LXF81:PAW

Материал из Linuxformat.

Знакомство с PAW

У каждой вещи есть своё предназначение. Данные предназначены для анализа.

Введение

PAW или Physics Analysis Workstation – это интерактивная программа анализа и графического представления результатов, с возможностью автоматизации посредством скриптов.

PAW позволяет работать с большими объемами данных. Данные в основном представлены в виде списка не связанных между собой событий (ntuple). Каждой событие представляет из себя набор именованных полей. Данные можно представить в виде одномерных или двумерных гистограмм. В PAW реализована фильтрация событий по условию. Для сравнения экспериментальных данных с теорией PAW предоставляет интерфейс к чрезвычайно мощной и гибкой процедуре подгонки и оценки ошибок (MINUIT).

Немного истории

Пакет PAW был создан для задач физики элементарных частиц (ФЭЧ). История PAW берет свое начало в 1986 году в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN^[1]). В процессе разработки основной упор делался на работу с очень большим объемом^[2] данных.

Для целей физического анализа PAW распространялась свободно с самого начала, но только в 2000 году она стала доступна по GPL. Начиная с 2002 года PAW является одним из пакетов дистрибутива GNU/Linux Debian, что в определенной степени гарантирует лицензионную чистоту.

По сути PAW является интерфейсом к набору библиотек CERNLIB. Все, что можно сделать в PAW интерактивно, также можно реализовать в компилируемом программном коде. В PAW встроен интерпретатор языка программирования Fortran.

В последнее время появилась мода на отрицание Fortran. Что-то в этом, возможно, есть. Выдавить Fortran полностью, естественно, не удастся, так как он имеет ряд преимуществ: исключительная простота и очень большие объемы наработанного надежного кода, но для популяризации проекта приходится выбирать «более другой» язык программирования. В частности поэтому в 1994 году лидер команды PAW Рене Брюн (Ren Brun) запустил проект «переписывания» PAW/CERNLIB на C++ и назвал его ROOT. С начала 2006 года ROOT (http://root.cern.ch/) стал выпускаться по лицензии LGPL, и, возможно, скоро попадет в основные дистрибутивы GNU/Linux.

Чем же интересна PAW сейчас, когда есть ROOT? Во-первых, нет необходимости менять PAW в тех проектах, где она уже прижилась. Для целей интерактивного анализа PAW эффективнее, чем ROOT, из-за излишней многословности последнего (наследие C++). Многие базовые идеи, которые были заложены в фундамент PAW, достаточно интересны в плане изучения и копирования. Программы для того и делаются свободными, чтобы лежащие в их основе идеи не умирали.

Запускаем PAW

Очевидно, что перед запуском необходимо поставить этот пакет. Для пользователей дистрибутивов DebianGNU/Linux и Alt процесс установки выглядит примерно так:

> sudo apt-get install PAW

Если же PAW не является составляющей вашего дистрибутива, то необходимо скачать исходные тексты или готовые пакеты под вашу платформу, например, с официального ЦЕРНовского сайта http://PAW.web.cern.ch/PAW/. PAW входит в состав пакета CERNLIB. Подробности о сборке PAW/CERNLIB можно найти на страничке Кэвина Маккарти (Kevin McCarty) CERNLIB on Debian http://people.debian.org/~kmccarty/cernlib/.

После установки откройте X-терминал и запустите PAW:

> PAW
******************************************************
*                                                    *
*                WELCOME to PAW                      *
*                                                    *
*         Version 2.14/04 12 January 2004            *
*                                                    *
******************************************************
Workstation type (?=HELP) <CR>=1 :

При запуске PAW задает традиционный вопрос о выборе типа окна для отображения. Раньше это было достаточно актуально. На сегодня интерес представляет обычное X- окно (появляется по умолчанию), или буквенно-цифровой терминал. В последнем случае результаты выводятся с помощью текста, то есть для представления данных достаточно окна терминала.

Во время запуска PAW считывает и выполняет команды из файла ~.PAWlogon. kumac. Получив после инициализации приглашение, можно приступать к работе. Сказать «Hello World» из PAW можно следующим образом:

PAW > message Hello World
Hello World

Чтобы окончить сеанс достаточно набрать команду exit. В случае, если PAW удалось тем или иным образом «зациклить», на помощь приходит прерывание по ^C.

Объекты PAW

PAW оперирует векторами, гистограммами, ntuple'ами и cut'ами. Эти объекты являются для PAW базовыми.

Вектора представляют из себя одномерные или многомерные массивы чисел. Для работы с векторами предоставляется интерфейсы к пакету для манипуляций с массивами SIGMA и интерпретатору Fortran COMIS. Вектора используются для анализа небольших объемов текстовых данных.

