HighPasm WP3

"Some highlights about ABM modelling in quantitative geography &
the example of Lascar model"

Romain Reulier

Sébastien Rey Coyrehourcq

Rouen

09/06/2023

from definitions ...

To an observer B, an object A* is a model of an object A to the extent that B can use A* to answer questions that interest him about A

Many definitions ... static or dynamic

En construisant un modèle (model building), on crée une représentation idéalisée de la réalité afin de faire apparaître certaines de ses propriétés

[Minsky 1965]

[Hagget 1965]

"le terme de modélisation désigne à la fois l’activité pour produire un modèle et le résultat de cette activité" .

[Langlois 2005]

Le concept de modélisation est donc « [...] plus large que celui de modèle, car il recouvre l’activité humaine qui aboutit au modèle achevé, alors que le modèle est un objet (concret ou abstrait), volontairement dépouillé de l’activité qui l’a créé »

Modelling ? Simulate ?

=> Modelling is an incremental process that links peoples and tools (Socio-Technical System)

un objet médiateur qui a pour fonction de faciliter une opération cognitive dans le cadre d’un questionnement orienté, opération cognitive qui peut être de cognition pratique (manipulation, savoir-faire, apprentissage de gestes, de techniques, de conduites, etc.) ou théorique (récolte de données, formulation d’hypothèses, hypothèses de mécanismes théoriques, etc.)

"simplifying" or "facilitate" ??

[Varenne 2013]

ce n’est pas tant « le modèle » que ce qu’il y a « dans le modèle » qui nous intéresse

[Sander 2000,  Besse 2000]

Puisque l’usage du modèle est relatif (à un observateur et à un questionnement), on ne peut dire que le modèle doit être un objet simple en lui-même ou dans l’absolu. Il convient donc de regarder sous quel aspect exactement il doit apparaître simplificateur, sous quel aspect il devient un outil facilitateur, un outil de facilitation. [...] on comprend déjà qu’un modèle n’est pas ce qui est recherché en tant que tel, mais ce qui facilite la recherche d’information au sujet d’un système réel ou fictif [...] Il est le moyen plus que la fin.

[Varenne 2008]

Modelling ? Simulate ?

un objet médiateur qui a pour fonction de faciliter une opération cognitive dans le cadre d’un questionnement orienté, opération cognitive qui peut être de cognition pratique (manipulation, savoir-faire, apprentissage de gestes, de techniques, de conduites, etc.) ou théorique (récolte de données, formulation d’hypothèses, hypothèses de mécanismes théoriques, etc.)

multiple emergent goals

[Varenne 2013]

~ 20 epistemic functions

=> performance ; parcimony ; compressing information ; understanding ; pedagogy ; co-construction ; etc ...

Lot of french books on this subjects

Modelling ? Simulate ?

... to historical practices

from definitions ...

1950

1980

Hägerstrand, Marble, Pitts, etc.

 

Pumain, Sanders, etc.

Guermond, Langlois, etc.

Chamussy, Le Berre, Uvietta, etc.

 

Forrester

pioniers

pivot

1970

Wilson

Batty

Ackerman, Chorley, Hagget, Berry, etc .

Prigogine, Allen,

Sanglier, Haken, etc..

conceptuel

technique

1990

Couclelis,

Tobler,etc.

Epstein, Doran, etc.

Influences répétés du projet systémique (Von Bertallanfy et cie.)

open systems, retro-action, self-organization, equifinality, bifurcation, etc.

[Pouvreau 2013]

 ~ 1980 en France

Agent Based Modelling

[Rey-Coyrehourcq 2015]

Cellular Automata

non linear Dynamical Systems

Historiques des pratiques

Non linear Systems Dynamics

Cellular Automata

Agent Based Models

game of life

ant foraging

predator-prey

encapsulate

One formalism to bring them all together

More than twenty year of litterature ...

Src : Heppenstal, 20 years of geocomputation 2016

ABM in geography ?

Exchange messages

Think ...

Look and perceive

Evolve into an environnement

Act on environnement

(more or less ...)

