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1 ..
2    Copyright (C) 2008-2022 EDF R&D
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18    Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307 USA
19
20    See http://www.salome-platform.org/ or email : webmaster.salome@opencascade.com
21
22    Author: Jean-Philippe Argaud, jean-philippe.argaud@edf.fr, EDF R&D
23
24 .. _section_theory:
25
26 =================================================================================
27 **[DocT]** A brief introduction to Data Assimilation and Optimization
28 =================================================================================
29
30 .. index:: single: Data Assimilation
31 .. index:: single: true state
32 .. index:: single: observation
33 .. index:: single: a priori
34 .. index:: single: EstimationOf
35 .. index:: single: analysis
36
37 **Data Assimilation** is a general well established framework for computing the
38 optimal estimate of the true state of a system, over time if necessary. It uses
39 values obtained by combining both observations and *a priori* models, including
40 information about their errors while simultaneously respecting constraints.
41 This takes into account the laws of behavior or motion of the system through
42 the equations of the model, and the way the measurements are physically related
43 to the variables of the system.
44
45 In other words, data assimilation merges measurement data of a system, that are
46 the observations, with *a priori* system physical and mathematical knowledge,
47 embedded in numerical models. The goal is to obtain the best possible estimate,
48 called "*analysis*", of the system real state and of its stochastic properties.
49 Note that this real state (or "*true state*") cannot usually be reached, but
50 can only be estimated. Moreover, despite the fact that the used information are
51 stochastic by nature, data assimilation provides deterministic techniques in
52 order to perform very efficiently the estimation.
53
54 Because data assimilation looks for the **best possible** estimate, its
55 underlying procedure always integrates optimization in order to find this
56 estimate: particular optimization methods are always embedded in data
57 assimilation algorithms. Optimization methods can be seen in ADAO as a way to
58 extend data assimilation applications. They will be introduced this way in the
59 section `Going further in the state estimation by optimization methods`_, but
60 they are far more general and can be used without data assimilation concepts.
61
62 Two main types of applications exist in data assimilation, which are covered by
63 the same formalism: **fields reconstruction** (see `Fields reconstruction or
64 measures interpolation`_) and **parameters identification** (see `Parameters
65 identification, models adjustment, or calibration`_). These are also referred
66 to as **state estimation** and **parameters estimation** respectively, and one
67 can if necessary elaborate joint estimation of both (see `Joint state and
68 parameter estimation in dynamics`_). In ADAO, some algorithms can be used
69 either in state estimation or in parameter estimation. This is done simply by
70 changing the required option "*EstimationOf*" in the algorithm parameters.
71 Before introducing the `Simple description of the data assimilation
72 methodological framework`_ in a next section, these two types of applications
73 are briefly described. At the end, some detailed information allow `Going
74 further in the data assimilation framework`_ and `Going further in the state
75 estimation by optimization methods`_, as well as `Going further in data
76 assimilation for dynamics`_  and having `An overview of reduction methods and
77 of reduced optimization`_.
78
79 Fields reconstruction or measures interpolation
80 -----------------------------------------------
81
82 .. index:: single: fields reconstruction
83 .. index:: single: measures interpolation
84 .. index:: single: fields interpolation
85 .. index:: single: state estimation
86 .. index:: single: background
87
88 **Fields reconstruction (or interpolation)** consists in finding, from a
89 restricted set of real measures, the physical field which is the most
90 *consistent* with these measures.
91
92 This *consistency* is to understand in terms of interpolation, that is to say
93 that the field we want to reconstruct, using data assimilation on measures, has
94 to fit at best the measures, while remaining constrained by the overall field
95 calculation. The calculation is thus an *a priori* estimation of the field that
96 we seek to identify. One also speaks of **state estimation** in this case.
97
98 If the system evolves over time, the reconstruction of the whole field has to
99 be established at each time step, taking into account the information over a
100 time window. The interpolation process is more complicated in this case because
101 it is temporal, and not only in terms of instantaneous field values.
102
103 A simple example of fields reconstruction comes from meteorology, in which one
104 look for value of variables such as temperature or pressure in all points of the
105 spatial domain. One have instantaneous measurements of these quantities at
106 certain points, but also a history set of these measures. Moreover, these
107 variables are constrained by evolution equations for the state of the
108 atmosphere, which indicates for example that the pressure at a point can not
109 take any value independently of the value at this same point in previous time.
110 One must therefore make the reconstruction of a field at any point in space, in
111 a "consistent" manner with the evolution equations and with the measures of the
112 previous time steps.
113
114 Parameters identification, models adjustment, or calibration
115 ------------------------------------------------------------
116
117 .. index:: single: parameters identification
118 .. index:: single: parameters adjustment
119 .. index:: single: models adjustment
120 .. index:: single: calibration
121 .. index:: single: background
122 .. index:: single: regularization
123 .. index:: single: inverse problems
124 .. index:: single: parameters estimation
125
126 The **identification (or adjustment) of parameters** by data assimilation is a
127 form of state calibration which uses both the physical measurement and an *a
128 priori* parameters estimation (called the "*background*") of the state that one
129 seeks to identify, as well as a characterization of their errors. From this
130 point of view, it uses all available information on the physical system, with
131 restrictive yet realistic assumptions about errors, to find the "*optimal
132 estimation*" from the true state. We note, in terms of optimization, that the
133 background realizes a "*regularization*", in the mathematical meaning of
134 Tikhonov [[Tikhonov77]_ [WikipediaTI]_, of the main problem of parameters
135 identification. One can also use the term "*inverse problem*" to refer to this
136 process.
