基于代理的可视化模型 - 一个多学科、开放获取的文件库

0HAL Id: tel-012412890https://theses.hal.science/tel-012412890提交日期：2015年12月10日0HAL是一个多学科的开放获取档案库，用于存储和传播科学研究文献，无论其是否发表。这些文献可以来自法国或国外的教育和研究机构，也可以来自公共或私人研究中心。0HAL多学科开放档案馆，旨在存储和传播法国或国外的教育和研究机构、公共或私人实验室的研究级科学文献，无论是否发表。0基于代理的可视化模型0Arnaud Grignard0引用此版本：0Arnaud Grignard. 基于代理的可视化模型. 复杂性[cs.CC]. 皮埃尔和玛丽居里大学 - 巴黎六大, 2015. 法语.�NNT: 2015PA066268�. �tel-01241289�0博士学位论文0皮埃尔和玛丽居里大学0专业：计算机科学0基于代理的可视化模型0计算机、电信和电子学院（巴黎）0由以下人员提交：0Arnaud GRIGNARD0获得以下学位：0皮埃尔和玛丽居里大学博士学位0由以下评委组成的评审委员会：0Guillaume Beslon先生，评委，教授（里昂国立应用科学学院 - LIRIS）0Guillaume Hutzler先生，副教授（Evry-Val d'Essonne大学）0Yves Demazeau先生，考官，研究主任（CNRS - LIG）0Matthieu Latapy先生，研究主任（CNRS - LIP6）0Sophie Lavaud女士，考官，研究员（巴黎第一大学）0Michel Morvan先生，教授（里昂高等师范学校）0Alexis Drogoul先生，导师，研究主任（IRD - UMI 209 UMMISCO）0Jean-Daniel Zucker先生，研究主任（IRD - UMI 209 UMMISCO）23base d’agents r´ev`ele tout le contraire : l’aller-retour entre l’´ecriture et la visualisation d’un40摘要0这篇论文的出发点是可视化是方法论中的弱点。0基于代理的建模：虽然很少被引用和突出，但它对于模型化来说是至关重要的。0对于许多建模者来说，这不仅是他们构建模型的第一步，而且也是他们构建模型的唯一步骤。0模型化方法不仅是一种构建模型的方法，而且越来越成为一种设计、验证甚至描述的方式。0验证复杂系统模型的有效性。0基于代理的建模领域长期以来一直没有明确的结构，但正在逐渐发展。0逐渐以设计方法、沟通和描述的方式组织起来。0成功的ODD协议[Grimm et al., 2010]就是一个例子。0证明：面对越来越复杂的系统表示需求，建模者需要逐渐组织设计方法、沟通和描述。0建模者需要整理他们的建模方式，并在其中建立秩序。0然而，令人惊讶的是，没有任何地方可以保留。0ODD或其他类似方法中，模型的可视化方式并不存在，或者如果存在，被视为远离的衍生产品。0描述或设计。对于许多模型化理论家来说，这个阶段根本不存在。0基于代理的模型正好相反：在编写和可视化模型之间来回往复。0模型的设计已经被认可、验证和验证。然而，对于模型化实践的研究，没有任何地方可以保留。0modèle fait partie intégrante du quotidien de nombreux chercheurs, comme en témoigne0le succès de la plate-forme NetLogo. Cette visualisation, partie d'une démarche intégrée,0permet de façon intuitive de vérifier et raffiner aussi bien les comportements individuels0des agents que les structures collectives ou émergentes attendues. Poussée à l'extrême,0cette pratique se rencontre aussi dans les démarches de modélisation et/ou simulation0participative, où la visualisation du modèle sert de médiation entre acteurs et de support0aux tâches, collectives, de modélisation.0Absente des propositions méthodologiques, la visualisation de modèles à base d'agents0se retrouve donc essentiellement délimitée et structurée par des pratiques individuelles,0parfois partagées sous la forme de préceptes [Kornhauser et al., 2009], mais rarement0généralisables au-delà de la conception d'un modèle. Il existe pourtant des façons de visua-0liser, des manières de chercher à faire ressortir une information spécifique, des méthodes0à suivre pour étudier visuellement une abstraction.rer, programmatiquement et visuellement, leurs dynamiques sous-jacentes. Tout comme50Ce mémoire a comme objectif, non seulement de mettre en évidence ces méthodes,0mais également de les organiser et de les opérationnaliser en utilisant un support et un0bagage conceptuel identique à celui utilisé pour construire des modèles à base d'agents,0afin de bénéficier des mêmes qualités de flexibilité, de modularité et d'adaptabilité que0celles que l'approche à base d'agents a pu apporter à la modélisation.0Je défends dans cette thèse l'idée qu'une approche à base d'agents peut être appliquée0au domaine de la visualisation d'informations. En partant de cette idée maintenant com-0munément admise que les modèles à base d'agents offrent des représentations adaptées à la0complexité d'un système réel, je propose donc dans mon travail d'adopter une approche0fondée sur la définition de modèles de visualisation à base d'agents afin de faciliter la0représentation visuelle d'informations et d'offrir un support innovant permettant d'explo-0leurs contreparties logicielles, les modèles de visualisation à base d'agents sont composés0d'entités graphiques autonomes, pouvant interagir et s'organiser entre elles, apprendre à0partir des informations qu'elles traitent et adapter en conséquence leurs comportements0et