THÈSE / UNIVERSITÉ DE BRETAGNE OCCIDENTALE présentée par sous le sceau de l’Université Bretagne Loire Sébastien Le Yaouanq pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE BRETAGNE OCCIDENTALE préparée au Centre Européen de Réalité Virtuelle, Mention : Informatique Laboratoire CNRS Lab-STICC École Doctorale SICMA ! Thèse soutenue le 17 juin 2016 Co-simulation redondante d’échelles de devant le jury composé de : Samir Otmane (Rapporteur) modélisation hétérogènes pour une Professeur, Université d’Evry Val d’Essonne Éric Ramat (Rapporteur) approche phénoménologique. Professeur, Université du Littoral Côte d’Opale Vincent Chevrier (Examinateur) Professeur, Université de Lorraine Jacques Tisseau (Directeur de thèse) Professeur, ENI Brest Pascal Redou (Encadrant) Maître de Conférence, HDR, ENI Brest Christophe Le Gal (Encadrant) Directeur général, Docteur, CERVVAL Université Bretagne Loire — Mémoire de thèse — Spécialité : Informatique Co-simulation redondante d’échelles de modélisation hétérogènes pour une approche phénoménologique Sébastien Le Yaouanq Soutenue le 17 juin 2016 devant la commission d’examen : Rapporteurs Samir Otmane Professeur, Université d’Evry Val d’Essone Eric Ramat Professeur, Université du Littoral Côte d’Opale Examinateurs Vincent Chevrier Professeur, Université de Lorraine Pascal Redou Maître de conférences, HDR, ENI Brest Christophe Le Gal Directeur général, Docteur, CERVVAL Directeur Jacques Tisseau Professeur, ENI Brest Co-simulation redondante d’échelles de modélisation hétérogènes pour une approche phénoménologique Mémoire de thèse de doctorat Sébastien Le Yaouanq — juin 2016 — Mémoire de thèse UBL Université Bretagne Loire Cité Internationale 1 place Paul Ricoeur, CS 54417, 35044 RENNES CEDEX Lab-STICC Laboratoire en sciences et techniques de l’information, de la communication et de la connaissance Université de Bretagne Occidentale, 20 Avenue Le Gorgeu, 29200 Brest CERV Centre Européen de Réalité Virtuelle Ecole Nationale d’Ingénieurs de Brest, 25 rue Claude Chappe, 29280 Plouzané CERVVAL 140 Avenue Graham Bell, 29280 Plouzané Contact Sébastien Le Yaouanq - [email protected] http://www.cervval.com Thèse financée par Cervval vi Sébastien Le Yaouanq Remerciements Il est coutume de dire qu’une thèse ne se réalise pas seul. Je ne peux que le confirmer tant ce travail de recherche et moi-même avons bénéficié de soutiens durant toutes ces années. Je tiens donc à remercier chaleureusement toutes les personnes qui ont contribué, et qui contribueront encore, à ma vie de chercheur. Je remercie sincèrement Éric Ramat et Samir Otmane d’avoir accepté de rapporter cette thèse, ainsi que Vincent Chevrier qui a présidé mon jury de thèse. Leurs remarques et leurs questions pertinentes m’ont prouvé qu’un sujet de recherche n’est jamais réellement clos. Je tiens également à souligner la bienveillance dont ils ont fait preuve vis à vis de cette thèse « industrielle ». C’est un comportement qu’il serait agréable de rencontrer plus souvent dans le milieu de la recherche. Vient ensuite le tour de celui qui a suscité bon nombre de vocations de chercheurs. Jacques Tisseau, c’est un peu le guru du CERV, celui grâce à qui tout a commencé. Je le remercie d’avoir été ce directeur de thèse qui vous pousse en permanence à expliciter l’implicite. Pour encadrer cette thèse « magnifique », il ne fallait rien de moins qu’un tandem de champions. Christophe Le Gal et Pascal Redou m’ont montré l’importance de toujours rester critique et que la première qualité d’un chercheur est d’apprendre à réfléchir par soi-même. Je les remercie de tous leurs efforts pour répandre cet esprit scientifique au plus grand nombre. Je suis certes l’auteur de ces quelques pages, mais cette thèse est en réalité le fruit du travail de toute l’équipe de Cervval. Sa compétence n’a d’égal que la bonne humeur qui y règne et c’est ce qui me donne chaque jour l’envie d’en faire partie. Je souhaite remercier tout particulièrement Cykril et Pierre-Antoine qui ont complété mon équipe encadrante. Cette thèse, c’est aussi un peu la leur, au propre comme au figuré. J’exprime toute ma gratitude à la direction de Cervval pour la confiance qu’elle m’a accordée et pour la latitude dont j’ai bénéficié pour mener à bien ces travaux. Un grand merci à toutes les personnes du CERV qui m’ont fait découvrir les différentes facettes du monde de la recherche. L’équipe a beaucoup évolué depuis mon arrivée dans ces Manuscrit de doctorat vii Remerciements contrées, tant au niveau de ses membres que des thèmes abordés, de sorte que j’ai presque l’impression d’être un vestige. Il restera de mon passage quelques belles collaborations in virtuo avec Fabrice, Gobi, Marc, Manu et j’en oublie. Par ailleurs, je remercie Richard Garfield et les « Sorciers de la Côte » d’avoir un peu provoqué le début de cette expérience magique. Mes plus profonds remerciements vont à ma famille qui m’a soutenu, encouragé et aidé tout au long de ce parcours. En particulier, je dédie ce mémoire à ma maman qui a toujours œuvré pour m’offrir les meilleures chances de réussite. Qu’elle voit dans ce travail