137
138 In practice, the two observed gaps "*calculation-measures*" and
139 "*calculation-background*" are combined to build the calibration correction of
140 parameters or initial conditions. The addition of these two gaps requires a
141 relative weight, which is chosen to reflect the trust we give to each piece of
142 information. This confidence is depicted by the covariance of the errors on the
143 background and on the observations. Thus the stochastic aspect of information is
144 essential for building the calibration error function.
145
146 A simple example of parameters identification comes from any kind of physical
147 simulation process involving a parametrized model. For example, a static
148 mechanical simulation of a beam constrained by some forces is described by beam
149 parameters, such as a Young coefficient, or by the intensity of the force. The
150 parameters estimation problem consists in finding for example the right Young
151 coefficient value in order that the simulation of the beam corresponds to
152 measurements, including the knowledge of errors.
153
154 All quantities representing the description of physics in a model are likely to
155 be calibrated in a data assimilation process, whether they are model
156 parameters, initial conditions or boundary conditions. Their simultaneous
157 consideration is greatly facilitated by the data assimilation framework, which
158 makes it possible to objectively process a heterogeneous set of available
159 information.
160
161 Joint estimation of states and parameters
162 -----------------------------------------
163
164 .. index:: single: joint estimation of states and parameters
165
166 It is sometimes necessary, when considering the two previous types of
167 applications, to need to simultaneously estimate states (fields) and parameters
168 characterizing a physical phenomenon. This is known as **joint estimation of
169 states and parameters**.
170
171 Without going into the advanced methods to solve this problem, we can mention
172 the conceptually very simple approach of considering the vector of states to be
173 interpolated as *augmented* by the vector of parameters to be calibrated. It
174 can be noted that we are in *state estimation* or *reconstruction of fields*,
175 and that in the temporal case of parameters identification, the evolution of
176 the parameters to estimate is simply the identity. The assimilation or
177 optimization algorithms can then be applied to the augmented vector. Valid for
178 moderate nonlinearities in the simulation, this simple method extends the
179 optimization space, and thus leads to larger problems, but it is often possible
180 to reduce the representation to numerically computable cases. Without
181 exhaustiveness, the separated variables optimization, the reduced rank
182 filtering, or the specific treatment of covariance matrices, are common
183 techniques to avoid this dimension problem. In the temporal case, we will see
184 below indications for a `Joint state and parameter estimation in dynamics`_.
185
186 To go further, we refer to the mathematical methods of optimization and
187 augmentation developed in many books or specialized articles, finding their
188 origin for example in [Lions68]_, [Jazwinski70]_ or [Dautray85]_. In particular
189 in the case of more marked nonlinearities during the numerical simulation of
190 the states, it is advisable to treat in a more complete but also more complex
191 way the problem of joint estimation of states and parameters.
192
193 Simple description of the data assimilation methodological framework
194 --------------------------------------------------------------------
195
196 .. index:: single: analysis
197 .. index:: single: background
198 .. index:: single: background error covariances
199 .. index:: single: observation error covariances
200 .. index:: single: covariances
201 .. index:: single: 3DVAR
202 .. index:: single: Blue
203
204 We can write these features in a simple manner. By default, all variables are
205 vectors, as there are several parameters to readjust, or a discrete field to
206 reconstruct.
207
208 According to standard notations in data assimilation, we note
209 :math:`\mathbf{x}^a` the optimal parameters that is to be determined by
210 calibration, :math:`\mathbf{y}^o` the observations (or experimental
211 measurements) that we must compare to the simulation outputs,
212 :math:`\mathbf{x}^b` the background (*a priori* values, or regularization
213 values) of searched parameters, :math:`\mathbf{x}^t` the unknown ideals
214 parameters that would give exactly the observations (assuming that the errors
215 are zero and the model is exact) as output.
216
217 In the simplest case, which is static, the steps of simulation and of
218 observation can be combined into a single observation operator noted
219 :math:`\mathcal{H}` (linear or nonlinear). It transforms the input parameters
220 :math:`\mathbf{x}` to results :math:`\mathbf{y}`, to be directly compared to
221 observations :math:`\mathbf{y}^o`:
222
223 .. math:: \mathbf{y} = \mathcal{H}(\mathbf{x})
224
225 Moreover, we use the linearized operator :math:`\mathbf{H}` to represent the
226 effect of the full operator :math:`\mathcal{H}` around a linearization point
227 (and we will usually omit thereafter to mention :math:`\mathcal{H}`, even if it
228 is possible to keep it, to mention only :math:`\mathbf{H}`). In reality, we
229 have already indicated that the stochastic nature of variables is essential,
230 coming from the fact that model, background and observations are all incorrect.
231 We therefore introduce errors of observations additively, in the form of a
232 random vector :math:`\mathbf{\epsilon}^o` such that:
233
234 .. math:: \mathbf{y}^o = \mathbf{H} \mathbf{x}^t + \mathbf{\epsilon}^o
235
236 The errors represented here are not only those from observation, but also from
237 the simulation. We can always consider that these errors are of zero mean.
