La simulation spatiale à base d’agents a connu un essor considérable au sein de la communauté scientifique, mais également auprès de nombreuses disciplines de sciences sociales. Les modèles agents sont tout aussi bien des outils de compréhension, de prospection et de scénarisation, que des médias de l’échange interdisciplinaire. Proposant une approche méthodologique au travers d’un exemple fil rouge inspirée d’une problématique réelle en épidémiologie, cet ouvrage étudie la modélisation à base d'agents des phénomènes spatialisés ainsi que les possibilités d’exploration de modèles agent offertes par la plateforme NetLogo (modèles agrégés, systèmes dynamiques, systèmes multi-acteurs). Guide pédagogique, il s’appuie sur des techniques reconnues de modélisation et de prospection via des méthodes d’exploration et de scénarisation par simulation participative.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des systèmes complexes par une démarche de modélisation et simulation (M&S). La plupart des questionnements sur ces systèmes nécessitent de prendre en compte plusieurs points de vue simultanément. Il faut alors considérer des phénomènes évoluant à des échelles (temporelles et spatiales) et des niveaux de résolutions (de microscopique à macroscopique) différents. De plus, l'expertise nécessaire pour décrire le système vient en général de plusieurs domaines scientifiques. Les défis sont alors de concilier ces points de vues hétérogènes, et d'intégrer l'existant de chaque domaine (formalismes et logiciels de simulation) tout en restant dans le cadre rigoureux de la démarche de M&S. Pour répondre à ces défis, nous mobilisons à la fois des notions de modélisation multi-niveau (intégration de représentations micro/macro), de modélisation hybride (intégration de formalismes discrets/continus), de simulation parallèle, et d'ingénierie logicielle (interopérabilité logiciel, et ingénierie dirigée par les modèles). Nous nous inscrivons dans la continuité des travaux de M&S existants autour de l'approche AA4MM et du formalisme DEVS. Nous étudions en effet dans cette thèse en quoi ces approches sont complémentaires et permettent, une fois combinées dans une démarche d'Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM), de répondre aux défis de la M&S des systèmes complexes. Notre contribution est double. Nous proposons d'une part les spécifications opérationnelles de l'intergiciel de co-simulation MECSYCO permettant de simuler en parallèle un modèle de manière rigoureuse et complètement décentralisée. D'autre part, nous proposons une approche d'IDM permettant de décrire de manière non-ambiguë des modèles, puis de systématiser leur implémentation dans MECSYCO. Nous évaluons les propriétés de notre approche à travers plusieurs preuves de concept portant sur la M&S du trafic autoroutier et sur la résolution numérique d'un système d'équations différentielles.

Cet ouvrage est le résultat de plusieurs années de travail dans le domaine de la modélisation géographique. Il est structuré en trois parties. La première partie pose les fondements de la modélisation géographique, à travers les concepts les plus généraux de structure, organisation, système, géométries, topologies, métriques, matière, objet. Enfin le concept de temps permet d'aborder les notions de processus et d'interaction spatiale, fondamentales en géographie. La deuxième partie aborde l'étude des outils informatiques de modélisation des dynamiques que sont les automates cellulaires géographiques (ACG) et expose plusieurs modèles appliqués à des thématiques variées comme la croissance urbaine, les risques naturels par la simulation d'inondations, ou des thématiques plus politiques comme les fonds européens ou l'évolution des votes en France. La troisième partie de l'ouvrage présente un modèle général de système à agents géographiques (SAG) pouvant servir de base à la construction d'une plateforme de modélisation de modèles dynamiques spatiaux

Dans le cadre de la recherche scientifique, nous assistons depuis quelques années à un essor de la multi-modélisation, c’est-à-dire, l’utilisation de la combinaison de différents formalismes pour l’étude des systèmes complexes où l’informatique se présente comme l’un des supports théoriques ou opérationnels pour son développement. La problématique étudiée dans cette thèse découle de ces travaux. Nous étudions, en particulier, le couplage de modèles hétérogènes en utilisant la spécification à événements discrets de B. P. Zeigler, DEVS, Discret EVent System specification. Nos travaux portent principalement sur les ajouts, à ce formalisme, d’outils aussi bien formels qu’opérationnels pour simplifier le couplage ou le développement de modèles. Nous étudions également la construction de plans d’expériences, le paramétrage de modèles et la distribution de simulation. De ces travaux, sont nées des collaborations avec des laboratoires de biologie où la nécessité de la création d’une spécification formelle des Systèmes Multi-Agents, principalement centré individu, est apparue. Nous proposons cette spécification en nous basant sur les travaux de J.C. Soulié et les environnements multiples et R. Duboz pour le comportement des agents. L’ensemble des objets manipulés par les SMA sont définis suivant une approche modulaire où chaque entité est spécialisée dans un domaine. Afin de mettre en œuvre tous les concepts étudiés dans cette thèse, une plate-forme logicielle VLE, Virtual Laboratory Environment, recouvrant tous les aspects de la multi-modélisation a été développée.

