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Slight corrections of parameters and variables treatment
[modules/adao.git] / src / daComposant / daAlgorithms / 3DVAR.py
index 82eb0586eb074fb7d4f9469ba2175e75df5ab8d8..8997f3a1cdfe84799ebcc12de6496c8ec40cfcb1 100644 (file)
@@ -1,6 +1,6 @@
 #-*-coding:iso-8859-1-*-
 #
-#  Copyright (C) 2008-2009  EDF R&D
+#  Copyright (C) 2008-2012 EDF R&D
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 #  This library is free software; you can redistribute it and/or
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 #
-__doc__ = """
-    Algorithme variationnel statique (3D-VAR)
-"""
-__author__ = "Jean-Philippe ARGAUD - Mars 2009"
 
-import sys ; sys.path.insert(0, "../daCore")
 import logging
-from daCore import Persistence
-from daCore.BasicObjects import Algorithm
-from daCore import PlatformInfo ; m = PlatformInfo.SystemUsage()
+from daCore import BasicObjects, PlatformInfo
+m = PlatformInfo.SystemUsage()
 
 import numpy
 import scipy.optimize
 
-if logging.getLogger().level < 30:
+if logging.getLogger().level < logging.WARNING:
     iprint  = 1
     message = scipy.optimize.tnc.MSG_ALL
     disp    = 1
@@ -42,21 +36,80 @@ else:
     disp    = 0
 
 # ==============================================================================
-class ElementaryAlgorithm(Algorithm):
+class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
     def __init__(self):
-        Algorithm.__init__(self)
-        self._name = "3DVAR"
-        logging.debug("%s Initialisation"%self._name)
+        BasicObjects.Algorithm.__init__(self, "3DVAR")
+        self.defineRequiredParameter(
+            name     = "Minimizer",
+            default  = "LBFGSB",
+            typecast = str,
+            message  = "Minimiseur utilisé",
+            listval  = ["LBFGSB","TNC", "CG", "NCG", "BFGS"],
+            )
+        self.defineRequiredParameter(
+            name     = "MaximumNumberOfSteps",
+            default  = 15000,
+            typecast = int,
+            message  = "Nombre maximal de pas d'optimisation",
+            minval   = -1,
+            )
+        self.defineRequiredParameter(
+            name     = "CostDecrementTolerance",
+            default  = 1.e-7,
+            typecast = float,
+            message  = "Diminution relative minimale du cout lors de l'arrêt",
+            )
+        self.defineRequiredParameter(
+            name     = "ProjectedGradientTolerance",
+            default  = -1,
+            typecast = float,
+            message  = "Maximum des composantes du gradient projeté lors de l'arrêt",
+            minval   = -1,
+            )
+        self.defineRequiredParameter(
+            name     = "GradientNormTolerance",
+            default  = 1.e-05,
+            typecast = float,
+            message  = "Maximum des composantes du gradient lors de l'arrêt",
+            )
+        self.defineRequiredParameter(
+            name     = "CalculateAPosterioriCovariance",
+            default  = False,
+            typecast = bool,
+            message  = "Calcul de la covariance a posteriori",
+            )
+        self.defineRequiredParameter(
+            name     = "StoreInternalVariables",
+            default  = False,
+            typecast = bool,
+            message  = "Stockage des variables internes ou intermédiaires du calcul",
+            )
 
-    def run(self, Xb=None, Y=None, H=None, M=None, R=None, B=None, Q=None, Par=None):
+    def run(self, Xb=None, Y=None, H=None, M=None, R=None, B=None, Q=None, Parameters=None):
         """
         Calcul de l'estimateur 3D-VAR
         """
         logging.debug("%s Lancement"%self._name)
         logging.debug("%s Taille mémoire utilisée de %.1f Mo"%(self._name, m.getUsedMemory("Mo")))
         #
+        # Paramètres de pilotage
+        # ----------------------
+        self.setParameters(Parameters)
+        #
+        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):
+            Bounds = self._parameters["Bounds"]
+            logging.debug("%s Prise en compte des bornes effectuee"%(self._name,))
+        else:
