Reification of emergent urban areas in a land-use simulation model in Reunion Island

International audienceEmergent phenomena are often relevant for users and developers of simulation models. But the potential reification of these phenomena raises many questions, conceptually (should they be reified?) and technically (how to do it?). In this paper, we show that such a reification can be considered as an effective way to refine simulation models in which direct modifications, that are made laborious by the multiplicity of the entities and behaviors, often leads to the destabilization of the entire system. We propose a reification technique of the emergent phenomena that do emerge in an agent-based simulation. We illustrate this proposition through the reification of new urban areas, an emergent phenomenon observed in a model that we created to simulate land-use evolutions in Reunion Island

Architecture Agent pour la modélisation et simulation de systèmes complexes multidynamiques (une approche multi-comportementale basée sur le pattern "Agent MVC")

La co-construction et la réutilisation de modèles font l'objet de plusieurs travaux dans le domaine de la simulation. Cependant, dans le domaine plus spécifique de la Simulation Orientée Agent (SOA), nous pouvons constater un manque sur ces deux points malgré un besoin fort de la part des thématiciens. La co-construction est essentielle pour optimiser la mise en commun du savoir de différents experts, mais nous faisons souvent face à des divergences de points de vue. Les méthodologies existantes pour la co-construction en SOA ne permettent qu'un faible niveau de collaboration entre thématiciens durant la phase initiale de modélisation, ainsi qu'entre les des thématiciens avec les modélisateurs ou les modélisateurs-informaticiens... Pour faciliter cette co-construction, nous proposons de suivre une méthodologie de conception favorisant cette collaboration. La réutilisation de modèle octroie un gain de temps significatif, une amélioration du modèle et l'apport de nouvelle connaissance. Les méthodologies en SOA dans ce domaine existent. Cependant, dans le spectre de réutilisation, elles sont souvent limitées au niveau du modèle complet ou de l'agent avec l'impossibilité de "descendre" plus bas. L'expérience de EDMMAS, un cas concret d'un modèle issu de trois réutilisations successives, nous a permis de constater une nouvelle complexité qui découle de la démultiplication des comportements des agents et crée un décalage conséquent entre le modèle opérationnel et le modèle conceptuel. Notre objectif est de promouvoir la réutilisation aussi bien des modèles, que des agents et de leurs comportements.Pour répondre à ces questionnements, nous proposons dans ce manuscrit une manière de codifier et d'intégrer la connaissance provenant de disciplines différentes dans le modèle, tout en utilisant des modules "composables" qui facilitent la réutilisation. Nous proposons (i) une nouvelle architecture Agent (aMVC), appliquée dans un cadre multidynamique (DOM), avec l'appui (ii) d'une approche méthodologique (MMC) basée sur la décomposition et réutilisation des comportements. Cet ensemble de propositions, (i) et (ii), permet de conduire un projet pluridisciplinaire de SOA avec un grand nombre d'acteurs, facilitant la co-construction des modèles grâce à l'instauration de nouvelles synergies entre les différents acteurs participant à la modélisation. Les concepteurs pourront travailler de manière autonome sur leur dynamique et la plateforme fera l'intégration de ces dernières en assurant la cohésion et la robustesse du système. Nos contributions offrent la capacité de créer les briques élémentaires du système de manière indépendante, de les associer et de les combiner pour former des agents, selon des dynamiques conformément à l'approche DOM. Elles permettent ainsi de comparer la logique selon différentes possibilités pour une même dynamique et d'ouvrir la perspective d'étudier un grand nombre d'alternatives de modélisation d'un même système complexe, et de les analyser ensuite à une échelle très fine.Co-building and reuse of models are at the center of several studies in the field of simulation. However, in the more specific field ofMulti-Agent Based Simulation (MABS), there is a lack of methodology to resolve these two issues, despite a strong need by experts.Model co-building is essential to optimize knowledge sharing amongst different experts, but we often face divergent viewpoints. Existing methodologies for the MABS co-building allow only a low level of collaboration among experts during the initial phase of modeling, and between domain experts with modelers or computer scientists... In order to help this co-building, we propose and follow a methodology to facilitate this collaboration. Model reuse can provide significant time savings, improve models quality and offer new knowledge. Some MABS methodologies in this area exist. However, in the spectrum of reuse, they are often limited to a full model s reuse or agent s reuse with the impossibility of reusing smaller parts such as behaviors. The EDMMAS experiment was a concrete case of three successive model reuses. It allowed us to observe new complexity arising from the increase of agents behaviors. This creates a gap between operational model and conceptual model.Our goal is to promote the reuse of models, agents and their behaviors.To answer these questions, we propose in this thesis a new way to codify and integrate knowledge from different disciplines in the model, while using "composable"modules that facilitate reuse.We propose (i) a new agent architecture (aMVC), applied to a multidynamical approach (DOM), with the support (ii) of a methodology (MMC) based on the decompositionand reuse of behaviors.Proposals (i) and (ii) allow us to lead a multidisciplinary MABS project with a large number of actors, helping the co-building of models through the introduction of synergies among the different actors involved in the modeling. They can work independently on their dynamics and the platformwill integrate those, ensuring cohesion and robustness of the system. Our contributions include the ability to create the building blocks of the system independently, associate and combine them to formagents. This allows us to compare possibilities for the same dynamic and open the prospect of studyingmany alternate models of the same complex system, and then analyze at a very fine scale.SAINT DENIS/REUNION-Droit Lettre (974112101) / SudocSudocFranceF

