root/library/bdm/estim/kalman.cpp @ 961

Revision 961, 12.0 kB (checked in by smidl, 14 years ago)

verbose message in Kalman

  • Property svn:eol-style set to native
Line 
1
2#include "kalman.h"
3
4namespace bdm {
5
6using std::endl;
7
8
9
10void KalmanFull::bayes ( const vec &yt, const vec &cond ) {
11        bdm_assert_debug ( yt.length() == ( dimy ), "KalmanFull::bayes wrong size of dt, " +
12                num2str(yt.length()) + ", expected size is " + num2str(dimy) );
13        bdm_assert_debug ( cond.length() == ( dimc ), "KalmanFull::bayes wrong size of cond, " +
14                num2str(cond.length()) + ", expected size is " + num2str(dimc) );
15       
16        const vec &u = cond; // in this case cond=ut
17        const vec &y = yt;
18
19        vec& mu = est._mu();
20        mat &P = est._R();
21        mat& _Ry = fy._R();
22        vec& yp = fy._mu();
23        //Time update
24        mu = A * mu + B * u;
25        P  = A * P * A.transpose() + ( mat ) Q;
26
27        //Data update
28        _Ry = C * P * C.transpose() + ( mat ) R;
29        _K = P * C.transpose() * inv ( _Ry );
30        P -= _K * C * P; // P = P -KCP;
31        yp = C * mu + D * u;
32        mu += _K * ( y - yp );
33
34        if ( evalll ) {
35                ll = fy.evallog ( y );
36        }
37};
38
39
40
41/////////////////////////////// EKFS
42EKFfull::EKFfull ( ) : KalmanFull () {};
43
44void EKFfull::set_parameters ( const shared_ptr<diffbifn> &pfxu0, const shared_ptr<diffbifn> &phxu0, const mat Q0, const mat R0 ) {
45        pfxu = pfxu0;
46        phxu = phxu0;
47
48        set_dim ( pfxu0->_dimx() );
49        dimy = phxu0->dimension();
50        dimc = pfxu0->_dimu();
51        est.set_parameters ( zeros ( dimension() ), eye ( dimension() ) );
52
53        A.set_size ( dimension(), dimension() );
54        C.set_size ( dimy, dimension() );
55        //initialize matrices A C, later, these will be only updated!
56        pfxu->dfdx_cond ( est._mu(), zeros ( dimc ), A, true );
57        B.clear();
58        phxu->dfdx_cond ( est._mu(), zeros ( dimc ), C, true );
59        D.clear();
60
61        R = R0;
62        Q = Q0;
63}
64
65void EKFfull::bayes ( const vec &yt, const vec &cond ) {
66        bdm_assert_debug ( yt.length() == ( dimy ), "EKFull::bayes wrong size of dt" );
67        bdm_assert_debug ( cond.length() == ( dimc ), "EKFull::bayes wrong size of dt" );
68
69        const vec &u = cond;
70        const vec &y = yt; //lazy to change it
71        vec &mu = est._mu();
72        mat &P = est._R();
73        mat& _Ry = fy._R();
74        vec& yp = fy._mu();
75
76        pfxu->dfdx_cond ( mu, zeros ( dimc ), A, true );
77        phxu->dfdx_cond ( mu, zeros ( dimc ), C, true );
78
79        //Time update
80        mu = pfxu->eval ( mu, u );// A*mu + B*u;
81        P  = A * P * A.transpose() + ( mat ) Q;
82
83        //Data update
84        _Ry = C * P * C.transpose() + ( mat ) R;
85        _K = P * C.transpose() * inv ( _Ry );
86        P -= _K * C * P; // P = P -KCP;
87        yp = phxu->eval ( mu, u );
88        mu += _K * ( y - yp );
89
90        if ( BM::evalll ) {
91                ll = fy.evallog ( y );
92        }
93};
94
95
96
97void KalmanCh::set_parameters ( const mat &A0, const mat &B0, const mat &C0, const mat &D0, const chmat &Q0, const chmat &R0 ) {
98
99        ( ( StateSpace<chmat>* ) this )->set_parameters ( A0, B0, C0, D0, Q0, R0 );
100
101        _K = zeros ( dimension(), dimy );
102}
103
104void KalmanCh::initialize() {
105        preA = zeros ( dimy + dimension() + dimension(), dimy + dimension() );
106//      preA.clear();
107        preA.set_submatrix ( 0, 0, R._Ch() );
108        preA.set_submatrix ( dimy + dimension(), dimy, Q._Ch() );
109}
110
111void KalmanCh::bayes ( const vec &yt, const vec &cond ) {
112        bdm_assert_debug ( yt.length() == dimy, "yt mismatch" );
113        bdm_assert_debug ( cond.length() == dimc, "yt mismatch" );
114
115        const vec &u = cond;
116        const vec &y = yt;
117        vec pom ( dimy );
118
119        chmat &_P = est._R();
120        vec &_mu = est._mu();
121        mat _K ( dimension(), dimy );
122        chmat &_Ry = fy._R();
123        vec &_yp = fy._mu();
124        //TODO get rid of Q in qr()!
