[cosmetics] Slight improvements in doc
[epclust.git] / epclust / R / main.R
index ac4ea8d..09e1ed7 100644 (file)
-#' @title Cluster power curves with PAM in parallel
+#' CLAWS: CLustering with wAvelets and Wer distanceS
 #'
-#' @description Groups electricity power curves (or any series of similar nature) by applying PAM
-#' algorithm in parallel to chunks of size \code{nb_series_per_chunk}
+#' Cluster electricity power curves (or any series of similar nature) by applying a
+#' two stage procedure in parallel (see details).
+#' Input series must be sampled on the same time grid, no missing values.
 #'
-#' @param data Access to the data, which can be of one of the three following types:
-#' \itemize{
-#'   \item data.frame: each line contains its ID in the first cell, and all values after
-#'   \item connection: any R connection object (e.g. a file) providing lines as described above
-#'   \item function: a custom way to retrieve the curves; it has two arguments: the ranks to be
-#'     retrieved, and the IDs - at least one of them must be present (priority: ranks).
+#' Summary of the function execution flow:
+#' \enumerate{
+#'   \item Compute and serialize all contributions, obtained through discrete wavelet
+#'     decomposition (see Antoniadis & al. [2013])
+#'   \item Divide series into \code{ntasks} groups to process in parallel. In each task:
+#'   \enumerate{
+#'     \item iterate the first clustering algorithm on its aggregated outputs,
+#'       on inputs of size \code{nb_items_clust}\cr
+#'         -> K1 medoids indices
+#'     \item optionally, if WER=="mix":\cr
+#'       a. compute WER distances (K1xK1) between medoids\cr
+#'       b. apply the 2nd clustering algorithm\cr
+#'          -> K2 medoids indices
+#'   }
+#'   \item Launch a final task on the aggregated outputs of all previous tasks:
+#'     ntasks*K1 if WER=="end", ntasks*K2 otherwise
+#'   \item Compute synchrones (sum of series within each final group)
 #' }
-#' @param K1 Number of super-consumers to be found after stage 1 (K1 << N)
+#' 
+#' The main argument -- \code{series} -- has a quite misleading name, since it can be
+#' either a [big.]matrix, a CSV file, a connection or a user function to retrieve series.
+#' When \code{series} is given as a function it must take a single argument,
+#' 'indices': integer vector equal to the indices of the curves to retrieve;
+#' see SQLite example.
+#' WARNING: the return value must be a matrix (in columns), or NULL if no matches.
+#' 
+#' Note: Since we don't make assumptions on initial data, there is a possibility that
+#' even when serialized, contributions do not fit in RAM. For example,
+#' 30e6 series of length 100,000 would lead to a +4Go contribution matrix. Therefore,
+#' it's safer to place these in (binary) files; that's what we do.
+#'
+#' @param series Access to the N (time-)series, which can be of one of the four
+#'   following types:
+#'   \itemize{
+#'     \item [big.]matrix: each column contains the (time-ordered) values of one time-serie
+#'     \item connection: any R connection object providing lines as described above
+#'     \item character: name of a CSV file containing series in rows (no header)
+#'     \item function: a custom way to retrieve the curves; it has only one argument:
+#'       the indices of the series to be retrieved. See SQLite example
+#'   }
+#' @param K1 Number of clusters to be found after stage 1 (K1 << N)
 #' @param K2 Number of clusters to be found after stage 2 (K2 << K1)
-#' @param ntasks Number of tasks (parallel iterations to obtain K1 medoids); default: 1.
