Kataware from prototype to version 1 : Development of the model following the iterative process of companion-modelling

This report illustrates version 1 (V 1) of the multi-agent system (MAS) KatAWARE, which is being developed within the Water Research Commission (WRC) project "A Stakeholder driven process to develop a Catchment Management Plan for the Kat River Valley". KatAWARE is being developed through a participatory action research approach called Companion Modelling (ComMod) (Farolfi-Rowntree, 2005). According to this approach an iterative process of modeling and discussion take place between the research team and the local stakeholders. This process results in several versions of the model that should converge into a common and validated representation of the reality for local stakeholders participating in the co-construction of the model. A previous report (Farolfi-Bonté, 2005) provided a thorough description of the KatAWARE Prototype (from now on: KatA WARE P). Most of the changes introduced in KatAWARE V1 are the result of the discussions that took place during a workshop held with the Kat Water Users Association (WUA) in Fort Beaufort in June 2005 and dedicated to the presentation of KatAWARE P (Burt et al. 2005). The main changes with respect to KatAWARE P refer to the hydrologic component of the system, the new production functions that consider water shortage effects, the hierarchy in water provision for agents within a subcatchment, the introduction of regulatory framework (water licencing system), and minor adjustments in the financial, agronomic and socio-economic components of the model. New scenarios were also tested and some improvements in the interfaces were introduced. This report is organized in six chapters, all of them illustrating changes from KatAWARE P to KatAWARE V1 in a specific component of the model: the first chapter describes the changes in the model structure; chapter 2 depicts changes in the calibration of water supply, whilst chapter 3 refers to calibration of water demand. Chapter 4 is dedicated to the new framework of water licensing; Chapter 5 describes the new scenarios and finally chapter 6 illustrates the changes in output representations and model's interfaces. (Résumé d'auteur

Modelling the Minsky triad: A framework to perform reflexive MandS studies

In this paper, we propose a general framework to evaluate models of systems that are ill defined, incompletely known, and furthermore, which cannot be experimented in real conditions, such as the economical systems at the country scale, epidemics (for obvious ethical reasons) or any natural disasters, for instance where human lives are the main issue. Our framework relies on the generic Marvin Minsky's definition of a model and its specification in the frame of the Theory of Modelling and Simulation, initiated by B.P. Zeigler. Such a dynamic system implementation of the Marvin Minsky's model definition, we called the Minsky triad model, enables to address original questions. The Minsky triad model is a coupled model composed of the model of a real system, the model of this later model, and, in between, the model of the user of the later model. We argue that the Minsky triad model is very promising as a framework to design and to evaluate decision support systems for crisis management. (Résumé d'auteur

Recursive simulation and experimental frame for multiscale simulation

In this paper, we present a formal and operational framework for multiscale modeling and simulation. We focus on scale transfer viewed as the coupling between two models of the same system, one at the microscopic scale and the other at the macroscopic scale. We consider that some parameters of the macroscopic model are the result of microscopic processes described in the microscopic model. The main idea is to use an "experimenter model" which performs experiments on the microscopic model during the simulation and compute these parameters in line. To formalize the experimental design of the experimenter model, we define an experimental frame of transfer based on Discret Event System Specification. As an example, we present a multi scale model in epidemiology.We specify it using our framework, and we implement and simulate it within the Virtual Laboratory Environment. Finally, we discus some of the scale transfer issues and how we want to use the developed framework to address them. (Résumé d'auteur

AnaWag, un jeu expérimental pour faciliter la compréhension des dilemmes économiques dans la gestion de l'eau d'irrigation

