = "NumberOfSamplesForQuantiles",
+            default  = 100,
+            typecast = int,
+            message  = "Nombre d'échantillons simulés pour le calcul des quantiles",
+            minval   = 1,
+            )
+        self.defineRequiredParameter(
+            name     = "SimulationForQuantiles",
+            default  = "Linear",
+            typecast = str,
+            message  = "Type de simulation pour l'estimation des quantiles",
+            listval  = ["Linear", "NonLinear"]
             )
 
-    def run(self, Xb=None, Y=None, H=None, M=None, R=None, B=None, Q=None, Parameters=None):
+    def run(self, Xb=None, Y=None, U=None, HO=None, EM=None, CM=None, R=None, B=None, Q=None, Parameters=None):
+        if logging.getLogger().level < logging.WARNING:
+            self.__iprint, self.__disp = 1, 1
+            self.__message = scipy.optimize.tnc.MSG_ALL
+        else:
+            self.__iprint, self.__disp = -1, 0
+            self.__message = scipy.optimize.tnc.MSG_NONE
+        #
         logging.debug("%s Lancement"%self._name)
         logging.debug("%s Taille mémoire utilisée de %.1f Mo"%(self._name, m.getUsedMemory("M")))
         #
@@ -102,18 +123,18 @@ class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
             Bounds = None
         #
         # Correction pour pallier a un bug de TNC sur le retour du Minimum
-        if self._parameters.has_key("Minimizer") is "TNC":
+        if self._parameters.has_key("Minimizer") == "TNC":
             self.setParameterValue("StoreInternalVariables",True)
         #
         # Opérateur d'observation
         # -----------------------
-        Hm = H["Direct"].appliedTo
-        Ha = H["Adjoint"].appliedInXTo
+        Hm = HO["Direct"].appliedTo
+        Ha = HO["Adjoint"].appliedInXTo
         #
         # Utilisation éventuelle d'un vecteur H(Xb) précalculé
         # ----------------------------------------------------
-        if H["AppliedToX"] is not None and H["AppliedToX"].has_key("HXb"):
-            HXb = H["AppliedToX"]["HXb"]
+        if HO["AppliedToX"] is not None and HO["AppliedToX"].has_key("HXb"):
+            HXb = HO["AppliedToX"]["HXb"]
         else:
             HXb = Hm( Xb )
         HXb = numpy.asmatrix(numpy.ravel( HXb )).T
@@ -128,19 +149,8 @@ class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
         #
         # Précalcul des inversions de B et R
         # ----------------------------------
-        if B is not None:
-            BI = B.I
-        elif self._parameters["B_scalar"] is not None:
-            BI = 1.0 / self._parameters["B_scalar"]
-        else:
-            raise ValueError("Background error covariance matrix has to be properly defined!")
-        #
-        if R is not None:
-            RI = R.I
-        elif self._parameters["R_scalar"] is not None:
-            RI = 1.0 / self._parameters["R_scalar"]
-        else:
-            raise ValueError("Observation error covariance matrix has to be properly defined!")