[Ferber 1999, Drogoul 2009]

Building and playing with Agents that Interact on Environment at different Scale : "Virtual Laboratory"

Agent-based modelling ?

City

Ants

Mosquito

People

Tree

[Drogoul Treuil 2008]

More a meta-model than a model ...

flexibility of representation & nested scaling !

Agent-based modelling ?

Simple rules can produce complex emergent phenomena with simulation

Complexity Theory and Artificial Intelligence
( auto-organization & emergence)

Complex Systems

KISS

KIDS

Stylised

Particular

[Sanders & Banos 2011, 2013, Banos 2013]

A wide range of practices

few rules

lot of rules

simple space

realistic space

to answer a large variety of questions ...

more examples bottom

Focus on Lascar ABM

Exemples SMA

GAMA (gaml)

Netlogo (logo)

plateformes SMA
ou java/scala

Exemples

KISS

KIDS

Stylisé

Particulier

MicMac

"épidémiologie"

MicMac

[Banos et al. 2015]

agents = personnes & avion & villes ; couplage avec ODE
4 stratégies à explorer
2 objectifs à minimiser (écon. vs épi.)

pas de données

Question : Quel est la combinaison de stratégies (quarantaine, évitement, responsabilisation ind., protection ind.) qui permet de limiter à la fois les pertes économiques, et la diffusion de l'épidémie dans un tel système ?

~ 5/10 minutes d'exécution
1 simulation par CPU

MicMac

[Banos et al. 2015]

KISS

KIDS

Stylisé

Particulier

M03

épidémiologie

MicMac

Mo

[Maneerat et al. 2017]

3

agents = moustiques & nids
résolution inf. 1m
exécution : + 12 heures

+ 50 paramètres
1 simulation = 1 cpu
16 Go Ram
DOE :
LHS sur grille EGI
500000 sim, ~20 ans calculs

Objectif : Comprendre et lutter contre l'émergence et la diffusion de la Dengue dans les milieux urbains

Moma

Mode

Momos

Micro

Macro

[Misslin 2017]

résolution 30m,
ville entière

 

[Daudé et al. 2017]

[Cebeillac et al. 2017]

résolution inf. 1m, quartier 10km²

paysage synthétique
 

agent: individu mobile avec agenda

résolution 30m,
ville entière

 

données: twitter

modèle
surrogate

exploration

exploration

indice env.
 

2011 & 2019

ou ?

comment ?

quand ?

KISS

KIDS

Stylisé

Particulier

SimpopLocal

ATP

5AD

M03

ESCAPE

risques & santé

HUME

SimFeodal

MicMac

Escape

Objectif : Le projet ESCAPE a pour objectif de développer un système d’aide à la modélisation et à la simulation d’évacuation de villes afin d’évaluer des scénarios de gestion de crise.

[Daudé et al. 2019]

2016

Trois démonstrateurs :

Rouen (risque tech),

Hanoï et val d’Authion (risque nat)

agents: automobiles, bus, piétons, organisations, etc.

mécanismes: pop synthétique, agenda, multimodalité, arbres décisions, etc.

données : traffic (voiture, transports en communs), Insee, EMD, etc.

1 simulation = 1 coeur
~ 8/16 Go Ram
+30 minutes

KISS

KIDS

Stylisé

Particulier

5AD

géo. santé

MicMac

M03

5Ad

[Cottineau et al. 2020, à paraitre]

~ 25 minutes d'exécution
~ 3 Go ram par simulation
1 core, mais multithreading possible
test :
100.000 execution
calibrage: 200.000 executions

 

% personnes en bonne santé

agents: personnes / 8.16 M agents mobiles, en interaction
espace: IDF à 1km x 1km

données: nombreuses, et à différentes dates (NPPS, CSP 18 catégories, OD, baromètre santé, etc.)

mesure d'inégalité entre les extrême des groupe d'éducation à sexe et âge égal

1 modèle changement d'opinion
5 paramètres

3 objectifs à minimiser
4 scénarii de mobilité (random, données, etc.)

Etudier l'effet de la segregation sociale dans l'évolution des comportements de santé sur une journée type de 24h.