représentations visuelles. En offrant à un utilisateur la possibilité de décrire des tâches0de visualisation sous cette forme, mon objectif est donc de lui permettre de bénéficier des0qualités de flexibilité, modularité et adaptabilité inhérentes aux approches à base d'agents.0Ces concepts ont été implémentés et expérimentés dans la plate-forme de modélisation et0de simulation GAMA, au sein de laquelle j'ai développé un environnement immersif 3D0offrant à l'utilisateur une grande liberté de points de vue et d'interaction avec les agents.0Leur mise en œuvre est validée sur des modèles choisis pour leurs propriétés, supports0d'une progression linéaire en termes de complexité qui permet de mettre en relief ces0notions de flexibilité, de modularité et d'adaptabilité de l'approche visant à améliorer0la modélisation des systèmes complexes. Je montre enfin, sur le cas particulier de la vi-0sualisation de données, comment mon approche permet, en temps réel, de représenter,0d'expliciter, voire de découvrir leurs dynamiques.are commonly called ”complex systems”. The reason is often the use of monolithic and60Résumé0La visualisation de l'information est l'étude de représentations visuelles interactives de données abstraites0données pour renforcer la cognition humaine. Il est très étroitement associé aux problèmes d'exploration de données0qui permettent d'explorer, de comprendre et d'analyser des phénomènes, des systèmes ou des masses de données dont0la complexité continue de croître aujourd'hui. Cependant, la plupart des techniques de visualisation existantes ne sont pas0ne conviennent pas à l'exploration et à la compréhension des ensembles de données qui se composent d'un grand nombre0de données individuelles provenant de sources hétérogènes qui partagent de nombreuses propriétés avec ce que0approches centralisées. Cette situation rappelle la modélisation des systèmes complexes0(sciences sociales, chimie, écologie, et bien d'autres domaines) avant le progrès représenté par0la généralisation des approches basées sur les agents il y a vingt ans.0Dans cette thèse, je défends l'idée que la même approche peut être appliquée avec les mêmes0réussite dans le domaine de la visualisation de l'information. En partant de l'idée maintenant communément acceptée0l'idée acceptée que les modèles basés sur les agents offrent des représentations appropriées de la complexité0d'un système réel, je propose d'utiliser une approche basée sur la définition de modèles de visualisation basés sur les agents0modèles de visualisation pour faciliter la représentation visuelle de données complexes et fournir des0support innovant qui permet d'explorer, de manière programmable et visuelle, leurs dynamiques sous-jacentes0dynamique. Tout comme leurs homologues logiciels, les modèles de visualisation basés sur les agents sont com-0composé d'entités graphiques autonomes qui peuvent interagir et s'organiser, apprendre0à partir des données qu'ils traitent et, par conséquent, adaptent leur comportement et leur représentation visuelle-0tions. En permettant à un utilisateur de décrire des tâches de visualisation sous cette forme, mon objectif0est de leur permettre de bénéficier de la flexibilité, de la modularité et de l'adaptabilité inhérentes à0approches basées sur les agents.0Ces concepts ont été mis en œuvre et expérimentés sur la modélisation et la0plateforme de simulation dans laquelle j'ai développé un environnement immersif 3D offrant à l'utilisateur0différents points de vue et manières d'interagir avec les agents. Leur mise en œuvre est validée0sur des modèles choisis pour leurs propriétés, soutient une progression linéaire en termes de complexité,0nous permettant de mettre en évidence les concepts de flexibilité, de modularité et