-#'   Note: ntasks << N, so that N is "roughly divisible" by N (number of series)
-#' @param nb_series_per_chunk (Maximum) number of series in each group, inside a task
-#' @param min_series_per_chunk Minimum number of series in each group
-#' @param wf Wavelet transform filter; see ?wt.filter. Default: haar
-#' @param WER "end" to apply stage 2 after stage 1 has iterated and finished, or "mix"
-#'   to apply it after every stage 1
-#' @param ncores_tasks "MPI" number of parallel tasks (1 to disable: sequential tasks)
-#' @param ncores_clust "OpenMP" number of parallel clusterings in one task
-#' @param random Randomize chunks repartition
-#' @param ... Other arguments to be passed to \code{data} function
+#' @param nb_series_per_chunk Number of series to retrieve in one batch
+#' @param nb_items_clust Number of items in 1st clustering algorithm input
+#' @param algoClust1 Clustering algorithm for stage 1. A function which takes (data, K)
+#'   as argument where data is a matrix in columns and K the desired number of clusters,
+#'   and outputs K medoids ranks. Default: PAM.
+#' @param algoClust2 Clustering algorithm for stage 2. A function which takes (dists, K)
+#'   as argument where dists is a matrix of distances and K the desired number of clusters,
+#'   and outputs K medoids ranks. Default: PAM.
+#' @param wav_filt Wavelet transform filter; see ?wavelets::wt.filter
+#' @param contrib_type Type of contribution: "relative", "logit" or "absolute" (any prefix)
+#' @param WER "end" to apply stage 2 after stage 1 has fully iterated, or "mix" to apply
+#'   stage 2 at the end of each task
+#' @param smooth_lvl Smoothing level: odd integer, 1 == no smoothing.
+#' @param nvoice Number of voices within each octave for CWT computations
+#' @param random TRUE (default) for random chunks repartition
+#' @param ntasks Number of tasks (parallel iterations to obtain K1 [if WER=="end"]
+#'   or K2 [if WER=="mix"] medoids); default: 1.\cr
+#'   Note: ntasks << N (number of series), so that N is "roughly divisible" by ntasks
+#' @param ncores_tasks Number of parallel tasks ('1' == sequential tasks)
+#' @param ncores_clust Number of parallel clusterings in one task
+#' @param sep Separator in CSV input file (if any provided)
+#' @param nbytes 4 or 8 bytes to (de)serialize a floating-point number
+#' @param endian Endianness for (de)serialization: "little" or "big"
+#' @param verbose FALSE: nothing printed; TRUE: some execution traces
+#'
+#' @return A list:
+#' \itemize{
+#'   \item medoids: matrix of the final K2 medoids curves
+#'   \item ranks: corresponding indices in the dataset
+#'   \item synchrones: sum of series within each final group
+#' }
 #'
-#' @return A data.frame of the final medoids curves (identifiers + values)
+#' @references Clustering functional data using Wavelets [2013];
+#'   A. Antoniadis, X. Brossat, J. Cugliari & J.-M. Poggi.
+#'   Inter. J. of Wavelets, Multiresolution and Information Procesing,
+#'   vol. 11, No 1, pp.1-30. doi:10.1142/S0219691313500033
 #'
 #' @examples
-#' getData = function(start, n) {
-#'   con = dbConnect(drv = RSQLite::SQLite(), dbname = "mydata.sqlite")
-#'   df = dbGetQuery(con, paste(
-#'     "SELECT * FROM times_values GROUP BY id OFFSET ",start,
-#'     "LIMIT ", n, " ORDER BY date", sep=""))
-#'   return (df)
+#' \dontrun{
