Une plateforme intégrée pour la construction et l'évaluation de modèles de simulation en géographie
(2010 - 2015)
Sous la direction de Denise Pumain
et la co-direction d'Anne Ruas
http://these.sebastienreycoyrehourcq.fr
UMR IDEES Rouen
Séminaire d'équipe
17 décembre 2015
Trajectoire
Maitrise informatique
(UPPA)
Master 2 Géomatique
(Paris 1, Paris 7, ENSG)
Modèles
Simpop
Thèse de géographie (Paris 1)
OpenMOLE
GeoDiverCity
SimPuzzle
SimFamilly
Modèle
SimpopLocal
Maitrise informatique
(UPPA)
Master 2 Géomatique
(Paris 1, Paris 7, ENSG)
Modèles
Simpop
Thèse de géographie (Paris 1)
Modèle
SimpopLocal
+ 20 fonctions différentes
modèle ~= modèle de simulation
simplification ou facilitation ?
modèle (fin) ou "contenu et fonctionnement interne" du modèle (moyen) ?
modélise pour une question
( voir les travaux de Phan, Varenne, Livet, etc. )
substrat informatique
empirie "second genre" != réalité
EqDiff
Objets
Stocks
émergence multiples fonctions
(performance ? parcimonie ? compression ? compréhension ? co-construction ? ... )
"reconstruction" du réel
dynamique complexe
" choix "
simulation
choix d'échelles et de représentations (processus, entités)
critères
paramètres
choix rapport à la
réalité
Modéliser, Simuler, pourquoi ?
plateforme
autonome
> LABORATOIRE VIRTUEL <
données
Fil rouge présentation
surprise = attendu vs résultats
résultats
Simulation en géographie ?
1950
1980
Hägerstrand, Marble, Pitts, etc.
Pumain, Sanders, etc.
Guermond, Langlois, etc.
Chamussy, Le Berre, Uvietta, etc.
Forrester
Pionniers
Charnières
1970
Wilson
Batty
Ackerman, Chorley, Hagget, Berry, etc .
Prigogine, Allen,
Sanglier, Haken, etc..
conceptuel
technique
1990
Couclelis,
Tobler,etc.
Epstein, Doran, etc.
Influences multiples et répétées du projet systémique (Von Bertallanfy et cie.)
systèmes ouverts, rétro-action, auto-organisation, équifinalité, bifurcation, etc.
[Pouvreau 2013]
plateforme
autonome
~ 1980 en France
Contexte scientifique
Mathématique des
SD non linéaires
Automates cellulaires
Analyses statistiques
Système d'Information Géographique
Systèmes
multi-agents
Visualisation
plateforme
autonome
" Boite à outils "
... pourtant sur certains aspects liés à l'exploration des simulations ...
Contexte scientifique
plateforme
autonome
écart
Pourquoi ?
- accès aux ressources de calculs ?
- cloisonnement disciplinaire ?
- arrivée de la micro informatique ?
- niveau informatique des géographes ?
- résultat décevants et/ou ressources insuffisantes ?
- etc.
[REY 2015 p 222 travail en cours ...]
constat qui touche (encore)
toute la géographie (et les SHS)
Contexte scientifique
Campagnes d'explorations modèles
manuelles
Analyse de
sensibilité
Calibrage
Plan d'expériences
plateforme
autonome
automatisation
Toujours est-il qu'entre 1980 - 2010 ...
+fiabilité
-temps
-erreurs
mon projet
Une plateforme autonome
pour la construction et l'évaluation de modèles de simulation
en géographie
1993 - 2010
plateforme
autonome
Saut qualitatif
mon projet
étend
capitalise
générique
appliquée
accessible
intègre
respecte
les pratiques
facilite
les technologies
2010
SimpopLocal
Clara Schmitt
Sébastien Rey-Coyrehourcq
plateforme
autonome
le cahier des charges initial
SimpopLocal
plateforme
autonome
Thèse de Clara Schmitt
(2010 - 2014)
Une famille de
modèles parcimonieux
Théorie
Explications ?
SimpopLocal
Mécanismes
Création
Partage
Dynamique de Croissance
Impact des innovations
QUESTION
Est-ce que les mécanismes d'innovations sont nécessaires et suffisants à la hiérarchisation du système ?
