Couplage dynamique et passage à l'échelle de modèles socio-environnementaux complexes

Dynamic coupling and scaling of complex socio-environmental models

• Auteur / Autrice : Arthur Brugiere
• Direction : Alexis Drogoul, Ngoc Doanh Nguyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Date : Soutenance le 09/12/2025
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de modélisation mathématique et informatique des systèmes complexes (Bondy, Seine-Saint-Denis ; 2009?-....)
• Jury : Président / Présidente : Tuong-Vinh Ho
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Duboz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julie Dugdale, Rémy Courdier
• DOI : 10.70675/9abc5786za9f7z44a0z9cb2z86aa136bf692

Mots clés

Mots clés contrôlés

Agents intelligents (logiciels)

Modélisation des données (informatique)

Méthodes de simulation

Mots clés libres

Couplage

Modèle à base d'agents

Systèmes complexes

Passage à l'échelle

Coupling

Agent based model

Complex systems

Scaling

Résumé

Les systèmes socio-environnementaux présentent une complexité multi-échelle nécessitant des approches de modélisation capables de capturer simultanément des phénomènes opérant à différents niveaux d'organisation. Bien que les modèles à base d'agents multi-niveaux (ML-ABM) offrent un paradigme adapté, leur mise en œuvre pratique demeure confrontée à des défis méthodologiques concernant la coordination sémantique entre niveaux hétérogènes, la synchronisation spatio-temporelle, et la gestion dynamique des transitions entre échelles. Partant de l'étude de trois modèles représentatifs (ESCAPE pour la gestion des risques urbains, COMOKIT pour la modélisation épidémiologique, et SIMPLE pour l'éducation environnementale) et d'un état de l'art des systèmes socio-environnementaux, cette thèse développe un cadre méthodologique unifié pour la modélisation multi-niveaux au sein de la plateforme GAMA, transcendant les limitations des approches existantes de comodeling et de capture/release. L'originalité réside dans la réconciliation des paradigmes de couplage fort et faible via un langage unifié permettant de couvrir le continuum des design patterns multi-niveaux et de faciliter les transitions fluides entre ces patterns. L'usage de COMOKIT comme modèle fil rouge illustre concrètement l'application de cette approche unificatrice à travers l'intégration dynamique des niveaux micro, méso et macro au sein d'une simulation épidémiologique cohérente. La contribution s'articule autour de deux composantes~: un cadre de contraintes sémantiques formalisées assurant la cohérence conceptuelle des interactions inter-niveaux, et un système de coordination spatio-temporelle automatisée. L'implémentation prend la forme d'une extension du langage GAML offrant une syntaxe déclarative intuitive qui masque la complexité technique tout en préservant l'expressivité nécessaire

Socio-environmental systems exhibit multi-scale complexity requiring modeling approaches capable of simultaneously capturing phenomena operating at different levels of spatial and temporal organization. While multi-level agent-based models (ML-ABM) offer an appropriate paradigm, their practical implementation remains confronted with methodological challenges concerning semantic coordination between heterogeneous levels, spatio-temporal synchronization, and dynamic management of transitions between scales. Building from the study of three representative models (ESCAPE for urban risk management, COMOKIT for epidemiological modeling, and SIMPLE for environmental education) and a state-of-the-art review of socio-environmental systems, this thesis develops a unified methodological framework for multi-level modeling within the GAMA platform, transcending the limitations of existing comodeling and capture/release approaches. The originality lies in the reconciliation of tight and loose coupling paradigms through a unified language that covers the continuum of multi-level design patterns and facilitates fluid transitions between these patterns. The use of COMOKIT as a guiding thread model concretely illustrates the application of this unifying approach through the dynamic integration of micro, meso, and macro levels within a coherent epidemiological simulation. The contribution articulates around two components: a framework of formalized semantic constraints ensuring conceptual coherence of inter-level interactions, and an automated spatio-temporal coordination system. The implementation takes the form of a GAML language extension offering an intuitive declarative syntax that masks technical complexity while preserving necessary expressiveness.