laurent pérochon
TRANSCRIPT
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PARIS
(PAsture-Ruminant Interaction Simulator)
Laurent Pérochon
Centre de Clermont-Ferrand / TheixURH / RAPA
63122 Saint Genès Champanelle
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Contexte
Elevage d’herbivores / Prairie
Pâturage extensif = faible chargement
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Nourrir les animaux et gérer l’écosystème prairialpar le pâturage et la récolte de fourrages
Les enjeux
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Objectifs
Mieux comprendre les mécanismes du système afin d’aider à sa gestion
Troupeau Prairie
Eleveur
gèregère
défolie / se déplace
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Les moyens utilisés
Expérimentation Simulation
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Les connaissances initiales/
collaborationsEquipe RAPA, unité URHINRA• Expérimentation Animaux / Parcelles• 1 modèle à compartiments• 2 simulateurs multi-agents
Equipe FGEPINRA•Expérimentations Parcelle•1 modèle à compartiment
LIMOSUniversité Blaise Pascal•Simulateurs multi-agents•Travaux mathématiques•Modélisation UML
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Les connaissances initiales/
collaborationsEquipe RAPA, unité URHINRA• Sauvant et al. 1996• Dumont et Hill 2001,2004
Equipe FGEPINRA•Carrére et al. 1997
LIMOSUniversité Blaise Pascal•Force et al. 2002•Hill 1996, 2000
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Objectifs du simulateur
Simuler le système Troupeau / Prairie, afin de tester des hypothèses biologiques,et de prédire l’évolution du système au cours du temps.
Troupeau Prairiedéfolie / se déplace
Contrainte : prise en compte de l’hétérogénéité des animaux et de la végétation ainsi que leurs interactions
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Précisions / Décisionsinitiales
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Les échelles
Troupeau Prairie
Pour les définir il faut prendre en compte l’objectif, les contrainteset les interactions
AnimalMax 30
Station alimentaire(0,1 m2)
10 hectares
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Processus continu
Croissance deLa plante
ProcessusphysiologiqueDe l’animal
Lent Rapide
Événements discrets
Horloge synchrone
Processus discret
Actions de l’animal
De la seconde pour Prendre une décision
à la minute pour marcher
Jour Après une séquence dedéfoliation, rumination,
buvée ou repos
Discrétisation
Temps
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Spatial ou non ?
Prise en compte de l’hétérogénéité de la végétation, et des emplacements remarquables : point d’eau, aire de repos
Compétition entre individus et interaction spatiales des individus
OUI
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Aléatoire ?
Hétérogénéité Variabilité
OUI
Processus décisionnels non déterministes
Conditions initiales aléatoire résultats
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Comment faire ?
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Qui et pourquoi ?
Equipe RAPA, unité URHINRA(Bio) R. Baumont : Animal ‘seul’(Bio) B. Dumont : spatial, social(Info, model) L. Pérochon
Equipe FGEPINRA•(Bio) P. Carrére végétation
LIMOSUniversité Blaise Pascal(conseil info, model) D. Hill(conseil maths) C. Mazel(info model végétation) C. Force
Stagiaires Isima Stagiaires Isima
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Approches utilisées pour l’analyse
Multi-agents (Ferber 2000, Janssen 2002 ): animal
Multi-modèles (Fishwick, 1995)#niveaux d’abstractions#modèles en interactions
Modèles à compartiments :Physiologie animalStation alimentaire
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Formalisme
Modèles à compartiments : diagrammes de Forrester (1969)Simulateur : Unified Modelling Langage
Modèle conceptuel
Avant la programmation
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Programmation
Le simulateur : C++ (gcc)Interface homme-machine : Java (sun)Système d’exploitation Linux (Mandrake)
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Analyse
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PARIS
BIOLOGICAL-SOCIAL TECHNICAL
INTAKEENVIRONMENT
GRASSLANDPLOT USE
ANIMAL AGENT
TIME MATHEMATICS
SPATIAL INPUT/OUTPUT
Premier et deuxième niveaux conceptuels
Le simulateur
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BIOLOGICAL-SOCIAL
INTAKEENVIRONMENT
PLOT USE
ANIMAL AGENT
GRASSLAND
Le modèle du domaine
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Troisième niveau conceptuel
PLOT
GRASSLAND
RESTING SITE
WATER POINT
VEGETATION SITE
SITE
CELL
COMPARTMENT4
*
GR GVDR DV
< is linked to
PLANTCOMMUNITY
+ Equations
VEGETATION
ENVIRONMENT< influences
< defoliates
ANIMAL AGENT
information resource
perceives
Le modèle de la parcelle
GV : green vegetativeDV : dry vegetativeGR : green reproductiveDR : dry reproductive
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faciès
Site 1
Site 2
Cellule
La représentation de la parcelle
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BIOLOGICAL-SOCIAL
INTAKEENVIRONMENT
PLOT USE
ANIMAL AGENT
GRASSLAND
Le modèle du domaine
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INTAKE
DECISION
ACTION CHOICE
PROXIMATE CELL CHOICE
DEFOLIATION
PERCEPTION
DIGESTION-METABOLISM
GRASSLAND
PLOT USE
Troisième niveau conceptuel
Le modèle Physiologique / Décisionnel
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Repos
Buvée
Rumination
MangerDirection
Dir 1
Dir 2
(Dir1 + Dir2)/2
(2*Dir1 + Dir2)/3
Distance 3
Distance2 Distance 1Distance
Qualité
First the animal makes a choice between to graze, to drink, to ruminate or to rest.
