R E C O R D : plate-forme de modélisation et simulation de systèmes de culture F. Garcia INRA, MIA, Toulouse
RECORD : Contexte et Objectifs RECORD est une plate-forme de modélisation et simulation pour l'analyse et la conception de systèmes de culture innovants Projet INRA initié en 2005, plate-forme opérationnelle prévue pour 2010 RECORD vise à faciliter le développement de modèles complexes promouvoir le partage et la réutilisation de modèles Utilisateurs visés : concepteurs, développeurs, analystes de modèles
RECORD : Organisation du projet Sous sa forme actuelle depuis mai 2006. Actions de conception et développement informatique de la plate-forme, de formation et de transfert menées par l'équipe projet au sein de MIA Toulouse Pilotage par un groupe projet national (E&A Grignon, Montpellier, Toulouse) Suivi par les départements E&A et MIA commanditaires du projet, via un comité d'évaluation Support des départements SAD et SAE2
Modéliser des SdC variés (espèces, mono/plurispécifiques, annuels/pérennes/successions, ITK...) maîtrise des adventices en grandes cultures irrigation des prairies enherbement des vignobles interactions entre choix variétal et itinéraires techniques pratiques et flux dans les systèmes agriculture élevage... avec des formalismes variés (modèles retenus, échelles d'espace et de temps...) Selon des démarches pluri-disciplinaires
Modéliser Favoriser la prise en compte des aspects temporels pas de temps multiples (processus à temps de réponse variables) processus cumulatifs (enchaînement des cycles de culture, inertie des sols et cultures pérennes...) Périodes longues (successions, cultures pérennes, changement climatique...)
Modéliser Permettre l'intégration d'aspects spatiaux modéliser des SdC de la parcelle au bassin versant définir des unités spatiales de simulation USS éventuellement < la parcelle pour rendre compte des hétérogénéités intra/inter parcellaires pouvoir simuler en parallèle sur un ensemble d'uss modéliser les transferts (eau, gènes, spores...) entre USS
Modéliser Faciliter l'intégration de modèles de bioagresseurs et adventices entités biologiques en interaction avec la (les) culture(s) temporalités différentes, plus courtes (germination des spores) ou plus longues (stocks de spores ou semences) dimension spatiale de la propagation rôle des espaces non cultivés règles décisionnelles spécifiques (risque, fenêtres d'action)
Modéliser Permettre la représentation d'aspects décisionnels la gestion des SdC doit pouvoir être formalisée choix et gestion des itinéraires techniques et successions, concurrence entre chantiers, distribution spatiale des pratiques... Record doit fournir des formalismes permettant d'articuler les dimensions biophysiques et décisionnelles des SdC
Des modèles couplés Modularité pour une meilleure maintenabilité des codes modèles autoriser une approche intégrative de modélisation Couplage capitalisation des modèles : standardisation favorisant le couplage des modèles et avec BDD intégration de code (couplage à haut niveau)
Simuler gestion des entrées lien avec BDD sol, climat et données expérimentales interface entre ces données d'entrée et les modèles gestion des sorties archivage et visualisation des variables de sortie Multi-simulations debuggage des modèles documentation des modèles
Analyser / concevoir méthodes statistiques pour l'analyse, la mise au point et l'évaluation des modèles comparaison de modèles data mining sur les sorties de modèles optimisation par simulation assimilation de données
Quel choix pour RECORD? Une approche modulaire de modélisation Un environnement commun pour modéliser et simuler Une base formelle rigoureuse
Quel choix pour RECORD? l'approche modulaire autorise le partage et le couplage de modèles construits indépendamment un environnement commun facilite la mise à disposition des outils d'analyse et de conception (estimation, optimisation, etc.) coupler des modèles ne consiste pas (uniquement) à coupler des composants logiciels. On veut pouvoir représenter finement des interactions entre des systèmes dynamiques complexes
Approches et solutions existantes Des approches graphiques, (Simile, ModelMaker,...) mais limités pour des modèles complexes, spatiaux, décisionnels, etc. Des approches orientées programmation, plus génériques et plus complexes (OMS (David et al., 2002), CMP (Moore et al., 2007), Modcom (Hillyer et al., 2003), DIESE, Ptolemy,...)