+        BI = B.getI()
+        RI = R.getI()
         #
         # Définition de la fonction-coût
         # ------------------------------
@@ -176,7 +186,7 @@ class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
         #
         # Minimisation de la fonctionnelle
         # --------------------------------
-        n0 = self.StoredVariables["CostFunctionJ"].stepnumber()
+        nbPreviousSteps = self.StoredVariables["CostFunctionJ"].stepnumber()
         #
         if self._parameters["Minimizer"] == "LBFGSB":
             Minimum, J_optimal, Informations = scipy.optimize.fmin_l_bfgs_b(
@@ -188,7 +198,7 @@ class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
                 maxfun      = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"]-1,
                 factr       = self._parameters["CostDecrementTolerance"]*1.e14,
                 pgtol       = self._parameters["ProjectedGradientTolerance"],
-                iprint      = iprint,
+                iprint      = self.__iprint,
                 )
             nfeval = Informations['funcalls']
             rc     = Informations['warnflag']
@@ -202,7 +212,7 @@ class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
                 maxfun      = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
                 pgtol       = self._parameters["ProjectedGradientTolerance"],
                 ftol        = self._parameters["CostDecrementTolerance"],
-                messages    = message,
+                messages    = self.__message,
                 )
         elif self._parameters["Minimizer"] == "CG":
             Minimum, fopt, nfeval, grad_calls, rc = scipy.optimize.fmin_cg(
@@ -212,7 +222,7 @@ class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
                 args        = (),
                 maxiter     = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
                 gtol        = self._parameters["GradientNormTolerance"],
-                disp        = disp,
+                disp        = self.__disp,
                 full_output = True,
                 )
         elif self._parameters["Minimizer"] == "NCG":
@@ -223,7 +233,7 @@ class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
                 args        = (),
                 maxiter     = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
                 avextol     = self._parameters["CostDecrementTolerance"],
-                disp        = disp,
+                disp        = self.__disp,
                 full_output = True,
                 )
         elif self._parameters["Minimizer"] == "BFGS":
@@ -234,19 +244,19 @@ class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
                 args        = (),
                 maxiter     = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
                 gtol        = self._parameters["GradientNormTolerance"],
-                disp        = disp,
+                disp        = self.__disp,
                 full_output = True,
                 )
         else:
             raise ValueError("Error in Minimizer name: %s"%self._parameters["Minimizer"])
         #
-        StepMin = numpy.argmin( self.StoredVariables["CostFunctionJ"].valueserie()[n0:] )
-        MinJ    = self.StoredVariables["CostFunctionJ"].valueserie(step = StepMin)
+        IndexMin = numpy.argmin( self.StoredVariables["CostFunctionJ"][nbPreviousSteps:] ) + nbPreviousSteps
+        MinJ     = self.StoredVariables["CostFunctionJ"][IndexMin]
         #
         # Correction pour pallier a un bug de TNC sur le retour du Minimum
         # ----------------------------------------------------------------
         if self._parameters["StoreInternalVariables"]:
-            Minimum = self.StoredVariables["CurrentState"].valueserie(step = StepMin)
+            Minimum = self.StoredVariables["CurrentState"][IndexMin]
         #
         # Obtention de l'analyse
         # ----------------------
@@ -254,30 +264,38 @@ class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
         #
         self.StoredVariables["Analysis"].store( Xa.A1 )
         #
+        if  "OMA"                   in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"] or \
+            "SigmaObs2"             in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"] or \
+            "SimulationQuantiles"   in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"]:
+            HXa = Hm(Xa)
+        #
         # Calcul de la covariance d'analyse
         # ---------------------------------
-        if "APosterioriCovariance" in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"]:
-            HtM = H["Tangent"].asMatrix(ValueForMethodForm = Xa)
-            HtM = HtM.reshape(len(Y),len(Xa.A1)) # ADAO & check shape
-            HaM = H["Adjoint"].asMatrix(ValueForMethodForm = Xa)
-            HaM = HaM.reshape(len(Xa.A1),len(Y)) # ADAO & check shape
+        if "APosterioriCovariance" in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"] or \
+           "SimulationQuantiles" in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"]:
+            HtM = HO["Tangent"].asMatrix(ValueForMethodForm = Xa)
+            HtM = HtM.reshape(Y.size,Xa.size) # ADAO & check shape
+            HaM = HO["Adjoint"].asMatrix(ValueForMethodForm = Xa)
+            HaM = HaM.reshape(Xa.size,Y.size) # ADAO & check shape
             HessienneI = []
-            nb = len(Xa.A1)
+            nb = Xa.size
             for i in range(nb):
                 _ee    = numpy.matrix(numpy.zeros(nb)).T
                 _ee[i] = 1.