Second, when the animal eats, the sub-model simulates proximate choices between vegetation cells.
Modelling the role of vegetation quality on proximate choices is based on vegetation characteristics or on potential intake rate .
Each cell will be characterized by an “interest” index integrating distance, direction and quality .
The model will allow testing different choice behaviours from matching behaviour (the probability to choose a cell equals to its relative interest index) to optimal choices (always the best cell is chosen).
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BIOLOGICAL-SOCIAL
INTAKEENVIRONMENT
PLOT USE
ANIMAL AGENT
GRASSLAND
Le modèle du domaine
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Troisième niveau conceptuelPLOT USE
INTAKE
WALKING
NUTRITIONSATISFACTION
MEMORYSITE CHOICE
LEADERSHIP MEMORY
MEMORIZING
FORGETTING
SITEREPRESENTATION
DISTANCESATISFACTION
PROXIMATEANIMAL DISTANCE
HERD DISTANCE
LEADER DISTANCE
COLLISION
Le modèle utilisation spatiale de la parcelle
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This sub-model simulates social interactions between animals in the herd ,
Animals want to be at the same time not to be too far away from others, and not to close too .
when its intake rate of digestible matter on that site falls below a given threshold an animal can move to a new location .
It’s what we call a leader . Each animal can become at any time a leader, but some will use this possibility more often than others will.
the whole herd will follow it.
Amongst the animals, only a leader can take the whole group to a new grazing location,). Now, an animal not satisfied by the quality of the surrounding cells, can decided to move on another area of the plot. An area it think it have better cells. When a leader move on another area,
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BIOLOGICAL-SOCIAL
INTAKEENVIRONMENT
PLOT USE
ANIMAL AGENT
GRASSLAND
Le modèle du domaine
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Déplacement versle point d’eau
Boire
Repos sur place
Déplacement versl’aire de couchage
Repos
Percevoir végétation environnanteChoix de la végétation à mangerDéplacement vers la végétation à
mangerIngestionMémorisation spatialisée de la
végétation ingérée
[manger etla végétation est satisfaisante ]
[boire ]
[repos court ]
[ repos long ]
Essayerdevenir leader
[ Végétationinsatisfaisante ]
[ Ne devientpas leader ]
Choix d’un site mémorielde végétation
Déplacement vers le site
[ Devientleader ]
[ Distance au troupeau, aux voisinsou à un leader insatisfaisantes ]
Déplacement[ Distances correctes ]
Choix activité
Animal seul
������������ � ��������� � �� ��������������� � ��� ������� � �������� ���� � �������� ����activités
Troisième niveau conceptuel
[ Fin action ]
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PARIS
BIOLOGICAL-SOCIAL TECHNICAL
INTAKEENVIRONMENT
GRASSLANDPLOT USE
TIME MATHEMATICS
SPATIAL INPUT/OUTPUT
ANIMAL AGENT
Premier et deuxième niveaux conceptuels
Le simulateur
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Troisième niveau conceptuel
Le modèle Technique
TECHNICAL
TIME MATHEMATICS
SPATIAL INPUT/OUTPUT
EcheancierHorloge synchrone
Jour 1 Jour 2 Jour 3 …
Echéancier
temps
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Choisir les événements
• Pour chaque instant important �un événement– Changement d’activité– Choix d’une cellule – Rumination – Lien social, leadership et isolement– Suivre un leader – Se rapprocher du troupeau – Arriver à une destination
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Troisième niveau conceptuel
Le modèle Technique
TECHNICAL
TIME MATHEMATICS
SPATIAL INPUT/OUTPUT
Générateur de nombrepseudo aléatoire
Lois de probabilités
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Troisième niveau conceptuel
Le modèle Technique
TECHNICAL
TIME MATHEMATICS
SPATIAL INPUT/OUTPUT
Matrice
(20,136)
Distance ?