+#' # WER distances computations are too long for CRAN (for now)
+#' # Note: on this small example, sequential run is faster
+#'
+#' # Random series around cos(x,2x,3x)/sin(x,2x,3x)
+#' x <- seq(0,50,0.05)
+#' L <- length(x) #1001
+#' ref_series <- matrix( c(cos(x),cos(2*x),cos(3*x),sin(x),sin(2*x),sin(3*x)), ncol=6 )
+#' library(wmtsa)
+#' series <- do.call( cbind, lapply( 1:6, function(i)
+#'   do.call(cbind, wmtsa::wavBootstrap(ref_series[,i], n.realization=40)) ) )
+#' # Mix series so that all groups are evenly spread
+#' permut <- (0:239)%%6 * 40 + (0:239)%/%6 + 1
+#' series = series[,permut]
+#' #dim(series) #c(240,1001)
+#' res_ascii <- claws(series, K1=30, K2=6, nb_series_per_chunk=500,
+#'   nb_items_clust=100, random=FALSE, verbose=TRUE, ncores_clust=1)
+#'
+#' # Same example, from CSV file
+#' csv_file <- tempfile(pattern="epclust_series.csv_")
+#' write.table(t(series), csv_file, sep=",", row.names=FALSE, col.names=FALSE)
+#' res_csv <- claws(csv_file, 30, 6, 500, 100, random=FALSE, ncores_clust=1)
+#'
+#' # Same example, from binary file
+#' bin_file <- tempfile(pattern="epclust_series.bin_")
+#' nbytes <- 8
+#' endian <- "little"
+#' binarize(csv_file, bin_file, 500, ",", nbytes, endian)
+#' getSeries <- function(indices) getDataInFile(indices, bin_file, nbytes, endian)
+#' res_bin <- claws(getSeries, 30, 6, 500, 100, random=FALSE, ncores_clust=1)
+#' unlink(csv_file)
+#' unlink(bin_file)
+#'
+#' # Same example, from SQLite database
+#' library(DBI)
+#' series_db <- dbConnect(RSQLite::SQLite(), "file::memory:")
+#' # Prepare data.frame in DB-format
+#' n <- ncol(series)
+#' times_values <- data.frame(
+#'   id = rep(1:n,each=L),
+#'   time = rep( as.POSIXct(1800*(1:L),"GMT",origin="2001-01-01"), n ),
+#'   value = as.double(series) )
+#' dbWriteTable(series_db, "times_values", times_values)
+#' # Fill associative array, map index to identifier
+#' indexToID_inDB <- as.character(
+#'   dbGetQuery(series_db, 'SELECT DISTINCT id FROM times_values')[,"id"] )
+#' serie_length <- as.integer( dbGetQuery(series_db,
+#'   paste("SELECT COUNT(*) FROM times_values WHERE id == ",indexToID_inDB[1],sep="")) )
+#' getSeries <- function(indices) {
+#'   indices = indices[ indices <= length(indexToID_inDB) ]
+#'   if (length(indices) == 0)
+#'     return (NULL)
+#'   request <- "SELECT id,value FROM times_values WHERE id in ("
+#'   for (i in seq_along(indices)) {
+#'     request <- paste(request, indexToID_inDB[ indices[i] ],  sep="")
+#'     if (i < length(indices))
+#'       request <- paste(request, ",", sep="")
+#'   }
+#'   request <- paste(request, ")", sep="")
+#'   df_series <- dbGetQuery(series_db, request)
+#'   matrix(df_series[,"value"], nrow=serie_length)
+#' }
+#' res_db <- claws(getSeries, 30, 6, 500, 100, random=FALSE, ncores_clust=1)
+#' dbDisconnect(series_db)
+#'
+#' # All results should be equal:
+#' all(res_ascii$ranks == res_csv$ranks
+#'   & res_ascii$ranks == res_bin$ranks
+#'   & res_ascii$ranks == res_db$ranks)
 #' }
-#'   #TODO: 3 examples, data.frame / binary file / DB sqLite
-#'   + sampleCurves : wavBootstrap de package wmtsa
-#' cl = epclust(getData, K1=200, K2=15, ntasks=1000, nb_series_per_chunk=5000, WER="mix")
 #' @export
-epclust = function(series,K1,K2,ntasks=1,nb_series_per_chunk=50*K1,min_series_per_chunk=5*K1,
-       wf="haar",WER="end",ncores_tasks=1,ncores_clust=4,random=TRUE,...)
