Dataflow Architecture for Modular and Generic Plant Simulation Systems

La modélisation en biologie, plus particulièrement celle de la croissance et du fonctionnement des plantes, est un domaine actuellement en pleine expansion, utile pour appréhender les enjeux liés au changement climatique et à la sécurité alimentaire au niveau mondial. La modélisation et la simulation sont des outils incontournables pour la compréhension des relations complexes entre l'architecture des plantes et les processus qui influencent leur croissance dans un environnement changeant. Pour la modélisation des plantes, un grand nombre de formalismes ont été développés dans de nombreuses disciplines et à différentes échelles de représentation. L'objectif de cette thèse est de définir une architecture modulaire qui permette de simuler des systèmes structure-fonction en réutilisant et en assemblant différents modèles existants. Nous étudierons d'abord les différentes approches de la réutilisation logicielle, proposées par Krueger, les systèmes à tableau noir et les systèmes de workflows scientifiques. Ces différentes approches sont utilisées afin de faire coopérer, de réutiliser et d'assembler des artefacts logiciels de façon modulaire. A partir du constat que ces systèmes fournissent les abstractions nécessaires à l'intégration d'artefacts variés, notre hypothèse de travail est qu'une architecture hybride, basée sur les systèmes à tableau noir avec un contrôle procédural piloté par dataflow, permettrait à la fois d'obtenir la modularité tout en permettant au modélisateur de garder le contrôle sur l'exécution. Dans le chapitre 2, nous décrivons la plateforme OpenAlea, une plateforme à composants logiciels et offrant un système de workflow scientifique, permettant l'assemblage et la composition de modèles à travers une interface de programmation visuelle. Dans le chapitre 3, nous proposons une structure de données pour le tableau noir, associant une représentation topologique de l'architecture des plantes à différentes échelles, le Multiscale Tree Graph, et sa spatialisation géométrique à l'aide de la bibliothèque 3D PlantGL. Ensuite, dans le chapitre 4, nous présentons les lambda-dataflows, une extension des dataflows permettant de coupler simulation et analyse. Puis, dans le chapitre 5, nous présentons une première application, qui illustre l'utilisation d'un modèle générique de feuilles de graminées dans différents modèles de plantes. Finalement, dans le chapitre 6, nous présentons l'ensemble des éléments de l'architecture utilisés pour élaborer un cadre générique de modélisation du développement des maladies foliaires dans un couvert architecturé. L'architecture présentée dans cette thèse et sa mise en œuvre dans OpenAlea sont un premier pas vers la réalisation de plateformes de modélisation intégratives ouvertes, permettant la coopération de modèles hétérogènes en biologie. L'utilisation du formalisme de workflows scientifiques en analyse et en simulation permet notamment d'envisager à court terme l'élaboration des plateformes de simulation collaboratives et distribuées à grande échelle.Biological modeling, particularly of plant growth and functioning, is a rapidly expanding field that is useful in addressing climate change and food security issues at the global level. Modeling and simulation are essential tools for understanding the complex relationships between plant architecture and the processes that influence their growth in a changing environment.For plant modeling, a large number of formalisms have been developed in many disciplines and at different scales of representation.The objective of this thesis is to define a modular architecture that allows to simulate structural-functional plant systems by reusing and assembling different existing models.We will first study the different approaches to software reuse proposed by Krueger, then blackboard systems, and scientific workflow systems.These different approaches are used to cooperate, reuse and assemble software artifacts in a modular manner.Based on the observation that these systems provide the abstractions necessary for the integration of various artifacts, our working hypothesis is that a hybrid architecture, based on blackboard systems with dataflow-driven procedural control, would both achieve modularity while allowing the modeler to maintain control over execution.In Chapter 2, we describe the OpenAlea platform, a platform with software components and a scientific workflow system, allowing the assembly and composition of models through a visual programming interface. In Chapter 3, we propose a data structure for the blackboard, combining a topological representation of plant architecture at different scales, the Multiscale Tree Graph, and its geometric spatialization using the 3D PlantGL library. In chapter 4, we present the lambda-dataflows, an extension of dataflows allowing to couple simulation and analysis.Then, in Chapter 5, we present a first application, which illustrates the use of a generic gramineous leaf model in different plant models. Finally, in Chapter 6, we present all the architectural elements used to develop a generic framework for modelling the development of foliar diseases in an architectural canopy.The architecture presented in this thesis and its implementation in OpenAlea are a first step towards the realization of open integrative modeling platforms, allowing the cooperation of heterogeneous models in biology. The use of scientific workflow formalism in analysis and simulation makes it possible to consider in the short term the development of collaborative and distributed simulation platforms on a large scale