Question :  Arrive-t-on à reproduire de façon cohérente les données et l'inégalité de comportement de santé en fonction des groupes sociaux ?

KISS

KIDS

Stylisé

Particulier

SimpopLocal

archéologie

5AD

M03

MicMac

SimpopLocal

Question : La production et la diffusion de l'innovation
est il un mécanisme nécessaire pour produire une hiérarchisation crédible du système de peuplement en 4000 ans au néolithique ?

agents: villes & innovations
7 paramètres libres
4 mécanismes
très peu de données en entrée/sorties

1 loi empirique à reproduire

Espace

système de peuplements

src :

SimpopLocal

SimpopLocal

1 simulation = 1 coeur
1 Go Ram
~ 5/10
minutes d'exécution
500 millions de simulation
eq. 20 ans de calculs
4000 cpu EGI Biomed

Calibration

Analyse de sensibilité

NSGA 2 - Ilôts

CP-Profile

1 simulation = 1 coeur
1 Go Ram
~ 1/2
minutes d'exécution
eq. 12 ans calcul par profil
15 jours de calculs (profil x 6)
4000 cpu EGI Biomed

[Schmitt et al. 2015]

[Reuillon et al. 2015]

réécriture modèle

1 objectif : f = max(01,02,03)

3 objectifs : (temps, forme, taille)

obj. f est impossible si 0 innovations

KISS

KIDS

Stylisé

Particulier

SimpopLocal

SimFeodal

5AD

M03

archéologie

MicMac

SimFeodal

Objectif : Il s’agit de simuler les transformations du système de peuplement Nord-Ouest européen entre 800 et 1100, période de transition d’un système majoritairement dispersé à un système hiérarchisé et polarisé.

interdisciplinarité

src :

SimFeodal

Un pas de temps de simulation (i.e. une itération du modèle) représente une durée de 20 ans, ce qui correspond approximativement à la durée de vie d’une génération à l’époque médiévale.

KISS

KIDS

Stylisé

Particulier

SimpopLocal

ATP

5AD

M03

archéologie

SimFeodal

MicMac

Rin ATP

1 simulation = 1 coeur
1 Go Ram
~ 20
minutes d'exécution

... campagne en cours ...

Objectif : Simuler pour mieux comprendre les règles de  circulation des archéomatériaux (craies) depuis les carrières jusqu'aux sites de construction, en Normandie, entre le 11ème - 15ème siècle

agents: carrières et sites
espace :



données : très peu, fait stylisés & ordre de grandeurs
observable : volume par type de matériaux par type de batiments

processus

ordre de grandeurs

acteurs / objets

modèle(s)

simulation(s)

interdisciplinarité

Rin ATP

Modèle incrémental : complexification progressive des axes (espace, carrieres, monuments) pour mesurer le poids de chaque hypothèse sur les sorties du modèles.

Exploration (en cours) :
- distance moyenne parcourue par les archéomatériaux => quel paramètres pour quels patterns de distribution ?
- Calibrer distance moyenne obs. vs. simulé => quel paramètres produisent les meilleurs résultats ?

Rin ATP

interdisciplinarité

distribution "besoins"

distribution qté de batiment prioritaires

distribution qualité craie par carrières

distribution besoins pour les monuments

distribution de la capacité des carrière

population de monuments et de carrières

KISS

KIDS

Stylisé

Particulier

SimpopLocal

ATP

5AD

M03

HUME

SimFeodal

Kites

archéologie

MicMac

Desert Kites (wip)

Objectif : Modèle exploratoire pour mieux comprendre et évaluer les modes de chasses tenant compte de la morphologie des Desert kites.