+claws <- function(series, K1, K2, nb_series_per_chunk, nb_items_clust=5*K1,
+       algoClust1=function(data,K) cluster::pam(t(data),K,diss=FALSE,pamonce=1)$id.med,
+       algoClust2=function(dists,K) cluster::pam(dists,K,diss=TRUE,pamonce=1)$id.med,
+       wav_filt="d8", contrib_type="absolute", WER="end", smooth_lvl=3, nvoice=4,
+       random=TRUE, ntasks=1, ncores_tasks=1, ncores_clust=3, sep=",", nbytes=4,
+       endian=.Platform$endian, verbose=FALSE)
 {
        # Check/transform arguments
-       bin_dir = "epclust.bin/"
-       dir.create(bin_dir, showWarnings=FALSE, mode="0755")
+       if (!is.matrix(series) && !bigmemory::is.big.matrix(series)
+               && !is.function(series)
+               && !methods::is(series,"connection") && !is.character(series))
+       {
+               stop("'series': [big]matrix, function, file or valid connection (no NA)")
+       }
+       K1 <- .toInteger(K1, function(x) x>=2)
+       K2 <- .toInteger(K2, function(x) x>=2)
+       nb_series_per_chunk <- .toInteger(nb_series_per_chunk, function(x) x>=1)
+       nb_items_clust <- .toInteger(nb_items_clust, function(x) x>K1)
+       random <- .toLogical(random)
+       tryCatch({ignored <- wavelets::wt.filter(wav_filt)},
+               error=function(e) stop("Invalid wavelet filter; see ?wavelets::wt.filter") )
+       ctypes <- c("relative","absolute","logit")
+       contrib_type <- ctypes[ pmatch(contrib_type,ctypes) ]
+       if (is.na(contrib_type))
+               stop("'contrib_type' in {'relative','absolute','logit'}")
+       if (WER!="end" && WER!="mix")
+               stop("'WER': in {'end','mix'}")
+       random <- .toLogical(random)
+       ntasks <- .toInteger(ntasks, function(x) x>=1)
+       ncores_tasks <- .toInteger(ncores_tasks, function(x) x>=1)
+       ncores_clust <- .toInteger(ncores_clust, function(x) x>=1)
+       if (!is.character(sep))
+               stop("'sep': character")
+       nbytes <- .toInteger(nbytes, function(x) x==4 || x==8)
+       verbose <- .toLogical(verbose)
+
+       # Binarize series if it is not a function; the aim is to always use a function,
+       # to uniformize treatments. An equally good alternative would be to use a file-backed
+       # bigmemory::big.matrix, but it would break the "all-is-function" pattern.
        if (!is.function(series))
        {
-               series_file = paste(bin_dir,"data",sep="")
-               unlink(series_file)
+               if (verbose)
+                       cat("...Serialize time-series (or retrieve past binary file)\n")
+               series_file <- ".series.epclust.bin"
+               if (!file.exists(series_file))
+                       binarize(series, series_file, nb_series_per_chunk, sep, nbytes, endian)
+               getSeries <- function(inds) getDataInFile(inds, series_file, nbytes, endian)
+       }
+       else
+               getSeries <- series
+
+       # Serialize all computed wavelets contributions into a file
+       contribs_file <- ".contribs.epclust.bin"
+       if (verbose)
+               cat("...Compute contributions and serialize them (or retrieve past binary file)\n")
+       if (!file.exists(contribs_file))
+       {
+               nb_curves <- binarizeTransform(getSeries,
+                       function(curves) curvesToContribs(curves, wav_filt, contrib_type),
+                       contribs_file, nb_series_per_chunk, nbytes, endian)
        }
-       if (is.matrix(series))
-               serialize(series, series_file)
-       else if (!is.function(series))
+       else
        {
-               tryCatch(
-                       {
-                               if (is.character(series))
-                                       series_con = file(series, open="r")
-                               else if (!isOpen(series))
-                               {
-                                       open(series)
-                                       series_con = series
-                               }
-                               serialize(series_con, series_file)
-                               close(series_con)
-                       },
-                       error=function(e) "series should be a data.frame, a function or a valid connection"
-               )
+               # TODO: duplicate from getDataInFile() in de_serialize.R
+               contribs_size <- file.info(contribs_file)$size #number of bytes in the file
+               contrib_length <- readBin(contribs_file, "integer", n=1, size=8, endian=endian)
+               nb_curves <- (contribs_size-8) / (nbytes*contrib_length)
        }
-       if (!is.function(series))
-               series = function(indices) getDataInFile(indices, series_file)
-       getSeries = series
+       getContribs <- function(indices) getDataInFile(indices, contribs_file, nbytes, endian)
 
-       K1 = toInteger(K1, function(x) x>=2)
-       K2 = toInteger(K2, function(x) x>=2)
-       ntasks = toInteger(ntasks, function(x) x>=1)
-       nb_series_per_chunk = toInteger(nb_series_per_chunk, function(x) x>=K1)
-       min_series_per_chunk = toInteger(K1, function(x) x>=K1 && x<=nb_series_per_chunk)
-       ncores_tasks = toInteger(ncores_tasks, function(x) x>=1)
-       ncores_clust = toInteger(ncores_clust, function(x) x>=1)
-       if (WER!="end" && WER!="mix")
-               stop("WER takes values in {'end','mix'}")
+       # A few sanity checks: do not continue if too few data available.
