Plateforme – Intégration des modèles

Rapporteur : Nicolas Brodu

Contributeurs : François Arlabosse, Paul Bourgine, Nicolas Brodu, René Doursat, Jean-Pierre Müller, Édith Perrier, Nadine Peyriéras, Denise Pumain, Romain Reuillon, Jean-Baptiste Rouquier, Nathalie Perrot

Introduction

Le campus numérique des systèmes complexes ambitionne d’agréger autour d’une structure commune les différents départements en charge de l’enseignement et la recherche dans le domaine des systèmes complexes. Ces départements nécessitent pour accomplir leur mission une infrastructure de support à la mise en commun d’objets de recherche (modèles, méthodes) et d’enseignement (cours, expériences pédagogiques).

La section numérique « Modèles intégrés de systèmes complexes » a pour vocation de fédérer les efforts de production et de collection des données, de développement d’outils logiciels pour leur traitement et leur modélisation, et de structuration des connaissances. Le développement de concepts pour contribuer à l’analyse systémique des systèmes et l’articulation des connaissances développées dans les sections thématiques est également un fil directeur clé de cette section. Par « modèles intégrés » nous entendons aussi bien le couplage des modèles que leur réduction ou leur mise en relation multi-échelle, dans la perspective d’une modélisation parcimonieuse qui tende vers la définition de classes d’universalité.

Cette section doit inciter au partage, au co-développement et à la réutilisation des objets numériques produits et manipulés par les sections thématiques du Campus Numérique des Systèmes Complexes. Pour ce faire, elle propose la mise en œuvre d’une infrastructure numérique favorisant une circulation à double sens : d’une part la remontée et l’organisation de ces connaissances et d’autre part leur exploitation par les équipes participantes. À l’instar de Wikipedia, cette infrastructure doit rester entièrement ouverte aux contributions extérieures et évoluer en permanence. Pour cela, elle reposera de façon critique sur des moyens techniques et humains : d’une part une automatisation poussée des processus de contribution, d’organisation et d’utilisation de l’infrastructure ; et d’autre part des activités d’accompagnement, de communication, et d’animation de la communauté des participants.

2.1.1.1 Objectif

L’objectif principal est de fédérer les efforts autour de l’intégration des modèles et des connaissances sous-jacentes aux systèmes complexes (reconstruction multi-échelle, simulation multi-échelle…). Pour ce faire il est nécessaire d’engager des moyens techniques et humains centrés au travers :

De recherche sur les méthodes et concepts autour de l’intégration des modèles et connaissances et de l’intégration numérique de celles-ci.
D’une animation active de la communauté.
De composants testés, validés et spécifiés formellement.

De la mise à disposition de moyens de calcul et de stockage. D’une infrastructure d’expérimentation sur les modèles.

Les sections de recherche des grands axes thématiques du Campus Numérique des Systèmes Complexes doivent traiter de problèmes pluridisciplinaire, multi-échelles, pour lesquels une modélisation simple ne suffit plus. Les sujets d’étude des grands axes « De la molécule à l’organisme » et « De l’individu à la société, intelligence territoriale » en particulier nécessitent une approche multi-formalisme et un besoin commun de simulation.

Dans ce cadre, le but est de fournir un effort fédérateur pour l’intégration des modèles à travers la création d’une infrastructure collaborative attractive pour le partage et l’intégration des

modèles. L’université numérique propose de faire vivre une écologie de cours, la séction « Modèles intégrés de systèmes complexes » propose une écologie de logiciels.

2.1.1.2. Fonctionnement

Principe général

De nombreuses plateformes intégrées aspirant à une certaine universalité se sont succédées au cours des années. Il s’agit de ne pas répéter les erreurs du passé, et en particulier de ne pas proposer une plateforme fédératrice à laquelle les utilisateurs seraient censé adhérer. Nous envisageons plutôt un fonctionnement où le système que nous proposerons doit s’adapter aux besoins et au métier de chaque utilisateur, et lui proposer des composants qu’il peut librement utiliser et adapter à ses besoins dans son propre formalisme en conservant ses habitudes.