Гистограмма – это базовый объект для анализа в PAW. Гистограмма представляет из себя столбчатую диаграмму – один из видов графического представления эмпирических распределений. Чтобы создать (book) гистограмму, достаточно определиться с пределами гистограммы и числом элементарных бинов (bin). При заполнении (fill) гистограммы в соответствующий записываемому числу бин добавляется единица с определяемым пользователем весом (weight). В PAW любой гистограмме может приписываться подгоночная функция (fit) с результатами подгонки.

Двумерная гистограмма является обобщением обычной одномерной гистограммы на плоскости. В отличие от одномерной гистограммы, при отображении двумерной возникает серьезная проблема выбора графического представления данных. Если есть возможность, то лучше все сводить к одномерным гистограммам.

Ntuple (произносится «энтапл») представляет из себя коллекцию независимых событий. Каждое событие представляет из себя набор именованных параметров. Ntuple, по сути дела, обычная таблица, в которой каждая строчка соответствует событию, а столбец переменной.

# открытие файла ee-ang.rz
PAW > hi/fil 1 ee-ang.rz
# вывод информации об ntuple с идентификатором 1
# ntuple был хранится в ee-ang.rz
PAW > nt/print 1
***************************************************************
* NTUPLE ID= 1 ENTRIES= 10673 ee angles
***************************************************************
*      Var numb   *    Name     *     Lower    *     Upper    *
***************************************************************
*         1       *     th1     * 0.473953E+00 * 0.173814E+03 *
*         2       *     th2     * 0.741767E+01 * 0.173814E+03 *
*         3       *     phi1    * 0.000000E+00 * 0.359949E+03 *
*         4       *     phi2    * 0.000000E+00 * 0.359957E+03 *
*         5       *     p1      * 0.131558E-01 * 0.579733E+04 *
*         6       *     p2      * 0.259194E-01 * 0.156410E+03 *
…
*        24       *     ntrk    * 0.000000E+00 * 0.900000E+01 *
***************************************************************

Миллион событий и тысячи переменных в ntuple – это вполне рядовое явление. Физически ntuple представляет из себя файл с прямым доступом. Все операции оптимизированы для максимизации скорости. Для работы с ntuple отсутствует встроенный язык по типу SQL – так как PAW это узкоспециализированный инструмент. Объем данных с течением времени имеет тенденцию к увеличению во всех областях знаний, поэтому подобные методы обработки следует взять на заметку.

Cut (произносится как «кат») – это булева функция от именованных переменных ntuple. Каты (выборки) используются для выборки подмножества событий, удовлетворяющих условию для заполнения гистограммы.

# открытие файла ee-ang.rz
PAW > hi/fil 1 ee-ang.rz
# создание ката по углам с идентификатором 1
PAW > nt/cut 1 th1>30.and.th1<150.and.th2>30.and.th1<150
# создание ката с требованием на тип частиц с
# идентификатором 2, 11 соответствует электрону, -11 – позитрону
PAW > nt/cut 2 f1=11&&f2=-11
# запуск скрипта для открытия eps-файла
PAW > epsopen th1.eps
*******************************************************
File: th1.eps Xsize: 20.0 cm Ysize: 20.0 cm LUN: 99
*******************************************************
# деление графического пространства на две зоны
PAW > zone 1 2
# создание гистограмм из ntuple с идентификатором 1
# фильтрация событий производится по первому кату
PAW > nt/plot 1.th1 $1
# фильтрация событий производится по обоим катам
PAW > nt/plot 1.th1 $1.and.$2
# закрытие eps-файла
PAW > epsclose
*******************************************************
File "th1.eps" closed.

Помогите или Help!!!

Сразу после запуска PAW можно вводить команды. Вероятно, одной из самых полезных команд является команда help:

PAW > help
From /...
1: KUIP Command Processor commands.
2: MACRO Macro Processor commands.
3: VECTOR Vector Processor commands.
4: HISTOGRAM Manipulation of histograms.
5: FUNCTION Operations with Functions. Creation and plotting.
6: NTUPLE Ntuple creation and related operations.
7: GRAPHICS Interface to the graphics packages HPLOT and HIGZ.
8: PICTURE Creation and manipulation of HIGZ pictures.
9: ZEBRA Interfaces to the ZEBRA RZ, FZ and DZ packages.
10: FORTRAN Interface to MINUIT, COMIS, SIGMA and FORTRAN Input/Output.
11: NETWORK To access files on remote computers.
12: MLP Multi-Layer Perceptron (MLP).
13: OBSOLETE Obsolete commands
Enter a number ('0'=Top, '\'=one level back, 'Q'=command mode):

Структура помощи в PAW отличается от привычных. Похожая система присутствовала в справке VAX/VMS. После ввода команды help выводится меню и предлагается выбрать интересующий вас пункт. Обычно, чтобы добраться до необходимой команды требуется пройти 2--4 уровня. Если известен путь до команды, то можно вызвать справку без выбора вариантов:

PAW > help hi/plot
Command "/HISTOGRAM/PLOT" :

Справка гарантированно работает на любых терминалах. Следует отметить, что более подробное встроенное описание вряд ли где можно найти (разве что в VAX/VMS^[3]). PAW/CERNLIB отличается очень подробной и качественной в смысле содержания документацией. Там даже ошибки задокументированы!. Такое качество, в частности, было достигнуто с помощью встроенных прямо в PAW команд для редактирования описания.

