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Improving KF and EKF for parameter estimation
[modules/adao.git] / src / daComposant / daCore / BasicObjects.py
index eee46b519407fe78fc72740b89f5f38ab915bb99..fc3f16fb8b5a6e3a93cfbdbde9386f8d4b8e1ecc 100644 (file)
@@ -1,31 +1,34 @@
 #-*-coding:iso-8859-1-*-
 #
-#  Copyright (C) 2008-2010  EDF R&D
+# Copyright (C) 2008-2013 EDF R&D
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-#  This library is free software; you can redistribute it and/or
-#  modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
-#  License as published by the Free Software Foundation; either
-#  version 2.1 of the License.
+# This library is free software; you can redistribute it and/or
+# modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
+# License as published by the Free Software Foundation; either
+# version 2.1 of the License.
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-#  This library is distributed in the hope that it will be useful,
-#  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
-#  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
-#  Lesser General Public License for more details.
+# This library is distributed in the hope that it will be useful,
+# but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+# MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
+# Lesser General Public License for more details.
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-#  You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
-#  License along with this library; if not, write to the Free Software
-#  Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307 USA
+# You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
+# License along with this library; if not, write to the Free Software
+# Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307 USA
 #
-#  See http://www.salome-platform.org/ or email : webmaster.salome@opencascade.com
+# See http://www.salome-platform.org/ or email : webmaster.salome@opencascade.com
 #
+# Author: Jean-Philippe Argaud, jean-philippe.argaud@edf.fr, EDF R&D
+
 __doc__ = """
     Définit les outils généraux élémentaires.
     
     Ce module est destiné à etre appelée par AssimilationStudy pour constituer
     les objets élémentaires de l'algorithme.
 """
-__author__ = "Jean-Philippe ARGAUD - Mars 2008"
+__author__ = "Jean-Philippe ARGAUD"
 
+import logging
 import numpy
 import Persistence
 
@@ -45,12 +48,18 @@ class Operator:
         if   fromMethod is not None:
             self.__Method = fromMethod
             self.__Matrix = None
+            self.__Type   = "Method"
         elif fromMatrix is not None:
             self.__Method = None
             self.__Matrix = numpy.matrix( fromMatrix, numpy.float )
+            self.__Type   = "Matrix"
         else:
             self.__Method = None
             self.__Matrix = None
+            self.__Type   = None
+
+    def isType(self):
+        return self.__Type
 
     def appliedTo(self, xValue):
         """
@@ -65,6 +74,23 @@ class Operator:
         else:
             return self.__Method( xValue )
 
+    def appliedControledFormTo(self, (xValue, uValue) ):
+        """
+        Permet de restituer le résultat de l'application de l'opérateur à une
+        paire (xValue, uValue). Cette méthode se contente d'appliquer, son
+        argument devant a priori être du bon type. Si la uValue est None,
+        on suppose que l'opérateur ne s'applique qu'à xValue.
+        Arguments :
+        - xValue : argument X adapté pour appliquer l'opérateur
+        - uValue : argument U adapté pour appliquer l'opérateur
+        """
+        if self.__Matrix is not None:
+            return self.__Matrix * xValue
+        elif uValue is not None:
+            return self.__Method( (xValue, uValue) )
+        else:
+            return self.__Method( xValue )
+
     def appliedInXTo(self, (xNominal, xValue) ):
         """
         Permet de restituer le résultat de l'application de l'opérateur à un
@@ -83,14 +109,16 @@ class Operator:
         else:
             return self.__Method( (xNominal, xValue) )
 
-    def asMatrix(self):
+    def asMatrix(self, ValueForMethodForm = "UnknownVoidValue"):
         """
         Permet de renvoyer l'opérateur sous la forme d'une matrice
         """
         if self.__Matrix is not None:
             return self.__Matrix
+        elif ValueForMethodForm is not "UnknownVoidValue": # Ne pas utiliser "None"
+            return self.__Method( (ValueForMethodForm, None) )
         else:
-            raise ValueError("Matrix form of the operator is not available")
+            raise ValueError("Matrix form of the operator defined as a function/method requires to give an operating point.")
 
     def shape(self):
         """
@@ -113,7 +141,7 @@ class Algorithm:
     
     Une classe élémentaire d'algorithme doit implémenter la méthode "run".
     """
-    def __init__(self):
+    def __init__(self, name):
         """
         L'initialisation présente permet de fabriquer des variables de stockage
         disponibles de manière générique dans les algorithmes élémentaires. Ces
@@ -121,33 +149,47 @@ class Algorithm:
         interne à l'objet, mais auquel on accède par la méthode "get".
         