238 Noting :math:`E[.]` the classical mathematical expectation, we can then define a
239 matrix :math:`\mathbf{R}` of the observation error covariances by the
240 expression:
241
242 .. math:: \mathbf{R} = E[\mathbf{\epsilon}^o.{\mathbf{\epsilon}^o}^T]
243
244 The background can be written formally as a function of the true value, by
245 introducing the errors vector :math:`\mathbf{\epsilon}^b` such that:
246
247 .. math:: \mathbf{x}^b = \mathbf{x}^t + \mathbf{\epsilon}^b
248
249 The background errors :math:`\mathbf{\epsilon}^b` are also assumed of zero
250 mean, in the same manner as for observations. We define the :math:`\mathbf{B}`
251 matrix of background error covariances by:
252
253 .. math:: \mathbf{B} = E[\mathbf{\epsilon}^b.{\mathbf{\epsilon}^b}^T]
254
255 The optimal estimation of the true parameters :math:`\mathbf{x}^t`, given the
256 background :math:`\mathbf{x}^b` and the observations :math:`\mathbf{y}^o`, is
257 then called an "*analysis*", noted as :math:`\mathbf{x}^a`, and comes from the
258 minimisation of an error function, explicit in variational assimilation, or
259 from the filtering correction in assimilation by filtering.
260
261 In **variational assimilation**, in a static case, one classically attempts to
262 minimize the following function :math:`J`:
263
264 .. math:: J(\mathbf{x})=\frac{1}{2}(\mathbf{x}-\mathbf{x}^b)^T.\mathbf{B}^{-1}.(\mathbf{x}-\mathbf{x}^b)+\frac{1}{2}(\mathbf{y}^o-\mathbf{H}.\mathbf{x})^T.\mathbf{R}^{-1}.(\mathbf{y}^o-\mathbf{H}.\mathbf{x})
265
266 :math:`J` is classically designed as the "*3D-Var*" functional in data
267 assimlation (see for example [Talagrand97]_) or as the generalized Tikhonov
268 regularization functional in optimization (see for example [WikipediaTI]_).
269 Since :math:`\mathbf{B}` and :math:`\mathbf{R}` covariance matrices are
270 proportional to the variances of errors, their presence in both terms of the
271 function :math:`J` can effectively weight the gap terms by the confidence in the
272 background or observations errors. The parameters vector :math:`\mathbf{x}`
273 realizing the minimum of this function therefore constitute the analysis
274 :math:`\mathbf{x}^a`. It is at this level that we have to use the full panoply
275 of function minimization methods otherwise known in optimization (see also
276 section `Going further in the state estimation by optimization methods`_).
277 Depending on the size of the parameters vector :math:`\mathbf{x}` to identify,
278 and of the availability of gradient or Hessian of :math:`J`, it is appropriate
279 to adapt the chosen optimization method (gradient, Newton, quasi-Newton...).
280
281 In **assimilation by filtering**, in this simple case usually referred to as
282 "*BLUE*" (for "*Best Linear Unbiased Estimator*"), the :math:`\mathbf{x}^a`
283 analysis is given as a correction of the background :math:`\mathbf{x}^b` by a
284 term proportional to the difference between observations :math:`\mathbf{y}^o`
285 and calculations :math:`\mathbf{H}\mathbf{x}^b`:
286
287 .. math:: \mathbf{x}^a = \mathbf{x}^b + \mathbf{K}(\mathbf{y}^o - \mathbf{H}\mathbf{x}^b)
288
289 where :math:`\mathbf{K}` is the Kalman gain matrix, which is expressed using
290 covariance matrices in the following form:
291
292 .. math:: \mathbf{K} = \mathbf{B}\mathbf{H}^T(\mathbf{H}\mathbf{B}\mathbf{H}^T+\mathbf{R})^{-1}
293
294 The advantage of filtering is to explicitly calculate the gain, to produce then
295 the *a posteriori* covariance analysis matrix.
296
297 In this simple static case, we can show, under an assumption of Gaussian error
298 distributions (very little restrictive in practice) and of :math:`\mathcal{H}`
299 linearity, that the two *variational* and *filtering* approaches give the same
300 solution.
301
302 It is indicated here that these methods of "*3D-Var*" and "*BLUE*" may be
303 extended to dynamic or time-related problems, called respectively "*4D-Var*"
304 and "*Kalman filter (KF)*" and their derivatives. They have to take into
305 account an evolution operator to establish an analysis at the right time steps
306 of the gap between observations and simulations, and to have, at every moment,
307 the propagation of the background through the evolution model. The next section
308 provides information on `Going further in data assimilation for dynamics`_. In
309 the same way, these methods can be used in case of non linear observation or
310 evolution operators. Many other variants have been developed to improve the
311 numerical quality of the methods or to take into account computer requirements
312 such as calculation size and time.
313
314 A schematic view of Data Assimilation and Optimization approaches
315 -----------------------------------------------------------------
316
317 To help the reader get an idea of the approaches that can be used with ADAO in
318 Data Assimilation and Optimization, we propose here a simplified scheme
319 describing an arbitrary classification of methods. It is partially and freely
320 inspired by [Asch16]_ (Figure 1.5).
