Conception et évaluation d'un prototype de simulation de la morphogenèse urbaine par agents vecteurs multi-échelles

The research work of this PhD thesis was carried out in the context of an interdisciplinary project related to the study of urban morphogenesis. A team composed of architects and engineers specialized in GIS technologies have worked together in this project during three years, sharing their knowledge in order to understand and simulate the evolution of the urban environment of cities. The fundamental hypothesis that conducted this research is that the city can be seen as a self-organizing system governed by a set of morphogenesis rules, which can for example, determine the location of new architectural programs and induce the city's organization, from local to global scales. Architectural programs themselves are supposed to determine city's development. In this PhD thesis a simulation prototype of the urban growth based on the use of multi-agents systems was carried out. This prototype is a computer tool that allows the analysis and representation of the growth of the built environment. Nowadays, the ability to understand and simulate urban evolution proves to be essential in order to control the evolution of a city in a sustainable development view. Furthermore, this tool should facilitate the understanding and decision-making of those concerned with problems related to urban development. The urban system has been modeled as a set of space objects, such as buildings and networks, which interact between themselves. These interactions are carried out at different levels, from local to global scales, being controlled by behavioral rules or laws of growth. The result of their interaction can be figures or emergent phenomena represented at several scales. The approach using multi-agents vector systems was chosen in order to model a geographical complex system like a city, which integrates a vectorial modeling of space. Hence, each spatial agent does not possess a limit of form and size. The interest of using multi-agents vector systems also lies in their ability to manage various models of individuals, from simple entities to more complex ones. Thus, various levels of representation, such as individuals and groups of individuals, can be managed, which is not easily feasible, for example, with cellular agents. The development platform used is GeOxygene (Java computer programming language), which is an open-source platform developed at IGN (Institut Géographique National, France), by COGIT laboratory. This platform provides several GIS functions, allowing the development and implementation of the prototype here presented. An interaction model between agents was defined and the type of scenarios of each of these interactions was detailed. A set of methods and associated classes was developed. Agent's architecture was conceived in order to allow manipulation (sending, receiving and treatment) of exchanged messages. In order to show the relevance of the multi-agent multi-scale methodology, examples of buildings creation in a case study zone were carried out. Using the multi-scale vector simulation prototype here presented, the development of cities can be computed in a very innovative way. However, the developed prototype still lacks some accuracy, mostly due to the fact that the specified laws adopted for simulation do not reflect the whole reality, which is obviously much more complex to traduce. We have not yet validated the model for other cities – nevertheless, the model could already be used as a decision support tool, particularly as a planning support instrument for architects and urban planners. With regards to future work this prototype shall be integrated in a global approach of urban simulation, allowing the analysis of environmental risks, demographic and economic growth and transports simulation at different scales of analysis and 2D/3D visualization output, such as district and city

Environnement Multi-agent pour la Multi-modélisation et Simulation des Systèmes Complexes