L'usage de jeux expérimentaux à but pédagogique en économie de l'environnement et des ressources est relativement récent. Des expérimentations économiques ont été utilisées pour faciliter la compréhension des mécanismes décisionnels concernant la responsabilité sociale (Rodrigo-González et María Caballer-Tarazona, 2015), l'effet des taxes sur la pollution (R. Corrigan, 2011) ou encore le cout opportunité des permis d'émission (Holt et al., 2010). Des logiciels existent également, comme par exemple MobLab (https://www.moblab.com/), pour réaliser facilement et à bas coût des expérimentations en classe à l'aide d'ordinateurs connectés, tablettes ou smartphones. AnaWag est une plateforme de jeu expérimentale qui permet de réaliser des séances pédagogiques avec des étudiants pour illustrer le fonctionnement d'un système de partage de ressources en eau. La nature expérimentale du jeu permet de formuler des hypothèses sur le comportement des joueurs et de les tester en confrontant le comportement observé avec les attentes théoriques et les résultats du modèle économique qui est derrière le jeu. Nous illustrons d'abord le jeu expérimental AnaWag, puis les résultats d'une séance conduite récemment et discutons les atouts, limites et perspectives d'un tel outil. AnaWag est un développement de la plateforme “Wat-A-Game” (WAG) (Ferrand et al., 2009) et a été utilisé comme support pédagogique d'abord dans sa version préliminaire (Farolfi, 2013) en Afrique australe, puis dans des versions plus récentes en France et en Tunisie. Une interface informatique, AnaWag, a été élaborée dans le cadre du projet ExpéComMod (Bonté et al., 2018). La version présentée ici est le format 'jeu de plateau' d'AnaWag. Le modèle décrit un jeu de contribution à un bien public et d'extraction d'une ressource commune dans un système asymétrique, où les joueurs n'ont pas accès égal à la ressource commune (Janssen et al., 2011). Le jeu est contextualisé, les joueurs sont des irrigants dans un périmètre irrigué le long d'un canal. Une partie de l'eau disponible provient de la pluie, et une partie d'un forage. La quantité d'eau produite par le forage dépend de l'entretien assuré par le groupe : plus le groupe contribue à l'entretien, plus le forage produira de l'eau. Les champs des agriculteurs sont alignés le long du canal, l'eau arrive d'abord dans les champs du premier, puis du second, etc. La position (1, 2, 3 etc.) est indiquée en début de jeu et reste inchangée jusqu'à la fin. Le jeu est répété. Quatre joueurs (ou équipes de joueurs) sont prévus. Chaque tour les joueurs font deux choix : 1. Contribuer à l'entretien du forage, entre 0 et 3 jetons (WAGs). La production d'eau (W) correspondante à la contribution du groupe (0 ≤x≤ 12) suit la fonction suivante : W=0 if 0≤x≤2 W=2x-4 if 2≤x≤8 W= 12 if 8≤x≤12 2. Jouer une carte d'activité: Les activités comportent un coût (de 1 à 2 WAGs en fonction des activités) et rapportent des recettes (de 1 à 6 WAGs). Ils nécessitent de l'eau en entrée et peuvent produire de l'eau en sortie. Si l'eau nécessaire en entrée n'est pas obtenue, le montant dépensé pour l'activité est perdu. Le modèle permet de calculer des équilibres qui représentent les attentes théoriques en économie, à confronter avec les résultats observés. Ces équilibres, exprimés en termes de contribution au bien commun et de gain du groupe, dépendent du niveau initial de pluie. A travers ce jeu nous pouvons tester deux hypothèses : H1: une plus grande disponibilité d'eau de pluie induit une plus faible contribution du groupe (car moins de stress). H2: plus de communication au sein du groupe induit plus de coopération (Ostrom, 1990) et donc un gain du groupe proche de l'équilibre coopératif. Le design expérimental consiste donc en deux traitements : un avec 1 unité d'eau de pluie chaque tour et un avec 4 unités d'eau chaque tour. Deux groupes, un par traitement, sont formés avec ces disponibilités fixes d'eau de pluie. Au sein de chaque groupe nous testons en plus l'effet de l'introduction de la communication entre joueurs. Des séquences de trois tours avec (A) et sans (S) communication sont joués : ASA et SAS. Pendant une session jouée à l'INAT de Tunis le 13/11/2018, 22 étudiants ont été divisés en deux groupes de 4 équipes. Pour suivre les règles de l'expérimentation économique, une rémunération a été prévue pour les gagnants de chaque groupe. L'animateur conduisait simultanément le jeu des deux groupes et, à l'aide de fiches remplies par les joueurs, notait les choix des joueurs dans un fichier de calcul pour enregistrer les résultats. Dans le groupe 1 (1 unité d'eau de pluie) on observe plus de contribution pour pallier le stress hydrique naturel, et un effet fort de la communication pour aboutir à un équilibre coopératif en fin de jeu. Dans le groupe 2 (4 unités d'eau de pluie) on observe moins de contribution et une coopération provoquée par la communication. Cette coopération se maintient aussi en dernière séquence, sans communication, et permet une coordination entre joueurs aboutissant à un équilibre coopératif dans les trois dernières périodes. Les résultats confirment les hypothèses. Bien que sans une vraie validité statistique, à cause d'un relativement faible nombre d'observations, les résultats permettent de discuter les hypothèses émises et les concepts économiques sous-jacents avec les étudiants. Néanmoins, l'usage répété de la plateforme en conditions identiques peut donner lieu à des résultats expérimentaux exploitables. Dans les situations d'utilisation (cours doctoraux EDEG en France et CEEPA à l'Université de Pretoria, cours MSc à l'INAT Tunis et dans différentes universités d'Afrique australe) les étudiants ont apprécié l'aspect ludique et en même temps la rigueur des résultats et du modèle qui supporte le jeu. Ils ont considéré que la mise en situation et la possibilité de confronter les résultats observés à la théorie économique sont des atouts pédagogiques importants. En particulier, dans la session jouée à l'INAT, les résultats ont confirmé les hypothèses formulées. Les étudiants ont été 'favorablement surpris' de voir à quel point leurs choix en termes de partage d'une ressource commune correspondaient à ce que la théorie économique prévoit. En termes d'apprentissage, un tel outil permet aux étudiants de 'se mettre dans la peau' des sujets économiques étudiés (ici des agriculteurs irrigants) et de faire eux-mêmes des choix économiques et non pas seulement d'étudier les effets de choix théoriques ou réalisés par d'autres. Cette mise en situation, couplée à l'observation ex-post des effets de ces choix sur le système étudié, permet une compréhension rapide et plus profonde des concepts d'économie des ressources à la base du jeu. Aussi une discussion plus informée des résultats de l'expérimentation permet d'aborder au même temps l'analyse du comportement économique et les effets de certaines politiques environnementales. L'évaluation des apprentissages se fait à travers un débriefing d'une heure, suivi par un questionnaire à chaud et par un examen écrit à quelques jours de distance

