Towards an EDSL to enhance good modelling practice for non-linear stochastic discrete dynamical models Application to plant growth models

International audienceA computational formalism is presented that structures a C++ library which aims at the modelling, simulation and statistical analysis of stochastic non-linear discrete dynamical system models. Applications concern the development and analysis of general plant growth models

Système informatique d'aide à la modélisation mathématique basé sur un langage de programmation dédié pour les systèmes dynamiques discrets stochastiques.Application aux modèles de croissance de plantes.

In agriculture, in order to predict crop yield or to reduce inputs, mathematical models of plant growth open new perspectives by simulating crop growth in interaction with the environment. In this thesis we will particularly focus on ”mechanistic” models based on the description of ecophysiological and archictectural processes in plants.Since the first attempts, in the seventies, the scientific community has created a large number of models with va- rious objectives : for instance, CERES, STICS, APSIM, LNAS as crop models and LIGNUM, ADEL, GreenLab, MAppleT as functional-structural models.These models have to be designed and evaluated with a rigourous process in several steps, according to what is usually described as ”good modelling practices”. The methods involved in the different steps are : sensitivity and uncertainty analysis, parameter estimation, model selection, data assimilation, optimal control ... According to the configuration of the study case, various algorithms can be used at each of these steps. The state-of-the-art software systems generally focus on one aspect of the global workflow, but very few focus on the workflow itself and propose the whole chain of mathematical methodologies adapted to the type of models and configurations faced in plant growth modelling : stochastic and nonlinear dynamical models involving a lot of processes and parameters, heterogeneous and irregular system observations.This thesis considers the formalization of stochastic dynamical models, of statistical methods and algorithms dedicated to their study and of the interface between models and algorithms to generate the analysis workflow. We deduce the conception of a software platform which allows modelers (or more exactly modelling teams, since the activity is quite complex) to create and validate crop/plant models by using a single language and dedicated statistical tools. Our system facilitates model design, sensitivity and uncertainty analysis, parameter estimation and evaluation from experimental data and optimization.Our research is at the heart of ”quantitative agronomy” which combines agronomy, modeling, statistics and computer science. We describe and formalize the type of models faced in agronomy and plant sciences and how we simulate them. We detail the good modelling practices workflow and which algorithms are available at all steps. Thanks to this formalization and tools, model studies can be conducted in an easier and more efficient way. It is illustrated on several test cases, particularly for the LNAS and STICS models. Based on this conception and results, we also discuss the possibility to deduce an ontology and a domain-specific language in order to improve the communication between experts. Finally, we conclude about the perspectives in terms of community platforms, first generally for modellers, and second more specifically in quantitative agronomy.Afin de prévoir les rendements ou réduire la consommation d’intrants nous pouvons, en exploitant les données expérimentales, créer des modèles mathématiques afin de simuler la croissance des cultures en fonction des caractéristiques de l’environnement. Dans cette optique, cette thèse s’intéresse particulièrement aux modèles dits ”mécanistes”.Des premières tentatives, dans les années 70, à nos jours, il y a eu pléthore de nouveaux modèles créés, à différentes échelles, afin d’étudier certains phénomènes dans les cultures ou au sein des plantes. On peut par exemple citer : CERES, STICS, APSIM, LNAS pour les modèles dits de culture ou LIGNUM, ADEL, GreenLab, MAppleT, pour les modèles dits structure-fonction.Ces modèles nécessitent d’être créés et évalués en conduisant une analyse rigoureuse possédant de nombreuses étapes et dont chacune est composée de plusieurs algorithmes complexes. Cette étude devrait s’inscrire dans une démarche dite de bonnes pratiques de modélisation, ”Good Modelling Practices”. On peut citer comme fonctionnalités : l’analyse de sensibilité, l’estimation paramétrique, l’analyse d’incertitude, l’assimilation de données, la sélection de modèles, le contrôle optimal ... En fonction de la configuration du cas, chacune de ces fonctionnalités peut faire appel à un grand nombre d’algorithmes avec chacun des caractéristiques propres. On retrouve dans l’état de l’art des plateformes qui s’occupent souvent d’une fonctionnalité mais très rarement qui s’attaquent à l’ensemble de la chaîne de travail.Cette thèse propose une formalisation des modèles dynamiques stochastiques (cadre adapté à la modélisation des plantes), de méthodes et algorithmes statistiques dédiés à leur étude et de l’interfaçage entre les modèles et les algorithmes dans cette chaîne de travail. Nous en déduisons la conception d’un système informatique (ou plateforme logicielle) permettant d’aider les modélisateurs, ou plutôt les équipes de modélisation tant l’activité est complexe et transverse, afin de créer et valider des modèles agronomiques par le truchement d’un langage dédié et d’outils statistiques associés. Le système facilite ainsi l’écriture des modèles, leur analyse de sensibilité, leur identification paramétrique et leur évaluation à partir de données expérimentales, leur optimisation. Notre domaine d’étude est au coeur de ”l’agronomie quantitative”, qui combine à la fois agronomie, modélisation, statistiques et informatique. Nous décrirons les types de modèles mathématiques pris en compte et comment nous les traduisons sur machine afin de permettre des simulations. Puis nous passerons en revue le flux de travail général ainsi que les algorithmes utilisés afin de montrer la conduite générale des études qui sont désormais plus facilement et rapidement faisables. Ce flux sera testé sur plusieurs cas d’étude, en particulier pour les modèles LNAS et STICS. Finalement, nous ouvrirons sur la possibilité d’injecter ces études dans une base de connaissance générale, ou ontologie, avec un langage dédié avant de conclure sur les perspectives du travail développé pour la communauté et notamment celles en termes de plateformes à destination des modélisateurs en général et des utilisateurs des modèles agronomiques en particulier