This thesis is focused on the study of complex systems through a modeling and simulation (M&S) process. Most questions about such systems requiere to take simultaneously account of several points of view. Phenomena evolving at different (temporal and spatial) scales and at different levels of resolution (from micro to macro) have to be considered. Moreover, several expert skills belonging to different scientific fields are needed. The challenges are then to reconcile these heterogeneous points of view, and to integrate each domain tools (formalisms and simulation software) within the rigorous framework of the M&S process. In order to solve these issues, we mobilise notions from multi-level modeling, hybrid modeling, parallel simulation and software engineering. Regarding these fields, we study the complementarity of the AA4MM approach and the DEVS formalism into the scope of the model-driven engineering (MDE) approach. Our contribution is twofold. We propose the operational specifications of the MECSYCO co-simulation middleware enabling the parallel simulation of complex systems models in a rigorous and decentralized way. We also define an MDE approach enabling the non-ambiguous description of complex systems models and their automatic implementation in MECSYCO. We show the properties of our approach with several proofs of concept.Ce travail de thèse porte sur l'étude des systèmes complexes par une démarche de modélisation et simulation (M&S). La plupart des questionnements sur ces systèmes nécessitent de prendre en compte plusieurs points de vue simultanément. Il faut alors considérer des phénomènes évoluant à des échelles (temporelles et spatiales) et des niveaux de résolutions (de microscopique à macroscopique) différents. De plus, l'expertise nécessaire pour décrire le système vient en général de plusieurs domaines scientifiques. Les défis sont alors de concilier ces points de vues hétérogènes, et d'intégrer l'existant de chaque domaine (formalismes et logiciels de simulation) tout en restant dans le cadre rigoureux de la démarche de M&S. Pour répondre à ces défis, nous mobilisons à la fois des notions de modélisation multi-niveau (intégration de représentations micro/macro), de modélisation hybride (intégration de formalismes discrets/continus), de simulation parallèle, et d'ingénierie logicielle (interopérabilité logiciel, et ingénierie dirigée par les modèles). Nous nous inscrivons dans la continuité des travaux de M&S existants autour de l'approche AA4MM et du formalisme DEVS. Nous étudions en effet dans cette thèse en quoi ces approches sont complémentaires et permettent, une fois combinées dans une démarche d'Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM), de répondre aux défis de la M&S des systèmes complexes. Notre contribution est double. Nous proposons d'une part les spécifications opérationnelles de l'intergiciel de co-simulation MECSYCO permettant de simuler en parallèle un modèle de manière rigoureuse et complètement décentralisée. D'autre part, nous proposons une approche d'IDM permettant de décrire de manière non-ambiguë des modèles, puis de systématiser leur implémentation dans MECSYCO. Nous évaluons les propriétés de notre approche à travers plusieurs preuves de concept portant sur la M&S du trafic autoroutier et sur la résolution numérique d'un système d'équations différentielles

La modélisation d'accompagnement

"Sustainable development and its expression in terms of participation by local stakeholders in future choices in regions where they live or work have become topical issues. Companion modelling is particularly original among methods to set up participative approaches around the sustainable management of natural renewable resources. The aim of this book is to familiarise the reader with the companion modelling approach, by presenting the scientific posture that is its foundation, its methods and tools and the special place for models. It also explains how to incorporate several decision scales, take power games into account and lastly assess the effects on the people involved in using this approach. This work is based on concrete examples taken from 27 cases studied by the researcher group and on educational tools. It is intended for researchers into rural development and renewable resources as well as students and teachers.

Jeux pédagogiques collaboratifs situés (conception et mise en oeuvre dirigées par les modèles)

