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WinBUGS在统计分析中的应用（第一部分）2008/12/08 齐韬
版权声明：本文版权归原作者所有，未经许可不得转载。原文可能随时需要修改纰漏，全文复制转载会带来不必要的误导，若您想推荐给朋友阅读，敬请以负责的态度提供原文链接；点此查看如何在学术刊物中引用本文
开篇词
首先非常感谢 COS 论坛提供了这样一个良好的平台，敝人心存感激之余，也打算把一些学习心得拿出来供大家分享，文中纰漏之处还请各位老师指正。下面我将以 WinBUGS 的统计应用为题，分几次来谈一谈 WinBUGS 这个软件。其中会涉及到空间数据的分析、GeoBUGS 的使用、面向 R 及 SPLUS 的接口包 R2WinBUGS 的使用、GIS 与统计分析等等衍生出的话题。如有问题，请大家留下评论，我会调整内容，择机给予回答。
第一节 什么是WinBUGS?
WinBUGS 对于研究 Bayesian 统计分析的人来说，应该不会陌生。至少对于MCMC 方法是不陌生的。WinBUGS (Bayesian inference Using Gibbs Sampling）就是一款通过 MCMC 方法来分析复杂统计模型的软件。其基本原理就是通过 Gibbs sampling 和Metropolis 算法，从完全条件概率分布中抽样，从而生成马尔科夫链，通过迭代，最终估计出模型参数。引入 Gibbs 抽样与 MCMC 的好处是不言而喻的，就是想避免计算一个具有高维积分形式的完全联合后验概率公布，而代之以计算每个估计参数的单变量条件概率分布。具体的算法思想，在讲到具体问题的时候再加以叙述，在此不过多论述。就不拿公式出来吓人了（毕竟打公式也挺费劲啊）。
第二节 为什么要用WinBUGS?
第一、因为同类分析软件中它做得最好。同类的软件：OpenBUGS、JAGS 等在成熟度、灵活性以及兼容性方面和它相比还有一定距离。在处理 spatial data 的方面，它采用了Gibbs 抽样和 MCMC 的方法，在模型支持方面又具有极大的灵活性，较之名声大噪的GeoR 包，虽然也实现了 bayesian 的手法，但是灵活性还是不及 WinBUGS。
第二、因为它免费。免费的东西总有吸引人之处。
第三、有各色的 R 包为 WinBUGS实现了针对 R 的、SPLUS 的、Matlab 的软件接口。只要你喜欢，就直接在 R 下调用 WinBUGS吧，无非是装个 R2WinBUGS 包，简简单单。
第四、详细的文档、帮助、指导、范例。当然没有中文版的，小小一点遗憾。
第三节 如何得到WinBUGS?
WinBUGS目前是一款免费的软件，去 http://www.mrc-bsu.cam.ac.uk/bugs/下载就好了。不过要用高级功能（如 GeoBUGS）的话，还是去 http://www.mrc-bsu.cam.ac.uk/bugs/
winbugs/contents.shtml 注册一下好了，挺方便的。系统会立即把注册码发到你邮箱（真是好人啊）。不过只可以用一个月。这倒无妨，到时在注册一下就好了。
第四节 初试WinBUGS
WinBUGS-GUI
我们先找一个例子来实际地运行一下 WinBUGS，感受一下基本的操作流程，然后再考虑高级的操作。
第一步，打开WinBUGS，通过菜单 File -> New新建一个空白的窗口
第二步，在第一步中新建的空白窗口中输入三部分内容：模型定义、数据定义、初始值定义（代码见附录）
第三步，点击菜单 Model -> Specification，弹出一个 Specification Tool 面板。
第四步，在第二步中的提到的那个窗口中，将 model 这个关键字高亮起来，点击 check
model。你会看到 WinBUGS 的左下角状态栏上显示”model is syntactically correct.”