Rôle de la mutation Vav1R63W dans la sensibilité à l’asthme allergique

Dans mon équipe d’accueil, une dissection génétique à l'aide des lignées de rats congéniques BN.LEW a permis d'identifier un polymorphisme sur le gène Vav1. Ce polymorphisme se caractérise par la substitution d’une arginine (R) chez le rat LEW en tryptophane (W) chez le rat BN, en position 63 de la protéine Vav1 et pourrait être impliqué dans la différence de sensibilité des rats LEW (résistants) et BN (sensibles) aux manifestations allergiques. Pour tester cette hypothèse, une souris Knock-In (KI) Vav1R63W, sur fond génétique C57BL/6, a été générée et, dans cette étude, elle est comparée à une souris sauvage (Wild-Type, WT) portant une R. Ma thèse a eu pour premier objectif d’étudier l’impact de ce polymorphisme sur le développement et sur la fonction des lymphocytes T. J’ai démontré que les souris KI présentent un développement thymique normal mais possèdent plus de lymphocytes T régulateurs (Treg) que les souris WT. De plus, les lymphocytes T CD4+ de ces souris KI présentent un déséquilibre de la balance Th1/Th2, caractérisé par une augmentation de la production d’IL-4 (Th2) et une diminution de la production d’IFNy (Th1). Le deuxième but de ma thèse a été d’analyser la susceptibilité de ces souris KI à un modèle d’asthme allergique. L’étude de cette maladie est importante puisqu’elle représente un enjeu de santé publique. L’asthme résulte d’une réponse immunitaire aberrante de type Th2 à des allergènes inhalés. Chez les souris KI, un protocole d’induction de l’asthme a entraîné une réaction inflammatoire plus importante que chez les souris WT. Cette étude préliminaire tend à montrer que les souris KI sont plus sensibles à une maladie de type Th2 et qu’elles possèdent plus de Treg. Elle confirme le rôle important de Vav1 dans la réponse immunitaire, et particulièrement dans la balance Th1/Th2

Alan Ayckbourn's theatricality and use of comedy in Woman in Mind, A Small Family Business and Henceforward: marriage, family, private-public and absence of standards

Ankara : Faculty of Letters and Institute of Economics and Social Sciences, Bilkent Univ., 1994.Thesis (Master's) -- Bilkent University, 1994.Includes bibliographical refences.The aim of this dissertation is to focus on three of Alan Ayckbourn's recent plays, namely Woman in Mind, A Small Business and Henceforward in order to analyse how Ayckbourn employs visual elements and how he creates comedy while he writes about such themes as the destruction of marriage and its effects on children,the inseparable nature of private and public and the absence of standards.Bayol, EbruM.S

The relationship between secondary and high school education in reading and the reading strategy use of freshman students at Middle East Technical University (METU) while reading in English