Grasping vulnerability transfers in global change adaptations combining funmindfulness exercises and serious games (1033)

Biodiversity hotspots exposed to increasing anthropogenic and climatic uncertainties, coastal areas provide excellent laboratories to study global change adaptations. Integrated coastal zone management, set-up as a replicable process, often fail to address challenging wicked issues. Indeed, simultaneous adaptations occurring at different scales or in different activity sectors often result in maladaptations such as vulnerability transfers that impede global sustainability. Addressing these transfers raise conceptual and practical issues. To tackle these, we ran participatory workshops in South Africa, with contrasted and often segregated stakeholders. The workshops started with fun care-giving and mindfulness exercises, to encourage dialogues and co-learning. Participants were then invited to play on a participatory device representing the multi-scale and multi-sector governance of coastal systems. Inspired by Anderies et al.'s (2004) Robustness Framework, the device was designed as a serious game in which players manage public infrastructures in response to contrasted environmental scenarios. In order to represent the decentralized aspect of the governance, each player was responsible for a given sector of activity with clear objectives at given scale and had to cooperate with the others to shape collectively future conditions on their territories. A simple algorithm computed the social, economic and environmental evolutions of the territory based on players' decisions. Combining experts' knowledge (practitioners and scientists) in the design of the game through pre-workshop interviews allowed to build a place-based game meaningful to local stakeholders. Serious games provide realistic boundary objects to grasp cross-sectoral and multiscale vulnerability transfers around global change adaptations. (Texte intégral

From vulnerability transfer to maladaptation: exploring processes at stake through observation, experimentation and simulation