d'adaptabilité. Enfin, je0démontrer à travers le cas particulier de la visualisation des données, comment mon approche permet, en0en temps réel, de représenter, de clarifier, voire de découvrir leurs dynamiques et comment cela progresse0en termes de visualisation peut contribuer, à son tour, à améliorer la modélisation des systèmes complexes0systèmes.7Remerciementsses travaux.80Je tiens à remercier Guillaume Beslon d'avoir accepté de rapporter cette thèse.0Bien que nos disciplines soient éloignées, je lui dois mon goût pour l'outil de découverte0scientifique qu'est la modélisation et pour l'interdisciplinarité qu'il a toujours prônée dans0Je tiens également à remercier Guillaume Hutzler d'avoir rapporté ce travail. Il est0for me one of the pioneers in the field of agent-based visualization. His0di�erent works, especially his doctoral thesis “From the Garden of Hazards to the Gardens0Data” have been a constant source of inspiration during my thesis.0Michel Morvan, as a co-founder of the Rhˆone-Alpes Institute of Complex Systems0plexes and CoSMo Company, two places where I worked before starting0my thesis, indirectly played a major role in my fascination with0of complex systems.0I would like to thank Matthieu Latapy for agreeing to be part of my jury, and I hope0that information visualization and the ability to see complex systems through a0approach other than the network approach will catch his curiosity. I would also like to thank Yves0Demazeau for bringing his experience as a jury member in the visualization0based on agents, a field in which he has already made significant contributions at IGN. I thank0and finally Sophie Lavaud, who, in addition to bringing a touch of femininity to this jury, will0bring her artistic touch as a researcher in interactive digital art.0I would like to particularly thank Alexis Drogoul, who has been a thesis supervisor0more than ideal. I hope to have the opportunity to share privileged moments with him0that those we spent in Vietnam. He has taught me a lot during0these three years, both scientifically and personally. I thank him for0trust and freedom he has given me during this thesis. His support has been invaluable in0certain difficult moments, and I hope he will be proud of this work. However, it is not0not impossible that he gave me the (wrong?) habit of considering that everything can be0seen in the form of agents.0Jean-Daniel Zucker, as a co-supervisor, has been extremely helpful throughout0of this thesis. His multidisciplinary approach and the many paths he has allowed me0to explore have been accelerators throughout the thesis.90This thesis was carried out as part of the International Doctoral Program0�  Modeling of Complex Systems �  (PDI MSC), a large part of the thesis0was carried out within the laboratories of UMMISCO-Vietnam, IFI (MSI) and USTH0(ICT-Lab) in Hanoi, I would like to particularly thank Ho Tuong Vinh, Nguyen Hong0Quang and Remi Mullot for welcoming me to their laboratory.0As you will see throughout this thesis, a large part of the work has been0carried out using the Gama platform. I had the opportunity to participate in this great0ture of developing an open-source simulation platform in a research team0of enthusiasts. I would like to particularly thank Patrick Taillandier, Benoit Gaudou, Ni-0colas Marilleau, Vo Duc An and Huynh Nghi for their valuable support during0in the development phases of GAMA. This adventure has sometimes been tough, but0especially during the endless debugging sessions, but it also allowed us to establish0strong relationships with the entire team during the Vietnamese coding camp, including0Javier Gil-Quijano, Samuel Thiriot and Philippe Caillou.0我要感谢Christophe Cambier和PDI 2010、2011、2012年的同学们0我们在每年的博士学位论文答辩会上度过了难忘的时刻0年在IRD Bondy中心。