Analyse de graphes état-transition d'écosystèmes à l'aide de model-checking

Analysis of state-transition graphs of ecosystems using model-checking

• Auteur / Autrice : Colin Thomas
• Direction : Franck Pommereau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 12/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Informatique, Biologie Intégrative et Systèmes Complexes (Evry, Essonne) - Informatique- BioInformatique- Systèmes Complexes / IBISC
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Informatique et sciences du numérique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Hanna Klaudel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Largouët, Isabelle Boulangeat, Serenella CERITTO, Loïc Paulevé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Largouët, Yann Thierry-Mieg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vérification de modèles (informatique)

Modèles écologiques

Écosystèmes

Mots clés libres

Graphes état-Transition

Model-Checking

Arctl

Équité

State-Transition graphs

Ecosystems

Model-Checking

Arctl

Fairness

Résumé

Cette thèse présente des méthodes formelles pour la modélisation d'écosystèmes et l'analyse des graphes état-transition résultants à l'aide de model-checking. Tout d'abord, nous introduisons le concept de graphe état-transition d'écosystème qui, bien qu'étant nouveau, capture une longue histoire de représentations disparates de la dynamique d'écosystèmes sous forme de graphes. Ensuite, nous proposons une méthode d'analyse basée sur le partitionnement des états grâce au model-checking, qui résulte en une représentation hybride explicite/symbolique appelée graphe de composantes. Cette méthodologie est implémentée dans ecco, une boite à outil développée en Python pour la modélisation et l'analyse formelle d'écosystèmes. Cette approche est illustrée par deux études de cas: les changements de végétation de la région du Borana en Éthiopie, et l'assemblage de communautés de protistes. Ces deux études de cas sont limitées par le fait que l'on voudrait que certains événements, par exemple des changements de scénarios de gestion ou des invasions d'espèces, ne se produisent que d'une manière contrôlée. Cette limitation peut être surmontée grâce à ARCTL, une extension de CTL qui permet de restreindre les actions autorisées au cours de la formule. Nous étendons ARCTL avec la notion d'équité, ce qui résulte en FARCTL, et nous fournissons un algorithme symbolique pour le model-checking de FARCTL qui est implémenté dans ecco. Enfin, nous appliquons FARCTL aux deux études de cas, pour examiner les conséquences des changements de scénarios de gestions, et les conséquences d'invasions d'espèces.

This thesis presents formal methods for the modelling of ecosystems and the analysis of their state-transition graphs using model-checking. First, we introduce the concept state-transition of ecosystems graph that, while being a novelty, captures a long history of disparate representations of the dynamics of an ecosystem as a graph. Then, we propose an analysis methodology based on the partitioning of the states using model-checking, which results in hybrid explicit/symbolic representation called component graph. This methodology is implemented inside ecco, a Python toolbox developed for the formal modelling and the analysis of ecosystems. This approach is exemplified in two case studies: vegetation changes of the Borana Zone in Ethiopia under diverse management scenarios, and protists community assembly. Both case studies are limited by the fact that we would want some specific events, for example changes in management scenarios or species invasions, to occur only in a controlled manner. This limitation can be overcome using ARCTL, an extension of CTL that allows to restrict the set of enabled actions along a formula. We extend ARCTL with fairness constraints resulting in FARCTL, and provide a symbolic model-checking algorithm for FARCTL that we implemented inside ecco. Finally, we apply FARCTL to both case studies, to investigate the consequences of shifting between management scenarios, and to look for specific invasion behaviours.