Simulation Multi-Agents : Architecture, Ingénierie et Expérimentations

Ce document constitue le mémoire de synthèse d’habilitation à diriger des recherches, il vise à répondre aux trois objectifs requis pour l’obtention de ce diplôme et caractérisés par : (i) la présentation d’une démarche originale dans un domaine scientifique, (ii) la maîtrise d’une stratégie autonome de recherche scientifique, (iii) la capacité d’encadrement de jeunes chercheurs.Pour cela ce document s’appuie sur une organisation en 6 chapitres :Le premier chapitre est un Curriculum Vitae particulièrement détaillé présentant de manière synthétique mais exhaustive les aspects propres à mon activité dans le domaine de la recherche scientifique. Cette section présente l’ensemble de mes activités en qualité de membre de conseils, comités scientifiques ou groupes de travail, elle dresse la liste des références de l’ensemble des publications scientifiques produites ainsi que les activités d’encadrement scientifique effectuées. Le lecteur trouvera également dans cette section l’ensemble des projets et programmes de recherche dans lesquels je me suis impliqué pour mener à bien mon activité scientifique. Enfin, les aspects relatifs à l’animation de manifestations à caractère scientifique sont présentés. Par son niveau de synthèse cette section offre un angle de vue global sur mon activité et constitue un premier niveau de réponse aux trois objectifs fixés par ce document.Le second chapitre a pour objectif de présenter ma démarche scientifique en retraçant les motivations et activités de recherche développées depuis ma soutenance de thèse de doctorat jusqu’en 2003. Ce chapitre montre la cohérence de mon parcours associant la recherche dans le secteur privé et universitaire au sein du laboratoire IREMIA1 de l’Université de la Réunion.Les chapitres 3 à 5 développent mes activités de recherche réalisées au sein de l'IREMIA/LIM depuis 1996. La description des aspects originaux de mon travail théorique se situe dans le dernier axe plus spécifiquement dédié aux aspects d’ingénierie de conception de système de simulation simulation par approche multi-agents et qui constitue le chapitre le plus développé de ce mémoire.Dans le dernier chapitre, le lecteur trouvera ensuite un bilan des contributions et les perspectives de recherche sur la base de programmes actuellement en cours de démarrage où d’étude prospective.Ce document se termine par une bibliographie complète des références considérées dans ce document, à l’exception de la bibliographie personnelle incluse dans le Curriculum Vitae de la première partie de ce mémoire. Enfin, une brève annexe propose des compléments en termes de schémas et figures.Par ailleurs, deux documents annexes accompagnent ce mémoire, un document intitulé Attestations qui est constitué d’un ensemble de témoignages de personnalités attestant certains propos développés dans ce mémoire, et un document intitulés Articles de référence, regroupant une liste de publications sélectionnées identifiables dans le texte du document par l’utilisation du style « Gras » de la police employée lors de leur référencement

Special Issue "Agent-Based Modelling of City Systems"

International audience; City systems, consisting of the various social and technical infrastructures required for urban areas to function, are facing major challenges in the coming decades as global urbanization and the pressure on resource efficiency and sustainability continue. Agent-based simulation and modelling techniques enable us to study these systems from various levels of abstraction looking at actors as well as system level perspectives, and are particularly suited to understand the dynamics of underlying structures and experiment with various scenarios and the effect of local decisions on emerging system properties. This special issue aims to showcase innovative use of agent-based modelling (ABM) and multi-agent system (MAS) approaches for effective decision support regarding urban innovations in fields linked with urban development and to explore and identify how researchers in different disciplines integrate their knowledge through agent models. We are inviting researchers from across a wide range of disciplines (including computer science, physics, engineering, economics, sociology and others) to submit papers to this special issue that exhibit state-of the art innovation in ABM/MAS applied to cities. This innovation may come in the form of computational, conceptual, analytical, participatory or epistemological advances for a range of aims and motivations associated with the challenge of combining competitiveness and sustainable urban development in city systems. Possible topics include, but are not limited to, the following:[...

