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Correcting A-shape verification
[modules/adao.git] / src / daComposant / daAlgorithms / 3DVAR.py
index cee5c22b553ee25c9aec84af73b8993b8e873fe5..e343c6450748211d2460c8cd06a52eb1878bfee6 100644 (file)
@@ -1,6 +1,6 @@
 #-*-coding:iso-8859-1-*-
 #
-#  Copyright (C) 2008-201 EDF R&D
+#  Copyright (C) 2008-2012 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
@@ -18,6 +18,7 @@
 #
 #  See http://www.salome-platform.org/ or email : webmaster.salome@opencascade.com
 #
+#  Author: Jean-Philippe Argaud, jean-philippe.argaud@edf.fr, EDF R&D
 
 import logging
 from daCore import BasicObjects, PlatformInfo
@@ -26,7 +27,7 @@ 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
@@ -38,31 +39,84 @@ else:
 # ==============================================================================
 class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
     def __init__(self):
-        BasicObjects.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     = "StoreInternalVariables",
+            default  = False,
+            typecast = bool,
+            message  = "Stockage des variables internes ou intermédiaires du calcul",
+            )
+        self.defineRequiredParameter(
+            name     = "StoreSupplementaryCalculations",
+            default  = [],
+            typecast = tuple,
+            message  = "Liste de calculs supplémentaires à stocker et/ou effectuer",
+            listval  = ["APosterioriCovariance", "BMA", "OMA", "OMB", "Innovation", "SigmaObs2", "MahalanobisConsistency"]
+            )
 
     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")))
+        logging.debug("%s Taille mémoire utilisée de %.1f Mo"%(self._name, m.getUsedMemory("M")))
+        #
+        # 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
         # ----------------------------------------------------
         if H["AppliedToX"] is not None and H["AppliedToX"].has_key("HXb"):
-            logging.debug("%s Utilisation de HXb"%self._name)
             HXb = H["AppliedToX"]["HXb"]
         else:
-            logging.debug("%s Calcul de Hm(Xb)"%self._name)
             HXb = Hm( Xb )
-        HXb = numpy.asmatrix(HXb).flatten().T
+        HXb = numpy.asmatrix(numpy.ravel( HXb )).T
         #
         # Calcul de l'innovation
         # ----------------------
@@ -71,50 +125,46 @@ class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
         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 inversions de B et R
         # ----------------------------------
         if B is not None:
             BI = B.I
-        elif Parameters["B_scalar"] is not None:
-            BI = 1.0 / Parameters["B_scalar"]
+        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 Parameters["R_scalar"] is not None:
-            RI = 1.0 / Parameters["R_scalar"]
+        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.debug("%s CostFunction X  = %s"%(self._name, numpy.asmatrix( _X ).flatten()))
+            _X  = numpy.asmatrix(numpy.ravel( x )).T
             _HX = Hm( _X )
-            _HX = numpy.asmatrix(_HX).flatten().T
+            _HX = numpy.asmatrix(numpy.ravel( _HX )).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.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))
-            self.StoredVariables["CurrentState"].store( _X.A1 )
+            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 )
-            return float( J )
+            return J
         #
         def GradientOfCostFunction(x):
-            _X      = numpy.asmatrix(x).flatten().T
-            logging.debug("%s GradientOfCostFunction X      = %s"%(self._name, numpy.asmatrix( _X ).flatten()))
+            _X      = numpy.asmatrix(numpy.ravel( x )).T
             _HX     = Hm( _X )
-            _HX     = numpy.asmatrix(_HX).flatten().T
+            _HX     = numpy.asmatrix(numpy.ravel( _HX )).T
             GradJb  = BI * (_X - Xb)
-            GradJo  = - Ht( (_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()))
+            GradJo  = - Ha( (_X, RI * (Y - _HX)) )
+            GradJ   = numpy.asmatrix( numpy.ravel( GradJb ) + numpy.ravel( GradJo ) ).T
             return GradJ.A1
         #
         # Point de démarrage de l'optimisation : Xini = Xb
@@ -123,136 +173,125 @@ class ElementaryAlgorithm(BasicObjects.Algorithm):