Un jeu pédagogique constitue une déclinaison relative à l apprentissage du concept de jeu sérieux (serious game). Ce type d'outil permet la ludification (gamification) de l'activité afin d'utiliser des éléments de jeu dans un contexte non ludique et conduit à catalyser l attention, faire accroître l engagement et augmenter la motivation des joueurs-apprenants dans les situations d apprentissage. Les jeux pédagogiques reposent sur la mise en situation et l immersion des apprenants, utilisant les ressorts ludiques dans des simulations axées vers la résolution de problèmes. Parmi des recherches antérieures, certains retours d expériences font écho d une trop grande artificialité de l activité notamment par manque de contextualisation de l apprentissage dans l environnement d utilisation des connaissances apprises. Nous avons proposé la mise en place un environnement mixte (physique et numérique) et l utilisation de techniques collaboratives pour raffiner l approche pédagogique. Ces orientations nous ont menés à la mise en place de ce que nous appelons des Jeux Pédagogiques Collaboratifs Situés (JPCS). Les deux questions de recherche qui nous ont été posées dans le cadre du projet SEGAREM et qui sont devenues les nôtres sont : 1/ comment accompagner les jeux sérieux par l approche Réalité Augmentée (RA) et l'approche Interface Tangible (IT)? 2/ comment rendre la conception et la mise en œuvre des JPCS (Jeux Pédagogiques Collaboratifs Situés) plus explicite et plus systématique ? Les réponses que nous présentons dans cette thèse sont les suivantes : 1/ la conception et la mise en œuvre des pupitres interactifs supportant des objets réels augmentés, associés à un protocole de communication existant, proposant un support générique des techniques d interaction détectée et de prise en compte du contexte physique d utilisation ; 2/ une approche de production de JPCS se situant après l étape de scénarisation ludo-pédagogique qui constitue notre cahier des charges. Nous avons basé notre approche sur des modèles pour permettre un support d expression qui précise les caractéristiques des JPCS. Ces modèles sont soutenus par des éditeurs contextuels et produisent comme résultat des fichiers de descriptions en XML. La projection des descriptions obtenues sur une architecture générique d exécution du JPCS permet une spécialisation pour obtenir une version exécutable. Dans les six modèles, certains sont adaptés des travaux antérieurs de l équipe, d'autres issues de la littérature et les derniers sont directement proposés ici. Ces six modèles décrivent l activité (un modèle d orchestration de l activité et un modèle de tâches), la structure de différents environnements, l état initial de l environnement et les conditions nécessaires d un état final et les interactions possibles entre les joueurs et l environnement. Nos travaux tant sur les pupitres que sur les modèles et le support d exécution ont été concrétisés dans la mise en place de Lea(r)nIt. Ce JPCS avait pour but de consolider des acquis méthodologiques en Lean Manufacturing par l utilisation et l optimisation d une chaîne de production simulée sur pupitres (supportant interactions tactiles, interactions tangibles et pouvant être assemblés) et sur téléphones mobiles (permettant la mobilité des joueurs-apprenants).A Learning game is a declension of the serious game concept dedicated to the learning activity. A Learning game is based on a scenario and immersion of the learners with use of game mechanics on problem based simulation. The gamification concept is the use of game elements in a non-playful activity with as impact attention, motivation and engagement. However, some research feedback explains that too much artificiality on learning activity caused by a lack of contextualization of the activity on the professional environment. We propose to use Mixed Reality and Collaborative Supported Computer Work as technological solution to support situated and collaborative situation in aim to enhance pedagogical strategy and allow a better learning. We call it Situated Collaborative Learning Game (SCLG) as a concept of pedagogical tools to enhance learning of content with use of collaborative learning (when learners interactions is useful to learn), situated learning (when the environment context is meaningful) and human-physical objet interaction (with use of mixed reality, with kinesthetic and tangible interaction in augmented reality) and game based learning (when learner's motivation is improved by the learning activity). In these contexts, our two research questions are: 1 / How to create a serious games support by use of Augmented Reality (AR) approach and Tangible Interface (IT) approach? 2 / How to make design and development of SCLG (situated collaborative learning game) more explicit and systematic? We propose two solutions: 1/ the design and the production of four interactive desks with support of tangible interaction on and above the table. These devices are linked to a communication protocol which allows a generic support of technical interaction. 2/ A generic way to design the CSLG system, with integration of advanced human computer interaction support (as augmented reality and tangible interaction) and ubiquitous computing in Learning Games. For that, we propose, with a user centered oriented and model oriented design, a way to make a CSLG factory. For that, we propose use of six models to determinate the behavior of the CSLG. These six models describe learners activity (with use of three different models to follow the activity theory s), the mixed game environment, deployment of entities on the environment, and human computer interactions. All of these models are linked by an orchestration model and can be project on a multi-agent multi-layers architecture by use of XML description file. We propose tools to help each step of our design and production process. Our work on interactive desks, on the six models and on the runtime support has been realized in the production of Lea(r)nIT. This SCLG consolidate methodological knowledge of Lean Manufacturing by use and optimization of a simulated chain production on four desks (which support touch and tangible interactions and can be assembled) and on mobile phones (to allow movement of learners).LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Modélisation de Systèmes Complexes par Composition : Une démarche hiérarchique pour la co-simulation de composants hétérogènes

