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Table des matières

In this thesis, we propose a generic method to develop 2D and 3D multiagent geosimulation of complex behaviors (human behaviors) in geographic environments. Our work aims at solving some problems in the field of computer simulation in general and the field of multiagent simulation. These problems are are:

- The absence of methods to develop 2D-3D multiagent simulation of phenomena in geographic environments.

- The absence of gathering and analysis techniques that can be used to collect and analyze spatial and non-spatial data to feed the geosimulation models (input data) and to analyze data generated by geosimulations (output data).

- The absence of a ‘realistic’ and ‘useful’ geosimulation prototype of customer’s shopping behavior in a mall.

The main idea of our work is to create a generic method to develop 2D and 3D multiagent geosimulations of phenomena in geographic environments. This method contains ten steps, which are summarized as follows:

The first three steps of the method aim to (1) define the geosimulation users’ needs, (2) identify the characteristics of the phenomenon to be simulated, as well as its environment, and (3) create the geosimulation models using the multiagent paradigm. The fourth step aims to select the simulation tool/environment/language that is used to develop the geosimulation. In step five, we collect the data which feeds the geosimulation models. In this step, we analyze the collected information in order to define some patterns of the behaviors of the phenomenon to be simulated. In the sixth step, we develop the geosimulation prototype, on the selected simulation platform, using the collected data. In step seven, we collect information about the course of the simulation, once again using the multiagent paradigm. In this step, we deal with the non-spatial and spatial data, generated by the simulation using several analysis techniques: Classical or traditional analysis techniques, our own analysis technique/tool, and the OLAP (On Line Analytical Processing) and SOLAP (Spatial On Line Analytical Processing) technique. In order to ensure the correctness of the simulation models, as well as to enhance the confidence of the simulation users, we need to verify and validate the simulation models. The verification and validation are the purpose of the eighth step of our method. In the ninth step, we test and document the simulation, while in the last step users can use the multiagent geosimulator in order to make efficient spatial decisions about the phenomenon to be simulated or about the configuration of the simulated environment.

The main contributions of this thesis are:

  • A new method to develop 2D-3D multiagent geosimulations of complex behaviors (human behaviors) in geographic environments.

  • Some models dealing with the shopping behavior in a mall: an initial version of the shopping behavior model based upon a large literature review, an initial version of the multiagent model which is independent of the tool used to execute the simulation, and an agent-based model created according to the selected platform used to develop the geosimulation. All these models are related to the individual shoppers and to the simulated environment representing the mall.

  • An illustration of the method using the shopping behavior in a mall as a case study and the Square One mall in Toronto as a case test. This gave birth to a ‘realistic’ and ‘useful’ geosimulation prototype called Mall_MAGS.

  • A new survey-based technique to gather spatial and non-spatial data to feed the geosimulation models.

  • A tool to digitalize the spatial and non-spatial gathered data.

  • A new agent-based technique to collect output data from the geosimulation prototype.

  • A new analysis technique and tool to analyze spatial and non-spatial data generated by the geosimulation.

  • A coupling of the OLAP (On Line Analytical Processing) and SOLAP (Spatial On Line Analytical Processing) analysis techniques with the shopping behavior geosimulation prototype in order to explore and analyze the geosimulation outputs.

Dans cette thèse, nous proposons une méthode générique de développement d’applications de géosimulation, en 2D et 3D, de divers phénomènes ou comportements complexes (exp. comportements humains) dans des environnements géographiques. Notre travail vise à résoudre quelques problèmes dans le domaine de la simulation informatique et, plus particulièrement, dans le domaine de la simulation multiagent. Les principaux problèmes que nous visons à résoudre dans cette thèse sont:

  • Absence de méthodes génériques de développement de simulations multiagent de phénomènes ou comportements dans des environnements géographiques.

  • Manque de techniques de collecte et d’analyse des données spatiales et non-spatiales : (1) données en entrée de la géosimulation multiagent (qui sont utilisées pour alimenter la simulation) ou (2) données en sortie de la géosimulation (qui sont générées par cette simulation).

  • Absence d’un prototype de géosimulation qui peut être, à la fois, ‘réaliste’ et ‘utile’ pour simuler le comportement du magasinage des êtres humains dans un environnement georéférencé représentant un centre commercial.

L’idée principale de notre thèse consiste en: (1) la création d’une méthode générique de développement de géosimulations multiagents, en 2D et 3D, des phénomènes complexes (impliquant par exemple des êtres humains) dans des environnements géographiques et (2) l’application de cette méthode en utilisant le comportement de magasinage dans un centre commercial comme cas d’illustration. Cette méthode contient dix étapes qui sont résumées comme suit :

