Prospective Territoriale par Simulation Orientée Agent., Territorial Prospective by Agent-Based Simulation

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Sous la direction de Remy Courdier
Thèse soutenue le 04 décembre 2010: La Réunion
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.
-Modélisation de Systèmes Complexes
-Simulation Orientée Agent
-Prospective Territoriale
-Émergence
-Méta-connaissance
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.
-Complex Systems Modelling
-Agent-Based Simulation
-Territorial Prospective
-Emergence
-Metaknowledge
Source: http://www.theses.fr/2010LARE0009/document
Publié le : dimanche 30 octobre 2011
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Nombre de pages : 229
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Laboratoired’InformatiqueetdeMathématiques-UniversitédeLaRéunion
THESE
pourl’obtentiondu
Doctoratdel’UniversitédeLaRéunion
(spécialité:informatique)
par
Daniel DAVID
ProspectiveTerritorialepar
SimulationOrientéeAgent
Thèseprésentéeetsoutenuepubliquementle4décembre2010
Rapporteurs: Bernard MOULIN - Professeur
UniversitéLaval,Quebec,Canada
Jean Pierre M ÜLLER - DirecteurdeRecherche
CIRAD/LIRMM,Montpellier
Examinateurs: Pierre CHEVAILLIER - MaîtredeConférencesHDR
LISyC,ENIB,UniversitéEuropéennedeBretagne
Michel DIMOU - Professeur
PIMENT,UniversitédeLaRéunion
Gilles LAJOIE - Professeur
UMRESPACE DEV,UniversitédeLaRéunion
Directeur: Rémy COURDIER - Professeur
LIM/IREMIA,UniversitédeLaRéunionRemerciements
Merci à Jean Pierre Müller et Bernard Moulin d’avoir accepté de prendre sur leur temps
précieux pour être les rapporteurs de cette thèse. Merci aussi et surtout pour les échanges pro
ductifsquej’aieulachanced’avoiravecvous,devisuouparvoieélectronique,pré soutenance
oupost soutenance.
MerciàPierreChevaillierd’avoiracceptédeparticiperaujurydecettethèse.C’esttoujours
un plaisir d’échanger des idées avec toi depuis notre rencontre lorsque tu nous avais accueillis
àBrestpourlesJFSMAen2008.
Merci à Gilles Lajoie et Michel Dimou d’avoir également contribué à l’évaluation de cette
thèse. Au delà de votre professionnalisme et de votre sympathie, vous avez donné à mon jury
unedimensionpluridisciplinairequimetientparticulièrementàcoeur.Mercipourça.
Merci à Rémy Courdier, mon directeur de thèse, de m’avoir encadré durant ces quelques
années.Maissurtoutmerciparcequ’aufildutempsj’aidécouvertquej’avaislachanced’avoir
un directeur dont les qualités humaines dépassent de loin celles d’un simple encadrant, et ça,
franchement,çaaidebeaucoup.
Merci àDenis Payet, sans quiunegrandepartiedemestravauxn’auraitjamaispuvoirle
jour. C’est là un modèle d’esprit scientifique - à la fois têtu, ouvert, farfelu et brillant - que j’ai
lachancedecôtoyerdepuisquatreans.
Merci à Tiana Ralambondrainy, Nicolas Sébastien et Yassine Gangat qui ont partagé mon
bureau et sont devenus mes amis. Tiana, merci pour ton calme et ta sérénité à toute épreuve;
Nicolas, merci pour bien plus de choses que tu ne l’imagines; et Yassine, merci surtout pour
avoir apporté un peu de fraîcheur après mes années passées enfermé avec les individus précé
demmentnommés!
Merci à Aurélie Botta, William’s Daré, Sigrid Aubert et à tous les membres du projet DO
MINO d’avoir été les premiers à me donner ma chance dans le monde du travail en m’ac
cueillant au CIRAD en tant que VCAT au sortir de mon Master 2. Je n’imaginais alors pas à
quelpointcetteexpérienceallaits’avérermarquantepourlasuitedonnéeàmajeune"carrière".
Merci à tous les personnels de l’université de La Réunion qui m’ont apporté leur aide et
leur soutien au cours des dernières années, essentiellement les membres du Laboratoire d’In
formatiqueetdeMathématiquesettoutel’équipeduPôleRecherche.
Merci aux amis de mon quartier, la Grande Montée : Cédric, Laurent, Patrick, Johan,
Claude Michel,Henri,Stan,Alexandre,Yann,Ludovicettouslesautres,avecunepenséepar
ticulièrepourlesmembres"historiques"duCVSP.Vousêteslàdepuistoujoursetvucomment
vousêtesj’ailavagueimpressionquevoussereztoujourslà.Jevousdoisbeaucoup,merci.ii
Merci aux amis qui me sont proches depuis le collège et le lycée : Alexandrine, Teddy,
Samuel,EvelyneetVirginie.Enparticulier,merciàAlexd’avoirjouélapsydeservicependant
les inévitables moments de doute que j’ai pu avoir durant cette thèse, mais surtout merci de
m’aiderdepuistantd’annéesàmieuxcomprendrecequec’estquel’amitié.
