Couplage de modèles multi-niveau de systèmes complexes : application aux systèmes biologiques

par Dorra Louati

Thèse de doctorat en Informatique

Soutenue le 14-12-2017

à Paris 6 en cotutelle avec École Nationale des Sciences de l'Informatique (La Manouba, Tunisie) , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Unité de modélisation mathématique et informatique des systèmes complexes [Bondy] (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Pierre Muller.

Le jury était composé de Régine Vignes-Lebbe, Tom Van Dooren.

Les rapporteurs étaient Jean-Pierre Muller, Lamjed Ben Said.


  • Résumé

    L'objectif de cette thèse est de proposer une approche de couplage des niveaux métabolique et écologique dans un système biologique complexe. Cette approche se présente sous la forme d'un modèle formel décrivant le métabolisme d'un organisme vivant, qui grâce au formalisme DEVS (Discret Event System Specification) adopté, permet un couplage avec des modèles d'interaction entre les organismes et entre l'organisme et son environnement. Une étude des différents paradigmes de modélisation, nous a permis d'identifier d'un côté le paradigme adéquat pour chaque niveau et d'un autre côté les facteurs de couplage formés par les variables à l'interface des mondes internes et externes d'un individu. Ce couplage permet d'explorer l'effet de la dynamique du niveau inférieur sur l'émergence des caractéristiques du niveau supérieur. Deux modèles multi-agents, le premier sur l'allocation sexuelle et le deuxième sur la recherche optimale de nourriture, concrétisent le couplage physiologie/écologie et montrent que ce couplage permet de relier le monde interne de l'individu à son monde externe. Le couplage fort, dans le sens de l'intégration des modèles, exploré dans une première phase, a été amélioré par la proposition d'un modèle formel, nommé DEB-DEVS, du modèle métabolique (de la théorie du budget d'énergie dynamique (DEB)) commun aux modèles précédents. Cette proposition est le résultat d'une réflexion sur la représentation de la dynamique interne des agents dans des modèles de l'écologie. DEB-DEVS a été illustré par deux modèles classiques de l'écologie théorique.

  • Titre traduit

    Coupling multi-level models of complex systems : application to biological systems


  • Résumé

    The objective of this thesis is to propose an approach for coupling metabolic and ecological levels in a complex biological system. This approach is presented as formal model describing the organism metabolism , which, thanks to DEVS formalism (Discrete Event System Specification), allows a coupling with models of interaction between organisms and between organisms and their environment. A study of the different modeling paradigms allowed us to identify, on the one hand the appropriate paradigm for each level and on the other hand the coupling factors formed by the variables at the interface of individual's internal and external worlds. This coupling explores the effect of lower-level dynamics on the emergence of higher-level characteristics. Two multiagent models, the first on sexual allocation and the second on optimal foraging, concretize the physiology/ecology coupling and show that this coupling makes it possible to connect the individual's internal world with its external world. The strong coupling, in the sense of model integration, explored in a first phase, was improved by the proposal of a formal model, called DEB-DEVS, of the metabolic model (of the Dynamic Energy Budget Theory (DEB)) common to the previous models. This proposal is the result of a reflection on the representation of internal dynamics of agents in ecological models. DEB-DEVS has been illustrated by two classical models of theoretical ecology.


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