125        //      mat Q;
126
127        //R and Q are already set in set_parameters()
128        preA.set_submatrix ( dimy, 0, ( _P._Ch() ) *C.T() );
129        //Fixme can be more efficient if .T() is not used
130        preA.set_submatrix ( dimy, dimy, ( _P._Ch() ) *A.T() );
131
132        if ( !qr ( preA, postA ) ) {
133                bdm_warning ( "QR in KalmanCh unstable!" );
134        }
135
136        ( _Ry._Ch() ) = postA ( 0, dimy - 1, 0, dimy - 1 );
137        _K = inv ( A ) * ( postA ( 0, dimy - 1 , dimy, dimy + dimension() - 1 ) ).T();
138        ( _P._Ch() ) = postA ( dimy, dimy + dimension() - 1, dimy, dimy + dimension() - 1 );
139
140        _mu = A * ( _mu ) + B * u;
141        _yp = C * _mu - D * u;
142
143        backward_substitution ( _Ry._Ch(), ( y - _yp ), pom );
144        _mu += ( _K ) * pom;
145
146        /*              cout << "P:" <<_P.to_mat() <<endl;
147                        cout << "Ry:" <<_Ry.to_mat() <<endl;
148                        cout << "_K:" <<_K <<endl;*/
149
150        if ( evalll == true ) { //likelihood of observation y
151                ll = fy.evallog ( y );
152        }
153}
154
155void StateCanonical::connect_mlnorm ( const mlnorm<fsqmat> &ml ) {
156        //get ids of yrv
157        const RV &yrv = ml._rv();
158        //need to determine u_t - it is all in _rvc that is not in ml._rv()
159        RV rgr0 = ml._rvc().remove_time();
160        RV urv = rgr0.subt ( yrv );
161
162        //We can do only 1d now... :(
163        bdm_assert ( yrv._dsize() == 1, "Only for SISO so far..." );
164
165        // create names for
166        RV xrv; //empty
167        RV Crv; //empty
168        int td = ml._rvc().mint();
169        // assuming strictly proper function!!!
170        for ( int t = -1; t >= td; t-- ) {
171                xrv.add ( yrv.copy_t ( t ) );
172                Crv.add ( urv.copy_t ( t ) );
173        }
174
175        // get mapp
176        th2A.set_connection ( xrv, ml._rvc() );
177        th2C.set_connection ( Crv, ml._rvc() );
178        th2D.set_connection ( urv, ml._rvc() );
179
180        //set matrix sizes
181        this->A = zeros ( xrv._dsize(), xrv._dsize() );
182        for ( int j = 1; j < xrv._dsize(); j++ ) {
183                A ( j, j - 1 ) = 1.0;    // off diagonal
184        }
185        this->B = zeros ( xrv._dsize(), 1 );
186        this->B ( 0 ) = 1.0;
187        this->C = zeros ( 1, xrv._dsize() );
188        this->D = zeros ( 1, urv._dsize() );
189        this->Q = zeros ( xrv._dsize(), xrv._dsize() );
190        // R is set by update
191
192        //set cache
193        this->A1row = zeros ( xrv._dsize() );
194        this->C1row = zeros ( xrv._dsize() );
195        this->D1row = zeros ( urv._dsize() );
196
197        update_from ( ml );
198        validate();
199};
200
201void StateCanonical::update_from ( const mlnorm<fsqmat> &ml ) {
202
203        vec theta = ml._A().get_row ( 0 ); // this
204
205        th2A.filldown ( theta, A1row );
206        th2C.filldown ( theta, C1row );
207        th2D.filldown ( theta, D1row );
208
209        R = ml._R();
210
211        A.set_row ( 0, A1row );
212        C.set_row ( 0, C1row + D1row ( 0 ) *A1row );
213        D.set_row ( 0, D1row );
214}
215
216void StateFromARX::connect_mlnorm ( const mlnorm<chmat> &ml, RV &xrv, RV &urv ) {
217        //get ids of yrv
218        const RV &yrv = ml._rv();
219        //need to determine u_t - it is all in _rvc that is not in ml._rv()
220        const RV &rgr = ml._rvc();
221        RV rgr0 = rgr.remove_time();
222        urv = rgr0.subt ( yrv );
223
224        // create names for state variables
225        xrv = yrv;
226
227        int y_multiplicity = -rgr.mint ( yrv );
228        int y_block_size = yrv.length() * ( y_multiplicity ); // current yt + all delayed yts
229        for ( int m = 0; m < y_multiplicity - 1; m++ ) { // ========= -1 is important see arx2statespace_notes
230                xrv.add ( yrv.copy_t ( -m - 1 ) ); //add delayed yt
231        }
