Couplage d'algorithmes d'optimisation par un système multi-agents pour l'exploration distribuée de simulateurs complexes : application à l'épidémiologie

Coupling of optimisation algorithms by a multi-agent system for supporting of distributed exploration of complex simulations : an application in epidemiology

• Auteur / Autrice : The Nhan Ho
• Direction : Jean-Daniel Zucker, Nicolas Marilleau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 27/06/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de modélisation mathématique et informatique des systèmes complexes (Bondy, Seine-Saint-Denis ; 2009?-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Bredèche, Laurent Philippe, Hong Quang Nguyen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David R. C. Hill, Guillaume Deffuant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épidémiologie

Calcul intensif (informatique)

Mots clés libres

Exploration de paramètres

Optimisation de simulations

Calcul haute performance

Épidémiologie

Exploration distribuée

Système multi-Agents

Parameters exploration

Optimisation of simulations

High performance computing

Résumé

L’étude des systèmes complexes tels que des systèmes écologiques ou urbains, nécessite sou- vent l’usage de simulateurs qui permettent de comprendre les dynamiques observées ou d’avoir une vision prospective de l’évolution du système. Cependant, le crédit donné aux résultats d’une simulation dépend fortement de la confiance qui est accordée au simulateur, et donc de la qualité de sa validation. Cette confiance ne s’obtient qu’au travers d’une étude avancée du modèle, d’une analyse de sensibilité aux paramètres et d’une confrontation des résultats de simulation et des données de terrain. Pour cela, pléthore de simulations est nécessaire, ce qui est coûteux du point de vue des ressources mobilisés (temps de calcul, processeurs et mémoire) et est souvent impossible compte tenue de la taille de l’espace des paramètres à étudier. Il est donc important de réduire de manière significative et intelligente le domaine à explorer. L’une des particularités des simulateurs représentatifs de phénomènes réels est d’avoir un espace des paramètres dont la nature et la forme est fonction : (i) des objectifs scientifiques ; (ii) de la nature des paramètres manipulés ; et (iii) surtout du systèmes complexes étudiés. Ainsi, le choix d’une stratégie d’exploration est totalement dépendante du domaine de l’étude. Les algorithmes génériques de la littérature ne sont alors pas optimaux. Compte tenu de la singularité des simulateurs complexes, des nécessités et des difficultés rencontrées de l’exploration de leur espace de paramètres. Nous envisageons de guider le tâche d’exploration des systèmes complexes en proposant le protocole d’exploration stratifié coopérative GRADEA qui hybride trois algorithmes d’exploration de différents classements dans un même environnement : la recherche en criblage pour zones d’intérêt, la recherche globale et la recherche locale. Différents stratégies d’exploration vont en parallèle parcourir l’espace de recherche pour trouver l’optimum globale du problème d’optimisation et égale- ment pour désigner partiellement la cartographie de l’espace de solutions pour comprendre le comportement émergent du modèle. Les premiers résultats du protocole d’exploration stratifié avec un exemple d’algorithmes présélectionnés d’exploration sont appliquées au simulateur du domaine environnemental pour l’aide à la conception de la planification des politiques de vaccination de la maladie rougeole au Vietnam. Le couplage d’algorithmes d’exploration est intégré sur une architecture modulaire à base d’agents qui sont en interaction avec des noeuds de calcul où sont exécutés les simulations. Cet environnement facilite d’une part le rapprochement et l’interaction entre une selection d’algorithmes d’exploration, et d’autre part l’utilisation de ressources de calcul haute performance. L’enjeu résolu jusqu’à ce temps est de proposer, à la communauté, un environnement optimisé où l’utilisateur sera en mesure : (i) de combiner des algorithmes d’exploration adaptés à son cas d’étude ; (ii) et de tirer parti des ressources disponibles de calcul haute performance pour réaliser l’exploration.

Study of complex systems such as environmental or urban systems, often requires the use of simulators for understanding the dynamics observed or getting a prospective vision of the evolution of system. However, the credit given to results of a simulation depends heavily on the trust placed in the simulator, and the quality of validation. This trust is achieved only through an advanced study on the model, a sensitivity analysis of parameters and a comparison of simulation results and collected data. For all of those, plethora of simulations is necessary, which is costly in term of computing resources (CPU time, memory and processors) and is often impossible because of the size of parameters space. It is therefore important to reduce significantly and intelligently the domain to explore. One of the special properties of representative simulators of real phenomena is that they own a parameters space, of which the nature and the form is based on: (i) the scientific objectives; (ii) the nature of manipulated parameters; and (iii) especially complex systems. Thus, the choice of an exploration strategy is totally dependent on the domain to explore. The generic algorithms in the literature are then not optimal. Because of the singularity of complex simulators, the necessities and the difficulties of exploring their parameters space, we plan to guide the exploration task of complex systems by providing GRADEA, a stratified cooperative exploration protocol, that hybrids three different algorithms of different categories in the same environment: the screening search for areas of interest, the global search and the local search. Various exploration algorithms will explore the search space by parallel manner to find the global optimum of optimization problem and also to partially describe the cartography of solutions space to understand the emergent behavior of the model. The first results of the stratified exploration protocol with an example of preselected search algorithms are applied to the environmental simulator for the design of vaccination policies of measles disease in Vietnam. The coupling of search algorithms is built on a modular and agent based architecture that interacts with a computing cluster where the simulations run. This environment facilitates both the interaction between a group of search algorithms, and also the use of high performance computing resources. The challenge is resolved to propose to community, an optimized environment where users will be able: (i) to combine search algorithms that adapted to case study; (ii) and take advantage of the available resources of high performance computing to accelerate the exploration.