«Командная логика»

Чуть выше было рассказано про иерархическое меню справки. Прежде, чем добраться до описания команды, необходимо пройти некий путь. Например, чтобы узнать, как нарисовать двумерную гистограмму в виде LEGO, надо сначала выбрать пункт 4 (HISTOGRAM), после пункт 11 (2D_PLOT), а затем пункт 2 (LEGO). Полная команда состоит из пути HISTOGRAM/2D_PLOT/, самой команды LEGO и опций, которые передаются с этой командой

# нарисовать двумерную гистограмму номер 10
PAW > HISTOGRAM/2D_PLOT/LEGO 10

Полное название команды набирать долго, даже несмотря на то, что есть история команд для текущего сеанса. Поэтому действует соглашение, что если команда уникальная, то можно опускать корневые пункты меню. В случае команды LEGO, можно писать 2D_PLOT/LEGO или просто LEGO. Второе соглашение позволяет сокращать имена и пути команд до тех пор, пока они остаются уникальными, например, HISTOGRAM/PLOT сокращается до hi/pl, что сложнее запомнить, но гораздо быстрее набрать. Эти два соглашения позволяют увеличивать эффективность работы по мере обретения опыта.

Команды при выполнении обрабатываются командным процессором KUIP (help kuip).

Интерпретатор FORTRAN (COMIS)

Для любого сколько-нибудь серьезного инструмента анализа необходим встроенный язык программирования. В случае PAW особого выбора не было. FORTRAN, или FORmula TRANslator, является традиционным языком для научных вычислений. Он очень прост и стабилен. Как следствие, существует очень большое количество устоявшихся кроссплатформенных математических библиотек. Существует мнение, что на чем бы в будущем физики ни программировали и как бы этот язык ни выглядел – он будет называться FORTRAN.

Вызов интерпретатора FORTRAN производится с помощью команды COMIS. После этого можно писать программу, например, вычисления чисел Фибоначчи:

PAW> comis
CS> ia=0
MND> ib=1
MND> type ia
MND> type ib
MND> do i=2,10
MND> ix=ia
MND> ia=ib
MND> ib=ix+ib
MND> type ib
MND> enddo
MND> end
*T IA = 0
*T IB = 1
*T IB = 1
*T IB = 2
*T IB = 3
*T IB = 5
*T IB = 8
*T IB = 13
*T IB = 21
*T IB = 34
*T IB = 55
PAW
CS> end
PAW >

Одна из основных проблем PAW заключается в различных языках для написания программ и для написания скриптов (COMIS против KUIP). И та, и другая подсистема по отдельности хорошо справляется со своими проблемами, но серьезные задачи в рамках какого-то одного подхода не решаются. Для нетривиального анализа необходимо взаимодействие и, как следствие, знание обоих языковых инструментов.

Файл инициализации

При запуске PAW, как уже упоминалось, считываются инструкции ~.PAWlogon.kumac. Файл инициализации представляет из себя скрипт для командного процессора KUIP. Скрипты PAW имеют расширение .kumac и выполняются с помощью команды

exec <имя файла без расширения>.

Обычно в файле инициализации прописываются настройки по умолчанию с помощью команды set или создаются сокращения команд:

alias/create ac alias/create
ac man help

Полезным является прописывание путей к макросам, то есть аналог $PATH:

* запускать макросы в текущей директории и в ~/kumac
macro/default -AR '.,~/kumac'

При исполнении макросов из прописанных таким образом путей можно упускать команду exec.

Проблемы

При начале работы с PAW могут возникнуть некоторые проблемы, связанные с тем, что программа писалась довольно давно и не рассчитана на текущие представления об удобстве.

Если графическое окно не сохраняет рисунок при перекрытии окна другим окном или при переключении между виртуальными экранами, то необходимо добавить в файл настройки X Window (/etc/X11/XF86Config-4 или /etc/X11/xorg.conf) в разделе Device добавить опцию:

Section "Device"
…
Option "BackingStore" "On"
…
EndSection

и перезапустить X Window.