             Xini = Xb.A1.tolist()
         else:
             Xini = list(Xb)
-        logging.debug("%s Point de démarrage Xini = %s"%(self._name, Xini))
-        #
-        # Paramètres de pilotage
-        # ----------------------
-        # Potentiels : "Bounds", "Minimizer", "MaximumNumberOfSteps", "ProjectedGradientTolerance", "GradientNormTolerance", "InnerMinimizer"
-        if Parameters.has_key("Bounds") and (type(Parameters["Bounds"]) is type([]) or type(Parameters["Bounds"]) is type(())) and (len(Parameters["Bounds"]) > 0):
-            Bounds = Parameters["Bounds"]
-        else:
-            Bounds = None
-        MinimizerList = ["LBFGSB","TNC", "CG", "NCG", "BFGS"]
-        if Parameters.has_key("Minimizer") and (Parameters["Minimizer"] in MinimizerList):
-            Minimizer = str( Parameters["Minimizer"] )
-        else:
-            Minimizer = "LBFGSB"
-            logging.warning("%s Unknown or undefined minimizer, replaced by the default one \"%s\""%(self._name,Minimizer))
-        logging.debug("%s Minimiseur utilisé = %s"%(self._name, Minimizer))
-        if Parameters.has_key("MaximumNumberOfSteps") and (Parameters["MaximumNumberOfSteps"] > -1):
-            maxiter = int( Parameters["MaximumNumberOfSteps"] )
-        else:
-            maxiter = 15000
-        logging.debug("%s Nombre maximal de pas d'optimisation = %s"%(self._name, str(maxiter)))
-        if Parameters.has_key("CostDecrementTolerance") and (Parameters["CostDecrementTolerance"] > 0):
-            ftol  = float(Parameters["CostDecrementTolerance"])
-            factr = ftol * 1.e14
-        else:
-            ftol  = 1.e-7
-            factr = ftol * 1.e14
-        logging.debug("%s Diminution relative minimale du cout lors de l'arret = %s"%(self._name, str(1./factr)))
-        if Parameters.has_key("ProjectedGradientTolerance") and (Parameters["ProjectedGradientTolerance"] > -1):
-            pgtol = float(Parameters["ProjectedGradientTolerance"])
-        else:
-            pgtol = -1
-        logging.debug("%s Maximum des composantes du gradient projete lors de l'arret = %s"%(self._name, str(pgtol)))
-        if Parameters.has_key("GradientNormTolerance") and (Parameters["GradientNormTolerance"] > -1):
-            gtol = float(Parameters["GradientNormTolerance"])
-        else:
-            gtol = 1.e-05
-        logging.debug("%s Maximum des composantes du gradient lors de l'arret = %s"%(self._name, str(gtol)))
-        InnerMinimizerList = ["CG", "NCG", "BFGS"]
-        if Parameters.has_key("InnerMinimizer") and (Parameters["InnerMinimizer"] in InnerMinimizerList):
-            InnerMinimizer = str( Parameters["InnerMinimizer"] )
-        else:
-            InnerMinimizer = "BFGS"
-        logging.debug("%s Minimiseur interne utilisé = %s"%(self._name, InnerMinimizer))
         #
         # 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-1,
-                factr       = factr,
-                pgtol       = pgtol,
+                maxfun      = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"]-1,
+                factr       = self._parameters["CostDecrementTolerance"]*1.e14,
+                pgtol       = self._parameters["ProjectedGradientTolerance"],
                 iprint      = iprint,
                 )
             nfeval = Informations['funcalls']
             rc     = Informations['warnflag']
-        elif Minimizer == "TNC":
+        elif self._parameters["Minimizer"] == "TNC":
             Minimum, nfeval, rc = scipy.optimize.fmin_tnc(
                 func        = CostFunction,
                 x0          = Xini,
                 fprime      = GradientOfCostFunction,
                 args        = (),
                 bounds      = Bounds,
-                maxfun      = maxiter,
-                pgtol       = pgtol,
-                ftol        = ftol,
+                maxfun      = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
+                pgtol       = self._parameters["ProjectedGradientTolerance"],
+                ftol        = self._parameters["CostDecrementTolerance"],
                 messages    = message,
                 )
-        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,
-                gtol        = gtol,
+                maxiter     = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