Axes de complexification :
- Gazelle => algo. spécifique
- Chasseurs
- Espace

src :

KISS

KIDS

Stylisé

Particulier

SimpopLocal

ATP

5AD

M03

HUME

SimFeodal

Kites

Gerhaies

géormophologie

MicMac

GerHaies (revival)

Objectif : Explorer l'impact de différente stratégies de gestion sur l'évolution du linéaire de haies dans le territoire Normand

agents: Haies & Exploitants
2 indicateurs d'évolution
4 modes de gestion
Données
réelles raster

 

Représentation multi-faces de chaque haie

KISS

KIDS

Stylisé

Particulier

Colodyn

Colodyn

Objectif : Explorer les processus qui conduisent un espace initialement vierge de toute présence humaine à se peupler sous l’effet d’un flux migratoire. L’objectif est d’explorer les effets de différents paramètres et de différentes situations initiales sur la configuration spatiale et le rythme du peuplement. Le processus central est celui de la migration.

Un flux de groupes migrants pénètre l’espace (grid of Cell) par le nord-ouest.

 

Ces groupes exploitent les ressources des cellules sur lesquelles ils sont localisés.

 

Face à une pénurie de ressources, le groupe se déplace.

ex : " Out of Africa"

Colodyn

moving strategy (II)

min energy

avoid competition

max energy

moving strategy (I)

Colodyn

Continuous

Front

Diffuse

R = 25

H = 30

M = 10

R = 1

H = 150

M = 10

R = 2

H = 90

M = 120

neolithic agriculture propagation

Amazonie pioneer front

Australia colonization at pleistocene

KISS

KIDS

Stylisé

Particulier

Colodyn

HUME

HUME

Objectif : Explorer les processus qui conduisent un espace initialement vierge de toute présence humaine à se peupler sous l’effet d’un flux migratoire, et cela dans un contexte de perturbations environnementales. L’objectif est d’explorer les effets de différents paramètres et de différentes situations initiales sur la configuration spatiale et le rythme du peuplement. Le processus central est celui de la migration

(HUman Migration and Environment)

Un flux de groupes migrants pénètre l’espace (représenté par une grille) par le nord-ouest. Ces groupes exploitent les ressources des cellules sur lesquelles ils sont localisés. Face à une pénurie de ressources, le groupe se déplace mais il a aussi une certaine probabilité d’innover qui lui permet de survivre tout en prélevant moins de ressources.

HUME

(HUman Migration and Environment)

src :

Agent-based approaches are also employed in physical geography !!

Observe the interactions between a phenomenon and space (spatial relations)

 

Modification of the phenomenon according to geographical objects

 

Modification of geographical objects according to the phenomenon

 

Management of spatial and temporal scales

 

Help in understanding spatial structures

 

Helping to understand and contextualize the simulation for decision-makers in a prospective approach

Agent-based approaches are also employed in physical geography !!

  • Agents are designed to mimic physical components of geographical systems (ie. geomorphology or hydrology)

 

  • In these cases, agents often represent elementary particles in a physical system. Their ‘agency’ may be described in terms of the physical factors that determine their state, as in phase transition (ie: ice, vapor and water)

Not a state of the art, just a few examples

Paul M. Torrens, 2010

Physical processes with CA & ABM

Rules may also be derived to explain how agents interact at small geographies to determine larger systems, such as the interactive behavior of :

  • snowflakes in blizzards (Kronholm and Birkeland 2005)
  • rock particles in sediment flow (D’Ambrosio et al. 2003; Vandewalle and Galam1999).

 

 

Use of agent-based modeling to explore the interactions of ‘humans’ as agents within physical environments and as agents of change – particularly regarding coupled human-natural systems (Balram and Dragic´evic´ 2003) and issues such as

  • landscape erosion (Wainwright and Mulligan 2004),
  • deforestation (Wainwright and Mulligan 2004), and
  • land cover change (Veldkamp and Lambin 2001) – within those environments is growing in popularity.