Merciàceuxquisontrestésmesamisdepuisnospremièresannéesdefac:Christophe,Loic
et Gil, avec une mention spéciale pour ce dernier. Un jour il y a bien longtemps j’avais rigolé
en parlant de toi comme étant "Gil Payet, mon ami exceptionnel". Aujourd’hui je crois que je
ne mesure toujours pas à quel point il y avait du vrai là dedans. Alors merci d’être mon Ami,
toutsimplement.
Merci à tous ceux dont j’ai eu la chance que la vie les ait mis sur mon chemin, essentiel
lement : Lilian, Romain, Emmanuelle, Aurélie, Julie, Tony, Sébastien, Georges, Safia, Nirmal,
Karine, Alice, Pascale, Gaëlle, Audrey, Marie, Mayeul, Ulrich, Didier, Mickael, Laetitia, In
dira, Magali, Géraldine, les Charrier, les Payet, les Chouzier, les Ralchy... et tant d’autres que
j’oubliedeciteraujourd’huimaisqui,jel’espère,nem’entiendrontpastroprigueur.
Merci à Zine, Félin, Puce, Pilou et tous les autres pour avoir été de merveilleux compa
gnons;merciàOlivieretAngelopourm’avoirapprisàrêver;etmerciàSimba,Nala,Toulouse,
MarieetBerliozpourm’avoirsisouventapaisé.
Enfin, tout simplement, un immense merci à ma famille et en particulier à mes parents.
Pourtout,depuistoujours.-Etoùt’installerais tu,avectacompagniederêveurs?
- Là où il y a de quoi semer du grain, de quoi se bâtir un abri. Sur une terre
librepourqu’onnenousladisputepas.Etfacileàdéfendrecarnousneplairons
pas,c’estsûr,àtoutlemonde.Uneîlepeut être,etpointtropvaste.C’estcomme
ungrandbateauuneîle,çadoitpouvoirsedirigerdepareillefaçon.
D.Vaxelaire-LesMutinsdelaLiberté.Tabledesmatières
Introductiongénérale 1
Contexteetmotivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Larecherchedansl’équipeSMARTduLIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Problématiqueetobjectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Organisationetchronologiedestravaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
I Etatdel’artetréflexionssurlasimulationetlanotiond’émergence 11
1 Modélisationetsimulationpourlaprospectiveterritoriale 13
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Modéliseretsimulerdessystèmescomplexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.1 Quelquesdéfinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.2 Modéliseretsimuler,pourquoifaire? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.3 Commentfaire?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3 ModélisationetSimulationOrientéeAgent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.1 Méthodologiesdeconceptiondesimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.2 LesSystèmesMulti Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.3 LaSimulationOrientéeAgent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4 ProspectiveterritorialeetSimulationOrientéeAgent . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4.1 Laprospectiveterritoriale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4.2 Quelquesréalisationsdel’équipeSMARTduLIM . . . . . . . . . . . . . . 29
1.4.3travauxetréalisationsconnexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2 Lanotiond’émergence 39
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2 L’émergence? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.1 Positionnementetprécisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.2 Quelquesexemplessimplesetvisuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41vi Tabledesmatières
2.2.3 Histoire"récente"del’émergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3 Définitionsetclassifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.1 Définitionscélèbresetconceptstransversaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.2 Oppositionsetclassifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.4 Emergenceetsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.1 Emergenceetapprochesdemodélisationmulti niveaux . . . . . . . . . . 54
2.4.2 Emergenceetoutilsdesimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
II Propositionsconceptuelles,méthodologiquesetarchitecturalespourlaprise
encomptedel’émergencedanslesSOA 61
3 Voirl’émergencecommeuneméta connaissance 63
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2 L’émergence,uneméta connaissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.1 L’importanceducontexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.2 Laméta connaissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.3 Méta connaissanceetprocessusd’ingénieriedesconnaissances . . . . . . 67
3.2.4 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3 Prendreencomptel’émergencedansuneméthodologiedeconceptiondeSOA . 69
3.3.1 Versunepriseencomptedel’émergencesurleplanméthodologique. . . 69
3.3.2 RetoursurlesméthodologiesdeconceptiondeSOA . . . . . . . . . . . . 70
3.3.3 Quelleestlaplacedel’émergencedanscesméthodologies? . . . . . . . . 71
3.3.4 Méthodologiedeconceptiondesimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4 MéthodologiederéificationdesphénomènesémergentsdansuneSOA 77
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2 Réifierl’émergence:ladétecteretlamatérialiser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.1 Détection,matérialisation,réification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2.2 Troisquestioncomplémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3 Phasededétectiondesphénomènesémergents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.1 Veut ondétecterunphénomèneémergent? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.2 Commentestdéclenchéecettedétection? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.3 Aquelniveaudoitsefairecette? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.4 Bilanetanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4 Phasedematérialisationdesphénomènesémergents . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4.1 Lephénomèneémergentdoit ilêtrematérialisé? . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4.2 Aquelniveaudoitsefairecettematérialisationéventuelle? . . . . . . . . 86
4.4.3 Commentestdéclenchéecette? . . . . . . . . . 87

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