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N d’identification : 2010EVRY
´ ´UNIVERSITE D’EVRY-VAL-D’ESSONNE
U.F.R. SCIENCES FONDAMENTALES ET
´APPLIQUEES
`THESE
pr´esent´ee pour obtenir
le GRADE de DOCTEUR EN SCIENCES
´ ´DE L’UNIVERSITE d’EVRY
Sp´ecialit´e : INFORMATIQUE
par
Thomas Louail
Sujet : Comparer les morphogen`eses urbaines en
Europe et aux Etats-Unis par la simulation
`abased’agents—Approchesmulti-niveaux
et environnements de simulation spatiale.
Soutenue le DD MM 2010 devant le jury compos´e de :
Alexis Drogoul Rapporteur
Amal El Fallah Seghrouchni Rapporteuse
Anne Ruas Rapp
Fr´ed´eric Amblard Examinateur
Jean Laterasse
Anne Bretagnolle Encadrante
Guillaume Hutzler Encadrant
Jean-Louis Giavitto Directeur de la th`ese
Denise Pumain Directrice de la th`eseTable des mati`eres
Table des figures iii
1 Motivations et contributions 1
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Organisation du manuscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4 Une collaboration interdisciplinaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Simulation informatique et g´eographie urbaine 13
1 R´evolution th´eorique de la g´ et grands courants de mod`eles . . . . . . . 14
2 Syst`eme-ville et syst`emes de villes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Simulation urbaine dynamique et sans agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4 Sim dynamique, spatiale et `a base d’agents . . . . . . . . . . . . . 40
5 Illustration : Accessim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3 Formes et morphogen`eses urbaines en Europe et aux Etats-Unis 67
1 Des formes urbaines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2 Formes urbaines en Europe et aux Etats-Unis : constats . . . . . . . . . . . . . . 71
3 Morphogen`eses urbaines en Europe et aux Etats-Unis : hypoth`eses . . . . . . . . 78
4 Questions abord´ees par simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5 M´ethodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4 Simuler les morphogen`eses des syst`emes de villes 99
1 Pr´eambule : entr´ee dans le projet Simpop2 et calendrier des r´ealisations . . . . . 101
2 Aspects informatiques de Simpop2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3 Exp´erimentations avec l’application Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4 M´ecanismes sp´ecifiques pour l’application Etats-Unis . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5 Exp´erimentations avec Etats-Unis, et g´en´eralisation . . . . . . . . . 122
6 Outils d’exploitation existants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7 Nouveaux outils d’exploitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8 Conclusions du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5 Simuler les morphogen`eses des villes 147
1 Des questions de mod´elisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
2 simpopNano, un mod`ele long-terme de ville en d´eveloppement . . . . . . . . . . . 157
3 R´ealisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4 Instanciation des r`egles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5 D´emarche et outils pour l’exp´erimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6 Exp´erimentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
iii Table des mati`eres
7 Conclusions du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6 Aspects multi-niveaux dans les simulations `a base d’agents 187
1 Des questions en suspens... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
2 Multi-´echelles ou multi-niveaux? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
3 Deux exemples de simulation multi-ni-veaux `a la loupe . . . . . . . . . . . . . . . 194
4 Simpop3 : simuler les morphogen`eses urbaines aux niveaux inter- et intra-urbain
simultan´ement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5 Vers des organisations multi-agents multi-niveaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6 Conclusions du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7 Conclusion g´en´erale 207
1 Bilan de la contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
2 Limites et poursuites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
3 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Table des mati`eres du document 233Table des figures
2.1 Carte de Minard figurant les pertes successives en hommes de l’arm´ee fran¸caise