+            Bounds = None
+        #
+        # Correction pour pallier a un bug de TNC sur le retour du Minimum
+        if self._parameters.has_key("Minimizer") is "TNC":
+            self.setParameterValue("StoreInternalVariables",True)
+        #
+        # Opérateur d'observation
+        # -----------------------
         Hm = H["Direct"].appliedTo
-        Ht = H["Adjoint"].appliedInXTo
+        Ha = H["Adjoint"].appliedInXTo
         #
         # Utilisation éventuelle d'un vecteur H(Xb) précalculé
         # ----------------------------------------------------
@@ -66,34 +119,48 @@ class ElementaryAlgorithm(Algorithm):
         else:
             logging.debug("%s Calcul de Hm(Xb)"%self._name)
             HXb = Hm( Xb )
-        #
-        # Calcul du préconditionnement
-        # ----------------------------
-       # Bdemi = numpy.linalg.cholesky(B)
+        HXb = numpy.asmatrix(HXb).flatten().T
         #
         # Calcul de l'innovation
         # ----------------------
+        if Y.size != HXb.size:
+            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))
+        if max(Y.shape) != max(HXb.shape):
+            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))
         d  = Y - HXb
         logging.debug("%s Innovation d = %s"%(self._name, d))
         #
-        # Précalcul des inversion appellée dans les fonction-coût et gradient
-        # -------------------------------------------------------------------
-        BI = B.I
-        RI = R.I
+        # 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!")
         #
         # Définition de la fonction-coût
         # ------------------------------
         def CostFunction(x):
             _X  = numpy.asmatrix(x).flatten().T
-            logging.info("%s CostFunction X  = %s"%(self._name, numpy.asmatrix( _X ).flatten()))
+            logging.debug("%s CostFunction X  = %s"%(self._name, numpy.asmatrix( _X ).flatten()))
             _HX = Hm( _X )
             _HX = numpy.asmatrix(_HX).flatten().T
             Jb  = 0.5 * (_X - Xb).T * BI * (_X - Xb)
             Jo  = 0.5 * (Y - _HX).T * RI * (Y - _HX)
             J   = float( Jb ) + float( Jo )
-            logging.info("%s CostFunction Jb = %s"%(self._name, Jb))
-            logging.info("%s CostFunction Jo = %s"%(self._name, Jo))
-            logging.info("%s CostFunction J  = %s"%(self._name, J))
+            logging.debug("%s CostFunction Jb = %s"%(self._name, Jb))
+            logging.debug("%s CostFunction Jo = %s"%(self._name, Jo))
+            logging.debug("%s CostFunction J  = %s"%(self._name, J))
+            if self._parameters["StoreInternalVariables"]:
+                self.StoredVariables["CurrentState"].store( _X.A1 )
             self.StoredVariables["CostFunctionJb"].store( Jb )
             self.StoredVariables["CostFunctionJo"].store( Jo )
             self.StoredVariables["CostFunctionJ" ].store( J )
@@ -101,18 +168,15 @@ class ElementaryAlgorithm(Algorithm):
         #
         def GradientOfCostFunction(x):
             _X      = numpy.asmatrix(x).flatten().T
-            logging.info("%s GradientOfCostFunction X      = %s"%(self._name, numpy.asmatrix( _X ).flatten()))
+            logging.debug("%s GradientOfCostFunction X      = %s"%(self._name, numpy.asmatrix( _X ).flatten()))
             _HX     = Hm( _X )
             _HX     = numpy.asmatrix(_HX).flatten().T
             GradJb  = BI * (_X - Xb)
-            GradJo  = - Ht( (_X, RI * (Y - _HX)) )
+            GradJo  = - Ha( (_X, RI * (Y - _HX)) )
             GradJ   = numpy.asmatrix( GradJb ).flatten().T + numpy.asmatrix( GradJo ).flatten().T
             logging.debug("%s GradientOfCostFunction GradJb = %s"%(self._name, numpy.asmatrix( GradJb ).flatten()))
             logging.debug("%s GradientOfCostFunction GradJo = %s"%(self._name, numpy.asmatrix( GradJo ).flatten()))
             logging.debug("%s GradientOfCostFunction GradJ  = %s"%(self._name, numpy.asmatrix( GradJ  ).flatten()))
-            # self.StoredVariables["GradientOfCostFunctionJb"].store( Jb )
-            # self.StoredVariables["GradientOfCostFunctionJo"].store( Jo )
