Project : maia

Section: Scientific Foundations

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Modèles d'inspiration biologique

Objectifs

Notre objectif concerne la proposition de modèles, outils et méthodes permettant la conception de système multi-agents selon une approche émergentiste. Il y a émergence dans un système multi-agents lorsque le comportement des agents est décrit dans un certain formalisme et les propriétés collectives observées sont décrites dans un formalisme différent qui ne se déduit pas du précédent. Cela pose alors le problème du passage entre la simplicité apparente individuelle d'un agent et la complexité globale du système. Autrement dit, il s'agit de concevoir des formes d'interaction entre les agents et leur environnement qui permettent l'observation de propriétés collectives complexes.

La problématique centrale consiste donc à établir une relation entre le niveau micro (les comportements individuels) et le niveau macro (le comportement collectif). Cette problématique peut se décomposer selon 2 perspectives complémentaires :

• étant donnée une propriété ou un comportement global désiré, comment construire les comportements individuels et la dynamique des interactions (approche descendante), pour obtenir un comportement collectif donné,

• à partir d'un ensemble de comportements individuels et de la dynamique des interactions comment prédire le comportement collectif résultant (approche ascendante).

Notre approche

Actuellement il n'existe pas de méthodologie conduisant à la construction de système multi-agents selon cette approche émergentiste et nous entendons contribuer à l'élaboration d'une telle méthodologie. Notre démarche s'articule autour de trois points :

• Comprendre l'émergence dans le cadre de phénomènes naturels

• Transposer les principes émergentistes pour résoudre des problèmes

• Proposer un cadre permettant de systématiser la conception émergentiste de système multi-agents.

Comprendre l'émergence

L'étude des modèles biologiques est une source d'inspiration qui semble relativement naturelle (sans pour autant être la seule possible). La réflexion débutera sur la base des travaux originaux déjà initiés dans l'équipe et qui concernent les araignées sociales. Chez les insectes sociaux, les interactions inter-individuelles reposent en grande partie sur l'utilisation d'un éventail de signaux chimiques caractérisés par des durées de vie, des concentrations et des critères de diffusion particulier. De plus, le groupe social est souvent divisé en castes constituées d'individus spécialisés. Le "vocabulaire chimique" des araignées sociales est beaucoup plus réduit, les interactions reposant essentiellement sur des informations émanant de la soie. Le piège correspond à un réseau soyeux tridimensionnel propice à la diffusion d'informations vibratoires. C'est une structure dynamique continuellement remaniée par les activités et les déplacements des individus, qui est également susceptible de remplir une fonction de "mémoire" collective en intégrant dans sa géométrie et ses propriétés mécaniques l'histoire du groupe et de son environnement.

L'étude de l'émergence vise à caractériser les processus sous-jacents à l'apparition de propriétés collectives émergentes à partir d'exemples concrets. L'objectif est d'obtenir un ensemble de caractérisations de mécanismes émergentistes à partir d'exemples existants. Une illustration de cette démarche se retrouve dans les travaux que nous avons déjà entrepris tels que la modélisation et la simulation d'activités collectives chez les araignées sociales : agrégation et synchronisation par exemple.

Transposition

L'étude et la modélisation de phénomènes naturels nous fournit le système de représentation et les comportements individuels, les mécanismes d'interaction et de réorganisation qui vont régir le fonctionnement du système afin qu'il produise une réponse au niveau collectif. Il s'agit alors d'en dégager les principes de fonctionnement en faisant le plus possible abstraction du contexte naturel puis d'adapter ceux-ci à un problème ou une famille de problèmes.

Nous avons ainsi transposé avec succès le comportement de construction collective de toile chez les araignées pour détecter des régions homogènes dans des images à niveaux de gris.

Formalisation, généralisation, abstraction

Cette dernière étape vise à dépasser un cadre purement énumératif (un catalogue de " procédures " émergentistes permettant la construction de systèmes multi-agents) pour fournir des méthodes d'évaluation de l'émergence par l'élaboration de mesures de la complexité structurelle et/ou fonctionnelle, mesures s'apparentant à la notion d'entropie.

Le concept d'émergence est pluri-disciplinaire et fait référence à des travaux dans différents domaines (phénomènes non linéaires, théorie du chaos, systémique, biologie du comportement, etc.) où ses définitions ne sont pas utilisables en tant que telles pour construire et faire s'exécuter des systèmes informatiques. Nous estimons nécessaire d'étudier ces différentes définitions pour en extraire les éléments permettant la proposition d'un cadre constructif en informatique.

Situation dans la communauté nationale/internationale

Parmi les deux principales approches d'études des systèmes multi-agents nous avons orienté nos recherches vers les systèmes " collectifs " qui privilégient les notions d'interaction et d'organisation.

Cela s'est manifesté par de nombreuses collaborations avec les chercheurs francophones de ce domaine, notamment par une implication active dans différents groupes de travail :

• groupe de travail MARCIA (dès 1993 sous l'égide du GDR-PRC IA et pour lequel V. Chevrier a assuré la co-responsabilité de 95 à 97) et dont l'un des thèmes a été l'auto-organisation ;

• groupe de travail Interaction de l'AFCET-AFIA (94-96),

• et groupe de travail Colline (sous l'égide du GDR I3 et de l'AFIA) à partir de 1997.

C'est ainsi que des modèles d'interaction et d'organisation ont été proposés dans les travaux de thèse de R. Foisel et A. Dury.

L'approche que nous suivons actuellement se fonde sur la notion d'auto-organisation pour la conception de systèmes multi-agents avec notamment l'étude de leurs propriétés émergentes. Même si la communauté informatique dans le domaine est encore réduite, elle se développe depuis quelques années notamment au travers des recherches menées à l'Iremia (Université de la Réunion), à l'IRIT, à l'Université de Neuchâtel (Suisse) et dans quelques laboratoires aux E-U, ( D.Van Parunak, R Brooks par exemple).

Parmi ces recherches, certaines s'inspirent de modèles biologiques pour envisager l 'émergence de propriétés. Les travaux actuels ont été principalement inspirés des modèles de société de fourmis comme au LIP6, au Lirmm ou encore à l'IRIDIA (Bruxelles). Le modèle des araignées sociales ne l'ayant jamais été, cela constitue une originalité de notre démarche. Il est à noter que pour une grande part, ce domaine a été influencé par les travaux de Jean-Louis Deneubourg du CENOLI (Bruxelles) concernant les phénomènes d'auto-organisation dans ces sociétés et les mécanismes d'interaction par phéromones dans le cas des fourmis.