Следует учитывать, что пути до файлов не должны превышать 256 символов. Обычно это не проблема, но всякое бывает. Приходится признать, что PAW с русским языком не дружит совсем. Чтобы добавить русские надписи, можно воспользоваться пакетом psfrag. Вначале с помощью макросов epsopen/epsclose создается картинка, в которую внедряются англоязычные метки. Например, метку Petr необходимо заменить на «Здесь будет город заложен…», а метку moment на «Я помню чудное мгновенье». Далее создается LaTeX-файл вида:

\documentclass[12pt]{article}
\usepackage[warn]{mathtext}
\usepackage[T2A]{fontenc}
\usepackage[koi8-r]{inputenc}
\usepackage[english,russian]{babel}
\usepackage{psfrag}
\begin{document}
\pagestyle{empty}
\psfrag{Petr}{Здесь будет город заложен…}
\psfrag{moment}{Я помню чудное мгновенье}
\includegraphics{«ваша картинка».eps}
\end{document}

Файл компилируется

> latex «файл».tex
> dvips -E «файл».dvi -o «файл».eps

и на выходе получается eps-файл с кириллическими надписями.

К преимуществам такого подхода можно отнести то, что в картинку можно внедрить абсолютно любую конструкцию, которую поддерживает LaTeX, а к недостаткам то, что уж больно много возни. С другой стороны вы в Linux, а следовательно написать скрипт, который будет это делать за вас, труда не составит.

макросы открытия/закрытия eps-файла

Первые полезные макросы, которые следует создать и положить в ~/kumac, это макросы открытия/закрытия eps-файла. Эти макросы использовались уже в примере с ntuple. Макросы созданы Димой Бондаревым:

*файл epsopen.kumac
*********************************************************
macro epsopen file=paw.eps xsize=20.0 ysize=20.0 lun=99
*********************************************************
glob/import PS_FILE,PS_LUN
mess ****************************************************
if ([PS_LUN].ne.'[PS_LUN]') then
mess File "[PS_FILE]" already open!
else
glob/create PS_FILE [file] 'Filename for output'
glob/create PS_LUN [lun] 'Indicator of output file opening'
mess File: [file] Xsize: [xsize] cm Ysize: [ysize] cm LUN: [lun]
size [xsize] [ysize]
for/file [lun] [file]
gr/meta [lun] -113
endif
mess ****************************************************
exitm
*файл epsclose.kumac
*********************************************************
macro epsclose
*********************************************************
glob/import PS_FILE,PS_LUN
mess ****************************************************
if ([PS_LUN].ne.'[PS_LUN]') then
close [PS_LUN]
mess File "[PS_FILE]" closed.
glob/del PS_FILE,PS_LUN
else
mess No open output file!
endif
mess ****************************************************
exitm

Литература

Приёмы работ с PAW в этом тексте пока не раскрыты, поэтому при желании всю информацию об этом пакете можно почерпнуть в документации. В любом случае, рано или поздно при использовании PAW её придётся прочитать. Вся стандартная документация к PAW существует в электронном виде^[4].

Отправной точкой для поиска является официальная страничка в CERN, посвящённая в PAW: http://paw.web.cern.ch/paw/. По состоянию странички можно заметить, что пакет к сожалению стареет — более двадцати лет, однако.

С главной странички идёт ссылка PAW Reference manual http://paw.web.cern.ch/paw/reference_manual/. Там повторяется то, что можно получить по команде help.

Всю официальную документации к PAW/CERNLIB можно найти здесь: http://wwwasdoc.web.cern.ch/wwwasdoc/Welcome.html. Следует учитывать, что документация создавалась для получения твёрдой копии, поэтому html версии не всегда соответствуют оригиналу.

Для овладения технологией представляет интерес PAW Tutorial: http://paw.web.cern.ch/paw/tutorial/.

В сети есть некоторое количество сайтов с информацией по PAW, но уж больно качественно была сделана официальная документация. Так что начинать рекомендуем с неё.

В дистрибутиве Debian, кроме самого paw можно установить пакет paw-demos:

> apt-cache search paw-demos
paw-demos – Physics Analysis Workstation examples and tests

Для демонстрации возможности PAW и для тестирования Вашей версии этого пакета достаточно запустить скрипт paw-demos (man pawdemos).

1. ↑ Centre Europ enne pour la Recherche Nuclaire (http://www.cern.ch) – здесь работал сэр Тим Бернерс-Ли, когда создавал WWW.
2. ↑ Именно «очень большим объёмом», так как фраза «большой объём» недостаточно точно описывает случай PAW
3. ↑ В F.A.Q. fido7.ru.os.cmp вопрос номер 8 звучит так: А где это есть и круче? Ответ: В VMS!
4. ↑ Раньше единственным способом добыть печатную копию была посылка бандероли из CERN, благо доставка осуществлялась за счёт CERN. Возможно, не одна тонна бумаги пересекла границу именно по этой причине. Если в округе кто-то пользовался PAW, то вы сможете найти твёрдую копию с тех времён.