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Troisième niveau conceptuel
Le modèle Technique
TECHNICAL
TIME MATHEMATICS
SPATIAL INPUT/OUTPUTEntrées-Fichiers-Interface graphique
Animaux, végétation, événements, date de départ
Sorties-fichiers-visionneuse
Animal, groupe, parcelle, sites, cellule
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Conception
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GRASSLAND
[Carrère et al. 1997]
INTAKE
[Sauvant et al. 1996]
PLOT USE
PROTOTYPE OF GRASSLAND MODEL+ Growth & senescence– No defoliation
PROTOTYPE OF INTAKE MODEL+ Ingestion process+ Digestion-metabolism process���� Decision of activity- No interaction with other animals- Only one cell, constant parameters
CREATION OF AN ARTIFICIAL PLOT- No defoliation impact- No vegetation dynamics
TRAJECTORY GENERATOR- Only one animal- No defoliation impact- No vegetation dynamics
V & VV & VV & V
Firststep
INTERACTION BETWEEN THE INTAKE MODEL AND THE GRASSLAND MODEL+ Interaction between one animal and the vegetation+ Decision of activity+ Proximate cell choice+ Perception of the quality of the cells- Only one animal
INTERACTION BETWEEN INTAKE AND PLOT USE MODELS AND THE GRASSLAND MODEL+ Interaction between animals inside the herd+ Interaction between each animal and the vegetation
V & V
Secondstep
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INTERFACE+ Initialization of replications+ Filtering of the outputs+ Management of output files
VIEWER+ Visualization of animal movements on a map representing the grassland
Currentstep
TECHNICAL PLOT USE
LEADER & MEMORY+ Leadership.+ Interactions between animals and the leader.+ Spatial memory
PARIS
V & V
V & V
[Dumont et Hill 2001]
Second step
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Le prototype actuel
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ModVege Simulateur
GenTraject
Maths
Mémoire
Param
Stats
Techno
UtilsAdaptateur
Les répertoires
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Interface homme machine
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48
49
Les sorties
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51
Init vv
Faciès 1
Faciès 3
Faciès 4
Faciès 2
Faciès 4
Faciès 2
Faciès 1
Faciès 3
52
200 j vv
Faciès 1
Faciès 3
Faciès 4
Faciès 2
Faciès 4
Faciès 2
Faciès 1
Faciès 3
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200 j perçu
Faciès 1
Faciès 3
Faciès 4
Faciès 2
Faciès 4
Faciès 2
Faciès 1
Faciès 3
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200 j mémoire
Faciès 1
Faciès 3
Faciès 4
Faciès 2
Faciès 4
Faciès 2
Faciès 1
Faciès 3
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Analyse des sorties
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Visuelle / statistique
Troupeau / animal / Leader
Parcelle / Faciès / site (végétation et mémoire)
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0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
109 139 169 199 229 259
Jour
Qin
g (g
MS
/j) 5_750
5_1500
5_3000
5_6000
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
109 139 169 199 229 259
Jour
Din
g (m
in/j) 5_750
5_1500
5_3000
5_6000
0
1
2
3
4
5
6
109 139 169 199 229 259
Jour
Vite
sse
d'in
gest
ion
(g M
S/m
in)
5_750
5_1500
5_3000
5_6000
Evolution de la moyenne des quantités ingérées par j our de chaque animal, de leurs durées d’ingestion et de leurs vit esse d’ingestion
Nb Animaux,Nb m2
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Le simulateur en bref
2000-200520.000 lignes de codes et de commentairesTemps de simulation : 2h30 pour 10 animaux sur 1 hectare pendant un an(1Go amd 3200+)Fichiers en sorties : 9 Go pour la végétation, pour un animal sur 100 jour 180 Mo3 équipes en collaborationInteractions informaticiens / biologistesMulti agents; multi modèles
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P.Carrére, S. Schwinning and A.J. Parsons. 1997. A spatially explicit simulation ofherbivore-sard interaction, in: Vth Research conference of the British GrasslandSociety (Newton-Abbot, Devon, Uk, 1997) 169-170.B. Dumont et D.R.C. Hill 2001. Multi-agent simulation of group foraging in sheep: effects of spatial memory, conspecific attraction and plot size, Ecol. Model. 141 (2001) 201-215.B. Dumont et D.R.C. Hill 2004. Spatially explicit models of group foraging by herbivores : What can agent based models offer ? Anim. Res. 53 (2004) 419-428.J. Ferber 2000, Multi-agent systems – An introduction to distributed artificialintelligence (Addison Wesley, Readind, MA, 1999)Force et al. 2002. Design of a multimodel of a dairy cows herd attacked by mastitis Simulation Modelling Practice and Theory, Volume 10, Issue 8, 31 December2002, Pages 543-554 Forrester, J. W. (1969) Urban Dynamics, MIT Press, Cambridge, MA.
D.R.C. Hill 1996, Object Oriented analysis and simulation, Addison-Wesley. D.R.C. Hill, P. Coquillard, B. Garcia, M.K. Traore, C. Mazel and A.T. Campos, multimodeling and object orented design patterns application to bio-control simulation, in Proc. Arti. Int. Simul. Arizona 219-228 2000Janssen 2002, complexity and ecosystem management : the theory and pactice ofmulti-agent systems, Edward Elgar Publishing, Inc.D. Sauvant, R. Baumont et P. Faverdin, Development of a mechanistic model ofintake and chewing activities of sheep, J. Anim. Sci. 74 (1996) 2785-2802.
Références