Le fonctionnement retenu est celui d’un « wiki de modèles » comprenant pour chaque modèle : une description, une normalisation des données pour interopérabilité, du code pour une ou plusieurs plateformes logicielles sur lesquelles il est implémenté, une aide à l’indexation (mots clefs et autres méta-informations), la taille des données manipulables ainsi que des exemples de temps de calcul. De plus les connaissances propre à chaque discipline et chaque métier seront intégrées sous une forme permettant à un nouvel arrivant de mettre en œuvre le modèle en bénéficiant des retours d’expériences passés.

Le système mettra ainsi tout en œuvre pour faciliter avec un point de vue métier de non- spécialiste informaticien le retour d’information afin que les utilisateurs puissent contribuer leurs propres amélioration au système. Il ne s’agit pas seulement de proposer une « vue » sur une base de données, mais bien d’une réflexion en terme d’interface et d’ergonomie pour l’ajout d’information essentielles : le système doit doit favoriser la participation, inviter à partager ses connaissances sur un modèle dans son propre langage. Le système doit ainsi capturer les méta-informations que sont les implicites métier, et inviter les utilisateurs à réfléchir pour expliciter ces non-dits. Par exemple une plage de paramètres interdite peut sembler tellement évidente dans une discipline qu’elle n’est jamais explicitée (comme des températures supérieures à 500°C en biologie). Pourtant la transposition d’un modèle de simulation multi-agents de cette discipline vers la physique des fluides peut faire intervenir ces valeurs dans un cadre totalement différent. Un modèle précédemment validé et couramment utilisé peut ainsi devenir invalide dans un autre cadre. De manière plus générale il est vital d’expliciter les pratiques et non-dits implicites à chaque discipline pour l’usage de modèles présents dans le système. Des problématiques purement informatique comme le synchronisme ou l’asynchronisme des échanges de données du modèle avec son environnement sont par exemple moins évidente à identifier pour un non-spécialiste que l’exemple précédent de plage de paramètres, mais tout aussi cruciales pour le bon fonctionnement du modèle après transposition dans un autre environnement. L’intégralité des informations relatives à chaque modèle (code, méta-données, etc…) sera de plus suivi par un système de gestion de versions. Ainsi nous étendons la fonctionnalité de l’historique d’une page wiki à tous les aspects constituant un modèle dans le système. Le résultat est alors un outils plus avancé et performant qu’un simple wiki et qui devra également favoriser les échanges directs entre utilisateurs (notes et commentaires, forums et mailing-listes, etc) afin que ceux-ci puissent participer au système et suivre l’évolution des modèles qu’ils utilisent.

En retour le système présentera à chaque utilisateur le souhaitant une interface « métier » propre à sa discipline à partir des connaissances intégrées aux informations méta sur chaque

composant de modèle.

Les retours attendus d’un tel outil « wiki des modèles intégrés » sont :

Par son mode collaboratif l’infrastructure intègre les pratiques des acteurs et propose des cadres génériques évolutifs aux travers des efforts fournis par les participants.
Chacun contribue en proposant sa représentation du système, ses modèles et bénéfice de la base commune d’outils et de calculs.

Le système favorise les efforts de généralisation des pratiques et l’interdisciplinarité.

Rôle de la section « Modèles intégrés de systèmes complexes » du campus numérique

Après une phase initiale de mise en place le but est de minimiser les coûts récurrents et de porter les efforts humains sur l’animation de la communauté, l’accompagnement et l’aide à l’utilisation du système, ainsi que la promotion de celui-ci.

La section « modèles intégrés de systèmes complexes » du campus numérique favorisera l’autonomie des utilisateurs, leur collaboration (échanges inter-utilisateur) et dans la mesure du possible leur participation à l’évolution du système. Ceci passe par :

des communautés ouvertes d’utilisateurs au travers de forums internet, de modes de collaborations distribués autour du développement et de l’amélioration des méthodes et des modèles, de l’organisation de conférences d’utilisateurs, de concours sur l’efficacité des méthodes…
un noyau de personnes (gouvernance) participant à la fois à l’infrastructure et à des projets des sections du campus numérique sur les grands objets de recherche.

des communautés ouvertes de développeurs fédérant le travail de développement logiciel et algorithmique autour des grandes questions.