                 _HtEE  = numpy.dot(HtM,_ee)
                 _HtEE  = numpy.asmatrix(numpy.ravel( _HtEE )).T
-                HessienneI.append( numpy.ravel( numpy.dot(BI,_ee) + numpy.dot(HaM,numpy.dot(RI,_HtEE)) ) )
+                HessienneI.append( numpy.ravel( BI*_ee + HaM * (RI * _HtEE) ) )
             HessienneI = numpy.matrix( HessienneI )
             A = HessienneI.I
             if min(A.shape) != max(A.shape):
-                raise ValueError("The 3DVAR 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."%str(A.shape))
+                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)))
+            if (numpy.diag(A) < 0).any():
+                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,))
             if logging.getLogger().level < logging.WARNING: # La verification n'a lieu qu'en debug
                 try:
                     L = numpy.linalg.cholesky( A )
                 except:
-                    raise ValueError("The 3DVAR a posteriori covariance matrix A is not symmetric positive-definite. Check your B and R a priori covariances.")
+                    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,))
             self.StoredVariables["APosterioriCovariance"].store( A )
         #
         # Calculs et/ou stockages supplémentaires
@@ -287,14 +305,41 @@ class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
         if "BMA" in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"]:
             self.StoredVariables["BMA"].store( numpy.ravel(Xb) - numpy.ravel(Xa) )
         if "OMA" in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"]:
-            self.StoredVariables["OMA"].store( numpy.ravel(Y) - numpy.ravel(Hm(Xa)) )
+            self.StoredVariables["OMA"].store( numpy.ravel(Y) - numpy.ravel(HXa) )
         if "OMB" in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"]:
             self.StoredVariables["OMB"].store( numpy.ravel(d) )
         if "SigmaObs2" in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"]:
-            self.StoredVariables["SigmaObs2"].store( float( (d.T * (Y-Hm(Xa))) / R.trace() ) )
+            TraceR = R.trace(Y.size)
+            self.StoredVariables["SigmaObs2"].store( float( (d.T * (numpy.asmatrix(numpy.ravel(Y)).T-numpy.asmatrix(numpy.ravel(HXa)).T)) ) / TraceR )
         if "MahalanobisConsistency" in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"]:
-            self.StoredVariables["MahalanobisConsistency"].store( float( 2.*MinJ/len(d) ) )
+            self.StoredVariables["MahalanobisConsistency"].store( float( 2.*MinJ/d.size ) )
+        if "SimulationQuantiles" in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"]:
+            Qtls = self._parameters["Quantiles"]
+            nech = self._parameters["NumberOfSamplesForQuantiles"]
+            HXa  = numpy.matrix(numpy.ravel( HXa )).T
+            YfQ  = None
+            for i in range(nech):
+                if self._parameters["SimulationForQuantiles"] == "Linear":
+                    dXr = numpy.matrix(numpy.random.multivariate_normal(Xa.A1,A) - Xa.A1).T
+                    dYr = numpy.matrix(numpy.ravel( HtM * dXr )).T
+                    Yr = HXa + dYr
+                elif self._parameters["SimulationForQuantiles"] == "NonLinear":
+                    Xr = numpy.matrix(numpy.random.multivariate_normal(Xa.A1,A)).T
+                    Yr = numpy.matrix(numpy.ravel( Hm( Xr ) )).T
+                if YfQ is None:
+                    YfQ = Yr
+                else:
+                    YfQ = numpy.hstack((YfQ,Yr))
+            YfQ.sort(axis=-1)
+            YQ = None
+            for quantile in Qtls:
+                if not (0. <= quantile <= 1.): continue
+                indice = int(nech * quantile - 1./nech)
+                if YQ is None: YQ = YfQ[:,indice]
+                else:          YQ = numpy.hstack((YQ,YfQ[:,indice]))
+            self.StoredVariables["SimulationQuantiles"].store( YQ )
         #
+        logging.debug("%s Nombre d'évaluation(s) de l'opérateur d'observation direct/tangent/adjoint : %i/%i/%i"%(self._name, HO["Direct"].nbcalls()[0],HO["Tangent"].nbcalls()[0],HO["Adjoint"].nbcalls()[0]))
         logging.debug("%s Taille mémoire utilisée de %.1f Mo"%(self._name, m.getUsedMemory("M")))
         logging.debug("%s Terminé"%self._name)
         #