+       if (nb_curves < K2)
+               stop("Not enough data: less series than final number of clusters")
+       nb_series_per_task <- round(nb_curves / ntasks)
+       if (nb_series_per_task < K2)
+               stop("Too many tasks: less series in one task than final number of clusters")
+
+       # Generate a random permutation of 1:N (if random==TRUE);
+       # otherwise just use arrival (storage) order.
+       indices_all <- if (random) sample(nb_curves) else seq_len(nb_curves)
+       # Split (all) indices into ntasks groups of ~same size
+       indices_tasks <- lapply(seq_len(ntasks), function(i) {
+               upper_bound <- ifelse( i<ntasks, min(nb_series_per_task*i,nb_curves), nb_curves )
+               indices_all[((i-1)*nb_series_per_task+1):upper_bound]
+       })
+
+       parll <- (ncores_tasks > 1)
+       if (parll && ntasks>1)
+       {
+               # Initialize parallel runs: outfile="" allow to output verbose traces in the console
+               # under Linux. All necessary variables are passed to the workers.
+               cl <-
+                       if (verbose)
+                               parallel::makeCluster(ncores_tasks, outfile="")
+                       else
+                               parallel::makeCluster(ncores_tasks)
+               varlist <- c("ncores_clust","verbose", #task 1 & 2
+                       "K1","getContribs","algoClust1","nb_items_clust") #task 1
+               if (WER=="mix")
+               {
+                       # Add variables for task 2
+                       varlist <- c(varlist, "K2","getSeries","algoClust2","nb_series_per_chunk",
+                               "smooth_lvl","nvoice","nbytes","endian")
+               }
+               parallel::clusterExport(cl, varlist, envir <- environment())
+       }
 
-       # Serialize all wavelets coefficients (+ IDs) onto a file
-       coefs_file = paste(bin_dir,"coefs",sep="")
-       unlink(coefs_file)
-       index = 1
-       nb_curves = 0
-       repeat
+       # This function achieves one complete clustering task, divided in stage 1 + stage 2.
+       # stage 1: n indices  --> clusteringTask1(...) --> K1 medoids (indices)
+       # stage 2: K1 indices --> K1xK1 WER distances --> clusteringTask2(...) --> K2 medoids,
+       # where n == N / ntasks, N being the total number of curves.
+       runTwoStepClustering <- function(inds)
        {
-               series = getSeries((index-1)+seq_len(nb_series_per_chunk))
-               if (is.null(series))
-                       break
-               coeffs_chunk = curvesToCoeffs(series, wf)
-               serialize(coeffs_chunk, coefs_file)
-               index = index + nb_series_per_chunk
-               nb_curves = nb_curves + nrow(coeffs_chunk)
+               # When running in parallel, the environment is blank: we need to load the required
+               # packages, and pass useful variables.
+               if (parll && ntasks>1)
+                       require("epclust", quietly=TRUE)
+               indices_medoids <- clusteringTask1(inds, getContribs, K1, algoClust1,
+                       nb_items_clust, ncores_clust, verbose)
+               if (WER=="mix")
+               {
+                       indices_medoids <- clusteringTask2(indices_medoids, getSeries, K2, algoClust2,
+                               nb_series_per_chunk,smooth_lvl,nvoice,nbytes,endian,ncores_clust,verbose)
+               }
+               indices_medoids
        }
-       getCoefs = function(indices) getDataInFile(indices, coefs_file)
-######TODO: if DB, array rank --> ID at first retrieval, when computing coeffs; so:: NO use of IDs !