321
322   .. _meth_steps_in_study:
323   .. image:: images/meth_ad_and_opt.png
324     :align: center
325     :width: 75%
326   .. centered::
327     **A simplified classification of methods that can be used with ADAO in Data Assimilation and Optimization (acronyms and internal descriptive links are listed below)**
328
329 It is deliberately simple to remain readable, the dashed lines showing some of
330 the simplifications or extensions. For example, it does not specifically
331 mention the methods with reductions (of which it is given hereafter `An
332 overview of reduction methods and of reduced optimization`_), some of which
333 were variations of the basic methods shown here, nor does it mention the more
334 detailed extensions. It also omits the test methods available in ADAO and
335 useful for the study.
336
337 Each method mentioned in this diagram is the subject of a specific descriptive
338 section in the chapter on :ref:`section_reference_assimilation`. The acronyms
339 mentioned in the diagram have the meaning indicated in the associated internal
340 links:
341
342 - 3D-Var: :ref:`section_ref_algorithm_3DVAR`,
343 - 4D-Var: :ref:`section_ref_algorithm_4DVAR`,
344 - Blue: :ref:`section_ref_algorithm_Blue`,
345 - DiffEvol : :ref:`section_ref_algorithm_DifferentialEvolution`,
346 - EKF: :ref:`section_ref_algorithm_ExtendedKalmanFilter`,
347 - EnKF: :ref:`section_ref_algorithm_EnsembleKalmanFilter`,
348 - DFO: :ref:`section_ref_algorithm_DerivativeFreeOptimization`,
349 - Incr-Var: Incremental version Variational optimisation,
350 - KF: :ref:`section_ref_algorithm_KalmanFilter`,
351 - LLS: :ref:`section_ref_algorithm_LinearLeastSquares`,
352 - NLLS: :ref:`section_ref_algorithm_NonLinearLeastSquares`,
353 - QR: :ref:`section_ref_algorithm_QuantileRegression`,
354 - Swarm: :ref:`section_ref_algorithm_ParticleSwarmOptimization`,
355 - Tabu: :ref:`section_ref_algorithm_TabuSearch`,
356 - UKF: :ref:`section_ref_algorithm_UnscentedKalmanFilter`.
357
358 An overview of reduction methods and of reduced optimization
359 ------------------------------------------------------------
360
361 .. index:: single: reduction
362 .. index:: single: reduction methods
363 .. index:: single: reduced methods
364 .. index:: single: reduced space
365 .. index:: single: neutral sub-space
366 .. index:: single: SVD
367 .. index:: single: POD
368 .. index:: single: PCA
369 .. index:: single: Kahrunen-Loeve
370 .. index:: single: RBM
371 .. index:: single: EIM
372 .. index:: single: Fourier
373 .. index:: single: wavelets
374 .. index:: single: EOF
375 .. index:: single: sparse
376
377 Data assimilation and optimization approaches always imply a certain amount of
378 reiteration of a unitary numerical simulation representing the physics that is
379 to be treated. In order to handle this physics as well as possible, this
380 elementary numerical simulation is often of large size, even huge, and leads to
381 an extremely high computational cost when it is repeated. The complete physical
382 simulation is often called "*high fidelity simulation*" (or "*full scale
383 simulation*").
384
385 To avoid this practical challenge, **different strategies to reduce the cost of
386 the optimization calculation exist, and some of them also allow to control the
387 numerical error implied by this reduction**. These strategies are seamlessly
388 integrated into some of the ADAO methods or are the purpose of special
389 algorithms.
390
391 To establish such an approach, one seeks to reduce at least one of the
392 ingredients that make up the data assimilation or optimization problem. One can
393 thus classify the reduction methods according to the ingredient on which they
394 operate, knowing that some methods deal with several of them. A rough
395 classification is provided here, which the reader can complete by reading
396 general mathematical books or articles, or those specialized in his physics.
397
398 Reduction of data assimilation or optimization algorithms:
399     the optimization algorithms themselves can generate significant
400     computational costs to process numerical information. Various methods can
401     be used to reduce their algorithmic cost, for example by working in the
402     most suitable reduced space for optimization, or by using multi-level
403     optimization techniques. ADAO has such techniques that are included in
404     variants of classical algorithms, leading to exact or approximate but
405     numerically more efficient resolutions. By default, the algorithmic options
406     chosen in ADAO are always the most efficient when they do not impact the
407     quality of the optimization.
408
409 Reduction of the representation of covariances:
410     in data assimilation algorithms, covariances are the most expensive
411     quantities to handle or to store, often becoming the limiting quantities
412     from the point of view of the computational cost. Many methods try to use a
413     reduced representation of these matrices (leading sometimes but not
414     necessarily to reduce the dimension of the optimization space).
415     Classically, factorization, decomposition (spectral, Fourier, wavelets...)
416     or ensemble estimation (EOF...) techniques, or combinations, are used to
417     reduce the numerical load of these covariances in the computations. ADAO
418     uses some of these techniques, in combination with sparse computation
419     techniques, to make the handling of covariance matrices more efficient.
420
421 Reduction of the physical model:
422     the simplest way to reduce the cost of the unit calculation consists in
423     reducing the simulation model itself, by representing it in a more economic
424     way. Numerous methods allow this reduction of models by ensuring a more or
425     less rigorous control of the approximation error generated by the
426     reduction. The use of simplified models of the physics allows a reduction
427     but without always producing an error control. On the contrary, all
428     decomposition methods (Fourier, wavelets, SVD, POD, PCA, Kahrunen-Loeve,
429     RBM, EIM, etc.) aim at a reduction of the representation space with an
430     explicit error control. Although they are very frequently used, they must
431     nevertheless be completed by a fine analysis of the interaction with the
432     optimization algorithm in which the reduced computation is inserted, in
433     order to avoid instabilities, discrepancies or inconsistencies that are
434     notoriously harmful. ADAO fully supports the use of this type of reduction
435     method, even if it is often necessary to establish this generic independent
436     reduction prior to the optimization.