Physical processes with Netlogo

Physical process model with NetLogo

An Agent-Based Model of Mediterranean Agricultural Land-Use/Cover Change for Examining Wildfire Risk

James Millington et al. 2008

S. Caillault

Local fire spread with 3 constraints:

Functioning and data at initialization :

Fire spread

S. Caillault

real

simulated

Simulation par Automate Cellulaire et Système Multi-Agents des conséquences du changement climatique sur l’aire de distribution de Pinus Cembra dans le Mercantour / Simulation by Cellular Automata and Multi-Agent System of the consequences of climate change on the distribution area of Pinus Cembra in Mercantour
Matthieu Vignal, Julien Andrieu, 2016

Simulation par Automate Cellulaire et Système Multi-Agents des conséquences du changement climatique sur l’aire de distribution de Pinus Cembra dans le Mercantour / Simulation by Cellular Automata and Multi-Agent System of the consequences of climate change on the distribution area of Pinus Cembra in Mercantour
Matthieu Vignal, Julien Andrieu, 2016

Reulier, 2019

  • Software agents that follow hydrological rules
  • Agents are able to move over a surface
  • The agent can uses probability theory to decide its movement
  • The life history of each agent is stored and can be analysed using GIS

 

  • Separation of the environment generator and the agent population
  • The environment for the agent can be generated by a hydrological model

Lascar

LandscApe StruCture And Runoff

Treuil, Servat, Reaney

Physical processes with CA & ABM

Random                                                   structured

Snow avalanche with cellular automata model

Discretization of water flows by ABM

Servat, 1998

Geomorphological process by CA

Chase 1992

Kronholm and Birkeland, 2005

Reulier, 2019

Lascar

Study interaction between landscape organization and hydro-sediment transfers

Lascar

[Reulier, 2015 ; Reulier et al. 2019]

Question : what effects of landscape organization to the hydrological connectivity ?

~ 5/10 minutes d'exécution
 

Fryirs et al., 2007

Lascar

[Reulier, 2015 ; Reulier et al. 2019]

Complexity

Diachronic

NETLOGO / GIS complementarity

NetLogo can read geographic data in different format

 

Vectoriel (point, ligne, polygone) de type shapefiles (shp)

Raster (.asc et .grd)

“Geographers’ work with ABMs has helped to strengthen existing ties with related disciplines such as computer science and informatics, ecology, sustainability science, economics, anthropology, political science and the earth sciences.

 

 

Primarily because of the value placed on spatial science and behavioral geography in agent-based modeling, work of this kind is helping to infuse geographical perspectives and ‘spatial thinking’ into these fields. »

Paul M. Torrens, 2010

  • is old in geography and SHS
  • is multi-paradigm (non linear SD, CA, ABM)
  • is linked to complex-system theory
  • works perfectly with human and physical objects / process
  • is an incremental and dynamic process which ...
  • ... organise the "facilitation" of reality in order to ...
  • ... answer needed researchs questions

How to proceed ?

In Brief ...

create simulation models

in a nutshell

specific, complementary,  and/or ambiguous vision of reality

Un contexte inter-disciplinaire

geographes

historiens

Ex : SimFéodal

[Cura et al. 2017]

Conceptual models

Entity

Interaction

SPACE

+ and +

... to build "Systems" answering questionS

... focus on

Sub-Systems to answer one question

Using simple words ...

... in space, time and point of view using a "virtual laboratory"

Discuss

Choosing rules, interaction between rules, observables, stylized facts, etc.

Organizing and discuting hypothesis

integrate

SIMULATEUR

 

substrat silicium

"reconstruction"

... in space, time and point of view using a "virtual laboratory"

Organizing and discuting hypothesis

?

?

?

!

... in space, time and point of view using a "virtual laboratory"

Organizing and discuting hypothesis

research question

... in space, time and point of view using a "virtual laboratory"

Organizing and discuting hypothesis

"The general idea of POM (Pattern Oriented Modelling) is to use multiple observed patterns as indicators of a system’s internal organization. Trying to reproduce such patterns with our ABMs makes us decode the internal organization of the real system.  The point of POM is to consciously think in terms of pattern, regularities or stylized facts right from the beginning and to select model structure accordingly."

Railsback et Al. 2012

internal mechanisms

patterns multiples

... a good way to think ABM building and evaluation

round trip

German School in Ecology

[ see all Volker Grimm works ]

You should always start with
“null theories”

1-  START with a null functional model

2 - Test the benefice of each new hypothesis to progress

"null"

"medawar Zone"

SURPRISE !

