Modélisation et Simulation des systèmes complexes spatialisés. Utilisation de Systèmes Multi-Agents et Multi-composant pour la gestion des pêcheries. - Université de Corse Pasquale Paoli Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Modeling and Simulation of complex spatialized systems.Use of Multi-Agent and Multi-component Systems for fisheries management.

Modélisation et Simulation des systèmes complexes spatialisés. Utilisation de Systèmes Multi-Agents et Multi-composant pour la gestion des pêcheries.

Résumé

The computer science research team at our university works in modelling and simulation to studycomplex natural systems in a holistic way.In this work, we have set ourselves the goal of using computer simulation as a virtual laboratory todesign a decision support tool in a multidisciplinary context.The focus of our work is to propose a generic executable model to allow decision support and to useit towards the modelling of a fishery system. We propose to apply our work to the management offish stocks in Corsica.This led us to the following approach: the first step is the representation of the complex system.For this we have looked for a paradigm to represent components within a hierarchical structurecapable of interactions and autonomous decision making.The agent paradigm lends itself very well to the representation of complex bio-economic systems.Then, the question of the robustness of the approach arose. For this purpose, we used the theory ofmodeling and simulation (TM\&S) proposed by B.P. Zeigler. In our case, the PDEVS formalism canbe considered as a unifying and pivotal formalism. It allows the inclusion of other concepts, we speakof multi-modeling.We complement it with the agent paradigm in order to benefit from itsexpressiveness and its ability to describe entities (the agents) simply, their mutual interactions, andthe environment in which they evolve. Finally, in order to respect a formal framework, essential to thepreliminary work of conceptualization, we use the DPDEMAS formalization proposed by R.Franceschini and already developed in our team. This formalization offers in its original form aninteresting analogy between a Multi-Agent System (MAS) and the PDEVS and DSDE models(dynamic version of PDEVS). We find a description of the agent from a body which models itsphysical representation in an environment, as well as from a mind which is the place of decisionmaking.This led us to consider the problem of decision making. The central issue was therefore to proposean executable model that is sufficiently generic to allow decision support and to use it in the case ofmodeling a fishery. To do so, we propose an approach that provides agents with bricks inspired bySoar. An optimization brick allowing to refine the agents' decisions. A reinforcement learning brickallowing agents to develop their knowledge in a given situation.We complete this description with a first didactic example before applying our approach to twoexamples of modeling a fishery system based on 50 years of data.The first example is a 5-component model to simulate scenarios with quotas.The second example is a 6-component model to simulate scenarios with quotas, and additionallytaking into account space and migrations between areas. Nevertheless, these two models only aimat validating our approach. Indeed, if thanks to these two examples, we obtain coherent resultsallowing us to validate their behaviour, these models are purely theoretical and do not represent thereality of the system sufficiently well to be used to assist in the management of fishery resources.The perspectives that we envisage in the future are on the one hand the integration of new learningand decision methods, to develop a fishery model more representative of the reality or to use ourapproach to treat other case studies.
L'équipe de recherche informatique de notre université travaille en modélisation et en simulation afin d'étudier de manière holistique les systèmes naturels complexes.Dans ce travail, nous nous sommes fixés comme objectif d'utiliser la simulation informatique comme éprouvette virtuelle afin de concevoir un outil d'aide à la décision dans un contexte pluridisciplinaire.L'enjeu central de notre travail est de proposer un modèle exécutable suffisamment générique pour permettre l'aide à la décision et de l'utiliser dans le cas de la modélisation d'une pêcherie. Nous proposons d'appliquer nos travaux à la gestion des stocks de poissons en Corse.Ceci nous a conduits à suivre la démarche suivante : la première étape est la représentation du système complexe. Pour cela nous avons cherché un paradigme pour représenter des composants à structure hiérarchique capables d’interactions et d'autonomie de décision. Le paradigme agent se prête très bien à la représentation de systèmes complexes bio-économiques.Ensuite, la question de la robustesse de l’approche s’est posée. Pour cela nous nous sommes rapprochés de la théorie de la modélisation et de la simulation (TM\&S) proposée par B.P. Zeigler. Dans notre cas, le formalisme PDEVS peut être considéré comme un formalisme unificateur et pivot.En effet, celui-ci permet d'inclure d'autres concepts, on parle de multi-modélisation. Nous le complétons notamment avec le paradigme agent afin de bénéficier de son expressivité et de sa faculté à décrire simplement des entités (les agents), leurs interactions mutuelles, ainsi l'environnement dans lequel elles évoluent. Enfin, pour respecter un cadre formel, indispensable au travail préalable de conceptualisation, nous utilisons la formalisation DPDEMAS proposée R.Franceschini et déjà développé dans notre équipe. En effet, cette formalisation offre dans sa forme originale une analogie intéressante entre un Système Multi-Agents (SMA) et les modèles PDEVS etDSDE (version dynamique de PDEVS). Nous y retrouvons une description de l'agent à partir d'un corps qui modélise sa représentation physique dans un environnement, ainsi qu'à partir d'un esprit qui est le lieu des prises de décision.Ceci nous a amené à nous pencher sur la problématique de la prise de décision. L'enjeu central était donc de proposer un modèle exécutable suffisamment générique pour permettre l'aide à la décision et de l'utiliser dans le cas de la modélisation d'une pêcherie. Pour cela, nous proposons une approche mettant à disposition des agents des briques inspirées de Soar. Une brique d’optimisation permettant d’affiner les décisions des agents. Une brique d'apprentissage par renforcement permettant aux agents de compléter leurs connaissances dans une situation donnée.Nous complétons cette description par un premier exemple didactique avant d’appliquer notre approche à deux exemples de modélisation d’un système de pêcherie basé sur 50 ans de données.Le premier exemple est un modèle à 5 composants pour simuler des scénarios avec quotas.Le second exemple est un modèle à 6 composants pour simuler lui aussi des scénarios avec quotas,avec en plus la prise en compte de l'espace et des migrations entre zones. Néanmoins, ces deux modèles, n'ont pour objectif que de valider notre approche. En effet, si grâce à ces deux exemples,nous obtenons des résultats cohérents nous permettant de valider leur comportement, ces modèles sont purement théoriques et ne représentent pas suffisamment bien la réalité du système pour pouvoir être utilisés en l'état pour aider à la gestion des ressources halieutiques.Les perspectives que nous envisageons par la suite sont d’une part l’intégration de nouvelles méthodes d’apprentissage et de décision, et d’autre part de développer un modèle de pêcherie plus représentatif de la réalité ou encore d’utiliser notre approche pour traiter d’autres cas d’études.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03683015 , version 1 (31-05-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03683015 , version 1

Citer

Paul-Henri Martelloni. Modélisation et Simulation des systèmes complexes spatialisés. Utilisation de Systèmes Multi-Agents et Multi-composant pour la gestion des pêcheries.. Modélisation et simulation. Université Pascal Paoli, 2021. Français. ⟨NNT : 2021CORT0016⟩. ⟨tel-03683015⟩
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