+                gtol        = self._parameters["GradientNormTolerance"],
                 disp        = disp,
                 full_output = True,
                 )
-        elif Minimizer == "NCG":
+        elif self._parameters["Minimizer"] == "NCG":
             Minimum, fopt, nfeval, grad_calls, hcalls, rc = scipy.optimize.fmin_ncg(
                 f           = CostFunction,
                 x0          = Xini,
                 fprime      = GradientOfCostFunction,
                 args        = (),
-                maxiter     = maxiter,
-                avextol     = ftol,
+                maxiter     = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
+                avextol     = self._parameters["CostDecrementTolerance"],
                 disp        = disp,
                 full_output = True,
                 )
-        elif Minimizer == "BFGS":
+        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,
-                gtol        = gtol,
+                maxiter     = self._parameters["MaximumNumberOfSteps"],
+                gtol        = self._parameters["GradientNormTolerance"],
                 disp        = disp,
                 full_output = True,
                 )
         else:
-            raise ValueError("Error in Minimizer name: %s"%Minimizer)
+            raise ValueError("Error in Minimizer name: %s"%self._parameters["Minimizer"])
         #
-        # Correction pour pallier a un bug de TNC sur le retour du Minimum
-        # ----------------------------------------------------------------
         StepMin = numpy.argmin( self.StoredVariables["CostFunctionJ"].valueserie() )
         MinJ    = self.StoredVariables["CostFunctionJ"].valueserie(step = StepMin)
-        Minimum = self.StoredVariables["CurrentState"].valueserie(step = StepMin)
         #
-        logging.debug("%s %s Step of min cost  = %s"%(self._name, Minimizer, StepMin))
-        logging.debug("%s %s Minimum cost      = %s"%(self._name, Minimizer, MinJ))
-        logging.debug("%s %s Minimum state     = %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))
+        # 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 Analyse Xa = %s"%(self._name, Xa))
+        # Obtention de l'analyse
+        # ----------------------
+        Xa = numpy.asmatrix(numpy.ravel( Minimum )).T
         #
         self.StoredVariables["Analysis"].store( Xa.A1 )
-        self.StoredVariables["Innovation"].store( d.A1 )
         #
-        logging.debug("%s Taille mémoire utilisée de %.1f Mo"%(self._name, m.getUsedMemory("MB")))
+        # Calcul de la covariance d'analyse
+        # ---------------------------------
+        if "APosterioriCovariance" in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"]:
+            Ht = H["Tangent"].asMatrix(ValueForMethodForm = Xa)
+            Ht = Ht.reshape(-1,len(Xa.A1)) # ADAO
+            HessienneI = []
+            nb = len(Xa.A1)
+            for i in range(nb):
+                _ee    = numpy.matrix(numpy.zeros(nb)).T
+                _ee[i] = 1.
+                _HtEE  = Ht * _ee
+                _HtEE  = numpy.asmatrix(numpy.ravel( _HtEE )).T
+                HessienneI.append( ( BI*_ee + Ha((Xa,RI*_HtEE)) ).A1 )
+            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))
+            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 )
+        #
+        # Calculs et/ou stockages supplémentaires
+        # ---------------------------------------
+        if "Innovation" in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"]:
+            self.StoredVariables["Innovation"].store( numpy.ravel(d) )
+        if "BMA" in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"]:
+            self.StoredVariables["BMA"].store( numpy.ravel(Xb - Xa) )
+        if "OMA" in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"]:
+            self.StoredVariables["OMA"].store( numpy.ravel(Y - Hm(Xa)) )
+        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() ) )
+        if "MahalanobisConsistency" in self._parameters["StoreSupplementaryCalculations"]:
+            self.StoredVariables["MahalanobisConsistency"].store( float( 2.*MinJ/len(d) ) )
+        #
+        logging.debug("%s Taille mémoire utilisée de %.1f Mo"%(self._name, m.getUsedMemory("M")))
         logging.debug("%s Terminé"%self._name)
         #
         return 0