437
438 Reduction of the data assimilation or optimization space:
439     the size of the optimization space depends greatly on the type of problem
440     treated (estimation of states or parameters) but also on the number of
441     observations available to conduct the data assimilation. It is therefore
442     sometimes possible to conduct the optimization in the smallest space by
443     adapting the internal formulation of the optimization algorithms. When it
444     is possible and judicious, ADAO integrates this kind of reduced formulation
445     to improve the numerical performance without reducing the quality of the
446     optimization.
447
448 Combining multiple reductions:
449     many advanced algorithms seek to combine multiple reduction techniques
450     simultaneously. However, it is difficult to have both generic and robust
451     methods, and to use several very efficient reduction techniques at the same
452     time. ADAO integrates some of the most robust methods, but this aspect is
453     still largely the subject of research and development.
454
455 One can end this quick overview of reduction methods highlighting that their
456 use is ubiquitous in real applications and in numerical tools, and that ADAO
457 allows to use proven methods without even knowing it.
458
459 Going further in the data assimilation framework
460 ------------------------------------------------
461
462 .. index:: single: adjustment
463 .. index:: single: artificial intelligence
464 .. index:: single: Bayesian estimation
465 .. index:: single: calibration
466 .. index:: single: data smoothing
467 .. index:: single: data-driven
468 .. index:: single: field interpolation
469 .. index:: single: inverse problems
470 .. index:: single: inversion
471 .. index:: single: machine learning
472 .. index:: single: mathematical regularization
473 .. index:: single: meta-heuristics
474 .. index:: single: model reduction
475 .. index:: single: optimal interpolation
476 .. index:: single: parameter adjustment
477 .. index:: single: parameter estimation
478 .. index:: single: quadratic optimization
479 .. index:: single: regularization methods
480 .. index:: single: state estimation
481 .. index:: single: variational optimization
482
483 To get more information about the data assimilation techniques, the reader can
484 consult introductory documents like [Talagrand97]_ or [Argaud09]_, on-line
485 training courses or lectures like [Bouttier99]_ and [Bocquet04]_ (along with
486 other materials coming from geosciences applications), or general documents
487 like [Talagrand97]_, [Tarantola87]_, [Asch16]_, [Kalnay03]_, [Ide97]_,
488 [Tikhonov77]_ and [WikipediaDA]_. In a more mathematical way, one can also
489 consult [Lions68]_, [Jazwinski70]_.
490
491 Note that data assimilation is not restricted to meteorology or geo-sciences,
492 but is widely used in other scientific domains. There are several fields in
493 science and technology where the effective use of observed but incomplete data
494 is crucial.
495
496 Some aspects of data assimilation are also known by other names. Without being
497 exhaustive, we can mention the names of *calibration*, *adjustment*, *state
498 estimation*, *parameter estimation*, *parameter adjustment*, *inverse problems*
499 or *inversion*, *Bayesian estimation*, *field interpolation* or *optimal
500 interpolation*, *variational optimization*, *quadratic optimization*,
501 *mathematical regularization*, *meta-heuristics for optimization*, *model
502 reduction*, *data smoothing*, *data-driven* modeling, model and data learning
503 (*Machine Learning* and *Artificial Intelligence*), etc. These terms can be
504 used in bibliographic searches.
505
506 Going further in the state estimation by optimization methods
507 -------------------------------------------------------------
508
509 .. index:: single: state estimation
510 .. index:: single: optimization methods
511 .. index:: single: DerivativeFreeOptimization
512 .. index:: single: ParticleSwarmOptimization
513 .. index:: single: DifferentialEvolution
514 .. index:: single: QuantileRegression
515 .. index:: single: QualityCriterion
516
517 As seen before, in a static simulation case, the variational data assimilation
518 requires to minimize the goal function :math:`J`:
519
520 .. math:: J(\mathbf{x})=\frac{1}{2}(\mathbf{x}-\mathbf{x}^b)^T.\mathbf{B}^{-1}.(\mathbf{x}-\mathbf{x}^b)+\frac{1}{2}(\mathbf{y}^o-\mathbf{H}.\mathbf{x})^T.\mathbf{R}^{-1}.(\mathbf{y}^o-\mathbf{H}.\mathbf{x})
521
522 which is named the "*3D-Var*" objective function. It can be seen as a *least
523 squares minimization* extented form, obtained by adding a regularizing term
524 using :math:`\mathbf{x}-\mathbf{x}^b`, and by weighting the differences using
525 :math:`\mathbf{B}` and :math:`\mathbf{R}` the two covariance matrices. The
526 minimization of the :math:`J` function leads to the *best* :math:`\mathbf{x}`
527 state estimation. To get more information about these notions, one can consult
528 reference general documents like [Tarantola87]_.
529
530 State estimation possibilities extension, by using more explicitly optimization
531 methods and their properties, can be imagined in two ways.