German School in Ecology

... a good way to think ABM building and evaluation

[ see all Volker Grimm works ]

Choices

generate paths / models ...

which could lead to the same pattern(s)

1

2

(    )

(    ,    )

[Grimm2016, Cottineau2016]

Equifinality

simulated patterns

p1 cluster

p2 densités

p3 attribut

Path Dependency ?

a) Organize the confrontation between points of view

c) Organize "surprise" by observing gap between patterns simulated vs patterns observed

d) Find bugs and limit case

b) Explain the path / the choice you take during construction, for you, your team, and all others !

Building models absolutly need a systemic exploration to ...

So What ?

Ok, i see. But how i organize all of this in order to reproduce, to discuss with others ?

[Cottineau2014, Rey2015, Cottineau2015, Cottineau2020, ...]

RBB (Reusable Building Block )

 Better thinking modelling process ?

Incremental Modelling

Model familly

versions

Environnement

Thematic

0

3

0

1

2

2

2

2

0

Mise en oeuvre ?

“Building an automated modelling system (AMS) to explore a universe of spatial interaction models”, Openshaw 1988

The strategy of model building in biology, Lewins R., 1966

“From data crunching to model crunching: the dawn of a new era”, Openshaw 1983

HPC (High Performance Computing)

Paradigmes informatiques

Temps  !  & Ingénieurs ?

[Rey2015, Cottineau2016, ...]

Applying this methodology to Cyprus ...

... a proposal to discuss :D :D

Different axis of complexification

Climate

Land-use

C0

C1

C2

LU0

LU1

LU2

Different axis of complexification

Places & Networks

Agriculture

A0

A1

A2

P0

P1

P2

Different axis of complexification

Epidemy emergence dynamics

Fighting diseases

F0

F1

F2

E0

E1

E2

Familly of models based on

Epidemics

Fighting

F0

F1

F2

E0

E1

E2

Places & Networks

Agriculture

A0

A1

A2

P0

P1

P2

Climate

Land-use

C0

C1

C2

LU0

LU1

LU2

... a wide range of combinations !

x

x

x

x

x

729 models

possible

impossible

interesting

not interesting

Familly of models

... that imply a complex chain of dependencies

Modules needs to work : Parameter (P), Empirical Data (ED) to activate new Mechanism (M)

F1

F0

>= LU1

>= A2

>= E1

LU1.ED: land-use raster & scale ?

LU1.ED: amenities location

F0.M: draining how-to ?

F1.M: biological fighting how-to ?

E0.ED: density threshold ?

E1.ED: water infection threshold ?

E1.M: epidemics how-to (space, time ) ?

F1.ED: fish number / efficiency ?

F0.ED: draining by land use strategy ?

LU1.ED: amenities water capacity

F1 need F0, because we start fighting with draining and after that we use biological way.
F0 and F1 need management of land-use, starting in our roadmap at LU1 model.
F1 need E1 because we need amenities in the model to fight using fish
F1 need A2 because well are justified by the existance of amenities for agriculture

A2 need LU1 because we need complex land use to justify agriculture with amenities

F1 works with any Climate or Places modules.

LU1.M : land-use location how-to ?

LU1.ED: land-use switching strategy

LU1.M : land-use evolution how-to ?

F1.ED: fighting allocation strategy ?

A2.ED: impacting water quality / quantity by land use ?

A2.M: water consumption (space, time ) ?

E1.ED: number of decease by event ?

Validity of these assumptions over different period of time ?

+amenities

+ water

+ complex land use

need

need

need

need

need

Complexification roadmap

model

observable(s)

empirical data

F0

E0

A0

P0

C0

LU0

climate hom. s  / het. t

one landuse

cities

Ø

densities

Ø

null model

observable

empirical data

Fx

Ex

Ax

Px

Cx

LUx

Ox_sim

EDx

generate

extracted

needed

extracted from

parameters + values

Px

Ox_ed

vs

?

 ?

Generic Template for each step of complexification ...

STEP 0 : Building the Null Model !!

HighPasm ABM

By sebastien rey coyrehourcq

HighPasm ABM

  • 135