En se basant sur le modèle du logiciel libre les utilisateurs-développeurs auront ainsi le contrôle du contenu du système et la maîtrise de leur propres outils de travail. Le rôle de la section « campus numérique » est de favoriser cette appropriation par les utilisateurs et non de tenter de leur imposer un mode de fonctionnement. Les licenses libres (pour les logiciels) et Creative Commons (pour les données, y compris méta) sont des outils légaux permettant la diffusion tout en garantissant à la fois la reconnaissance des contributeurs et une panoplie de modèles économiques (deux cas fréquents sont la vente de service et d’une expertise autour d’un composant logiciel, ainsi que la vente d’un prestation de développement adapté aux besoins d’un partenaire industriel se basant sur les briques disponibles).

2.1.1.3. Une infrastructure communautaire pour tester et expérimenter sur les modèles

Un principe fondamental est de fournir un service aux utilisateurs adapté à leurs propres besoins. Le wiki des modèles sera ainsi librement accessible et chacun sera ainsi encouragé à utiliser librement les modèles dans son propre environnement.

En addition à ce wiki une infrastructure collaborative sera proposée pour le test et l’expérimentation sur les modèles. Cette infrastructure ne devra en aucun cas revêtir un caractère obligatoire pour l’utilisation d’un modèle en particulier, et une des responsabilités de la section
« modèles intégrés de systèmes complexes » du campus numérique sera de vérifier scrupuleusement cette indépendance. Le risque serait sinon l’appropriation de l’outil par un acteur unique, avec comme conséquence sur le moyen terme une dérive probable de celle-ci à accroître la dépendance

des utilisateurs afin d’en tirer profit. Au contraire le but de la section « modèles intégrés » est de favoriser l’indépendance des utilisateurs.

L’infrastructure collaborative sera ainsi proposée comme service à la communauté afin d’aider les utilisateurs ne disposant pas des ressources propres nécessaires à mettre en œuvre l’application de la méthode scientifique expérimentale avec les modèles. Elle permettra aux expérimentateurs d’apprendre des modèles et d’étudier leurs données. L’infrastructure alliera :

• un travail d’ingénierie et de recherche sur l’intégration des modèles, les approches expérimentales sur les modèles et sur le calcul intensif.

l’animation d’une communauté ouverte de modélisateurs experts des grands objets, d’ingénieurs- chercheurs sur l’intégration des modèles et de chercheurs sur les méthodes experts des grandes questions.

• la mise à disposition de moyens de calculs et stockage pour expérimenter sur les modèles et analyser les données produites (grilles de calcul, grilles de données).

L’objectif est de rendre l’infrastructure exploitable pour la communauté « systèmes complexes » et de capitaliser sur un savoir faire méthodologique intégré, qui fait la jonction entre les pratiques spécifiques des grands objets et la généricité des grandes questions.

2.1.1.4. Utilisabilité des modèles et transposition d’un domaine à l’autre

Chaque modèle proposé au sein du système devra répondre, dans au moins une discipline, à la problématique posée par les thématiciens de cette discipline. Bien que l’effet « collection » soit inévitable le but du système est de favoriser la réutilisation des modèles existants et l’adaptation de ceux-ci à des problématiques diverses réellement pluridisciplinaire. Il est aisé en informatique fondamentale de proposer une bibliothèque de composants génériques répondant à des tâches bien précises (ex: projet « boost » en C++, http://www.boost.org). L’ambition est d’obtenir au sein de notre outil un niveau similaire de réutilisabilité avec comme atouts supplémentaires le multi- échelle, le multi-paradigme et la pluridisciplinarité des modèles proposés.