         Les variables prévues sont :
+            - CostFunctionJ  : fonction-cout globale, somme des deux parties suivantes
+            - CostFunctionJb : partie ébauche ou background de la fonction-cout
+            - CostFunctionJo : partie observations de la fonction-cout
+            - GradientOfCostFunctionJ  : gradient de la fonction-cout globale
+            - GradientOfCostFunctionJb : gradient de la partie ébauche de la fonction-cout
+            - GradientOfCostFunctionJo : gradient de la partie observations de la fonction-cout
+            - CurrentState : état courant lors d'itérations
             - Analysis : l'analyse
             - Innovation : l'innovation : d = Y - H Xb
-            - SigmaObs2 : correction optimale des erreurs d'observation
-            - SigmaBck2 : correction optimale des erreurs d'ébauche
+            - SigmaObs2 : indicateur de correction optimale des erreurs d'observation
+            - SigmaBck2 : indicateur de correction optimale des erreurs d'ébauche
+            - MahalanobisConsistency : indicateur de consistance des covariances
             - OMA : Observation moins Analysis : Y - Xa
             - OMB : Observation moins Background : Y - Xb
             - AMB : Analysis moins Background : Xa - Xb
-            - CovarianceAPosteriori : matrice A
+            - APosterioriCovariance : matrice A
         On peut rajouter des variables à stocker dans l'initialisation de
         l'algorithme élémentaire qui va hériter de cette classe
         """
+        logging.debug("%s Initialisation"%str(name))
+        self._name = str( name )
+        self._parameters = {}
+        self.__required_parameters = {}
         self.StoredVariables = {}
+        #
         self.StoredVariables["CostFunctionJ"]            = Persistence.OneScalar(name = "CostFunctionJ")
         self.StoredVariables["CostFunctionJb"]           = Persistence.OneScalar(name = "CostFunctionJb")
         self.StoredVariables["CostFunctionJo"]           = Persistence.OneScalar(name = "CostFunctionJo")
-        self.StoredVariables["GradientOfCostFunctionJ"]  = Persistence.OneScalar(name = "GradientOfCostFunctionJ")
-        self.StoredVariables["GradientOfCostFunctionJb"] = Persistence.OneScalar(name = "GradientOfCostFunctionJb")
-        self.StoredVariables["GradientOfCostFunctionJo"] = Persistence.OneScalar(name = "GradientOfCostFunctionJo")
+        self.StoredVariables["GradientOfCostFunctionJ"]  = Persistence.OneVector(name = "GradientOfCostFunctionJ")
+        self.StoredVariables["GradientOfCostFunctionJb"] = Persistence.OneVector(name = "GradientOfCostFunctionJb")
+        self.StoredVariables["GradientOfCostFunctionJo"] = Persistence.OneVector(name = "GradientOfCostFunctionJo")
+        self.StoredVariables["CurrentState"]             = Persistence.OneVector(name = "CurrentState")
         self.StoredVariables["Analysis"]                 = Persistence.OneVector(name = "Analysis")
         self.StoredVariables["Innovation"]               = Persistence.OneVector(name = "Innovation")
         self.StoredVariables["SigmaObs2"]                = Persistence.OneScalar(name = "SigmaObs2")
         self.StoredVariables["SigmaBck2"]                = Persistence.OneScalar(name = "SigmaBck2")
+        self.StoredVariables["MahalanobisConsistency"]   = Persistence.OneScalar(name = "MahalanobisConsistency")
         self.StoredVariables["OMA"]                      = Persistence.OneVector(name = "OMA")
         self.StoredVariables["OMB"]                      = Persistence.OneVector(name = "OMB")
         self.StoredVariables["BMA"]                      = Persistence.OneVector(name = "BMA")
-        self.StoredVariables["CovarianceAPosteriori"]    = Persistence.OneMatrix(name = "CovarianceAPosteriori")
-        self._name = None
+        self.StoredVariables["APosterioriCovariance"]    = Persistence.OneMatrix(name = "APosterioriCovariance")
 
     def get(self, key=None):
         """
@@ -168,13 +210,93 @@ class Algorithm:
         """
         return self.StoredVariables.has_key(key)
 