232        //! temporary RV for connection to ml.rvc, since notation of xrv and ml.rvc does not match
233        RV xrv_ml = xrv.copy_t ( -1 );
234
235        // add regressors
236        ivec u_block_sizes ( urv.length() ); // no_blocks = yt + unique rgr
237        for ( int r = 0; r < urv.length(); r++ ) {
238                RV R = urv.subselect ( vec_1 ( r ) ); //non-delayed element of rgr
239                int r_size = urv.size ( r );
240                int r_multiplicity = -rgr.mint ( R );
241                u_block_sizes ( r ) = r_size * r_multiplicity ;
242                for ( int m = 0; m < r_multiplicity; m++ ) {
243                        xrv.add ( R.copy_t ( -m - 1 ) ); //add delayed yt
244                        xrv_ml.add ( R.copy_t ( -m - 1 ) ); //add delayed yt
245                }
246        }
247        // add constant
248        if ( any ( ml._mu_const() != 0.0 ) ) {
249                have_constant = true;
250                xrv.add ( RV ( "bdm_reserved_constant_one", 1 ) );
251        } else {
252                have_constant = false;
253        }
254
255
256        // get mapp
257        th2A.set_connection ( xrv_ml, ml._rvc() );
258        th2B.set_connection ( urv, ml._rvc() );
259
260        //set matrix sizes
261        this->A = zeros ( xrv._dsize(), xrv._dsize() );
262        //create y block
263        diagonal_part ( this->A, yrv._dsize(), 0, y_block_size - yrv._dsize() );
264
265        this->B = zeros ( xrv._dsize(), urv._dsize() );
266        //add diagonals for rgr
267        int active_x = y_block_size;
268        int active_Bcol = 0;
269        for ( int r = 0; r < urv.length(); r++ ) {
270                if (u_block_sizes(r)>0){
271                        diagonal_part ( this->A, active_x + urv.size ( r ), active_x, u_block_sizes ( r ) - urv.size ( r ) );
272                        this->B.set_submatrix ( active_x, active_Bcol, eye ( urv.size ( r ) ) );
273                        active_Bcol+=u_block_sizes(r);
274                }
275                active_x += u_block_sizes ( r );
276        }
277        this->C = zeros ( yrv._dsize(), xrv._dsize() );
278        this->C.set_submatrix ( 0, 0, eye ( yrv._dsize() ) );
279        this->D = zeros ( yrv._dsize(), urv._dsize() );
280        this->R.setCh ( zeros ( yrv._dsize(), yrv._dsize() ) );
281        this->Q.setCh ( zeros ( xrv._dsize(), xrv._dsize() ) );
282        // Q is set by update
283
284        update_from ( ml );
285        validate();
286}
287       
288void StateFromARX::update_from ( const mlnorm<chmat> &ml ) {
289        vec Arow = zeros ( A.cols() );
290        vec Brow = zeros ( B.cols() );
291        //  ROW- WISE EVALUATION =====
292        for ( int i = 0; i < ml._rv()._dsize(); i++ ) {
293
294                vec theta = ml._A().get_row ( i );
295
296                th2A.filldown ( theta, Arow );
297                if ( have_constant ) {
298                        // constant is always at the end no need for datalink
299                        Arow ( A.cols() - 1 ) = ml._mu_const() ( i );
300                }
301                this->A.set_row ( i, Arow );
302
303                th2B.filldown ( theta, Brow );
304                this->B.set_row ( i, Brow );
305        }
306        this->Q._Ch().set_submatrix ( 0, 0, ml.__R()._Ch() );
307
308}
309
310
311void EKFCh::set_parameters ( const shared_ptr<diffbifn> &pfxu0, const shared_ptr<diffbifn> &phxu0, const chmat Q0, const chmat R0 ) {
312        pfxu = pfxu0;
313        phxu = phxu0;
314
315        set_dim ( pfxu0->_dimx() );
316        dimy = phxu0->dimension();
317        dimc = pfxu0->_dimu();
318
319        vec &_mu = est._mu();
320        // if mu is not set, set it to zeros, just for constant terms of A and C
321        if ( _mu.length() != dimension() ) _mu = zeros ( dimension() );
322        A = zeros ( dimension(), dimension() );
323        C = zeros ( dimy, dimension() );
324        preA = zeros ( dimy + dimension() + dimension(), dimy + dimension() );
325
326        //initialize matrices A C, later, these will be only updated!