Dynamiques d'innovations
plateforme
autonome
( Gibrat 1931 )
SimpopLocal
Sortie du modèle de simulation
plateforme
autonome
Tinkering de M. Resnick
autonomisation
acculturation
co-construction
SimpopLocal version Netlogo
Qualité des choix,
du raisonnement ?
exploration limitée (combinatoire, stochasticité)
calibrage manuel impossible (non linéarité)
SimpopLocal
Une pratique de l'exploration certe nécessaire ...
" Face Validity "
plateforme
autonome
[Hermann 1967]
... mais insuffisante ! (même avec 4 mécanismes et 7 paramètres ... )
SimpopLocal
plateforme
autonome
expérimenter une première évolution des pratiques
Scenario 1
Scenario 2
phase exploration
phase conception / construction
"systématisation"
"face validity"
temps
temps
humain
robot
quoi ? comment ?
La plateforme
Répondre à la question thématique posée
plateforme
autonome
Calibrer et explorer ces versions
Construire les versions
S'appuyer sur un cas d'utilisation : SimpopLocal
pour construire une plateforme autonome
Outils - génériques et accessibles -
Méthodologies - construction, exploration -
Ressources informatiques - partage, calcul -
OpenMOLE
GeoDiverCity
Modèle
SimpopLocal
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
openMOLE
infra. calcul
carte-blanche projets sur temps long
accélérateur de connaissances
interdisciplinarité
co-constructions, innovations
D'une primo collaboration ...
GeoDiverCity
ISC-PIF
ERC
Sébastien
Rey
Mathieu
Leclaire
Romain
Reuillon
Cyril
Jayet
Benjamin Bernard
Thomas
Louail
Robin
Cura
Clara
Schmitt
Denise
Pumain
Arnaud
Banos
à une multiplication des collaborations
Collaborations cumulées 2010 - 2015
plateforme intégrée
plateforme
intégrée
plateforme
autonome
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
E
M
T0
T1
OpenMOLE
Exemple du modèle " Fire " de Netlogo
plateforme
intégrée
[Reuillon 2013]
OpenMOLE
plateforme
intégrée
Exemple du modèle " Fire " de Netlogo
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
( dès juin 2010 )
(stratégie 1 inductive)
recherche de patterns a posteriori
plateforme
intégrée
workflow
distribue
rapatrie
plan
d'expérience
- 30 réplications
- 5 paramètres (5 Dim )
- discrétisation en 10 pas
" Curse
Dimensionality "
3 Millions de graphiques
grande incertitude, et calibrage a posteriori du modèle difficile
100 000 graphiques résumés
+ dim
plateforme
intégrée
(stratégie 1 inductive)
recherche de patterns a posteriori
dim 1
dim 2
dim 3
Mathieu
Leclaire
Romain Reuillon
Que voulez-vous mesurer / observer et
prouver / réfuter
exactement avec
SimpopLocal ?
logique d'exploration inverse
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 posé !
plateforme
intégrée
(stratégie 2 déductive)
recherche de patterns a priori
déterminer et implémenter les fonctions objectifs
plateforme
intégrée
(stratégie 2 déductive)
recherche de patterns a priori
obj 1 - population max
obj 2 - distribution villes
obj 3 - temps
3 objectifs simultanés
= 10000 hab.
= 4000 ans
= lognormalité
valeurs paramètres
mécanismes
condition initiale
connaissances (relatives)
SimpopLocal
Objectifs
réplications
problème d'optimisation
paramètres
possible ?
impossible ?
comment ?
combien ?
bug ?
plateforme
intégrée
(stratégie 2 déductive)
recherche de patterns a priori
plateforme
intégrée
les algorithmes évolutionnaires
Algorithmes Evolutionnaires (AE)
plateforme
intégrée
evaluation (t)
selection (t)
reproduction (t)
valeurs
paramètres
p 1
p 5
o2
simulation
score obj.
o3
o1
initialisation
( t t +1 )
construire le framework MGO
architecture "cake-pattern"
innovante
diverses implémentations
AE
canoniques
composants
Framework MGO
framework autonome et compatible wf
OpenMOLE
plateforme
intégrée
Algorithmes Evolutionnaires (AE)
T0
T1
garantir
flexibilité
code : https://github.com/openmole/mgo
faire dialoguer
MGO et OpenMOLE
~ 400 lignes de code !