Adaption patterns undertaken by policy makers within their own jurisdiction may bump into adaptation patterns undertaken by others at their own level. The consequences of these interactions may lead to mutual reinforcement or a neutralization of each policy maker's adaptation capacity. Since adaptation plans are proliferating we seek to better understand the processes behind these transfers of vulnerability that might incidentally lead to maladaptation. In this presentation, we adapt Anderies (2014) framework by considering social ecological system (SES) adaptive management as autonomous feedback loop. We identify the interactions between these loops to characterize transfers of vulnerability or robustness as a mechanistic process, without the need to assume any intention of transfer. We use this representation in its capacity to encompass narratives observed in coastal case studies in France, South Africa and England. This enables the interpretation of observations and identification of possible connections between adaptive management autonomous processes, and the proposition of a typology of sources of transfers. We complete our analysis of observations through simulations in an artificial society, SugarScale, and experimentations with serious games. Sugar Scale features transfers of vulnerability between “countries” that use two complementary resources with contrasted exposure to hazards. The possibility to trade resources and migrate from one “country” to another generates virtual examples of vulnerability transfers among populations. Ultimately policy makers seek ways to increase the overall efficiency of adaptation plans but lack understanding of these complex relations. Our serious games raised the awareness of these possible transfers, made them visible and enabled discussion of (1) the plurality of adaptation patterns (and related goals), and (2) the mechanisms behind them that could be corrected. The outcomes of these preliminary experiments demonstrated the considerable potential of these settings to raise awareness and trigger discussion about vulnerability transfers. (Texte intégral

In role in a rolling landscape: Re-thinking multi-scale vulnerability transfers in the Anthropocene

To explore transfers of vulnerability and their consequences with local stakeholders in southern France, a role-playing game session with 50 elected representatives and experts coming from various sectoral organizations was organized. The role-playing game involved 4 different landscapes of a coastal region: a littoral area, an agricultural plain, an urbanized area, and a river valley—with each landscape set up on a separate table. The participants were positioned either as land managers in different sectors (urban, agricultural, biodiversity conservation, green tourism, mass tourism) or elected decision-makers in charge of collective decisions and negotiation with other territories. For each round, the players had the option of placing infrastructures (dikes, irrigation networks, labelling, nature reserves) in management units under their responsibility in order to influence development trajectories. Based on their decisions, the land cover and use of these areas were updated (resident and tourist populations, agricultural crops, biodiversity). Different events, e.g. coastal erosion, river flooding, salinity change, droughts, and population growth affected the different territories. Participants had to meet their individual goals and collectively address the various pressures associated with changes in their territory. This experiment and its collective debriefing showed that adaptations at the local scale enabled players to temporarily cope with the pressures of global change by transferring these pressures to other territories. Overall, the weight of urbanization in short-term decision-making remains crucial. Protecting farmland and biodiversity remains challenging in the face of demographic pressure. Financial resources and coordination are not enough, it is key to have trust and flexible regulations in order to be able to innovate and adapt. Sensitizing land users to the processes of vulnerability transfers may improve social-ecological solidarity between them and gives meaning to their actions and their consequences. We assume that through this learning experiment, participants reinforce their resilience to future changes. (Texte intégral

Multi-scale adaptations and vulnerability transfer in an artificial society: From sugarscape to sugarscale

In a context of global changes, coastal social-ecological systems are submitted to growing and combining pressures. To reduce their vulnerability, agents respond through adaptations that occurs at multiple scales (from individual to collective), leading to nested feedback loops with consequences that can be expected or not. Artificial societies are of great help to explore these complex and uncertain adaptation dynamics. Taking inspiration from Anderies et al. robustness framework, we modified Epstein and Axtell' Sugarscape model to integrate a multi-scale perspective and explore vulnerability transfers following adaptation processes. Harvesters (users) are evolving in a cell-environment composed of spice and sugar (resources) which is divided in 6 States (infrastructure providers). This environment is unequally submitted to two types of perturbations: a slowly increasing demographic pressure (exogenous drivers on users) and shocks on resources availability that simulate climatic extreme events (exogenous drivers on resource). Harvesters and States are responding by the implementation of adaptation strategies, respectively migration and opening or closing of the State borders (infrastructures). Vulnerability indicators were developed at several levels (individual, State and environment) to analyse consequences of adaptation, and more particularly vulnerability transfer across levels. We demonstrate a cumulating effect of perturbations, as well as mitigated effects of adaptation strategies. We discuss the outcome of developing multi-scales agentbased models to explore adaptation to global changes, moving from Sugarscape to Sugarscale. At this point, agents decision making are based on abstract Epstein and Axtell's Sugarscape model (based on welfare function defined in economics). The resulting model is to be used as a conceptual thought experiment that include main issues of coastal systems