Depuis son adoption en géographie dans les années 1990, le méta-formalisme Agent pour la simulation est mobilisé avec succès et de façon croissante dans l'étude des systèmes dynamiques complexes que sont les villes. Peu de solutions techniques ont été avancées ces dernières années dans la littérature pour encadrer la construction et l'évaluation plus systématique de ces modèles de simulation. Au regard de cette insuffisance, et grâce au soutien d'un projet ERC et la formation d'une équipe pluridisciplinaire, ce sont deux objectifs simultanés qui sont avancés pour aborder et tenter de solutionner cette problématique. En s'appuyant sur la plateforme OpenMOLE développe ces dernières années à l'Institut des Systèmes complexes Paris-Ile-de-France et conçue pour démocratiser l'accès à des ressources de calculs distribués, il s'agit d'identifier, d'utiliser, ou de construire des outils et des méthodes innovantes pour la construction et l'exploration des modèles de simulation. Afin d'ancrer cette étude dans une réalité de pratiques, le choix est fait d'associer à ces développements la construction et l'exploration d'un tout nouveau modèle de simulation et des moyens de la simulation en géographie. Cette remise en contexte permet de réinterroger, et d'anticiper par la mise en œuvre d'outils et de méthodes que l'on espère plus adaptées, le rapport historique entretenu entre cette problématique ancienne de la « Validation » des modèles de simulation, centrale dans la justification des connaissances, avec la construction et l'exploration de modèle de simulation.

Les systèmes multi-agents sont caractérisés par le travail coopératif d'un ensemble d'agents autonomes, fonctionnant de manière décentralisée en vue de la réalisation d'un objectif global. Au sein de ces systèmes se produisent des phénomènes dits d'émergence, ou d'auto-organisation, par lesquels des structures ou des organisations particulières peuvent apparaître au niveau collectif qui n'étaient pas décrites de manière explicite au niveau individuel. Ainsi des fourmis qui s'organisent en files d'individus sans qu'aucune n'ait de représentation correspondant à la notion de "file". De par leurs interactions au niveau local, les agents produisent et maintiennent dynamiquement des structures au niveau global qui contraignent en retour l'activité de chacun des individus. Ces phénomènes sont fondamentaux dans l'étude des systèmes biologiques complexes mais sont pourtant très difficiles à formaliser car liés généralement à une interprétation en partie subjective d'un observateur extérieur au système. Le sujet proposé vise à aborder le problème du passage d'un niveau d'abstraction à un autre, ainsi que l'interaction, au sein d'un système, entre agents de différents niveaux, en combinant plusieurs approches complémentaires: une première approche concerne l'étude de formalismes adaptés à la représentation de phénomènes émergents. Cela passe notamment par la prise en compte de relations entre entités de différents niveaux d'abstraction, et par la prise en compte de comportements qui s'expriment différemment en fonction du niveau d'abstraction auquel l'entité est considérée. une deuxième approche qui s'appuiera sur la précédente concerne la détection automatique de phénomènes émergents. Pour ce faire, il sera nécessaire de développer des mécanismes permettant aux entités qui participent au système de détecter l'apparition de structures particulières (spatiales et/ou temporelles, statiques ou dynamiques) et de caractériser le passage d'un niveau d'abstraction donné au niveau supérieur. du fait de la très grande difficulté d'aborder le problème précédent dans toute sa généralité, nous prévoyons de développer une approche semi-interactive dans laquelle un observateur humain pourra avoir un rôle pour orienter le système vers la détection de structures particulières et leur caractérisation d'une manière particulière. Outre l'aide apportée au système, il s'agit d'orienter ce dernier vers la prise en compte d'abstractions a priori utiles et intéressantes. Cela passe notamment par la conception de modalités de visualisation et d'interaction adaptées à ce problème. ces différentes problématiques seront étudiées dans le cadre de plusieurs problèmes de simulation multi-agent pour la biologie.