0在IXXI中，我还有幸与Eric Boix一起工作，他向我介绍了0在Dynanets项目中，我要感谢Tri0Nguyen-Huu在我在实验室度过的深夜时分对我的支持0的撰写和对基于代理的建模的数学贡献。0我要向我的父母Pierre和Sylvie以及我的0四个姐妹Charlotte，Juliette，Margot和Emilie在整个过程中的支持0论文。0我要感谢Marie-Florine每天都在我身边倾听0在整个论文期间一直支持我。0我要向我亲密的朋友们表达他们在这个过程中的重要性0特别是Timothée，Guillaume，Timat，Tom，Flo和Rém，他们0我很少能与他们交流关于我的论文内容。0最后，我要特别感谢我的侄子Pauline，Roméo和Fanette，他们0这段时间对我来说是非常重要的，还有我的曾祖父Victor Grignard，诺贝尔奖得主01912年的化学。10110目录01 基于代理的可视化 1901.1 基于代理的建模和仿真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2001.2 基于代理的建模中的可视化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2401.3 目标：朝着增强仿真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2801.3.1 分离表示和执行 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2801.3.2 在建模周期中的可视化模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . 2902 实施 3302.1 GAMA平台介绍 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3402.1.1 GAML (GAMA建模语言) . . . . . . . . . . . . . . . . . 3502.1.2 模型组织 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4102.2 3D沉浸式环境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4402.3 可视化模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4802.3.1 环境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4802.3.2 表示 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5302.4 代理方法的后果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5602.4.1 抽象 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5602.4.2 分析活动 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5902.4.3 交互 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6203 实施示例 6703.1 玩具模型示例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6803.1.1 多属性可视化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6803.1.2 跟踪代理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6803.1.3 代理之间的交互可视化 . . . . . . . . . . . . . . . 701203.1.4 信息叠加 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7103.2 地理信息系统................................7203.2.1 地理信息数据在模型中的整合..............7203.2.2 空间信息化为Agent化.....................7403.3 多层次表示与建模..........................7603.3.1 多层次表示................................7603.3.2 多层次建模................................7703.4 基于时空聚合的分析..........................7903.5 使用抽象控制模型..........................8204 信息可视化...................................8504.1 现有方法和工具的局限性......................8704.2 信息可视化与ABV方法.......................8804.2.1 层次结构..................................8904.2.2 关系结构..................................9004.2.3 时间结构..................................9204.2.4 空间结构..................................9404.2.5 时空结构..................................9705 时空数据表示.................................10105.1 ARCHEM.....................................10205.1.1 空间表示..................................10305.1.2 时间表示..................................10505.1.3 与水沉积模型的耦合........................10805.1.4 结论.....................................11005.2 DENSEAT (东南亚登革热时序)..................11105.2.1 时空表示..................................11105.2.2 疫情检测..................................11606 结论与展望..................................121130(在某些图表中，符号m表示链接到动画版本.)........01.1 Agent-based模型定义的图形表示..............2201.2 Emergence..................................2301.3 基于Agent的建模中的可视化实践................2401.4 基于Agent的模型的示意图.....................2501.5 增强现实与增强模拟的类比......................2901.6 基于Agent的可视化模型........................3002.1 GAMA的概念模型环境..........................3602.2 GAMA 1.6.1................................3702.3 GAMA元模型...................................4002.4 GAML语法..................................4302.5 场景3D........................................4602.6 裁剪金字塔................................................4702.7 虚拟相机..................................................4702.8 分层显示..................................................4902.9 视觉变量..................................................5002.10 调色板.............