Les besoins identifiés sont les suivants :

• Combiner des formalismes pour traiter différents points de vue (ex: équations différentielles, automates cellulaires, multi-agent), dans l’objectif d’une reconstruction et de la simulation multi-échelle.
• Fusionner différents modèles du même phénomène.
• Intégrer des modèles partiels de différentes disciplines. Quelles sont les façons « métier » de

  représenter les données ?

• Conversion de modèles, transposition d’un domaine à un autre.

  Les moyens suivants ont été identifiés pour y parvenir :

• Une standardisation des protocoles, des formats de données et vocabulaire propre à la gestion des modèles manipulés par le système.
• Faire dialoguer entre eux les experts et utilisateurs de différents métiers. Des
  « correspondants locaux » volontaires sont envisageables afin d’entretenir ces liens.
• Au sein du même métier il s’agit également de favoriser la communication vers les théoriciens : en particulier les ingénieurs ont besoin d’experts métier pour créer les modèles,

et réciproquement les experts métiers ont besoin des ingénieurs pour les implémenter.

• Favoriser les recherches et exploiter les dernières avancées dans le domaine de la

  représentation des connaissances et des ontologies, de la méta-modélisation.

• De façon similaire se reposer sur l’intelligence artificielle, l’apprentissage machine et

  l’ergonomie afin d’expliciter les présupposés du modèle et des données: domaine de validité des paramètres, quels sont les questions pertinentes à poser au modèle, comment interagir avec les non-spécialistes de façon plus efficace que par la technique limitée du jeu de formulaires et d’interfaces forcément non exhaustives.

  Le diagramme suivant sur le couplage de formalismes et la modélisation conceptuelle est une description générale, applicable tant aux « plateformes à vocation universelle » du passé qu’à leur anti-thèse que l’on propose ici sous la forme d’un « wiki ». Le but de ce diagramme est de proposer une vision plus technique des problèmes à surmonter pour réaliser des modèles intégrés, et de montrer que ceux-ci ne sont pas le point essentiel qu’aura à traiter la section « modèles intégrés de systèmes complexes » du campus numérique sur le long terme.

  Dans les différents points précédents le moteur le plus important et souvent le responsable de l’échec ou du succès des projets concerne en effet l’aspect humain : dialogue entre participants de différentes disciplines, accompagnement et aide à l’usage, promotion et séminaires découverte, etc.

  Les technologies nécessaires pour implémenter un tel système sont disponibles, moyennant suffisamment de moyens pour sa réalisation (coût initial). Une fois le système créé il reste un travail d’accompagnement et d’aide à l’utilisation. Dans la logique des sections précédentes il ne s’agit pas seulement de réduire le côut récurrent de fonctionnement pour l’équipe « modèles intégrés de systèmes complexes » du campus numérique, mais également de réduire les coûts (monétaire, temps, apprentissage) pour les utilisateurs afin de favoriser leur participation. Le système devra être créer dans cette logique, sachant que les efforts ultérieurs sur les aspects relationnels seront grandement facilités si ces coûts d’usage sont réduits au maximum.

  Références

  La section « modèle intégrés de systèmes complexes » devra prendre soin de ne pas entrer en conflit, et si possible établir des partenariats, avec les initiatives suivantes partageant au moins certains points en commun :

  • INRA, plateforme « record » : utilise VLE qui repose sur DEVS
  • Mimosa (J.P.Müller) est aussi une implémentation de DEVS.
  • INRA, plateforme logicielle interne CEPIA
  • S4, spatial modelling plateform (Besançon), plus une mise en contexte de modèles de

    simulations qui sont décrits et montrés en ligne.

  • SimExplorer et groupe mexico
  • OpenMOLE pour expérimenter sur les modèles (CREA, ISCPIF, LISC)
  • Cosmo : open source, en cours de développement depuis 3 ans, pas encore publié

    http://www.ens-lyon.fr/web/nav/article.php?id=1330

  • Netlogo : http://ccl.northwestern.edu/netlogo/docs/
  • RetroMob : http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/16/04/52/PDF/RR_P2PercReas_07.pdf

• OpenABM : http://www.openabm.org/
• Demandes des industriels: Séminaire NAFEMS