dans la campagne de Russie (1812-1813) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Deux cartes mentales de l’Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Repr´esentations du mod`ele de Von Thunen¨ et de Christaller . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Evolution de Nˆımes et Montpellier au sein de la hi´erarchie des villes fran¸caises . 26
2.5 Repr´esentation des flux d’un syst`eme simple de Forrester . . . . . . . . . . . . . 29
2.6 Les classes d’automates selon Tobler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7 Voisinage g´eographique consid´er´e dans [WE93] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8 Evolution de l’attractivit´e avec la distance dans [WE93] . . . . . . . . . . . . . . 37
272.9 6.10 -`eme g´en´eration d’un motif de Life calcul´e efficacement par HashLife . . . 44
2.10 Composantes d’un mod`ele `a base d’agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.11 Niveaux d’organisation spatiale int´egr´es dans Accessim . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.12 Diagramme d’activit´es d’une it´eration d’Accessim . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.13 Connaissance accumul´ee sur le tableau noir d’un quartier dans Accessim . . . . . 61
2.14 Types de r´eseaux viaires utilisables dans Accessim . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.15 S´eance de jeu avec des enfants lors du salon de g´eomatique 2008 . . . . . . . . . 63
2.16 Evolutions compar´ees des stocks de deux services . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1 Trois niveaux d’organisation du fait urbain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2 Courbes rangs-tailles des syst`emes de villes europ´een et ´etats-unien. . . . . . . . 73
3.3 R´eseaux viaires des villes de Phoenix et Milan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.4 Emprises spatiales d’Atlanta et Barcelone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5 La densit´e moyenne de population dans 49 aires m´etropolitaines mondiales . . . 77
3.6 Evolution de la densit´e de population en fonction de la distance au centre dans
trois villes europ´eennes et trois ´etats-uniennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.7 Diff´erences entre approches from scratch et data driven . . . . . . . . . . . . . . 94
4.1 Chronologie des activit´es des projets Simpop successifs . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2 Diagramme des classes de Simpop2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3 Interface de l’´editeur d’´equations du Navigateur Simpop . . . . . . . . . . . . . . 114
4.4 Les applications de Simpop2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.5 Trames spatiales simul´ee et observ´ee de l’Europe en 2000 . . . . . . . . . . . . . 117
4.6 Progression historique observ´ee du front pionnier ´etats-unien . . . . . . . . . . . 118
4.7 Localisations des gisements associ´es aux fonctions CYCLE dans l’application E.-U.119
4.8 Dictionnaire imbriqu´e utilis´e pour repr´esenter l’avanc´ee d’un front pionnier . . . 121
4.9 Les semis de villes observ´e (en 2000) et simul´e par Simpop2 (pas de temps final)
pour les Etats-Unis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.10 Gisements associ´es aux cycles d’innovation pour l’application Afrique du Sud . . 124
iiiiv Table des figures
4.11 Semis des villes sud-africaines observ´e et simul´e. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.12 Diagramme entit´es-relations des concepts de l’exp´erimentation in silico . . . . . . 126
4.13 Interface graphique du Navigateur Simpop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.14 In du Navigateur Simpop en phase d’analyse d’une simulation . . . . . . . 128
4.15 Interfacedufront-end QGISauSIGGRASS,lorsdel’ouvertured’unetableconte-
nant les donn´ees d’une simulation g´eo-r´ef´erenc´ee de l’application Etats-Unis de
Simpop2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.16 Snapshots duwiki d’exp´erimentationapr`es ajoutpar unrobot Python d’´el´ements
de rapports de simulation, ´elabor´es avec R et `a partir de donn´ees issues dans la
base de donn´ees spatiale.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.17 Rangs-tailles pour toutes les dates d’une simulation Etats-Unis sur la p´eriode
1650-2000. G´en´er´e par un script R, cet important ´el´ement de rapport illustre
l’int´erˆet d’une transition vers R, et de constructeurs d’´el´ements de rapports qui
peuvent ˆetre orchestr´es par un script python. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.18 Arbrecorrespondant`al’instructiongroup-by((plot-ypopulationper-x-rank(1,min)