第五步，把定义的 data前的关键字 list 也高亮起来，点 Specification Tool 面板上的 load data
第六步，改 Specification Tool 面板上的马尔科夫链的数目，默认为 1 就好了
第七步，点击 Specification Tool 面板上的 compile
第八步，把定义的初始值中的 list 关键字也高亮起来，再点击 Specification Tool 面板上的load inits
第九步，关了 Specification Tool 面板
第十步，点击菜单 Inference -> Samples，弹出一个 Sample Monitor Tool 面板。
第十一步，在 Sample Monitor Tool 面板的 node 中填要估计的参数名，这里可以是 tau,
alpha0, alpha1, b, 把它们一个一个填在 node 中，逐一点 set。
第十二步，关了 Sample Monitor Tool 面板
第十三步，点击菜单 Model -> Update，弹出一个 Update Tool 面板。
第十四步，将 Update Tool 面板中的 updates 改大点，比如 50000，点 update按钮。
第十五步，运行完后，关了 Update Tool 面板
第十六步，点击菜单 Inference -> Samples
第十七步，在弹出的 Sample Monitor Tool 面板上选一个 node
第十八步，点 history 看所有迭代的时间序列图，点 trace 看最后一次迭代的时间序列图，点 auto cor 看 correlogram 时间序列图，点 stat 看参数估计的结果
Estimation results by WinBUGS 1.4
附第二步中的代码如下：
12345678910111213141516
#MODELmodel{ for (i in 1:N) { O[i] ~ dpois(mu[i]) log(mu[i]) <- log(E[i]) + alpha0 + alpha1 * X[i]/10 + b[i] # Area-specific relative risk (for maps) RR[i] <- exp(alpha0 + alpha1 * X[i]/10 + b[i]) } # CAR prior distribution for random effects: b[1:N] ~ car.normal(adj[], weights[], num[], tau) for (k in 1:sumNumNeigh) { weights[k] <- 1 } # Other priors: alpha0 ~ dflat() alpha1 ~ dnorm(0, 1e-05) tau ~ dgamma(0.5, 5e-04)
171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061
# prior on precision sigma <- sqrt(1/tau) # standard deviation}#DATA
list(N = 56, O = c(9, 39, 11, 9, 15, 8, 26, 7, 6, 20, 13, 5, 3, 8, 17, 9, 2, 7, 9, 7, 16, 31, 11, 7, 19, 15, 7, 10, 16, 11, 5, 3, 7, 8, 11, 9, 11, 8, 6, 4, 10, 8, 2, 6, 19, 3, 2, 3, 28, 6, 1, 1, 1, 1, 0, 0), E = c(1.4, 8.7, 3, 2.5, 4.3, 2.4, 8.1, 2.3, 2, 6.6, 4.4, 1.8, 1.1, 3.3, 7.8, 4.6, 1.1, 4.2, 5.5, 4.4, 10.5, 22.7, 8.8, 5.6, 15.5, 12.5, 6, 9, 14.4, 10.2, 4.8, 2.9, 7, 8.5, 12.3, 10.1, 12.7, 9.4, 7.2, 5.3, 18.8, 15.8, 4.3, 14.6, 50.7, 8.2, 5.6, 9.3, 88.7, 19.6, 3.4, 3.6, 5.7, 7, 4.2, 1.8), X = c(16, 16, 10, 24, 10, 24, 10, 7, 7, 16, 7, 16, 10, 24, 7, 16, 10, 7, 7, 10, 7, 16, 10, 7, 1, 1, 7, 7, 10, 10, 7, 24, 10, 7, 7, 0, 10, 1, 16, 0, 1, 16, 16, 0, 1, 7, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 16, 10), num = c(3, 2, 1, 3, 3, 0, 5, 0, 5, 4, 0, 2, 3, 3, 2, 6, 6, 6, 5, 3, 3, 2, 4, 8, 3, 3, 4, 4, 11, 6, 7, 3, 4, 9, 4, 2, 4, 6, 3, 4, 5, 5, 4, 5, 4, 6, 6, 4, 9, 2, 4, 4, 4, 5, 6, 5), adj = c(19, 9, 5, 10, 7, 12, 28, 20, 18, 19, 12, 1, 17, 16, 13, 10, 2, 29, 23, 19, 17, 1, 22, 16, 7, 2, 5, 3, 19, 17, 7, 35, 32, 31, 29, 25, 29, 22, 21, 17, 10, 7, 29, 19, 16, 13, 9, 7, 56, 55, 33, 28, 20, 4, 17, 13, 9, 5, 1, 56, 18, 4, 50, 29, 16, 16, 10, 39, 34, 29, 9, 56, 55, 48, 47, 44, 31, 30, 27, 29, 26, 15, 43, 29, 25, 56, 32, 31, 24, 45, 33, 18, 4, 50, 43, 34, 26, 25, 23, 21, 17, 16, 15, 9, 55, 45, 44, 42, 38, 24, 47, 46, 35, 32, 27, 24, 14, 31, 27, 14, 55, 45, 28, 18, 54, 52, 51, 43, 42, 40, 39, 29, 23, 46, 37, 31, 14, 41, 37, 46, 41, 36, 35, 54, 51, 49, 44, 42, 30, 40, 34, 23, 52, 49, 39, 34, 53, 49, 46, 37, 36, 51, 43, 38, 34, 30, 42, 34, 29, 26, 49, 48, 38, 30, 24, 55, 33, 30, 28, 53, 47, 41, 37, 35, 31, 53, 49, 48, 46, 31, 24, 49, 47, 44, 24, 54, 53, 52, 48, 47, 44, 41, 40, 38, 29, 21, 54, 42, 38, 34, 54, 49, 40, 34, 49, 47, 46, 41, 52, 51, 49, 38, 34, 56, 45, 33, 30, 24, 18, 55, 27, 24, 20, 18), sumNumNeigh = 234)#INITIAL VALUESlist(tau = 1, alpha0 = 0, alpha1 = 0, b = c(0, 0, 0, 0, 0, NA, 0, NA, 0, 0, NA, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0))
WinBUGS 在统计分析中的应用 第一部分完
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分类
统计软件
关键词
MCMC R WinBUGS 空间统计
关于作者
Computational Mathematician in Annpro Analytic Technologies, Inc.
