Laboratoire Virtuel pour la Pompe Biologique dans le Domaine Mésopélagique

L'objectif du stage est de concevoir un laboratoire virtuel pour permettre l'expérimentation en réalité virtuelle de modèles de la pompe biologique dans le domaine mésopélagique. Actuellement, il est établi que l'interaction entre les particules qui sédimentent et les organismes de la zone mésopélagique (100-1000m) détermine l'efficacité de la pompe biologique qui varie spatialement et temporellement à différentes échelles ; mais il n'y a pas de consensus sur les mécanismes la contrôlant. Ce document étudie quels concepts et outils facilitent l'étude et la compréhension des phénomènes impliqués dans le devenir du carbone produit à la surface des océans qui sédimente après avoir traversé différents réseaux trophiques entre le voisinage de la surface et les grandes profondeurs. Deux verrous informatiques principaux sont identifiés pour élaborer ce laboratoire virtuel : l'intrication de modèles multidisciplinaires et les interactions multi-échelles. L'analyse de la dynamique de ce système complexe grâce à la théorie de compétition pour les ressources nous permet d'interpréter les interactions écologiques et biochimiques dans des régions stables de l'océan. Cet aspect ne prenant en compte que les interactions entre populations, nous avons étudié la pompe biologique sous une approche basée agent. L'écosystème virtuel créé s'est avéré stable et donc particulièrement intéressant pour la prévision de la réponse à des changements de paramètres. Cependant, ce genre de simulation basé agent est difficile à mettre en place et est lourd en calcul. Une approche multi-échelles (basée sur la théorie du bilan énergétique dynamique) nous a orienté vers le laboratoire que nous avons réalisé, programmé en langage C. Une approche par paquets de particules nous a permis d'obtenir des résultats qui semblent cohérents dans un temps raisonnable

Les modèles agent en géographie urbaine

Ce chapitre propose une discussion critique des différents choix à opérer lors de la modélisation de la dynamique urbaine avec des systèmes multi-agents (SMA) : choix en matière d'objectifs (reproduire un fait stylisé ou rendre compte d'un phénomène observé) et en matière de niveau de modélisation (le niveau individuel de la prise de décision ou le niveau méso-géographique de l'entité spatiale, quartier ou ville par exemple). Les exemples d'application concernent d'une part l'organisation et la dynamique de l'espace intraurbain (mécanismes de ségrégation spatiale notamment) et d'autre part la dynamique d'un système de villes

De l'intérêt du couplage de modèles pour appréhender les interactions utilisateurs-réseaux dynamiques.

National audienceCet article s'inscrit dans le cadre de l'étude des systèmes complexes via la modélisation et la simulation informatique. Nous pensons qu'il est parfois nécessaire de faire interagir plusieurs modèles pour simuler un phénomène. Dans le cas des technologies des réseaux dynamiques (réseaux P2P, réseaux mobiles Ad Hoc), le comportement des usagers et le fonctionnement des réseaux s'influencent mutuellement. Nous proposons une approche de modélisation et un outil de simulation couplant un modèle d'utilisateurs - basé sur le paradigme multi-agents - et un modèle de réseaux dynamiques. Nous discutons, au travers d'un cas d'étude particulier, des avantages, des problématiques soulevées et des limitations d'une telle approche. Nous montrons que cette démarche de modélisation apporte un niveau de précision et une flexibilité élevés

Approches environnement-centrées pour la simulation de systèmes multi-agents: Pour un déplacement de la complexité des agents vers l'environnement

This habilitation thesis synthesizes research works which are mainly related to the field of Multi-Agent Based Simulation (MABS). MABS is a general framework for modeling and experimenting with systems in which the dynamics emerges from local interactions among individuals (autonomous agents). Examples of use range from the study of natural systems (e.g. ant colonies, crowds or traffic jams) to the engineering of artificial ones (e.g., collective robotics, distributed artificial intelligence-based softwares). To this end, MABS modeling represents the behavior of individuals, their environment and interactions, so that global dynamics can be computed and studied from the bottom up. In this context, we have been investigating research on the theory and practice of MABS from two different perspectives : (1) the design of generic abstractions dedicated to the modeling of multi-agent dynamics (e.g., the IRM4S model) and (2) the engineering of MABS (MaDKit and TurtleKit platforms). Besides, we have been experimenting with MABS in different application domains such as image processing, video games, and collective robotics. Contrary to approaches that put the emphasis on the agent behaviors, all these works have been done by considering the environment of the agents as a first order abstraction. In this thesis, we first reflect upon the research we have conducted according to this perspective. Next, we show how we actually use this perspective to propose an original approach for using General-Purpose processing on Graphics Processing Units (GPGPU) within MABS, and then present the research perspectives related to our positioning.Les travaux de recherche synthétisés dans ce mémoire s’inscrivent principalement dans le domaine de la modélisation et de la simulation de systèmes multi-agents (SMA). La simulation multi-agents met en œuvre des modèles où les individus, leur environnement et leurs interactions sont directement représentés. Dans ces modèles, chaque individu –agent autonome– possède son propre comportement et produit ses actions en fonction d’une perception locale de son environnement. Ainsi, la simulation multi-agents est utilisée pour étudier des systèmes naturels comme les colonies de fourmis, les dynamiques de foules ou le trafic urbain, mais aussi pour concevoir des systèmes artificiels, par exemple dans le cadre de la robotique collective ou le développement de logiciels basés sur de l’intelligence artificielle distribuée. Dans ce cadre, nos recherches ont porté sur des problématiques liées à la modélisation de simulations multi-agents, avec la proposition de modèles formels et conceptuels (e.g. le modèle IRM4S) et d’outils logiciels génériques (plates-formes MaDKit et TurtleKit), et sur leur utilisation dans divers domaines tels que le jeu vidéo, le traitement numérique de l’image ou la robotique collective. Contrairement aux approches centrées sur la conception des comportements individuels, dans ces travaux l’environnement des agents est considéré comme une abstraction de premier ordre. Dans ce mémoire, nous dressons tout d’abord un bilan de nos recherches en argumentant l’intérêt d’une telle démarche pour les modèles multi-agents. Nous montrons ensuite comment celle-ci nous a récemment permis de proposer une approche originale dans le cadre de l’utilisation du calcul haute performance sur carte graphique (GPGPU) pour la simulation de SMA, avant de présenter les perspectives de recherche associées à notre positionnement