in-space(cities,10000)),date).Cetteinstructiontrace,`araisond’unecourbepour
chaquedatedelasimulation,l’´evolutiondelapopulationdes1.000premi`eresvilles
comme une fonction de leur rang dans la hi´erarchie. . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.19 Principe du calibrage automatique de mod`ele par des algorithmes g´en´etiques . . 141
4.20 Interface graphique des algorithmes de calibrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.21 Page d’accueil du site web Simpop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.22 Les composants d’un nouvel environnement de simulation pour les applications
du mod`ele Simpop2 et d’autres mod`eles de simulation (issu de [Rey09]). . . . . . 146
5.1 Exemple de profil d’´evolution de la composition fonctionnelle de la ville au cours
du temps dans simpopNano. Des profils d’´evolution des taux d’importance des
fonctions urbaines sont d´etermin´es avec les g´eographes, et sont plaqu´es sur un
profil-moyen d’´evolution de population sur la p´eriode 1800-2000. . . . . . . . . . 151
5.2 Graphes th´eoriques des r´eseaux viaires de la ville ´etats-unienne et de la ville
europ´eenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.3 Principe des scores ´evaluant la qualit´e des d´eveloppements simul´es . . . . . . . . 156
5.4 Capture d’une ex´ecution en mode graphique du mod`ele . . . . . . . . . . . . . . 169
5.5 Evolution au cours du temps des effectifs des fonctions urbaines . . . . . . . . . . 173
5.6 R´eparition des fonctions urbaines entre quartier central et quartier connexe. . . . 174
5.7 Evolutiondesdensit´esdanslavilleeurop´eennepourleplusmauvaisd´eveloppement
simul´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.8 Evolution des prix dans la ville europ´eenne pour le plus mauvais d´eveloppement
simul´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
5.9 Evolutiondesdensit´esdanslavilleam´ericainepourleplusmauvaisd´eveloppement
simul´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.10 Evolution des prix dans la ville am´ericaine pour le plus mauvais d´eveloppement
simul´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.11 Evolution des densit´es sur les g´eom´etries europ´eenne et ´etats-unienne pour le
meilleur param´etrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.12 Evolutiondesprixsurlesg´eom´etrieseurop´eenneet´etats-uniennepourlemeilleur
param´etrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.1 Diagramme des interactions entre niveaux dans SimulBogota . . . . . . . . . . 196
6.2 Mod´elisation d’une tumeur `a partir d’entit´es cellules et mol´ecules . . . . . . . . . 199Table des figures v
6.3 Introduction d’un mod`ele agr´eg´e pour le coeur de la tumeur . . . . . . . . . . . . 199
6.4 Niveaux dans Simpop2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.5 Niveaux dans simpopNano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.6 Probl`eme de l’articulation dans Simpop3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
6.7 Articulation dynamique de Simpop2 et de simpopNano dans Simpop3 . . . . . . . 203
6.8 Conception incr´ementale d’un type de Simpop3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204Chapitre 1
Motivations et contributions
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Organisation du manuscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 Chapitre 2 : Simulation informatique et g´eographie urbaine . . . . . . . 4
2.2 3 : Formes et morphogen`eses urbaines en Europe et aux Etats-
Unis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Chapitre 4 : Simuler les morphogen`eses des syst`emes de villes . . . . . . 6
2.4 5 : Simuler les`eses des villes . . . . . . . . . . . . . 6
2.5 Chapitre 6 : El´ements d’analyse sur les aspects multi-niveaux dans les
simulations `a base d’agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4 Une collaboration interdisciplinaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1 Introduction
Les travaux pr´esent´es dans cette th`ese s’inscrivent dans le cadre du projet Simpop. Celui-ci
a d´ebut´e au d´ebut des ann´ees 1990 et vise `a donner une transcription computationnelle d’une
th´eorie´evolutionnaireurbaine[Pum82,Pum97,Pum04]`al’aidedesyst`emesmulti-agents(SMA).
Le projet poursuit deux objectifs principaux :
1. tenterdereconstruirelesdynamiquespass´eesdessyst`emesdevillespourmettre`al’´epreuve
les processus explicatifs de l’´evolution long-terme de ces syst`emes que postule la th´eorie;
2. tenter de pr´evoir leur ´evolution future, `a un horizon de quelques d´ecennies.