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47 条评论
1.
胡江堂
2008/12/09
WinBugs，头一回听说啊。老齐在 annpro，有空分享一下工作心得吧。
Reply
2.
刘思喆
2008/12/10
土了，还以为是 windows 下的 debug 工具。原来是这 ！！
Reply
3.
谢益辉
2008/12/15
呵呵，能写点公式还是写点吧，看代码不知道做的问题是什么……
Reply
4.
齐韬
2008/12/16
我会在第二部分中将相关的理论部分加上，看来得要学习一下怎么嵌入 LaTex 了.
Reply
5.
王化儒
2008/12/16
嗯，楼主辛苦了！跟着一点一点学，期待着空间数据分析。。。
Reply
6.
胡江堂
2008/12/18
贴一首诗吧，刚 BUGS team发过来的，非常有意思：
Each year you wait with bated breath,The old WinBUGS key nearing death,And will the brand new key appearIn time to join the festive cheer?The waiting’s over – raise your glass,And drink to rituals that pass.Relax, sit back and have a chortle;This time your WinBUGS key’s immortal.
Reply
7.
xjx
2008/12/27
不知道在 linux 下能不能用?
Reply
8.
hong
2009/04/25
大家好
麻烦问一下这个迭代次数如何选择.谢谢回答
Reply
9.
DJ
2009/05/23
很好的教程，谢谢了。MCMC万岁！
Reply
10.
左伊秩訾
2009/05/26
前几天上课时听说了这个软件，真是及时雨！谢谢了！
Reply
11.
icwei
2009/06/01
小弟现正在剑桥mrc-bsu做 postdoc，具体的项目就是 BUGS 的开发以及在生物及医学方面应用。WinBUGS 这个软件是我两个老板David Spiegehalter,Dave Lunn 和其它一些牛人共同开发的。我们现在正在从 WinBUGS 转向 openBUGS,目的是将它做成 open source 的软件以应用在更广的领域。 我现在正在开发 BUGS 中的 WBDiff
部分并将它应用在二型糖尿病的动态系统的数据分析中。有兴趣或有问题的同学可以和我联系：
还有我们这里每年会举办 3-4 次 BUGS 的培训，2天的课程，在英国或能到英国出差的同学有兴趣的话可以参加，主讲人是 David speigehalter 和 Dave Lunn。
Reply
o
DJ
2009/06/07
楼上的大牛人啊！
Reply
o
maple
2009/11/09
这位仁兄真牛
Reply
o
海涛
2009/11/14
请问在winbugs 中我编译 FRAILTY 模型时提示educational version cannot do this model 难道这个软件还有别的版本？？？我用的版本是 1.4
我编译的模型是帮助文件 Examples Volume 1 中的最后一个文件 Cox regression with random effects
Reply
12.
zyn
2009/06/16
希望能和您联系,我这边看了 gibbs sampling 有不少问题，不知道您可否提供帮助？
Reply
13.