327        pfxu->dfdx_cond ( _mu, zeros ( dimc ), A, true );
328//      pfxu->dfdu_cond ( *_mu,zeros ( dimu ),B,true );
329        B.clear();
330        phxu->dfdx_cond ( _mu, zeros ( dimc ), C, true );
331//      phxu->dfdu_cond ( *_mu,zeros ( dimu ),D,true );
332        D.clear();
333
334        R = R0;
335        Q = Q0;
336
337        // Cholesky special!
338        preA.clear();
339        preA.set_submatrix ( 0, 0, R._Ch() );
340        preA.set_submatrix ( dimy + dimension(), dimy, Q._Ch() );
341}
342
343
344void EKFCh::bayes ( const vec &yt, const vec &cond ) {
345
346        vec pom ( dimy );
347        const vec &u = cond;
348        const vec &y = yt;
349        vec &_mu = est._mu();
350        chmat &_P = est._R();
351        chmat &_Ry = fy._R();
352        vec &_yp = fy._mu();
353
354        pfxu->dfdx_cond ( _mu, u, A, false ); //update A by a derivative of fx
355        phxu->dfdx_cond ( _mu, u, C, false ); //update A by a derivative of fx
356
357        //R and Q are already set in set_parameters()
358        preA.set_submatrix ( dimy, 0, ( _P._Ch() ) *C.T() );
359        //Fixme can be more efficient if .T() is not used
360        preA.set_submatrix ( dimy, dimy, ( _P._Ch() ) *A.T() );
361
362//      mat Sttm = _P->to_mat();
363//      cout << preA <<endl;
364//      cout << "_mu:" << _mu <<endl;
365
366        if ( !qr ( preA, postA ) ) {
367                bdm_warning ( "QR in EKFCh unstable!" );
368        }
369
370
371        ( _Ry._Ch() ) = postA ( 0, dimy - 1, 0, dimy - 1 );
372        _K = inv ( A ) * ( postA ( 0, dimy - 1 , dimy, dimy + dimension() - 1 ) ).T();
373        ( _P._Ch() ) = postA ( dimy, dimy + dimension() - 1, dimy, dimy + dimension() - 1 );
374
375//      mat iRY = inv(_Ry->to_mat());
376//      mat Stt = Sttm - Sttm * C.T() * iRY * C * Sttm;
377//      mat _K2 = Stt*C.T()*inv(R.to_mat());
378
379        // prediction
380        _mu = pfxu->eval ( _mu , u );
381        _yp = phxu->eval ( _mu, u );
382
383        /*      vec mu2 = *_mu + ( _K2 ) * ( y-*_yp );*/
384
385        //correction //= initial value is already prediction!
386        backward_substitution ( _Ry._Ch(), ( y - _yp ), pom );
387        _mu += ( _K ) * pom ;
388
389        /*      _K = (_P->to_mat())*C.transpose() * ( _iRy->to_mat() );
390                *_mu = pfxu->eval ( *_mu ,u ) + ( _K )* ( y-*_yp );*/
391
392//              cout << "P:" <<_P.to_mat() <<endl;
393//              cout << "Ry:" <<_Ry.to_mat() <<endl;
394//      cout << "_mu:" <<_mu <<endl;
395//      cout << "dt:" <<dt <<endl;
396
397        if ( evalll == true ) { //likelihood of observation y
398                ll = fy.evallog ( y );
399        }
400}
401
402void EKFCh::from_setting ( const Setting &set ) {
403        BM::from_setting ( set );
404        shared_ptr<diffbifn> IM = UI::build<diffbifn> ( set, "IM", UI::compulsory );
405        shared_ptr<diffbifn> OM = UI::build<diffbifn> ( set, "OM", UI::compulsory );
406
407        //statistics
408        int dim = IM->dimension();
409        vec mu0;
410        if ( !UI::get ( mu0, set, "mu0" ) )
411                mu0 = zeros ( dim );
412
413        mat P0;
414        vec dP0;
415        if ( UI::get ( dP0, set, "dP0" ) )
416                P0 = diag ( dP0 );
417        else if ( !UI::get ( P0, set, "P0" ) )
418                P0 = eye ( dim );
419
420        set_statistics ( mu0, P0 );
421
422        //parameters
423        vec dQ, dR;
424        UI::get ( dQ, set, "dQ", UI::compulsory );
425        UI::get ( dR, set, "dR", UI::compulsory );
426        set_parameters ( IM, OM, diag ( dQ ), diag ( dR ) );
427}
428
429void MultiModel::from_setting ( const Setting &set ) {
430        Array<EKFCh*> A;
431        UI::get ( A, set, "models", UI::compulsory );
432
433        set_parameters ( A );
434        set_yrv ( A ( 0 )->_yrv() );
435        //set_rv(A(0)->_rv());
436}
437
438}
Note: See TracBrowser for help on using the browser.