-            # self.StoredVariables["GradientOfCostFunctionJ" ].store( J )
             return GradJ.A1
         #
         # Point de démarrage de l'optimisation : Xini = Xb
@@ -123,89 +187,112 @@ class ElementaryAlgorithm(Algorithm):
             Xini = list(Xb)
         logging.debug("%s Point de démarrage Xini = %s"%(self._name, Xini))
         #
-        # Paramètres de pilotage
-        # ----------------------
-        if Par.has_key("Bounds") and (type(Par["Bounds"]) is type([]) or type(Par["Bounds"]) is type(())) and (len(Par["Bounds"]) > 0):
-            Bounds = Par["Bounds"]
-        else:
-            Bounds = None
-        MinimizerList = ["LBFGSB","TNC", "CG", "BFGS"]
-        if Par.has_key("Minimizer") and (Par["Minimizer"] in MinimizerList):
-            Minimizer = str( Par["Minimizer"] )
-        else:
-            Minimizer = "LBFGSB"
-        logging.debug("%s Minimiseur utilisé = %s"%(self._name, Minimizer))
-        if Par.has_key("MaximumNumberOfSteps") and (Par["MaximumNumberOfSteps"] > -1):
-            maxiter = int( Par["MaximumNumberOfSteps"] )
-        else:
-            maxiter = 15000
-        logging.debug("%s Nombre maximal de pas d'optimisation = %s"%(self._name, maxiter))
-        #
         # Minimisation de la fonctionnelle
         # --------------------------------
-        if Minimizer == "LBFGSB":
+        if self._parameters["Minimizer"] == "LBFGSB":
             Minimum, J_optimal, Informations = scipy.optimize.fmin_l_bfgs_b(
                 func        = CostFunction,
                 x0          = Xini,
                 fprime      = GradientOfCostFunction,
                 args        = (),
                 bounds      = Bounds,
-                maxfun      = maxiter,
+                maxfun      = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"]-1,
+                factr       = self._parameters["CostDecrementTolerance"]*1.e14,
+                pgtol       = self._parameters["ProjectedGradientTolerance"],
                 iprint      = iprint,
                 )
-            logging.debug("%s %s Minimum = %s"%(self._name, Minimizer, Minimum))
-            logging.debug("%s %s Nb of F = %s"%(self._name, Minimizer, Informations['funcalls']))
-            logging.debug("%s %s RetCode = %s"%(self._name, Minimizer, Informations['warnflag']))
-        elif Minimizer == "TNC":
+            nfeval = Informations['funcalls']
+            rc     = Informations['warnflag']
+        elif self._parameters["Minimizer"] == "TNC":
             Minimum, nfeval, rc = scipy.optimize.fmin_tnc(
                 func        = CostFunction,
                 x0          = Xini,
                 fprime      = GradientOfCostFunction,
                 args        = (),
                 bounds      = Bounds,
-                maxfun      = maxiter,
+                maxfun      = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
+                pgtol       = self._parameters["ProjectedGradientTolerance"],
+                ftol        = self._parameters["CostDecrementTolerance"],
                 messages    = message,
                 )
-            logging.debug("%s %s Minimum = %s"%(self._name, Minimizer, Minimum))
-            logging.debug("%s %s Nb of F = %s"%(self._name, Minimizer, nfeval))
-            logging.debug("%s %s RetCode = %s"%(self._name, Minimizer, rc))
-        elif Minimizer == "CG":
+        elif self._parameters["Minimizer"] == "CG":
             Minimum, fopt, nfeval, grad_calls, rc = scipy.optimize.fmin_cg(
                 f           = CostFunction,
                 x0          = Xini,
                 fprime      = GradientOfCostFunction,
                 args        = (),
-                maxiter     = maxiter,
+                maxiter     = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
+                gtol        = self._parameters["GradientNormTolerance"],
                 disp        = disp,
                 full_output = True,
                 )
-            logging.debug("%s %s Minimum = %s"%(self._name, Minimizer, Minimum))