accessible
appliqué
générique
solutions spécifiques simulation
algorithmes EA adaptés
robuste
support d'innovation
reproductible
Encapsulation
Simplification
plateforme
intégrée
~ 30 lignes
Workflow EA générationel ou steady state
Simplification
val inputDomains =
Seq(
rMax -> (2.0, 50000.0),
distanceDecay -> (0.0, 4.0),
pCreation -> (0.0 -> 0.01),
pDiffusion -> (0.0, 0.01),
innovationImpact -> (0.0, 2.0)
)
val evolution =
NSGA2 (
mu = 200,
termination = 1 hour,
inputs = inputDomains,
objectives = Seq(sumKsFailValue, medPop, medTime),
epsilons = Seq(0.0, 10.0, 10.0),
reevaluate = 0.01
)
val (isl, ga) = IslandSteadyGA(evolution)(
replication,
island = 5000,
termination = 200000,
sample = 50)
Genotype
(valeurs paramètres)
Algorithme E.
Ilots Algorithme E.
accessible
appliqué
generique
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
plateforme
intégrée
réconcilie construction et exploration systématique
Clara Schmitt,
Sébastien Rey-Coyrehourcq,
Romain Reuillon,
Denise Pumain
accessible aux géographes
méthode/outils générique
totalement reproductible
https://openmole/openmole-market
- 500 Millions de simulations cumulées, 2000 processeurs sur 5 jours, 25 ans de calculs -
au delà du calibrage
plateforme
intégrée
EA pour le calibrage sous contrainte multi-objectifs
EA pour l'exploration des comportements
PSE
CP-PROFILE
[Reuillon et al. 2015]
[Chérel et al. 2015]
paramètre x
critère
obs. x
obs. y
2013 : un "MUR" épistémologique
plateforme
intégrée
une approche uniquement technique et méthodologique de l'évaluation ?
insuffisant
[OSullivan 2004]
équifinalité et
auto-organisation
plateforme
intégrée
modèle
(mécanismes, paramètres)
données et faits stylisés
choix
choix
écart
Affronter le dragon "Validation"
Q équifinalité
Q dilemne observationnel
Q auto-organisation
[Batty 1976]
[Bertalanffy 1949]
[Ashby 1947]
Q sous-détermination
[Prigogine 1969]
[Quine 1953]
[Foerster 1960]
Connaissances ?
points faibles et arguments favoris des critiques de la simulation en SHS
( 1970 - 2015 )
Q substrat != réalité
[Varenne 2001, 2013, 2014]
[Bulle 2005]
[Phan 2010]
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"
histoire
épistémologie
[REY 2015, p 11 - 184]
Investir pleinement l'histoire de la simulation
Sortir de la " logique de preuve"
2) illustre la dimension sociale de la "Validation"
SimpopLocal
" sys. peuplement. néolithique "
[Pumain 2005]
cumulativité des connaissances en SHS
éléments de bilan épistémologique
[Rouchier 2013]
1) Multiplicité des points de vue sur un phénomène = connaissances
histoire
épistémologie
1
2
3
4
1
2
3
1
3
2
1
3
4
1
2
2
4
1
2
4
...
1
géographe(s)
archéologue(s)
M1
M2
M3
M4
M5
Quels moyens pour discuter, comparer
ces modèles concurrents proposés ?
intra (eq. interne)
inter
(eq.
externe)
histoire
épistémologie
montrer, rejouer, analyser, comparer les raisonnements / modèles (valides ou pas) avancés ?
3 objectifs
éléments de bilan épistémologique
v1
v1a
v1b
v2a
v2b
v2c
v2ab
v2aa
déroulé du raisonnement,
complexification modèle
introduction des critères d'évaluation
macro
temps
pop
temps
forme
trajectoire
durée vie des hypothèses,
[Besse 2000]
qualité dépendante du contexte
Sortir de la logique de preuve
logique de progression de sens (abduction)
dialogue
micro
Schéma construction actuel inadapté
biaisé
choix
histoire
épistémologie
variabilité hyp. implicite à la construction
temps
trop linéaire, abbatis-brûlis !
