Une plateforme intégrée pour la construction et l'évaluation de modèles de simulation en géographie
Thèse de doctorat présentée par :
Sébastien Rey-Coyrehourcq
Sous la direction de Denise Pumain
et la co-direction d'Anne Ruas
13 octobre 2015
http://these.sebastienreycoyrehourcq.fr
Trajectoire
Maitrise informatique
(UPPA)
Master 2 Géomatique
(Paris 1, Paris 7, ENSG)
Modèles
Simpop
Thèse de géographie (Paris 1)
OpenMOLE
GeoDiverCity
SimPuzzle
SimFamilly
- 1 -
Modèle
SimpopLocal
Maitrise informatique
(UPPA)
Master 2 Géomatique
(Paris 1, Paris 7, ENSG)
Modèles
Simpop
Thèse de géographie (Paris 1)
Modèle
SimpopLocal
Contexte scientifique
Mathématique des
SD non linéaires
Automates cellulaires
Analyses statistiques
Système d'Information Géographique
Systèmes multi-agents
géographes et géomaticiens
Visualisation
- 3 -
... pourtant
plateforme
autonome
écart
Contexte scientifique
1980 - 2010
Campagnes d'explorations modèles
manuelles
Analyse de
sensibilité
Calibrage
... autres méthodes ...
contexte UMR
- 4 -
plateforme
autonome
(manuelle)
(manuel)
automatiser
mon projet
Une plateforme autonome
pour la construction et l'évaluation de modèles de simulation
en géographie
1993 - 2010
- 5 -
plateforme
autonome
mon projet
étend
capitalise
générique
appliquée
accessible
intègre
respecte
les pratiques
facilite
les technologies
2010
SimpopLocal
Clara Schmitt
Sébastien Rey-Coyrehourcq
- 6 -
plateforme
autonome
le cahier des charges initial
SimpopLocal
- 7 -
Théorie
Explications ?
plateforme
autonome
Thèse de Clara Schmitt
(2010 - 2014)
Une famille de
modèles parcimonieux
SimpopLocal
Mécanismes
Création
Partage
Dynamique de Croissance
Impact des innovations
Est-ce que les mécanismes d'innovations sont nécessaires et suffisants à la hiérarchisation du système ?
Dynamiques d'innovations
- 8 -
plateforme
autonome
enjeux de la plateforme
Répondre à la question thématique posée
Monter en généralité sur la méthodologie appliquée
- 9 -
plateforme
autonome
Calibrer puis explorer SimpopLocal
Construire SimpopLocal
OpenMOLE
GeoDiverCity
Modèle
SimpopLocal
plateforme intégrée
plateforme
intégrée
- 11 -
plateforme
intégrée
OpenMOLE
Composer des "chaînes de traitements"
parallélisables, reproductibles, flexibles, extensibles
( = workflows)
val i = Val[Double]
val res = Val[Double]
val exploration =
ExplorationTask(i in (0.0 to 100.0 by 1.0))
val model =
ScalaTask("val res = i * 2") set (
inputs += i,
outputs += (i, res)
)
val env = LocalEnvironment(4)
exploration -< (model on env hook ToStringHook())
plan d'expérience,
analyses sensibilités, etc.
Netlogo, Gama, etc.
Scala, R, Python, etc.
plateforme
intégrée
- 13 -
E
M
T0
T1
plateforme
intégrée
Quelles méthodologies pour la
construction et l'exploration ?
construction avec exploration manuelle
(1) inductive
(2) déductive
plateforme
intégrée
construction avec exploration systématique
simpopLocal
- 15 -
Tinkering de M. Resnick
- 16 -
Nécessaire mais insuffisante !
plateforme
intégrée
construction avec
exploration manuelle
autonomisation
acculturation
co-construction
SimpopLocal Netlogo
raisonnements biaisés
exploration limitée
calibrage impossible
- 17 -
( dès juin 2010 )
(stratégie 1 inductive)
recherche de patterns a posteriori
plateforme
intégrée
workflow
distribue
rapatrie
plan
d'expérience
- 30 réplications
- 5 paramètres
- discrétisation en 10 pas
3 Millions de graphiques
Incertitude, et calibrage a posteriori du modèle difficile
100 000
graphiques
résumés
- 18 -
plateforme
intégrée
(stratégie 1 inductive)
recherche de patterns a posteriori
Mathieu
Leclaire
Romain Reuillon
Que voulez-vous mesurer / observer et
prouver / réfuter
exactement avec
SimpopLocal ?
logique d'exploration inverse
- 19 -
plateforme
intégrée
(stratégie 2 déductive)
recherche de patterns a priori
On évalue la capacité du modèle (structure, paramètres) à produire des données ou des faits stylisés (patterns) mobilisés a priori
modèle
(mécanismes, paramètres)
données et faits stylisés
formaliser la
question !