Toward Smart Island Simulation Application a Case Study of Reunion Island

International audienceSimulation models are often used by policy makers as decision support tools for smart city design and planning. However, many of them are designed to be suitable to a particular kind of territory, with the corresponding characteristics, especially for city contexts. Therefore, limitations could appear when transferring such simulation models to island contexts. Indeed, because of their relative geographical and socio-cultural d

Prospective Territoriale par Simulation Orientée Agent.

L'île de La Réunion, inscrite au patrimoine mondial de l'UNESCO pour la beauté de ses paysages et pour sa biodiversité exceptionnelle, va accueillir dans les prochaines années une population de plus en plus importante. Les documents de planification réglementant l'évolution de l'urbanisation dans l'île doivent donc en tenir compte afin de gérer au mieux l'évolution et la structuration du foncier local. Dans un contexte de recherche pluridisciplinaire, l'enjeu de nos travaux est donc de proposer des méthodes et outils facilitant les interactions entre les informaticiens et les thématiciens qui apportent leur expertise à la construction de modèles de simulation dédiés à la prospective territoriale et de faire en sorte que ces modèles puissent fournir des pistes de réflexions aux décideurs confrontés aux choix de demain afin d'aider à mettre en place une organisation des territoires qui soit la plus cohérente possible. Après avoir participé à la réalisation de DS, un modèle qui permet de simuler conjointement l'évolution de la population et celle du Mode d'Occupation des Sols à La Réunion, nous nous sommes focalisés sur l'étude de l'émergence, une notion qui apparaît dans nos simulations en environnement spatialisé, mais pour laquelle il n'existe pas d'outils génériques permettant de la manipuler. Nous l'avons définie comme étant une méta-connaissance, ce qui nous a permis de proposer une méthodologie de conception de simulations et un cadre formel qui ont abouti à la mise en place de structures émergentes dans la plateforme de simulation GEAMAS-NG. Celle-ci, ou les entités de la SOA elles-mêmes, peuvent ainsi prendre conscience de l'émergence de phénomènes et les matérialiser en ayant recours à la connaissance des thématiciens. Nous avons alors montré l'intérêt de ces propositions en expérimentant la réification de phénomènes émergents observés dans DS.Reunion Island will be hosting in the coming years an increasingly important population. Documents dedicated to land-use planning should take this into account to better manage the evolutions of the island. In the context of multidisciplinary research, the challenge of our work is to propose methods and tools to facilitate interactions between computer scientists and thematicians who bring their expertise to the construction of simulation models dedicated to territorial prospective. We co-constructed DS, an agent-based model that simulates the evolutions of the population and of the land-use on the island, and then we focused on the study of emergence, a concept that appears in our simulations in spatial environment. We defined it as a meta-knowledge; and that enabled us to propose a modelling methodology and a formal framework that lead to the introduction of emerging structures in the Agent-Based Simulation platform GEAMAS-NG. The systems, or the entities of the models themselves, can now be aware of the emergence of phenomena and can materialize these phenomena by using the knowledge of thematicians. We finally demonstrated the usefulness of these proposals by experimenting the reification of an emergent phenomenon observed in DS.SAINT DENIS/REUNION-Droit Lettre (974112101) / SudocSudocFranceF

Agent-based modelling: what matters is action

Computer-aided management tools or models of production systems in the manufacturing or agricultural domains generally rely implicitly on the theory of planned action. Every action is assumed to be part of an anticipated sequence leading from a current state to a predetermined goal. The main limits of this classical view are due to the difficulty to deal with unexpected changes and disturbances. To overcome these limits, we developed an agent model based on the theory of situated action. Whereas the classical approach puts the emphasis on actor’s decision (action being assumed to straightforwardly follow), situated action is viewed as a process endowed with a temporal thickness, spontaneously emerging from the situations created by the local interactions between the actor and its environment. This model, accounting for both the temporal and spatial dimensions of action as well as its contingent features, implements the concepts of affordance (capacity of objects to trigger actions) and stigmergy (self-organization mediated by marks left by individuals in their environment). Therefore we propose a multi-agents system where the perspective is reversed compared with the usual view: in our model it is the environment which is agentified and, so, endowed with the capacity of acting by handling the entities it contains. Unlike in classical multi-agents systems, these entities (standing for humans, animals…) are, actually, considered as non-autonomous and passive. After advocating our choice to put the emphasis on action rather than on decision to represent actual human activity, we explain the concepts of affordance and stigmergy and outline the non-classical multi-agents system we devised with the perspective to simulate agricultural production systems