Modélisation qualitative des agro-écosystèmes et aide à leur gestion par utilisation d’outils de model-checking

par Yulong Zhao

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Marie-Odile Cordier et de Chantal Gascuel.

Soutenue le 13-01-2014

à Rennes 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière (Rennes) , en partenariat avec Université européenne de Bretagne (PRES) , Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes) (laboratoire) et de DREAM (laboratoire) .


  • Résumé

    La modélisation dans le domaine de l'agro-écologie est importante car elle permet de mieux comprendre les interactions entre l'environnement et les activités humaines. Des travaux basés sur la simulation ont été développés depuis des années. Cependant, non seulement ces outils restent difficiles à utiliser par les utilisateurs non experts, mais aussi le coût des modèles rend leur utilisation difficile à case de la complexité élevée en cas d'application réelle. Nous proposons une approche qui consiste à représenter le système étudié dans un formalisme de système à événements discrets qui est bien adapté quand la dynamique du système est liée à des interactions entre les entités concernés. Ceci permet de profiter l'efficacité du model-checking pour étudier le comportement du système modélisé et d'utiliser la synthèse de contrôleur pour générer automatiquement des stratégies optimales. Nous présentons deux contributions dans cette thèse. La première contribution concerne le projet EcoMata. Cette modélisation qualitative en automates temporisés pour un réseau trophique marin de type proie-prédateur permet d'analyser l'écosystème à l'aide de model-checking sans avoir à faire des simulations. Des scénarios de requête prédéfinis ont été développés dans un langage naturel pour que les utilisateurs non expert puissent faire des requêtes sur les réseaux trophiques sans avoir des connaissances sur la langage TCTL. Nous avons amélioré la génération automatique d'automates temporisés à partir d'une description des équation Lotka-Votera. Nous avons aussi proposé une approche de synthèse de contrôleur pour générer automatiquement des stratégies optimales de gestion de pêche. Le prototype logiciel EcoMata implémente l'ensemble des propositions incluant la recherche de stratégies optimales. Dans la seconde contribution, nous proposons une modélisation hybride en automates temporisés d'une exploitation de pâturage. Cette modélisation hybride combine un modèle numérique de la croissance d'herbe et un modèle qualitatif des activités de pâturage. Une structure hiérarchique organise les modèles dans quatre couches: la couche biologique, la couche activité, la couche décisionnelle et la couche d'horloge. Nous proposons quatre méthodes pour générer des stratégies optimales des activités de pâturage. La première méthode est appliquée à la recherche de stratégies optimales de la mise au pâturage. Trois méthodes sont dédiées à la recherche de stratégies optimales de la fertilisation. Une d'entre elles utilise la synthèse de contrôleur alors que les deux autres combinent la synthèse de contrôleur et l'apprentissage supervisé pour générer des stratégies génériques par type d'exploitation. Un prototype logiciel PaturMata a été développé implémentant cette modélisation, permettant aux utilisateurs de simuler des scénarios de pâturage et rechercher des stratégies optimales de mise au pâturage.

  • Titre traduit

    Qualitative modelling and strategy synthesis of grazing activities


  • Résumé

    The modeling in the domain of agro-ecology is important since it helps us to better understand the interactiosn between the environment and the human activities. Some research works based on simulation has been carried out during the recent years. Mainwhile, not only these simulation tools are difficult to use by the non expert users, but also the high complexity of models makes interactive uses impossible. We propose an approch in which we represent the system to be studied in a discret event system formalism. This kind of representation benefits the efficiency of model-checking and makes it possible to use controller synthesis to generate strategies. We present two contributions in this thesis. The first one concerns the project EcoMata. This project proposes a qualitative modelling which represents a marine prey-predator type food chain in timed automata. Predifined query patterns in natural langurage are also proposed which allow users to investigate easiy the food chain. We have improved the efficiency of the algorithm of timed automata generation and also developped a strategy synthesis method to generate best fishing management strategy. The prototype software EcoMata implements all these propositions including the best strategy synthesis. In the second contribution, we propose a hybrid modelling which represents grazing activities in timed automata. This hybrid modelling combines a numerical grass model and a qualitative grazing model. These sub models are organized in a hierarchical struture of four layers: the biological layer, the activity layer, the decision layer and the clock. We propose four methods to generate best grazing management strategy. One of these methods is applied to the movement of herd. The other three methods are applied to fertilization among which one of them use controller synthesis on timed automata and the other two combine controller synthesis and machine learning to generate generic strategy for a exploitation type. A prototype software PaturMata has been developped which implements this modelling method and the generation of the best strategy of herd movement.


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