532
533 First, classical optimization methods often involves using various
534 gradient-based minimizing procedures. They are extremely efficient to look for
535 a single local minimum. But they require the goal function :math:`J` to be
536 sufficiently regular and differentiable, and are not able to capture global
537 properties of the minimization problem, for example: global minimum, set of
538 equivalent solutions due to over-parametrization, multiple local minima, etc.
539 **An approach to extend estimation possibilities is then to use a whole range of
540 optimizers, allowing global minimization, various robust search properties,
541 etc**. There is a lot of minimizing methods, such as stochastic ones,
542 evolutionary ones, heuristics and meta-heuristics for real-valued problems,
543 etc. They can treat partially irregular or noisy function :math:`J`, can
544 characterize local minima, etc. The main drawbacks are a greater numerical cost
545 to find state estimates, and often a lack of guarantee of convergence in finite
546 time. Here, we only point the following topics, as the methods are available in
547 ADAO:
548
549 - *Derivative Free Optimization (or DFO)* (see :ref:`section_ref_algorithm_DerivativeFreeOptimization`),
550 - *Particle Swarm Optimization (or PSO)* (see :ref:`section_ref_algorithm_ParticleSwarmOptimization`),
551 - *Differential Evolution (or DE)* (see :ref:`section_ref_algorithm_DifferentialEvolution`),
552 - *Quantile Regression (or QR)* (see :ref:`section_ref_algorithm_QuantileRegression`).
553
554 Secondly, optimization methods try usually to minimize quadratic measures of
555 errors, as the natural properties of such goal functions are well suited for
556 classical gradient optimization. But other measures of errors can be more
557 adapted to real physical simulation problems. Then, **an another way to extend
558 estimation possibilities is to use other measures of errors to be reduced**.
559 For example, we can cite *absolute error value*, *maximum error value*, etc.
560 The most classical instances of error measurements are recalled or specified
561 below, indicating their identifiers in ADAO for the possible selection of a
562 quality criterion:
563
564 - the objective function for the augmented weighted least squares error measurement (which is the basic default functional in all data assimilation algorithms, often named "*3D-Var*" objective function, and which is known for the quality criteria in ADAO as "*AugmentedWeightedLeastSquares*", "*AWLS*" or "*DA*") is:
565
566     .. index:: single: AugmentedWeightedLeastSquares (QualityCriterion)
567     .. index:: single: AWLS (QualityCriterion)
568     .. math:: J(\mathbf{x})=\frac{1}{2}(\mathbf{x}-\mathbf{x}^b)^T.\mathbf{B}^{-1}.(\mathbf{x}-\mathbf{x}^b)+\frac{1}{2}(\mathbf{y}^o-\mathbf{H}.\mathbf{x})^T.\mathbf{R}^{-1}.(\mathbf{y}^o-\mathbf{H}.\mathbf{x})
569
570 - the objective function for the weighted least squares error measurement (which is the squared :math:`L^2` weighted norm of the innovation, with a :math:`1/2` coefficient to be homogeneous with the previous one, and which is known for the quality criteria in ADAO as "*WeightedLeastSquares*" or "*WLS*") is:
571
572     .. index:: single: WeightedLeastSquares (QualityCriterion)
573     .. index:: single: WLS (QualityCriterion)
574     .. math:: J(\mathbf{x})=\frac{1}{2}(\mathbf{y}^o-\mathbf{H}.\mathbf{x})^T.\mathbf{R}^{-1}.(\mathbf{y}^o-\mathbf{H}.\mathbf{x})
575
576 - the objective function for the least squares error measurement (which is the squared :math:`L^2` norm of the innovation, with a :math:`1/2` coefficient to be homogeneous with the previous ones, and which is known for the quality criteria in ADAO as "*LeastSquares*", "*LS*" or "*L2*") is:
577
578     .. index:: single: LeastSquares (QualityCriterion)
579     .. index:: single: LS (QualityCriterion)
580     .. index:: single: L2 (QualityCriterion)
581     .. math:: J(\mathbf{x})=\frac{1}{2}(\mathbf{y}^o-\mathbf{H}.\mathbf{x})^T.(\mathbf{y}^o-\mathbf{H}.\mathbf{x})=\frac{1}{2}||\mathbf{y}^o-\mathbf{H}.\mathbf{x}||_{L^2}^2
582
583 - the objective function for the absolute error value measurement (which is the :math:`L^1` norm of the innovation, and which is known for the quality criteria in ADAO as "*AbsoluteValue*" or "*L1*") is:
584
585     .. index:: single: AbsoluteValue (QualityCriterion)
586     .. index:: single: L1 (QualityCriterion)
587     .. math:: J(\mathbf{x})=||\mathbf{y}^o-\mathbf{H}.\mathbf{x}||_{L^1}
588
589 - the objective function for the maximum error value measurement (which is the :math:`L^{\infty}` norm, and which is known for the quality criteria in ADAO as "*MaximumError*" or "*ME*") is:
590
591     .. index:: single: MaximumError (QualityCriterion)
592     .. index:: single: ME (QualityCriterion)
593     .. math:: J(\mathbf{x})=||\mathbf{y}^o-\mathbf{H}.\mathbf{x}||_{L^{\infty}}
594
595 These error measures may be not differentiable for the last two, but some
596 optimization methods can still handle them:  heuristics and meta-heuristics for
597 real-valued problem, etc. As previously, the main drawback remain a greater
598 numerical cost to find state estimates, and often a lack of guarantee of
599 convergence in finite time. Here again, we only point the following methods as
600 it is available in the ADAO module:
601
602 - *Derivative Free Optimization (or DFO)* (see :ref:`section_ref_algorithm_DerivativeFreeOptimization`),
603 - *Particle Swarm Optimization (or PSO)* (see :ref:`section_ref_algorithm_ParticleSwarmOptimization`),
604 - *Differential Evolution (or DE)* (see :ref:`section_ref_algorithm_DifferentialEvolution`).