Développement d'un modèle logiciel de cellule sur processeurs multi-cœurs pour la simulation de morphogenèse de tissus

The main purpose of this thesis is to present tools built in order to numerically study the development of cellular tissues through an individual-based approach that includes biomechanical elements as well as an artificial chemistry. The objective of such proposals is to gain a better understanding of the mechanisms that rule the development of multicellular tissues using numerical simulation as a complement to in vitro and in vivo experiments. This objective is difcult to achieve. However technological means in the field of cellular and molecular biology allow the observation and the gathering of many data. Moreover, the development of multi-core devices allows the simulation of complex systems, such as multi-cellular systems. Multi-cellular systems exhibit mainly two levels of complexity : the first one concerns the potentially large amount of cells they contain, which requires a considerable computing power when this point is addressed through individual-based approach; the second level concerns the diversity of biological cells’ behaviors. This level requires specific algorithms, for example to deal with complex behavior such as mitosis. The conception of 1) models that integrate biological data and 2) dedicated algorithms adapted to heterogenous and multi-core devices make it possible to solve, at least to some extent, these two levels of complexity. In order to numerically study both healthy and pathological tissue developpement, we propose two elements. The first is a biomechanical cell model that includes the behaviors involved in tissue morphogenesis (mitosis, diferentiation, adhesion, migration, cell-cell signaling and apoptosis). The second element is a parallel simulator that relies on a non-specialized software architecture and on dedicated data structures and algorithms used to benefit from the power of multi-core hardware. In this document, we present several case studies that gives some validation elements of both our model and our simulator.L’objectif principal de cette thèse est de proposer des outils permettant l’étude numérique du développement de tissus cellulaires à travers une approche individus-centrée comprenant des aspects biomécaniques et chimiques. De telles propositions doivent permettre de mieux comprendre les mécanismes régissant le développement de tissus multi-cellulaires grâce à la simulation numérique, en complément d’expérimentations in vitro et in vivo. La réalisation de ces objectifs est difficile, mais les avancées dans les domaines de la biologie cellulaire et moléculaire permettent l’observation et la collecte d’un grand nombre de données. En outre, le développement de matériels parallèles permet la simulation de systèmes complexes tels que des systèmes multi-cellulaires. Les systèmes multi-cellulaires exhibent essentiellement deux niveaux de complexité lorsque l’on souhaite les simuler: le premier concerne le nombre potentiellement très important de cellules qu’ils contiennent, nécessitant alors une grande puissance de calcul; le second concerne la multiplicité des comportements des cellules vivantes, tant au niveau individuel que collectif, ce qui requiert des algorithmes bien spécifiques. La conception de modèles, intégrant à la fois des données biologiques pertinentes, des algorithmes adaptés et reposant sur des processeurs puissants permet de résoudre, au moins en partie, ces deux niveaux de complexité, mais doivent reposer sur une architecture logicielle dédiée. Dans l’idée d’étudier, en simulation numérique, le développement de tissus sains et pathologiques, nos travaux apportent deux éléments. Le premier est un modèle biomécanique de cellule virtuelle comportant des processus impliqués dans la morphogenèse de tissus tels que la division, la différentiation, l’adhésion, la migration, la signalisation et l’apoptose. Le second est un simulateur parallèle reposant sur une architecture logicielle généraliste ainsi que sur des structures de données et des algorithmes originaux permettant d’exploiter la puissance de calcul offerte par les matériels multi-cœurs. Nous présentons dans ce mémoire plusieurs cas d’études qui permettent d’apporter des éléments de validation sur la réalisation de notre modèle et de notre simulateur