-            logging.debug("%s %s Nb of F = %s"%(self._name, Minimizer, nfeval))
-            logging.debug("%s %s RetCode = %s"%(self._name, Minimizer, rc))
-        elif Minimizer == "BFGS":
+        elif self._parameters["Minimizer"] == "NCG":
+            Minimum, fopt, nfeval, grad_calls, hcalls, rc = scipy.optimize.fmin_ncg(
+                f           = CostFunction,
+                x0          = Xini,
+                fprime      = GradientOfCostFunction,
+                args        = (),
+                maxiter     = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
+                avextol     = self._parameters["CostDecrementTolerance"],
+                disp        = disp,
+                full_output = True,
+                )
+        elif self._parameters["Minimizer"] == "BFGS":
             Minimum, fopt, gopt, Hopt, nfeval, grad_calls, rc = scipy.optimize.fmin_bfgs(
                 f           = CostFunction,
                 x0          = Xini,
                 fprime      = GradientOfCostFunction,
                 args        = (),
-                maxiter     = maxiter,
+                maxiter     = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
+                gtol        = self._parameters["GradientNormTolerance"],
                 disp        = disp,
                 full_output = True,
                 )
-            logging.debug("%s %s Minimum = %s"%(self._name, Minimizer, Minimum))
-            logging.debug("%s %s Nb of F = %s"%(self._name, Minimizer, nfeval))
-            logging.debug("%s %s RetCode = %s"%(self._name, Minimizer, rc))
         else:
-            raise ValueError("Error in Minimizer name: %s"%Minimizer)
+            raise ValueError("Error in Minimizer name: %s"%self._parameters["Minimizer"])
+        #
+        StepMin = numpy.argmin( self.StoredVariables["CostFunctionJ"].valueserie() )
+        MinJ    = self.StoredVariables["CostFunctionJ"].valueserie(step = StepMin)
+        #
+        # Correction pour pallier a un bug de TNC sur le retour du Minimum
+        # ----------------------------------------------------------------
+        if self._parameters["StoreInternalVariables"]:
+            Minimum = self.StoredVariables["CurrentState"].valueserie(step = StepMin)
         #
-        # Calcul  de l'analyse
-        # --------------------
-        Xa = numpy.asmatrix(Minimum).T
+        logging.debug("%s %s Step of min cost  = %s"%(self._name, self._parameters["Minimizer"], StepMin))
+        logging.debug("%s %s Minimum cost      = %s"%(self._name, self._parameters["Minimizer"], MinJ))
+        logging.debug("%s %s Minimum state     = %s"%(self._name, self._parameters["Minimizer"], Minimum))
+        logging.debug("%s %s Nb of F           = %s"%(self._name, self._parameters["Minimizer"], nfeval))
+        logging.debug("%s %s RetCode           = %s"%(self._name, self._parameters["Minimizer"], rc))
+        #
+        # Obtention de l'analyse
+        # ----------------------
+        Xa = numpy.asmatrix(Minimum).flatten().T
         logging.debug("%s Analyse Xa = %s"%(self._name, Xa))
         #
         self.StoredVariables["Analysis"].store( Xa.A1 )
         self.StoredVariables["Innovation"].store( d.A1 )
         #
+        # Calcul de la covariance d'analyse
+        # ---------------------------------
+        if self._parameters["CalculateAPosterioriCovariance"]:
+            HessienneI = []
+            nb = len(Xini)
+            for i in range(nb):
+                _ee    = numpy.matrix(numpy.zeros(nb)).T
+                _ee[i] = 1.
+                _HmEE  = Hm(_ee)
+                _HmEE  = numpy.asmatrix(_HmEE).flatten().T
+                HessienneI.append( ( BI*_ee + Ha((Xa,RI*_HmEE)) ).A1 )
+            HessienneI = numpy.matrix( HessienneI )
+            A = HessienneI.I
+            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.")
+            self.StoredVariables["APosterioriCovariance"].store( A )
+        #
         logging.debug("%s Taille mémoire utilisée de %.1f Mo"%(self._name, m.getUsedMemory("MB")))
         logging.debug("%s Terminé"%self._name)
         #