phlissia
2009/09/18
弱弱的问一句，执行到第四步 check model 的时候，winbugs坐下角显示的不是“model is syntactically correct”，而是在 alpha1 ~ dnorm(0, 1e-05)一句 1e 处显示 e 处应为”expected right parenthesis，在代码最后 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
0))指示”invalid or unexpected token scanned”，这要怎么弄呢？ 第一次接触这个软件，还不会使，请高手指点。
Reply
o
谢益辉
2010/03/24
数字格式不对。参见下面的回复。
To 齐韬：你可能需要修改正文中的代码，我在 OpenBUGS 3.0.7 中运行你的代码会出错，错误信息和这里一样。我检查了一下，是数字格式的问题。
Reply
王力
2010/05/30
请问就是把您给的代码复制进WINBUGS,到 compile 时,出现educational version cannot do this model.什么原因阿?对这个软件不甚掌握,论文却急用请指教,谢谢
谢益辉
2010/06/01
用 OpenBUGS吧，我从不用 WinBUGS，后者早已经停止开发了
14.
peng
2010/03/22
yes I have the same problem with ”expected right parenthesis”
Reply
15.
peng
2010/03/23
把 alpha1 ~ dnorm(0, 1e-05)tau ~ dgamma(0.5, 5e-04)替换成
alpha1 ~ dnorm(0, 0.00001)tau ~ dgamma(0.5, 0.0005)
这样就可以了
Reply
o
谢益辉
2010/03/24
出错的原因是数字的格式不对，应该写作 1.0E-05（1 是整数，1.0才是浮点数；e 要大写）
这里设置的正态分布实际上应该是想要一个 flat prior，所以用 dflat()就可以了。
Reply
关于 MH 算法
2010/04/23
您好，请问进行MH 算法需要另外编辑程序吗？
谢益辉
2010/04/23
不需要，要是 MH 都要编程，那WinBUGS 就没有存在必要了……呃，确切地说，我说的是 OpenBUGS……我从没用过 WinBUGS，因为它已经确定没有继续的技术支持了，它的开发已经停止。OpenBUGS
还在更新中。
yin
2010/11/30
谢老师，上面的问题急待回答，谢谢。
16.
peng
2010/03/24
请问 winbugs 能计算递归吗？想用之解决一个随机变量自我 n重卷积的问题。用递归来算，比如一个正态分布 s~(mu,tau)，自我卷积 n 次求结果。该怎么弄呢？谢谢大虾们指教。
Reply
o
谢益辉
2010/03/24
WinBUGS 是个编程工具么？……不了解。你自己Google 一下吧。
Reply
17.
peng
2010/03/26
请问 winbugs 中有卷积函数吗？
Reply
18.
yuanhang
2010/04/29
请教一个问题：我运行第五步，load data 的时候，软件的左下角显示 expected
variable name, 然后点击 compile 的时候，软件界面上没有任何变化，load inits 和gen Init按钮是灰色的，不能点击运行。是怎么回事啊，请各位朋友帮帮忙，谢谢了。
Reply
o
谢益辉
2010/04/30
你要选中所有的数据，然后点 load data，或者至少你要选中 list 这个词，这样 BUGS才知道数据的起止。如果选择范围不恰当，BUGS 就不能正确载入数据。
另一个可能性是你的模型中使用了数据没有提供的变量名，这种情况下，你要自己检查模型中的变量，如果有遗漏，就在数据的 list()中加上。
Reply
19.
smw
2010/05/05
model{for (i in 1 : I) {for(j in 1 : J) {for(k in 1:K) {epsilon[i,j,k] ~ dnorm(0.0,tau[i])y[i,j,k] <-alpha[i,k] + beta[i,k] * theta[j,k] + epsilon[i,j,k]}}}…list(I = 5,J = 5,K = 4,y = structure(.Data = c(6.8,7.2,7.35,7.63,
.Dim = c(5,5,4)))
编译出现multiple definitions of node y[1,1,1]
如果去掉数据部分的 y定义就可以编译过去。希望大家帮我解决下这个问题，万分感谢！
Reply
o
谢益辉
2010/05/07
去掉 y即使模型语法正确，程序肯定也无法运行。
你再仔细看看你这里 y 的定义，c 的回括号打到哪里去了？
还有，一共 4 个数字，请问该如何定义为一个 5x5x4 的数组？
Reply
o
tsdy2001
2010/12/30
请问，上面这位仁兄，你的问题解决了吗？我现在也遇到与你同样的问题。到底问题出在哪里呢？
Reply
20.