-    def run(self, Xb=None, Y=None, H=None, M=None, R=None, B=None, Q=None, Par=None):
+    def keys(self):
+        """
+        Renvoie la liste des clés de variables stockées.
+        """
+        return self.StoredVariables.keys()
+
+    def run(self, Xb=None, Y=None, H=None, M=None, R=None, B=None, Q=None, Parameters=None):
         """
         Doit implémenter l'opération élémentaire de calcul d'assimilation sous
         sa forme mathématique la plus naturelle possible.
         """
         raise NotImplementedError("Mathematical assimilation calculation has not been implemented!")
 
+    def defineRequiredParameter(self, name = None, default = None, typecast = None, message = None, minval = None, maxval = None, listval = None):
+        """
+        Permet de définir dans l'algorithme des paramètres requis et leurs
+        caractéristiques par défaut.
+        """
+        if name is None:
+            raise ValueError("A name is mandatory to define a required parameter.")
+        #
+        self.__required_parameters[name] = {
+            "default"  : default,
+            "typecast" : typecast,
+            "minval"   : minval,
+            "maxval"   : maxval,
+            "listval"  : listval,
+            "message"  : message,
+            }
+        logging.debug("%s %s (valeur par défaut = %s)"%(self._name, message, self.setParameterValue(name)))
+
+    def getRequiredParameters(self, noDetails=True):
+        """
+        Renvoie la liste des noms de paramètres requis ou directement le
+        dictionnaire des paramètres requis.
+        """
+        if noDetails:
+            ks = self.__required_parameters.keys()
+            ks.sort()
+            return ks
+        else:
+            return self.__required_parameters
+
+    def setParameterValue(self, name=None, value=None):
+        """
+        Renvoie la valeur d'un paramètre requis de manière contrôlée
+        """
+        default  = self.__required_parameters[name]["default"]
+        typecast = self.__required_parameters[name]["typecast"]
+        minval   = self.__required_parameters[name]["minval"]
+        maxval   = self.__required_parameters[name]["maxval"]
+        listval  = self.__required_parameters[name]["listval"]
+        #
+        if value is None and default is None:
+            __val = None
+        elif value is None and default is not None:
+            if typecast is None: __val = default
+            else:                __val = typecast( default )
+        else:
+            if typecast is None: __val = value
+            else:                __val = typecast( value )
+        #
+        if minval is not None and __val < minval:
+            raise ValueError("The parameter named \"%s\" of value \"%s\" can not be less than %s."%(name, __val, minval))
+        if maxval is not None and __val > maxval:
+            raise ValueError("The parameter named \"%s\" of value \"%s\" can not be greater than %s."%(name, __val, maxval))
+        if listval is not None:
+            if typecast is list or typecast is tuple or type(__val) is list or type(__val) is tuple:
+                for v in __val:
+                    if v not in listval:
+                        raise ValueError("The value \"%s\" of the parameter named \"%s\" is not allowed, it has to be in the list %s."%(v, name, listval))
+            elif __val not in listval:
+                raise ValueError("The value \"%s\" of the parameter named \"%s\" is not allowed, it has to be in the list %s."%( __val, name,listval))
+        return __val
+
+    def setParameters(self, fromDico={}):
+        """
+        Permet de stocker les paramètres reçus dans le dictionnaire interne.
+        """
+        self._parameters.update( fromDico )
+        for k in self.__required_parameters.keys():
+            if k in fromDico.keys():
+                self._parameters[k] = self.setParameterValue(k,fromDico[k])
+            else:
+                self._parameters[k] = self.setParameterValue(k)
+            logging.debug("%s %s : %s"%(self._name, self.__required_parameters[k]["message"], self._parameters[k]))
+
 # ==============================================================================
 class Diagnostic:
     """