605
606 The reader interested in the subject of optimization can look at [WikipediaMO]_
607 as a general entry point.
608
609 .. _section_theory_dynamique:
610
611 Going further in data assimilation for dynamics
612 -----------------------------------------------
613
614 .. index:: single: dynamic (system)
615 .. index:: single: system dynamic
616 .. index:: single: temporal evolution
617 .. index:: single: ODE (Ordinary Differential Equation)
618 .. index:: single: EstimationOf
619
620 We can analyze a system in temporal evolution (dynamics) with the help of data
621 assimilation, in order to explicitly take into account the flow of time in the
622 estimation of states or parameters. We briefly introduce here the problematic,
623 and some theoretical or practical tools, to facilitate the user treatment of
624 such situations. It is nevertheless indicated that the variety of physical and
625 user problems is large, and that it is therefore recommended to adapt the
626 treatment to the constraints, whether they are physical, numerical or
627 computational.
628
629 General form of dynamic systems
630 +++++++++++++++++++++++++++++++
631
632 Systems in temporal evolution can be studied or represented using dynamic
633 systems. In this case, it is easy to conceive the analysis of their behavior
634 with the help of data assimilation (it is even in this precise case that the
635 data assimilation approach was initially widely developed).
636
637 We formalize the numerical simulation framework in a simple way. A simple
638 dynamic system dynamic system on the state :math:`\mathbf{x}` can be described
639 in continuous time in the form:
640
641 .. math:: \forall t \in \mathbb{R}^{+}, \frac{d\mathbf{x}}{dt} = \mathcal{D}(\mathbf{x},\mathbf{u},t)
642
643 where :math:`\mathbf{x}` is the unknown state vector, :math:`\mathbf{u}` is a
644 known external control vector, and :math:`\mathcal{D}` is the (possibly
645 non-linear) operator of the system dynamics. It is an Ordinary Differential
646 Equation (ODE), of the first order, on the state. In discrete time, this
647 dynamical system can be written in the following form:
648
649 .. math:: \forall n \in \mathbb{N}, \mathbf{x}_{n+1} = M(\mathbf{x}_{n},\mathbf{u}_{n},t_n\rightarrow t_{n+1})
650
651 for an indexing :math:`t_n` of discrete times with :math:`n\in\mathbf{N}`.
652 :math:`M` is the discrete evolution operator, symbolically obtained from
653 :math:`\mathcal{D}` by the discretization scheme. Usually, we omit the time
654 notation in the evolution operator :math:`M`. Approximating the
655 :math:`\mathcal{D}` operator by :math:`M` introduces (or adds, if it already
656 exists) a :math:`\epsilon` model error.
657
658 We can then characterize two types of estimates in dynamics, which we describe
659 hereafter on the discrete time dynamical system: `State estimation in
660 dynamics`_ and `Parameter estimation in dynamics`_. Combined, the two types can
661 be used to make a `Joint state and parameter estimation in dynamics`_. In ADAO,
662 some algorithms can be used either in state estimation or in parameter
663 estimation. This is done simply by changing the required option
664 "*EstimationOf*" in the algorithm parameters.
665
666 State estimation in dynamics
667 ++++++++++++++++++++++++++++
668
669 The state estimation can be conducted by data assimilation on the discrete time
670 version of the dynamical system, written in the following form:
671
672 .. math:: \mathbf{x}_{n+1} = M(\mathbf{x}_{n},\mathbf{u}_{n}) + \mathbf{\epsilon}_{n}
673
674 .. math:: \mathbf{y}_{n} = H(\mathbf{x}_{n}) + \mathbf{\nu}_{n}
675
676 where :math:`\mathbf{x}` is the system state to be estimated,
677 :math:`\mathbf{x}_{n}` and :math:`\mathbf{y}_{n}` are respectively the
678 computed (unobserved) and measured (observed) state of the system, :math:`M`
679 and :math:`H` are the incremental evolution and observation operators,
680 respectively, :math:`\mathbf{\epsilon}_{n}` and :math:`\mathbf{\nu}_{n}` are
681 the evolution and observation noise or error, respectively, and
682 :math:`\mathbf{u}_{n}` is a known external control. The two operators :math:`M`
683 and :math:`H` are directly usable in data assimilation with ADAO.