VLE (Virtual Laboratory Environment) Choix d'élaboration de R E C O R D sur la base de VLE (Quesnel et al., 2009) VLE est un environnement de multi-modélisation et de simulation créé au LIL, Université du Littoral, Côte d'opale, Calais. Implémentation du formalisme DEVS Architecture modulaire, ouverte et extensible, implémentation objet (C++) sous linux, windows, mac Licence libre GPL
DEVS (Discrete Event System Specification) DEVS [Zeigler, 1976] est une théorie mathématique Pour modéliser et simuler des systèmes dynamiques entrées état temps sorties temps Basée sur un formalisme à évènements discrets
Modèles atomiques DEVS entrées état < X, Y, S, δint, δext, ta, λ > sorties ports states state transitions output function resting times
Modèles couplés DEVS
Modélisation multi-formalisme Plusieurs formalismes pour décrire des dynamiques, selon différentes représentations du temps : differential equations dx(t)/dt = f(x(t),y(t)) t difference equations x(t+1) = g(x(t),y(t)) t discrete events time t+τ of next event state x at next event t
Modélisation multi-formalisme Selon différentes représentations de l'espace et des états Partial differential equations Cellular automata State diagrams
Modélisation multi-formalisme DEVS permet de traduire ces différents formalismes en vue de leur simulation (de manière exacte ou approchée)
Simulation modulaire et multi-formalisme DEVS permet de coupler des modèles décrits selon des formalismes différents dx(t)/dt = f(x(t),y(t))
Construire des modèles avec RECORD / VLE Une démarche en trois temps Analyse systémique du modèle à concevoir pour définir les modèles DEVS à implémenter leur organisation hiérarchique Implémentation VLE des modèles atomiques En utilisant des formalismes de haut-niveau et les extensions VLE Par encapsulation de modèles existants Au niveau DEVS Couplage des modèles Statiquement, via l'interface de VLE Dynamiquement (modèles exécutifs)
Construire des modèles avec RECORD / VLE
Construire des modèles avec RECORD / VLE
Construire des modèles avec RECORD / VLE
Construire des modèles avec RECORD / VLE
Construire des modèles avec RECORD / VLE
Travailler avec RECORD / VLE VLE propose différents services pour l'activité de simulation, via des outils internes ou externes (R, Matlab). Simulation de modèles simulation distante sur un serveur Simulation parallèle sur cluster Exploration de modèles Plans expérimentaux, multi-simulation Estimation de paramètres, analyse de sensibilité, analyse de données Optimisation par simulation
Travailler avec RECORD / VLE Plans de simulation
Travailler avec RECORD / VLE Graphique dynamique sous gvle
Travailler avec RECORD / VLE Graphique dynamique sous gvle
Travailler avec RECORD / VLE Couplage R / VLE : pour lancer depuis R des simulations sous VLE et traiter les données de sortie
Travailler avec RECORD / VLE VLE-Web : pour lancer des simulations sur un serveur distant
R E C O R D / VLE Une plateforme pour construire et travailler avec des modèles : RECORD n'est pas un modèle. Un cadre formel de modélisation (DEVS) commun à tous les modèles : on couple des modèles, pas des logiciels La possibilité d'encapsuler des modèles existants Une ouverture encouragée vers d'autres domaines que les SdC : un projet scientifique visant la modélisation / simulation de systèmes intégrés complexes
R E C O R D / VLE Une démarche exigeante : intégrer un nouveau cadre formel de modélisation Adopter une démarche projet dans le développement logiciel Pour des bénéfices potentiellement importants : pratique scientifique de la modélisation ingénierie de modélisation
R E C O R D et le spatial DEVS est une approche système de la modélisation, qui met l'accent sur les dynamiques Mais le couplage de modèle amène au parallélisme, et nous rapproche du spatial Des extensions dédiées aux automates cellulaires : CELLDEVS, CELL-QSS (équadif) Des travaux en cours sur les formalismes à base de graphe, réguliers, ou non. Une méthodologie à développer sur l'emploi des modèles exécutifs
Modèles spatiaux sous R E C O R D JDISEM-3R, SIMSEM (AGIR Toulouse) : estimer la dynamique temporelle et la distribution spatiale de la demande en eau d'irrigation. Site d'étude: Région du SW --> Le système Neste ( 8000 km², 300 points), climats 1961-2000, 2046-2065, 2081-2099
Modèles spatiaux sous R E C O R D ACASSYA (SAS Rennes) : modélisation du cycle de l azote dans les agro-écosystèmes terrestres liés à l élevage, leur évolution au cours d un processus de transformation des systèmes de production et des paysages. Modèles spatiaux à grande échelle de type automate cellulaire 3D : un bassin versant (50.000 pixels) Couplage de TNT2, Melodie, STICS, parallélisation des calculs
Modèles spatiaux sous R E C O R D LandSFACTS (SAD) : allocation spatio-temporelle des cultures sur un parcellaire Modèle encapsulé sous RECORD (générateur)
Modèles spatiaux sous R E C O R D Dispersion spatiale pathogènes (MIA Avignon) : Interactions spatio-temporelles entre un pathogène (oïdium) et son hôte (plantain lancéolé) dans un ensemble de prairies Modèle spatialisé (environ 4000 prairies), processus poissoniens de dispersion
Modèles spatiaux sous R E C O R D SIPPOM (AGIR Toulouse) : gestion durable des résistances variétales / mildiou de la pomme de terre, phoma du colza Modèle de dispersion des spores à l'échelle parcelle - région Intégration du modèle CaliFloPP (MIA Jouy) d'estimation de flux de particules entre polygones
Modèles spatiaux sous R E C O R D Archidemio (BIO3P, Rennes) : modèle générique couplant hôte et pathogène, rôle de l'architecture des plantes Pathosystème ascochytose-pois, échelle plante-parcelle
Autres projets structurants Apiland (SAS, Rennes) : couplage d'une librairie java de modélisation de paysage avec VLE OpenFLUID (LISAH, Montpellier) : Plate-forme de modélisation de flux dans les paysage, Analyse en cours de l'intégration de DEVS/VLE à OpenFLUID (VLEScape) Payote (INRA-INRIA) Groupe de travail sur la modélisation de paysage, VLE possible intégrateur de modèles
Perspectives DEVS / VLE : Développer des extensions pour les aspects décision, spatial et exécutif Simulation récursive Parallélisme adaptatif RECORD : Modèles génériques, entrepot de modèles Meta-données, interface base de données, SIG Accompagner les projets en cours Mettre en place la communauté d'utilisateurs