Ankara : Institute of Economics and Social Sciences of Bilkent University, 1998.Thesis (Master's) -- -Bilkent University, 1998.Includes bibliographical references leaves 76-78The importance o f use o f strategies by the learners in the learning process has been recognized due to the developments in cognitive psychology and the relationship between cognition and language learning. Learning strategies are actions taken by the learners to facilitate learning and make it more effective. Among the strategies used by language learners, reading strategies are o f great significance. Especially in second/foreign language learning contexts for academic purposes, reading is very often required as university students have to read exhaustively in their studies. Their comprehension o f the texts they read depends on their effective approach to them. Therefore, researchers in the field o f second/foreign language reading have identified reading strategies used by good readers The acquisition o f certain learning strategies start in pre-university years. In particular, in secondary and high school education learners are required to read in many content areas and acquire quite a large amount o f knowledge. It can be argued that learners’ educational background plays an important role on their university education where they are confronted with complex reading and learning. This study investigated the relationship betweeen education in reading in secondary and high school and the reading strategy use of freshman students at METU while reading ir English. Data were collected from the students through a three-part questionnaire and thinkaloud protocols (TAPs). The first part of the questionnaire consisted o f questions related to reading practices in secondary and high school. The second part included questions directed towards reading strategies encouraged in pre-university education and reading strategies use by the students at university while reading in English. The last part o f the questionnaire was related to reading practices in English at university. TAPs were used in order to support the data obtained from the questionnaires. The findings o f the study revealed that the students in this study were ‘usually or always’ encouraged to use reading strategies in secondary and high school. With this particular group o f students this encouragement proved to have positive impact on their strategy use at university; they said that they use the same strategies ‘usually or always’ at university while reading in English, although they reported that practices related to reading were not satisfactory in their pre-university education.Şahin, Ebru BayolM.S

Corrosion Inhibition of Copper in Sea Water Using Derivatives of Thiosemicarbazides

Three corrosion inhibitors namely: 4-allyl-3-thiosemicarbazide C4H9N3 S, 4-(1-methyl)-3-thiosemicarbazide,4-tolyl-3-thiosemicarbazide were tested as corrosion inhibitors for copper in sea water environmnt.Copper samples were tested using potentiodynamic polarization technique in the absence and in the presence of corrosion inhibitors.   High inhibition efficiencies (≥95%) were shown by the tested inhibitors.  The best performance was shown by 4-tolyl-3-TSC

Filtrage par noyaux de convolution itératif

International audienceL'estimation paramétrique des modèles dynamiques en biologie est souvent rendue complexe par les fortes interactions entre processus et les non-linéarités qui en découlent, ainsi que par la difficulté de l'observation du système par expérimentation. C'est en particulier le cas des modèles de croissance de plantes. Dans cet article nous étudions l'application de la méthode de filtrage particulaire par convolution, développée pour permettre d'estimer les paramètres et les états cachés simultanément pour des systèmes non-linéaires. Nous proposons une variation de cette méthode mettant en jeu des itérations multiples du filtre particulaire par convolution, en tenant compte des informations obtenues lors de l'itération précédente afin d'améliorer l'estimation des paramètres. Une version conditionnelle de l'approche est également proposée dans le cas d'un système dynamique bruité, en réalisant l'estimation paramètres-états en supposant les paramètres du modèle de bruits connus, puis en estimant ces derniers grâce aux états cachés estimés, et en relançant l'algorithme avec ces nouveaux paramètres. La méthode a été implémentée pour un modèle de croissance de betterave avec observations rares, et les résultats apparaissent meilleurs que la méthode de filtrage par convolution sans itération, même réalisée avec un nombre bien plus important de particules. La méthode est par ailleurs générique, robuste et facilement adaptable

Development and Evaluation of Plant Growth Models: Methodology and Implementation in the PYGMALION platform

International audienceMathematical models of plant growth are generally characterized by a large number of interacting processes, a large number of model parameters and costly experimental data acquisition. Such complexities make model parameterization a difficult process. Moreover, there is a large variety of models that coexist in the literature with generally an absence of benchmarking between the different approaches and insufficient model evaluation. In this context, this paper aims at enhancing good modelling practices in the plant growth modeling community and at increasing model design efficiency. It gives an overview of the different steps in modelling and specify them in the case of plant growth models specifically regarding their above mentioned characteristics. Different methods allowing to perform these steps are implemented in a dedicated platform PYGMALION (Plant Growth Model Analysis, Identification and Optimization). Some of these methods are original. The C++ platform proposes a framework in which stochastic or deterministic discrete dynamic models can be implemented, and several efficient methods for sensitivity analysis, uncertainty analysis, parameter estimation, model selection or data assimilation can be used for model design, evaluation or application. Finally, a new model, the LNAS model for sugar beet growth, is presented and serves to illustrate how the different methods in PYGMALION can be used for its parameterization, its evaluation and its application to yield prediction. The model is evaluated from real data and is shown to have interesting predictive capacities when coupled with data assimilation techniques