- 20 -
plateforme
intégrée
(stratégie 2 déductive)
recherche de patterns a priori
déterminer et implémenter les fonctions objectifs
- 21 -
plateforme
intégrée
(stratégie 2 déductive)
recherche de patterns a priori
valeurs paramètres
mécanismes
condition initiale
connaissances
SimpopLocal
Objectifs
réplications
problème d'optimisation
paramètres
possible ?
impossible ?
comment ?
combien ?
bug ?
- 22 -
plateforme
intégrée
(stratégie 2 déductive)
recherche de patterns a priori
plateforme
intégrée
construire le framework MGO
refonte architecture
implémentations
AE
canoniques
composants
Framework MGO
dépend
?
?
Décomposition
Algorithmes Evolutionnaires (AE)
[Odersky 2005]
" Cake Pattern "
- 24 -
Expression des dépendances
Flexibilité
Compatibilité OpenMOLE
plateforme
intégrée
faire dialoguer
MGO et OpenMOLE
~ 400 lignes de code !
accessible
appliqué
générique
solutions spécifiques
algorithmes EA adaptés
robuste
support d'innovation
reproductible
- 25 -
Encapsulation
Simplification
plateforme
intégrée
~ 30 lignes
Workflow EA générationel ou steady state
Résultats
Half a billion simulations: evolutionary algorithms and distributed computing for calibrating the SimpopLocal geographical mode
EPB 2015
ouvre la voie à des nouveaux AE
- 26 -
plateforme
intégrée
réconcilie construction et exploration systématique
Clara Schmitt,
Sébastien Rey-Coyrehourcq,
Romain Reuillon,
Denise Pumain
accessible aux géographes
générique
un "mur" épistémologique
modèle
(mécanismes, paramètres)
données et faits stylisés
- 27 -
choix
choix
Connaissances ?
équifinalité
dilemne observationnel
auto-organisation
plateforme
intégrée
[Batty 1976]
[Bertalanffy 1949]
[Ashby 1947]
sous-détermination
[Prigogine 1969]
[Quine 1953]
[Foerster 1960]
écart
SimPuzzle
SimFamilly
Bifurcation épistémologique
Des discussions interdisciplinaires récentes ...
à celles d'ancrages plus anciennes ...
[Bulle 2005]
[Richardson 2002]
[Amblard 2006]
[Livet 2014]
[Phan 2010]
[OSullivan 2014]
[Grimm 2005, 2014]
[Millington 2012]
[Batty 2001, 2005]
[Augusiak 2014]
[Premo 2007, 2010]
[Naylor 1967, 1969, 1972]
[Hermann 1967]
y compris en géographie ...
[Forrester 1969 ]
[Batty 1976]
[Guetzkow 1972]
[Marble 1972 ]
[Sanders 2013]
[Dutton1971]
[Beshers 1965]
[Gilbert 2009]
[Varenne 2001, 2013, 2014]
...
[Rouchier 2013]
[Manzo 2005, 2014]
récurrences historiques
enjeux méthodologiques et techniques, passés et à venir
Investir pleinement la littérature de la "Validation"
- 29 -
histoire
épistémologie
Bilan
expliciter l'équifinalité
Epistémologique
sortir de la logique de preuve
[Cottineau 2014]
reproductibilité du raisonnement
formaliser autrement les théories
dimension collective de l'évaluation
- 30 -
systématiser l'évaluation
réintégrer le poids du temps
multi-modélisation
automatiser l'évaluation
construire = évaluer
conséquences
histoire
épistémologie
SimPuzzle
SimFamilly
Expansion des axes
de développements
reproductibilité, passage à l'échelle
multi-modélisation
construction et
évaluation
automatique
MGO
Algorithmes
Visualisation
grille de calcul
- 31 -
histoire
épistémologie
Slides supplémentaires
Mon rôle initial
GeoDiverCity
ISC-PIF
ERC
Sébastien
Rey
Mathieu
Leclaire
Romain
Reuillon
Cyril
Jayet
Benjamin Bernard
Thomas
Louail
Robin
Cura
Clara
Schmitt
Denise
Pumain
Arnaud
Banos
Un contexte doublement favorable
Collaboration Geographie-cités et Institut des Systèmes Complexes Paris Ile de France
ERC GeoDiverCity
accès aux ressources ISC-PIF
investissement UMR
-7-
Multiplication des collaborations
Collaborations cumulées 2010 - 2015
- 9 -
Plateforme Intégrée
- 29 -
histoire
épistémologie
Axe construction
Axe exploration
développements
Soutenance de thèse v3
By sebastien rey coyrehourcq
Soutenance de thèse v3
- 1,092