éléments de bilan épistémologique
Un troisième scénario ...
Multi-modelling
Un troisième scénario ...
valeurs paramètres
mécanismes
condition initiale
simulation
Objectifs
réplications
optimisation multi-modelling
paramètres
Un troisième scénario ...
autorise la "variation de structure" en vue d'obtenir les meilleurs modèles rapport aux objectifs fixés
Un troisième scénario ...
évaluation à t = 3
une intuition [ecqtg 2013] qu'il faudra encore mettre en oeuvre ...
Bilan épistémologique
histoire
épistémologie
mgo
exploration
simpoplocal
plugin visualisation
epistémologie, historiographie
discussions,
publications
activités thèse
Simpoplocal
Marius
héritage
héritage
[REY 2015, p 303 - 328]
(paul, clémentine, romain)
(clara, sébastien puis romain)
Growing Models from the Bottom Up. An Evaluation-Based Incremental Modelling Method (EBIMM) Applied to the Simulation of Systems of Cities
JASSS 18 (4) 9 - 2015
Clémentine Cottineau,
Romain Reuillon,
Paul Chapron
Denise Pumain
modèle from scratch,
plannification combinatoire mécanismes,
prise en compte des versions
plannification des critères
[Cottineau 2014]
confrontation
modèle de simulation Marius
Growing Models from the Bottom Up. An Evaluation-Based Incremental Modelling Method (EBIMM) Applied to the Simulation of Systems of Cities
JASSS 18 (4) 9 - 2015
Clémentine Cottineau,
Romain Reuillon,
Paul Chapron
Denise Pumain
[Cottineau 2014]
modèle de simulation Marius
[Cottineau 2014]
formaliser autrement les théories
Simpuzzle
https://github.com/ISCPIF/simpuzzle/
flexibilité
accessibilité
SimpopLocal
Marius
Indus
...
Clémentine Cottineau,
Romain Reuillon,
Paul Chapron,
Sébastien Rey-Coyrehourcq,
Denise Pumain
A modular modelling framework for hypotheses testing in the simulation of urbanisation
Systems (3) 4 - octobre 2015
Ps : Openshaw 1983 - 1988
[...]
We do so using a modular framework of model-building and evolutionary algorithms for the calibration of several model structures.
[...]
This project aims at tackling equifinality in systems dynamics by confronting different mechanisms with similar evaluation criteria.
[...]
It enables the identification of the best-performing models with respect to the chosen criteria by scanning automatically the parameter along with the space of model structures (as combinations of modelled dynamics).
Building an automated modeling system to explore a universe of spatial interaction models.
From Data Crunching to Model Crunching: The Dawn of a New Era.
"catalogue de théories" - vs-
"combinaison équations"
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
Piste de recherche
ou comment gérer l'après ERC ...
Péréniser, diffuser et rendre accessible des outils encore trop spécifiques
Développer de nouveaux algorithmes d'explorations pour les modèles
valeurs paramètres
mécanismes
condition initiale
réplications
paramètres
valeurs paramètres
mécanismes
condition initiale
réplications
paramètres
multi-modelling
Piste de recherche
ou comment gérer l'après ERC ...
Développer de nouveaux modèles s'appuyant sur cette plateforme !
Maintenir une veille active sur les aspects historiques et épistémologiques
S'impliquer dans la formation, et la diffusion du HPC (outils, accès) auprès des géographes
autre activités
- écriture et encadrements de stages
- veille, accompagnement, formations pour les étudiants et chercheurs
- participation aux autres projets du laboratoire
- développer de nouveaux axes de recherche
IA - Visualisation scientifique - Histoire et Epistémologie - Ingénierie logicielle
4 stages
2 sur SIG QGIS
2 plugin OpenMole
EIGHTIES
MAPS
MicMac
ANR TransMonDYn
formations
réseaux interdisciplinaires
~ 50 heures par an
quelques principes généraux
maintenir une veille active
diffuser les outils et les savoirs acquis
participer à la vie scientifique collective
universitaire ou professionelle
cultiver une ouverture interdisciplinaire
pratiquer et revendiquer une science ouverte
Seminaire IDEES
By sebastien rey coyrehourcq
Seminaire IDEES
- 766