韩涵
2010/05/10
1234567891011
model{#distribution of Ys###################for (i in 1:N) { ysigmadet[i]<-exp(th[i,1]+th[i,2])*(1-rhoep[i]*rhoep[i]); Yisigma2[i,1,1] <- exp(th[i,2])/ysigmadet[i]; Yisigma2[i,2,2] <- exp(th[i,1])/ysigmadet[i]; Yisigma2[i,1,2] <- -rhoep[i]*exp(0.5*th[i,1]+0.5*th[i,2])/ysigmadet[i]; Yisigma2[i,2,1] <- Yisigma2[i,1,2]; Y[i,1:2]~ dmnorm(muy[],Yisigma2[i,,]); }muy[1]<-0;muy[2]<-0;thmean[1,1] <- mu1;
1213141516171819202122232425262728293031323334
thmean[1,2] <- mu2;th[1,1]~dnorm(thmean[1,1],itaua2);th[1,2]~dnorm(thmean[1,2],itaub2);sig1[1]<-exp(0.5*th[1,1]);sig2[1]<-exp(0.5*th[1,2]);q[1]~dnorm(psi0,itau2);rhoep[1]<-(exp(q[1])-1)/(exp(q[1])+1);for (i in 2:N) { thmean[i,1] <- mu1 + phi1*(th[i-1,1]-mu1); thmean[i,2] <- mu2 + phi2*(th[i-1,2]-mu2); th[i,1]~dnorm(thmean[i,1],itaua2); th[i,2]~dnorm(thmean[i,2],itaub2); sig1[i]<-exp(0.5*th[i,1]); sig2[i]<-exp(0.5*th[i,2]); qmean[i]<-psi0+psi*(q[i-1]-psi0); q[i]~dnorm(qmean[i],itau2); rhoep[i]<-(exp(q[i])-1)/(exp(q[i])+1); }#distribution of phi, mu, rhoep###########################phi1star ~ dbeta(20,1.5);phi1 <- 2*phi1star -1;phi2star ~ dbeta(20,1.5);phi2 <- 2*phi2star -1;psistar ~ dbeta(20,1.5);psi <- 2*psistar -1;
itaua2 ~ dgamma(2.5,0.025);taua <- sqrt(1/itaua2);itaub2 ~ dgamma(2.5,0.025);taub <- sqrt(1/itaub2);itau2 ~ dgamma(2.5,0.025);tau <- sqrt(1/itau2);mu1 ~ dnorm(0,0.04);mu2 ~ dnorm(0,0.04);psi0~dnorm(0.7,0.1);}list(phi1star=0.99, phi2star=0.99,mu1=0,mu2=0,itaua2=100,itaub2=100,psistar=0.99,psi0=1.9,itau2=100)
353637383940414243444546474849505152
Reply
o
copious
2010/09/06
这个是什么的程序呀 SO 长
Reply
21.
韩涵
2010/05/10
这是一个 DC-MSV 模型，大家能帮我看一下，到底是哪个初始值没有定义吗？在编译完成之后，提示说有未定义的初始值，是怎么回事？急急急，先谢过各位了！！！！！
Reply
o
谢益辉
2010/05/11
这是个体力活儿，自个儿把模型中所有的参数都列出来，然后对比一下是不是所有的参数都有初始值吧
Reply
22.
Wangsen Lan
2010/08/20
每次启动winBUGS1.4.3 都要弹出 Licence Agreement，这是不是没安装好呢？
Reply
o
谢益辉
2010/08/21
用 OpenBUGS！！WinBUGS早已经停止开发了。OpenBUGS开源、免费、还在开发更新中。
Reply
23.
Wangsen Lan
2010/08/20
第七步时，它说 edicational version cannot do this model，是不是必须注册了才行呀
Reply
24.
copious
2010/09/06
大家好 OpenBUGS 和 WINbugs 的程序一样吗
Reply
25.
Zhangtao
2010/10/29
学《高级统计学》的时候，在介绍MCMC 及 EM 的时候，老师介绍过这个软件，非常好！就是我自己编不出程序来。我是统计的爱好老师与初学者。另外，问一下谢老师，openbugs 在那儿有下载的呢？非常感谢！
Reply
o
谢益辉
2010/10/29
都这年头了，真的需要我把网址打出来么？……
Reply
o
openbugs
2010/10/31
去 google 一下就万事大吉了:)
Reply
26.
yin
2010/11/28
请问谢老师，我的问题也是它说 edicational version cannot do this model，是什么原因呢？谢谢了
Reply
o
谢益辉
2010/12/01
前面回复了一遍又一遍：请用 OpenBUGS。等我抽时间写一篇OpenBUGS
的介绍，实际上它和 WinBUGS并没有太大的不同。
Reply
27.
yin
2010/12/01
谢谢，不好意思。不小心没看到前面有一个贴的回复。
Reply
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