Une plateforme de simulation multi-échelles pour l'écologie et les sciences de l'environnement – 3WRL

Notre objectif est de promouvoir la simulation numérique en écologie sur des bases théoriques solides en construisant un logiciel convivial basé sur un cadre conceptuel unifié, donnant accès au parallélisme et au calcul intensif. Ce logiciel visera les chercheurs, étudiants et enseignants en écologie, et ultérieurement les gestionnaires et décideurs en environnement. Nous utiliserons une représentation multi-échelles hiérarchisée des systèmes écologiques. Le logiciel orchestrera les interactions entre la physique et la biologie dans un cadre spatialisé, permettant l'adaptation de tout modèle spécifique aux connaissances disponibles. Compte tenu de l'avancement actuel de ce projet, toutes les tâches usuelles du développement informatique sont concernées, mais l'accent doit être mis sur la programmation et la documentation technique et conceptuelle du modèle sous jacent. Pour garantir la plus large utilisation possible de 3Worlds, nous comptons le distribuer sous forme de logiciel libre. L'identification de la bonne échelle de modélisation est un problème très important en écologie. Une plateforme multi-échelles de modélisation des écosystèmes reposant sur un cadre conceptuel commun constitue une étape nécessaire à la mise au point de méthodes standardisées de changement d'échelle : le développement de modèles d'échelle différentes sous un même formalisme facilite leur comparaison, et, par conséquent, la mise en évidence de propriétés comme l'invariance d'échelle, l'émergence, ainsi que d'autre propriété liées à la complexité et à la dynamique des systèmes complexes. Bien que la mise au point de méthodes de changement d'échelle automatiques dépasse de beaucoup le cadre de ce projet, nous comptons démarrer la réflexion sur ces problèmes ouverts en capitalisant l'expérience en méta-modélisation des participants au projet. Pendant longtemps, le paradigme dominant en modélisation écologique a été celui de la physique : des systèmes d'équations différentielles appliqués à des flux de matière et d'énergie ou des dynamiques de populations. Sans modélisation explicite des interactions susceptibles de conduire à l'émergence de propriétés macroscopiques, il est alors impossible de prédire la dynamique du système à partir de changements de ses sous-systèmes. Les systèmes multi-agents (SMA) ou les modèles basés sur les individus (MBI) utilisent au contraire l'émergence comme paradigme central. La difficulté principale de la modélisation écologique est de réconcilier l'approche classique par variables d'états, basée sur la physique, avec celle des SMA et MBI, basée sur la biologie. Les systèmes écologiques sont en effet à la fois physiques et « biologiques-sociaux ». L'émergence implique une représentation hiérarchique : un système doit pouvoir être décrit comme un ensemble de sous-systèmes en interaction pour que des propriétés puissent émerger. L'originalité de 3Worlds, comparé à d'autres plateformes de simulation en écologie et environnement (par ex., pour les modèles à base physique : Earth simulator, ORCHIDEE, SEVE ; pour les SMA et MBI : ATLSS, LAMOS, MUSE, CAPSIS, AMAPSim) et en informatique (par ex. SWARM, DEVS, ou l'approche multiparadigme) est de proposer un cadre conceptuel commun pour la représentation hiérarchique des systèmes écologiques, indépendamment de l'échelle d'observation. 3Worlds se situe dans la continuité des plateformes MUSE et LAMOS. Les travaux antérieurs ont permis de définir les principales caractéristiques exigées pour la plateforme : 1. un simulateur capable d'embrasser différentes échelles d'organisation grâce à un ensemble unique de classes décrivant une hiérarchie de systèmes écologiques emboîtés (modèle multi-échelle) ; 2. la possibilité de changer facilement le détail de la représentation d'un processus écologique à travers une interface de programmation simple (aspect multi-modèle) ; 3. la possibilité de déployer des séries de simulation en parallèle sur un réseau d'ordinateurs de façon à donner accès à une plus grande puissance de calcul ; 4. une bibliothèque de modèles écologiques de référence, pour des systèmes modélisés à différentes échelles ; 5. une boîte à outils d'analyse des résultats de simulations basée sur des théories écologiques consensuelles, et plus généralement des outils non fournis dans les logiciels statistiques existants, comme par exemple la détection de l'émergence. Le projet a été organisé en 4 sous-projets (déploiement, implémentation et intégration du logiciel ; simulateur ; bibliothèque de modèles ; boîte à outils d'analyse). Un comité scientifique dirigera le projet. Après un atelier de lancement qui permettra de prendre les principales décisions d'architecture et d'organisation, les sous-projets connaîtront plusieurs cycles de développement logiciel. Pendant la 2e ou la 3e année du projet, une première version de la plateforme sera rendue publique. Un atelier de clôture lors d'une conférence internationale et un groupe de suivi aideront à pérenniser les résultats de ce projet.