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Theses Year : 2022

Possibilist analysis of discrete models of ecosystems using symbolic methods

Analyse possibiliste de modèles discrets d'écosystèmes par des techniques symboliques

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Abstract

The entire world is nowadays undergoing major ecological crises with the current mass extinction of a wide range of living forms. Indeed, between 20% to 50% of all living species may extinct in the 21st century. To understand these phenomenons, some ecologists use formal methods to model ecosystems and analyse their possible trajectories [Gaucherel, Pommereau 2019]. A major difficulty in this approach is the combinatorics that leads to models with huge state spaces. Symbolic techniques like decisions diagrams allow to efficiently compute these state spaces and analyse them automatically [Thierry-Mieg 2016]. However, this does not help with the understanding of the models by the ecologists because such large state spaces remain opaque to manual exploration. The techniques developed so far to explore such large state spaces are based on their presentation into topological components (strongly connected components, deadlocks, basins of attraction), but they do not scale to models with a large number of components, or with very large components, which is the case of the models that require symbolic techniques. This thesis aims at developing analysis techniques for these large state spaces relying on question of ecological nature, that should lead to splits of the state space into macro-trajectories interpretable by an ecologist. To do so, it is expected to start from, on the one hand, an existing modelling language [Gaucherel, Pommereau 2019] to formulate queries in the terms used by the modeller, and, on the other hand, on temporal logics to allow the expression of trajectories the modeller wants to study in particular (or conversely, those she wants to ignore for her exploration space). These requests should address both the states and the transitions in the system, which are the two basic elements handled by the modeller. These requests will have to be complemented with analysis techniques of the components allowing to present some of their significant characteristics in order to guide the modeller in the refinement of his requests. On the long term, the goal is this to propose efficient exploration methods of large state spaces, guided by ecological queries that an ecologist modeller is able to express. Finally, the methods developed during the thesis will have to be applied on cases studies about ecosystems studied in Cédric Gaucherel's team.
Le monde subit actuellement des crises écologiques majeures avec l'extinction de masse d'un très grand nombre d'espèces vivantes. De l'ordre de 20 à 50% des espèces vivant au 21ème siècle devrait s'éteindre au cours du siècle. Pour comprendre ces phénomènes, des écologues utilisent des méthodes formelles pour modéliser les écosystèmes et analyser leurs trajectoires possibles [Gaucherel, Pommereau 2019]. Une difficulté majeure dans cette approche est la combinatoire qui engendre des modèles avec des espaces d'états immenses. Les techniques symboliques à base de diagrammes de décisions permettent de calculer efficacement ces espaces d'états et de les analyser de façon automatique [Thierry-Mieg 2016]. Cependant, cela n'aide pas à la compréhension de ces modèles par les écologues car de grands espaces d'états restent opaques à l'exploration manuelle. Les techniques développées jusqu'à présent pour permettre une telle exploration de grands espaces d'états se basent sur une présentation des espaces d'états selon ses composantes topologiques (composantes fortement connexes, blocages, bassins d'attractions), mais elle ne passent pas à l'échelle de modèles ayant un grand nombre de composantes, ou des composantes de grande taille, ce qui est le tas des modèles nécessitant des techniques symboliques L'objectif de la thèse est de développer des techniques d'analyse de ces grands espaces d'états en s'appuyant sur des questions d'ordre écologique, qui devront se traduire par des découpages de l'espace d'états en macro-trajectoires interprétables par des écologues. Pour cela, il faudra se baser d'une part sur le langage de modélisation existant [Gaucherel, Pommereau 2019] pour formuler des requêtes dans les termes utilisés par le modélisateur, et d'autre part sur des logiques temporelles permettant d'exprimer des trajectoires sur lesquelles le modélisateur souhaite porter son attention (ou au contraire qu'il souhaite éliminer de son espace d'exploration). Ces requêtes devront pouvoir porter à la fois sur les états et sur les transitions du système, qui sont les deux éléments de base manipulés par le modélisateur. Ces requêtes devront être complétés par des méthodes d'analyse des composantes symboliques permettant d'en présenter des caractéristiques pertinentes pour le modélisateur afin de le guider dans le raffinement de ses requêtes. Il s'agit donc à terme de proposer des méthodes d'exploration efficaces de grands espaces d'états, guidées par des questions écologiques formulables par un modélisateur écologue. Enfin, les méthodes développées devront être appliquées sur des études de cas portant sur des écosystèmes étudiés dans l'équipe de Cédric Gaucherel.
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Dates and versions

tel-03926668 , version 1 (06-01-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03926668 , version 1

Cite

Colin Thomas. Analyse possibiliste de modèles discrets d'écosystèmes par des techniques symboliques. Sciences de l'environnement. Université d'Evry Val d'Essonne, 2022. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03926668⟩
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