l’aboutissement de ses nombreux efforts. Enfin, je ne saurais clore ces remerciements sans citer les deux êtres qui me sont les plus précieux, ceux qui donnent un sens à tout le reste. Aurore et Théo, il me tarde de voir notre famille s’agrandir à nouveau et de profiter de chaque instant à vos côtés. Puisse notre chance insolente perdurer. viii Sébastien Le Yaouanq Avant-propos Cette thèse est née du lien étroit entre le Centre Européen de Réalité Virtuelle, centre de recherche pluri-disciplinaire dépendant de l’École Nationale d’Ingénieurs de Brest et rattaché au Laboratoire en Sciences et Techniques de l’Information, de la Communication et de la Connaissance (Lab-STICC), et la société Cervval, fondée en 2003 par des acteurs de l’industrie et de la communauté scientifique, qui développe et met en œuvre des outils de simulation de la complexité. Les méthodes développées par Cervval trouvent leur origine dans les recherches sur la réalité virtuelle menées au sein du CERV. Elles permettent de construire de façon incrémentale, et en relation étroite avec les experts du domaine, des outils sur mesure d’aide à la décision, intégralement dédiés aux besoins du client et à sa problématique du moment. Les travaux présentés dans ce document s’inscrivent dans cet objectif industriel. Ils visent à définir un cadre méthodologique pour la construction de simulateurs interactifs qui allient vitesse d’exécution et précision grâce à des simulations redondantes d’échelles de modélisation hétérogènes. Ces réalisations ont donné lieu à plusieurs collaborations fructueuses dont les applications sont décrites dans les chapitres 2 et 5. Tout d’abord, nous avons contribué au développement du modèle MACMA (MultiAgent Convective Mantle), en coopération avec le Laboratoire Domaines Océaniques de l’Institut Universitaire Européen de la Mer (IUEM, UMR CNRS 6538). Un second partenariat a été noué avec les sociétés Technip et Bureau Veritas dans le domaine de l’aide au design de structures offshore pour les milieux polaires. Manuscrit de doctorat ix Avant-propos x Sébastien Le Yaouanq Table des matières Remerciements vii Avant-propos ix Table des matières xi Table des figures xv Introduction 1 1 Systèmes et expérimentation 5 1.1 Systèmesetcomplexité............................... 6 1.2 Modéliser ...................................... 9 1.2.1 Qu’est-cequ’unmodèle? . 9 1.2.2 Pourquoimodéliser?............................ 9 1.2.3 Commentconstruireunmodèle? . 9 1.2.4 Commentvaliderunmodèle?. 10 1.3 Expérimenter .................................... 11 1.3.1 In vivo .................................... 12 1.3.2 In vitro ................................... 13 1.3.3 In silico ................................... 13 1.3.4 In virtuo .................................. 13 1.4 Systèmesmulti-agents ............................... 15 1.4.1 Définitions ................................. 15 1.4.2 Autonomies . 17 1.4.3 Approche phénoménologique . 18 1.5 Simulation...................................... 22 1.5.1 Detempsentemps............................. 22 1.5.2 Politiques d’ordonnancement . 23 1.5.3 Méthodes numériques pour les systèmes différentiels . 24 1.5.4 Méthodes numériques et systèmes multi-agents . 28 1.6 Synthèse....................................... 28 Manuscrit de doctorat xi Table des matières 2 Approche phénoménologique et Systèmes multi-agents 31 2.1 Élémentsdegéophysique.............................. 32 2.1.1 Mécanique interne du système Terre . 33 2.1.2 Dynamique des plaques . 34 2.1.3 Histoire thermique de la Terre . 36 2.2 Le Modèle MACMA : MultiAgent Convective MAntle ............. 37 2.2.1 Vued’ensemble............................... 38 2.2.2 Agents-interaction pour le bilan des forces . 41 2.2.3 Agents-entité pour la cinématique . 42 2.2.3.1 Modifications structurelles . 44 2.2.4 Agents-énaction pour les phénomènes thermiques . 46 2.2.5 Bilan..................................... 50 2.3 Expérimentations in virtuo ............................ 51 2.3.1 Influencedesloisempiriques . 51 2.3.2 Influencedesparamètres. 54 2.4 Synthèse....................................... 54 3 Échelles de modélisation 59 3.1 Niveauxdedescription............................... 60 3.1.1 Modèles macroscopiques . 60 3.1.2 Modèlesmicroscopiques . 61 3.1.3 Hiérarchie . 61 3.2 Méthodes numériques multi-échelles . 62 3.2.1 Phénomènes critiques ou séparation des échelles . 62 3.2.2 Super-paramétrisation . 64 3.2.3 Méthodequasicontinuum . 66 3.2.4 Approche « sans-équation » . 67 3.2.4.1 Définitions . 67 3.2.4.2 Opérateurs . 68 3.2.4.3 Time-stepper macroscopique . 69 3.2.4.4 Méthodes d’intégration projectives . 70 3.2.4.5 Patch dynamics . 71 3.2.5 Méthodes multi-échelles hétérogènes . 73 3.2.6 Bilan..................................... 74 3.3 Approchesdemulti-modélisation . 74 3.3.1 Paradigmes de modélisation . 74 3.3.2 Intégration formelle . 76 3.3.3 Couplage de simulateurs et co-simulation . 77 3.3.4 Synchronisation de co-simulation . 78 3.3.4.1 Modèle maître-esclave . 78 3.3.4.2 Modèle parallèle ou distribué . 79 3.3.5 Bus de co-simulation . 80 3.4 Synthèse......................................