 
-       if (nb_curves < min_series_per_chunk)
-               stop("Not enough data: less rows than min_series_per_chunk!")
-       nb_series_per_task = round(nb_curves / ntasks)
-       if (nb_series_per_task < min_series_per_chunk)
-               stop("Too many tasks: less series in one task than min_series_per_chunk!")
+       if (verbose)
+       {
+               message <- paste("...Run ",ntasks," x stage 1", sep="")
+               if (WER=="mix")
+                       message <- paste(message," + stage 2", sep="")
+               cat(paste(message,"\n", sep=""))
+       }
 
-       # Cluster coefficients in parallel (by nb_series_per_chunk)
-       indices = if (random) sample(nb_curves) else seq_len(nb_curves)
-       indices_tasks = lapply(seq_len(ntasks), function(i) {
-               upper_bound = ifelse( i<ntasks, min(nb_series_per_task*i,nb_curves), nb_curves )
-               indices[((i-1)*nb_series_per_task+1):upper_bound]
-       })
-       cl_tasks = parallel::makeCluster(ncores_tasks)
-       parallel::clusterExport(cl_tasks,
-               varlist=c("getSeries","getCoefs","K1","K2","WER","nb_series_per_chunk","ncores_clust"),
-               envir=environment())
-       #1000*K1 (or K2) indices (or NOTHING--> series on file)
-       indices = parallel::parLapply(cl_tasks, indices_tasks, clusteringTask)
-       parallel::stopCluster(cl_tasks)
+       # As explained above, we obtain after all runs ntasks*[K1 or K2] medoids indices,
+       # depending whether WER=="end" or "mix", respectively.
+       indices_medoids_all <-
+               if (parll && ntasks>1)
+                       unlist( parallel::parLapply(cl, indices_tasks, runTwoStepClustering) )
+               else
+                       unlist( lapply(indices_tasks, runTwoStepClustering) )
+
+       if (parll && ntasks>1)
+               parallel::stopCluster(cl)
+
+       # For the last stage, ncores_tasks*(ncores_clusts+1) cores should be available:
+       #  - ntasks for level 1 parallelism
+       #  - ntasks*ncores_clust for level 2 parallelism,
+       # but since an extension MPI <--> tasks / OpenMP <--> sub-tasks is on the way,
+       # it's better to just re-use ncores_clust
+       ncores_last_stage <- ncores_clust
+
+       # Run last clustering tasks to obtain only K2 medoids indices
+       if (verbose)
+               cat("...Run final // stage 1 + stage 2\n")
+       indices_medoids <- clusteringTask1(indices_medoids_all, getContribs, K1, algoClust1,
+               nb_items_clust, ncores_tasks*ncores_clust, verbose)
+
+       indices_medoids <- clusteringTask2(indices_medoids, getSeries, K2, algoClust2,
+               nb_series_per_chunk,smooth_lvl,nvoice,nbytes,endian,ncores_last_stage,verbose)
 
-       #Now series must be retrieved from synchrones_file, and have no ID
-       getSeries = function(indices, ids) getDataInFile(indices, synchrones_file)
+       # Compute synchrones, that is to say the cumulated power consumptions for each of the K2
+       # final groups.
+       medoids <- getSeries(indices_medoids)
+       synchrones <- computeSynchrones(medoids, getSeries, nb_curves, nb_series_per_chunk,
+               ncores_last_stage, verbose)
 
-       # Run step2 on resulting indices or series (from file)
-       computeClusters2(indices=if (WER=="end") indices else NULL, K2, to_file=FALSE)
+       # NOTE: no need to use big.matrix here, since there are only K2 << K1 << N remaining curves
+       list("medoids"=medoids, "ranks"=indices_medoids, "synchrones"=synchrones)
 }