This work deals with complex system Modeling and Simulation (M&S). The particularity of such systems is the numerous heterogeneous entities in interaction involved inside them. This particularity leads to several organization layers and scientific domains. As a consequence, their study requests many perspectives (different temporal and spatial scales, different domains and formalisms, different granularities...). The challenge is the rigorous integration of these various system perspectives inside an M&S process. In other words, the difficulty is to define successive steps to follow in order to integrate several points of view inside the same model. Multi-modeling and co-simulation are promising approaches to do so. The underlying problem is to define a modular and hierarchical process fitted with a rigorous way to integrate heterogeneous components and which is supported by a software environment that covers the whole M&S cycle.MECSYCO (Multi-agent Environment for Complex SYstem CO-simulation) is a co-simulation middleware focusing on the reuse of existing models from other software. It relies on a software and formal DEVS-based wrapping, provides heterogeneity handling mechanisms and ensures a decentralized and modular co-simulation. MECSYCO deals with the heterogeneous component integration need but its M&S process does not have all the properties above-mentioned. Notably, the hierarchical modeling ability is missing.To overcome this, we propose to fit MECSYCO with a descriptive multi-modeling and co-simulation process that allows the hierarchical design of multi-models using models from other software. Our process is split into three steps: the atomic model integration, the composition (hierarchical multi-model construction) and finally the experimentation. We adopt a descriptive approach where a description file is linked to each product of these steps, these documents enable to manipulate them.The use of description files completes the integration steps, allows a hierarchical and modular multi-model design and isolates the experiments.Then we set up a development environment based on Domain Specific Languages (DSL) to support the description work, and we automate the transition from an experiment description to its effective co-simulation. This is a Model-Driven Engineering approach which allows us to put into practice our contribution by facilitating the modelers' work and by avoiding implementation mistakes.Our contribution fits MECSYCO with the hierarchical design property and with a DSL-based M&S environment while keeping its rigorous integration process and its modularity. Our work is evaluated on two examples. The first one renews a hybrid highway multi-model already implemented in MECSYCO, it shows the conservation of the middleware former properties. The second one is a simple thermal smart-building multi-model which highlights the incremental design of a multi-model and the integration of new components while putting our entire approach into practice.Le contexte de ce travail est la modélisation et simulation (M&S) de systèmes complexes. Ces systèmes se caractérisent par un grand nombre d'entités hétérogènes en interaction faisant apparaitre plusieurs niveaux d'organisation et plusieurs domaines. Leur étude nécessite de combiner plusieurs points de vue (différentes échelles temporelles et spatiales, différents domaines scientifiques et formalismes, différents niveaux de résolution...).Le challenge est l'intégration rigoureuse de ces différents points de vue sur un système au sein d'une démarche de M&S. Dit autrement, le défi est de définir une marche à suivre permettant d'intégrer plusieurs perspectives au sein d'un même modèle. La multi-modélisation et la co-simulation sont deux approches prometteuses pour cela. La difficulté sous-jacente est de fournir une démarche de M&S modulaire, hiérarchique, dotée d'une approche d'intégration de composants hétérogènes rigoureuse et associée à un environnement logiciel supportant l'ensemble du cycle de M&S pour la mettre en pratique.MECSYCO (Multi-agent Environment for Complex SYstem CO-simulation) est un intergiciel de co-simulation se focalisant sur la réutilisation de modèles issus d'autres logiciels. Il se base sur une stratégie d'encapsulation logicielle et formelle fondée sur DEVS, fournit des mécanismes de gestion des hétérogénéités, et assure une co-simulation décentralisée et modulaire. MECSYCO répond au besoin d'intégration de composants hétérogènes au sein d'une co-simulation, mais ne propose pas de démarche complète comprenant l'ensemble des propriétés énoncées précédemment. Il manque notamment la possibilité de hiérarchiser. Pour pallier à ce manque, dans la continuité des travaux sur MECSYCO nous proposons une démarche de multi-modélisation et co-simulation descriptive autorisant la construction incrémentale de multi-modèles à partir de modèles issus d'autres logiciels. Notre démarche est décomposée en trois étapes : l'intégration des modèles atomiques, la composition (création hiérarchique du multi-modèle) et enfin l'expérimentation. Nous adoptons une approche descriptive où chaque élément produit lors de ces étapes est associé à une description permettant de le manipuler. L'utilisation des descriptions complète le processus d'intégration, permet la construction incrémentale et modulaire des multi-modèles, et isole l'expérimentation. Nous mettons ensuite en place un environnement de développement basé sur des langages dédiés aux descriptions, et nous automatisons le passage d'une description d'expérience à sa co-simulation effective. C'est une démarche d'Ingénierie Dirigée par les Modèles qui nous permet de mettre en pratique notre approche en facilitant le travail des modélisateurs et en évitant les erreurs d'implémentation.Nous apportons à MECSYCO la propriété de hiérarchisation et un environnement de développement tout en conservant l'intégration rigoureuse et la modularité. Nous évaluons notre contribution sur deux exemples. Le premier reprend un multi-modèle d'autoroute hybride implémenté dans MECSYCO, il montre la conservation des propriétés d'intégration. Le second est un multi-modèle simple de thermique de bâtiment intelligent, il illustre la construction incrémentale d'un multi-modèle et l'intégration de nouveaux composants tout en mettant en pratique l'ensemble de notre démarche