Simpop a d´ej`a donn´e lieu `a deux mod`eles, Simpop1, premi`ere application de la simulation
+ + + +multi-agents `a la g´eographie [BGPM 96, SPM 97], puis Simpop2 [SFM 05, PSB 09], une ver-
sion enrichie permise par une plus grande puissance de calcul et l’utilisation de biblioth`eques
logicielles de plus haut niveau. Simpop2 a permis d’etudier, au niveau des syst`emes de villes,
l’hypoth`ese de processus g´eographiques (universels ) permettant d’expliquer les diff´erentes dy-
namiques observ´ees `a travers le monde sur diff´erents continents (notamment en Europe, aux
Etats-Unis et en Afrique du Sud). Cette d´emarche comparative est appuy´ee par un mod`ele
de simulation g´en´erique, encapsulant les processus suppos´es universels et communs `a tous les2 Chapitre 1 - Motivations et contributions
syst`emesdevillesdumonde.Cemod`eleaensuite´et´einstanci´eenplusieursapplicationsd´edi´ees`a
chacundessyst`emes´etudi´es,etencapsulantlesprocessussp´ecifiquesqu’onyobserve.Cemod`ele
g´en´eriquea´et´ed´evelopp´eparB.Glissedanslecadredesath`ese[Gli07],etilapuˆetrecalibr´ed`es
2006pourlesyst`emedesvilleseurop´eennes,parlesg´eographesdulaboratoireG´eographie-Cit´es.
Notre entr´ee dans le projet s’est fait initialement pour adapater ce mod`ele aux Etats-Unis.
Notretravailapermisdeconsoliderlesr´esultatsacquisavecSimpop2et,partantdecesr´esultats,
s’est ensuite port´e de fa¸con plus sp´ecifique sur la mod´elisation informatique et la comparaison
desmorphogen`esesurbainesenEuropeetauxEtats-Unis,`adeuxniveauxd’organisationspatiale
habituellement dissoci´es dans les mod`eles urbains : les niveaux intra- et inter-urbains.
Le probl`eme g´eographique
Encomparantcesdeuxensemblesurbains,relativementsemblablesentermesdetaille(popu-
lation)etdedimension(superficie),quesontl’EuropeetlesEtats-Unis,onobserveuneinversion
de tendance remarquable lorsqu’on se d´eplace le long de l’´echelle spatiale :
• en Europe, les villes ont une forme circulaire plutˆot condens´ee dans l’espace, tandis qu’au
niveau du syst`eme des villes dans son ensemble, on observe un motif relativement ´etal´e
(environ 5.000 villes de plus de 10.000 habitants);
• c’est l’inverse aux Etats-Unis, pays de villes en damier tr`es ´etal´ees dans l’espace, mais ou`
le syst`eme des villes est tr`es condens´e (1.000 villes de plus de 10.000 habitants seulement).
Il y a par exemple aux Etats-Unis des tailles de villes qu’on ne trouve pas en Europe :
New-York a 28 millions d’habitants, Los Angeles 17 millions, une dizaine de villes ont plus
1de 10 millions d’habitants, tandis qu’en Europe seules Londres, Paris et la conurbation
Rhin-Rhur sont dans cette cat´egorie.
L’objectifdecetravaila´et´edefournirdesoutilspermettantdes’interroger,parlasimulation,
sur les raisons potentielles de cette inversion, et tenter de r´epondre `a des questions telles que :
• Pourquoietcomment,connaissantlescontrainteshistoriqueset´economiquesassoci´ees`ala
gen`esedecesdeuxsyst`emesurbains,lesmˆemesprocessusg´eographiquesont-ilspug´en´erer
ces configurations invers´ees?
• Est-il possible de reproduire, par la simulation, ces motifs spatiaux diff´erenci´es `a chacun
des niveaux, ainsi que cette inversion?
• Un mˆeme mod`ele g´en´erique, incluant uniquement les processus postul´es par la th´eorie,
peut-il g´en´erer, suivant l’espace sur lequel il s’ex´ecute, ces diff´erences?
• Si non, quels sont les processus sp´ecifiques minimaux `a int´egrer pour reproduire ces
diff´erences de formes de villes et de syst`emes de villes?
• Quels types de simulation peuvent-ils ˆetre mis `a profit pour simuler des dynamiques spa-
tiales multi-niveaux?
• Quels environnements de simulation sont n´ecessaires pour aborder ces questions?
De Simpop2 `a simpopNano
Par rapport aux mod`eles Simpop pr´ec´edents, ces questions n´ecessitent de prendre en consi-
2d´eration un niveau d’organisation spatiale suppl´ementaire, celui de l’int´erieur de la ville , et
les acteurs qui lui ( donnent forme ). Au cœur de notre travail, il y avait donc la n´ecessit´e
1ensemble urbain constitu´e de plusieurs noyaux urbains dont les banlieues finissent par se rejoindre
2niveau intra-urbain