Design of a spatialized agent-based approach for the coupling of computational and mathematical models : modelling of soil ecosystem processes
Conception d’une approche spatialisée à base d’agent pour coupler les modèles mathématiques et informatiques : application à la modélisation du processus écosystémique du sol
Abstract
Soil is a highly heterogeneous environment in which many processes interact to provide ecosystem services. Model coupling approaches propose to define such system by using a modular architecture in which various processes, represented by models, communicate to reproduce different aspects of a phenomenon such as soil functioning. In this thesis project, we develop such an approach for the purpose of modelling soil functioning. The challenges of such a scheme lie in solving representation problems of soil processes. These representation problems originate from the fact that models from various disciplines are reused to describe the processes. By representations problems, we mean model description which can be (individual or equation based), the temporal execution settings and data resolution. These coupling constraints are addressed by a number of approaches in the literature. All of them propose satisfactory solutions to these constraints in their respective application fields. In our approach, we use the agent paradigm to encapsulate the various soil processes. Then processes will communicate through the space by using resources inside it. The behaviour of the processes then depends on the availability of resources. A coordination problem can arise from this type of coupling, as processes may consume the resource simultaneously while the resource may not support this demand. To overcome that matter, we use an action-theoretic technique called Influence-Reaction to define strategies to manage this type of situation. We used algorithms suggested by the abbundant litterature to manage any processes temporality issues. This coupling approach was applied to a model of organic matter decomposition in which several processes (earthworms, microbes and roots) compete for soil ressources. The results suggest that the use of our approach is suitable for modelling soil functioning, but also gives more accurate indications of resource availability.
Le sol est un environnement fortement hétérogène dans lequel de nombreux processus interagissent pour fournir des services écosystémiques. L'approche de couplage de modèle propose de définir ce type de système en utilisant une architecture modulaire dans laquelle les divers processus représentés par des modèles communiquent pour reproduire les différents aspects du mécanisme d'un phénomène tel que le fonctionnement du sol. Dans ce projet de thèse, développons une telle approche dans le but de modéliser le fonctionnement du sol. Les défis d'un tel projet réside sur la résolution des problèmes de représentation des processus du sol. Ces problèmes de représentation prennent leur origine du fait qu'on réutilise des modèles venant de disciplines variés pour décrire les processus. Cet hétérogénéité de représentation peut se résumer par l'écriture des modèles, le cadre d'exécution temporelle et la résolution des données décrites par les modèles. Ces contraintes de couplage, sont traités par bon nombre d'approches dans la littérature. Tous proposent des solutions satisfaisantes à ces contraintes dans leur domaines d'application respectives. Dans nôtre approche, nous utilisons le paradigme agent pour encapsuler les divers processus du sol. Ces processus communiquerons à travers l'espace en utilisant les ressources qui y sont présent. Le comportement des processus dépendent alors de la disponibilité des ressources. Un problème de coordination peut jaillir de ce type de couplage, les processus peuvent consommer de la ressource de manière simultanée alors que cette dernière peut ne pas supporter cette demande. Pour remédier à cela nous utilisons une technique en théorie d'action appelé Influence-Reaction afin de définir des stratégies pour gérer ce type de situation. Nous nous sommes inspiré des approches présente dans la littérature afin de gérer les différentes temporalités des processus. Cette approche de couplage a été appliqué à un modèle de décomposition de la matière organique ou plusieurs processus (vers de terre, microbes et racine) se disputent de la ressource dans un sol. Les résultats suggèrent que l'utilisation de nôtre approche sied à la modélisation du fonctionnement du sol, mais donnent aussi des indications plus précises quand à la disponibilité de la ressource.
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