L'AIS : une donnée pour l'analyse des activités en mer

4 pages, session "Mer et littoral"International audienceCette contribution présente des éléments méthodologiques pour la description des activités humaines en mer dans une perspective d'aide à la gestion. Différentes procédures, combinant l'exploitation de bases de données spatio-temporelles issue de données AIS archivées à des analyses spatiales au sein d'un SIG, sont testées afin de caractériser le transport maritime en Mer d'Iroise (Bretagne, France) sur les plans spatiaux, temporels et quantitatifs au cours d'une année

Conception et mise en œuvre de multichronia, un cadre conceptuel de simulation visuelle interactive

Cette thèse présente Multichronia, un cadre conceptuel de simulation interactive fournissant une représentation visuelle du cheminement d'un utilisateur dans l'exploration des simulations d'un système complexe. En complément aux méthodes formelles d'analyse, Multichronia vise à aider ses utilisateurs à comprendre un système sous étude en fournissant quatre boucles interactives. La boucle d'exploration de l'espace des paramètres permet à un utilisateur de modifier des paramètres de simulation afin de tester des hypothèses. La boucle d'exploration de l'espace des simulations lui permet de manipuler les données correspondant à des instances de simulation. Notamment, elle rend disponible des opérations de sélection et d'alignement via une interface graphique. La boucle d'exploration de l'espace des données lui permet de transformer les flots de données. Finalement, la boucle d'exploration de l'espace visuel lui permet d'afficher des données et de manipuler leur aspect visuel. Afin de représenter le cheminement d'un utilisateur dans son exploration de l'espace des paramètres, une interface graphique a été développée. Il s'agit de Varbre multichro-nique, une vue formelle donnant une représentation informative de l'état de l'analyse d'un problème ainsi que la possibilité d'exécuter une foule d'opérations interactives. D'autre part, le cadre conceptuel Multichronia forme un pipeline de données générique allant d'un simulateur jusqu'à un logiciel d'analyse. Un modèle conceptuel peut être extrait de ce pipeline de même que le flux de données correspondant. Dans cette thèse, il a été spécialisé avec la technologie XML. Cette dernière permet entre autres de définir une méthodologie de conception du modèle de données associé à un simulateur. La mise en oeuvre de Multichronia a permis de vérifier la validité des concepts proposés. L'architecture logicielle adoptée est un cadre d'application, de sorte que de nouveaux simulateurs puissent être facilement exploités. Deux applications concrètes ont été implantées, soit la simulation tactique et stratégique de l'attaque de convois militaires. Des modifications mineures aux simulateurs ont été nécessaires afin qu'ils rencontrent certains critères établis dans cette thèse. Somme toute, ces applications ont montré que Multichronia peut être déployé pour des applications quelconques

Morphogenèse de la ville contemporaine:essai sur la multi-échelle

Unstable growth, unlimited urban sprawl, and multiple fragmentations are contemporary urban phenomena requiring new investigations and interpretations of the physical impact of form on today's cities. The city as a living organism with an evolving structure adopts a principle of economy in its form generating process. The city is indeed capable of auto-organization by interaction of its programs. In the frame of this research, this dynamic process named "urban morphogenesis", originating from a logic of nature, is an engineering approach which uses concepts of symmetry – invariance, transformation, and reorganization – from local to global scales. The evolution and complexity of the contemporary city's form could be explained in a new and simple model operating with dynamic notions. A theoretical "multi-scale" model based on ascendant process that uses a set of dynamic notions was set up to accurately describe the city's transformations. The dynamics are mainly applied to the appearance of programs, to the reproduction of habitat groups, to the movement of urban centres due to the presence of new collective programs and to the flexible limit of continuous urban systems. The model can also contribute to explain strategic (de) localizations of important public programs in unsteady areas. To test the new model, the agglomeration areas of Lausanne located in the middle of "Métropole lémanique" were chosen as experiment subjects. Hopefully, this polyvalent "morphogenesis representation" model based on the following simple geometric codes: "—, Δ, ◻, ○" will serve to generate new insights and analyses of metropolitan areas. Evolution of the research will make progress the following debate: "Are both nature's forms and the urban form symmetrical in their morphogenesis?