684
685 Parameter estimation in dynamics
686 ++++++++++++++++++++++++++++++++
687
688 The parameter estimation can be written a differently to be solved by data
689 assimilation. Still on the discrete time version of the dynamical system, we
690 look for a nonlinear :math:`G` mapping, parameterized by :math:`\mathbf{a}`,
691 between inputs :math:`\mathbf{x}_{n}` and measurements :math:`\mathbf{y}_{n}`
692 at each step :math:`t_n`, the error to be controlled as a function of
693 parameters :math:`\mathbf{y}_{n}` being
694 :math:`\mathbf{y}_{n}-G(\mathbf{x}_{n},\mathbf{a})`. We can proceed by
695 optimization on this error, with regularization, or by filtering by writing the
696 problem represented in state estimation:
697
698 .. math:: \mathbf{a}_{n+1} = \mathbf{a}_{n} + \mathbf{\epsilon}_{n}
699
700 .. math:: \mathbf{y}_{n} = G(\mathbf{x}_{n},\mathbf{a}_{n}) + \mathbf{\nu}_{n}
701
702 where, this time, the choice of the evolution and observation error models
703 :math:`\mathbf{\epsilon}_{n}` and :math:`\mathbf{\nu}_{n}` condition the
704 performance of convergence and observation tracking (while the error
705 representations come from the behavior of the physics in the case of state
706 estimation). The estimation of the parameters :math:`\mathbf{a}` is done by
707 using pairs :math:`(\mathbf{x}_{n},\mathbf{y}_{n})` of corresponding inputs and
708 outputs.
709
710 In this case of parameter estimation, in order to apply data assimilation
711 methods, we therefore impose the hypothesis that the evolution operator is the
712 identity (*Note: it is therefore not used, but must be declared in ADAO, for
713 example as a 1 matrix*), and the observation operator is :math:`G`.
714
715 Joint state and parameter estimation in dynamics
716 ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
717
718 A special case concerns the joint estimation of state and parameters used in a
719 dynamic system. One seeks to jointly estimate the state :math:`\mathbf{x}`
720 (which depends on time) and the parameters :math:`\mathbf{a}` (which here does
721 not depend on time). There are several ways to deal with this problem, but the
722 most general one is to use a state vector augmented by the parameters, and to
723 extend the operators accordingly.
724
725 To do this, using the notations of the previous two subsections, we define the
726 auxiliary variable :math:`\mathbf{w}` such that:
727
728 .. math:: \mathbf{w} = \left[
729     \begin{array}{c}
730     \mathbf{x} \\
731     \mathbf{a}
732     \end{array}
733     \right]
734     = \left[
735     \begin{array}{c}
736     \mathbf{w}_{|x} \\
737     \mathbf{w}_{|a}
738     \end{array}
739     \right]
740
741 and the operators of evolution :math:`\tilde{M}` and observation
742 :math:`\tilde{H}` associated to the augmented problem:
743
744 .. math:: \tilde{M}(\mathbf{w},\mathbf{u}) = \left[
745     \begin{array}{c}
746     M(\mathbf{w}_{|x},\mathbf{u}) \\
747     \mathbf{w}_{|a}
748     \end{array}
749     \right]
750     = \left[
751     \begin{array}{c}
752     M(\mathbf{x},\mathbf{u}) \\
753     \mathbf{a}
754     \end{array}
755     \right]
756
757 .. math:: \tilde{H}(\mathbf{w}) = \left[
758     \begin{array}{c}
759     H(\mathbf{w}_{|x}) \\
760     G(\mathbf{w}_{|x},\mathbf{w}_{|a})
761     \end{array}
762     \right]
763     = \left[
764     \begin{array}{c}
765     H(\mathbf{x}) \\
766     G(\mathbf{x},\mathbf{a})
767     \end{array}
768     \right]
769
770 With these notations, by extending the noise variables
771 :math:`\mathbf{\epsilon}` and :math:`\mathbf{\nu}` appropriately, the joint
772 state :math:`\mathbf{x}` and parameters :math:`\mathbf{a}` discrete-time
773 estimation problem, using the joint variable :math:`\mathbf{w}`, is then
774 written:
775
776 .. math:: \mathbf{w}_{n+1} = \tilde{M}(\mathbf{w}_{n},\mathbf{u}_{n}) + \mathbf{\epsilon}_{n}
777
778 .. math:: \mathbf{y}_{n} = \tilde{H}(\mathbf{w}_{n}) + \mathbf{\nu}_{n}
779
780 where :math:`\mathbf{w}_{n}=[\mathbf{x}_n~~\mathbf{a}_n]^T`. The incremental
781 evolution and observation operators are therefore respectively the augmented
782 operators :math:`\tilde{M}` and :math:`\tilde{H}`, and are directly suitable
783 for study cases with ADAO.
784
785 Conceptual scheme for data assimilation in dynamics
786 +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
787
788 To complete the description, we can represent the data assimilation process in
789 a dynamics specific way using a temporal scheme, which describes the action of
790 the evolution (:math:`M` or :math:`\tilde{M}`) and observation (:math:`H` or
791 :math:`\tilde{H}`) operators during the discrete simulation and the recursive
792 estimation of the state (:math:`\mathbf{x}`). A possible representation is as
793 follows, particularly appropriate for iterative Kalman filtering algorithms:
794
795   .. _schema_d_AD_temporel:
796   .. image:: images/schema_temporel_KF.png
797     :align: center
798     :width: 100%
799   .. centered::
800     **Timeline of steps for data assimilation operators in dynamics**
801
802 with **P** the state error covariance and *t* the discrete iterative time. In
803 this scheme, the analysis **(x,P)** is obtained by means of the "*correction*"
804 by observing the "*prediction*" of the previous state. The concepts described
805 in this diagram can be directly and simply used in ADAO to elaborate study
806 cases, and are included in the description of some algorithms.