Les trois premières étapes ont pour objectifs de (1) définir les besoins des utilisateurs finaux de la géosimulation, (2) d’identifier les caractéristiques du phénomène à simuler ainsi que celles de son environnement, et (3) de créer un modèle à base d’agents représentent le phénomène à simuler ainsi que son environnement. La quatrième étape vise à sélectionner l’outil de simulation qui va être utilisé pour exécuter les modèles de simulation. Dans la cinquième étape, nous collectons les données spatiales et non-spatiales qui doivent servir à alimenter les modèles de géosimulation. Dans cette étape nous effectuons quelques analyses des données collectées afin de déterminer quelques patrons de comportement du phénomène à simuler. Dans la sixième étape, nous développons le prototype de géosimulation en exécutant les modèles de géosimulation dans la plateforme sélectionnée tout en utilisant les données qui ont été collectées et analysées. Dans la septième étape, nous utilisons une autre fois la technologie multiagent afin de collecter des données spatiales et non-spatiales en sortie de la géosimulation. Ces données contiennent des informations pertinentes concernant le déroulement de la géosimulation. Dans cette étape nous utilisons diverses techniques d’analyse de données spatiales et non-spatiales afin d’analyser ces données. Dans l’illustration de notre méthode nous avons proposé l’utilisation de techniques d’analyse suivantes: techniques/outils statistiques et mathématiques traditionnelles (ou classiques), notre propre technique/outil et d’analyse des données spatiales et non-spatiales, les techniques d’analyse OLAP (On Line Analytical Processing) et SOLAP (Spatial On Line Analytical Processing). Afin d’assurer la fiabilité des modèles de simulation, nous proposons dans notre méthode une huitième étape qui vise à vérifier et valider les modèles de géosimulation. Dans la neuvième étape, nous testons et nous documentons le prototype de géosimulation. Finalement, dans la dixième étape, les utilisateurs finaux peuvent utiliser la géosimulation multiagent comme outil d’aide à la décision. Ces décisions peuvent concerner le phénomène à simuler ou la configuration spatiale de son environnement.

Les principales contributions de cette thèse sont :

  • Une nouvelle méthode de développement d’applications de géosimulation multiagent, en 2D et 3D, des phénomènes complexes (tels que ceux qui impliquent des comportements humains) dans des environnements géographiques.

  • Quelques modèles représentant le comportement du magasinage dans un centre commercial qui se basent sur une recherche bibliographique solide dans divers domaines de recherche: Une version intégrée du modèle du comportement du magasinage dans un centre commercial, Deux versions du modèle multiagent du comportement du magasinage (la première est indépendante de la plate-forme qui va être utilisée pour exécuter la simulation et la deuxième est dépendante).

  • Une application de la méthode proposée en utilisant le comportement du magasinage dans un centre commercial comme cas d’illustration. Le cas de test qui a servi pour développer le prototype de simulation est le centre commercial Square One (Toronto). Ce prototype ‘réaliste’ et ‘utile’ est intitulé Mall_MAGS.

  • Une technique à base de questionnaire pour collecter des données spatiales et non-spatiales qui servent à alimenter des géosimulations.

  • Un outil qui permet de saisir, simultanément, des données spatiales et non-spatiales qui vont alimenter des géosimulations.

  • Une technique à base d’agents qui sert à collecter des donnees spatiales et non-spatiales en provenance de la géosimulation en utilisant le paradigme d’agents, ainsi qu’un outil d’analyse de ces données.

  • Un couplage des techniques d’analyse et d’exploration de données OLAP (On Line Analytical Processing)/ SOLAP (Spatial On Line Analytical Processing) et de notre prototype de géosimulation du comportement du magasinage des êtres humains dans un centre commercial. Ce couplage sert à analyser et à explorer les données générées par ce prototype.

First, I would like to warmly thank my thesis supervisor, Dr. Bernard Moulin, for his invaluable support, patience and confidence, for his precious and never lacking enthusiasm for research and for his continuous assistance in preparing and writing this thesis. I also want to thank him for having so strongly believed in me and provided me with insights which helped me solve many of the problems I encountered in my research. I also acknowledge him for assisting me financially during my Ph.D and for his generosity which gave me opportunities to attend several international and national conferences.

I would like to express my gratitude to my co-supervisor, Dr. Francois Des Rosiers, whose expertise and understanding added considerably to my graduate experience.

I also want to thank Dr. Jean-Pierre Müller from CIRAD (Centre de coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement, France), Dr. Christophe Claramunt (École Navale, France), and Dr. Alexis Drogoul from IRD (Institut De Recherche et de développement IRD, France), for having accepted to evaluate this thesis.

I also want to warmly thank Dr. Yvan Bedard and his research team for their collaboration. I have very much enjoyed working with his team’s members Mme Sonia Rivest, Mme Marie Josee Proulx and Mr Nadeau.

I want to thank the GEOIDE, the Canadian Network of Centers of Excellence in Geomatics, and the Defence (RDDC Valcartier) which financed part of this research. Many thanks to the managers of Square One who allowed our team to carry out the survey and use their data.

Very special thanks to Mr. Jean Francois and Mr. Pierre-Emmanuel Michon for their help in the preparation and administration of the survey; Mr. Mondher BouDen for devoting time to input the data of the questionnaire in the DataBase; and Dr. Ken Jones’s team in Toronto who is in charge of the survey in Toronto. I also would like to thank Mr. Jimmy Hogan and Mr. Jimmy Perron for their help in developping the simulation prototype using the MAGS platform. I most enjoyed working with them and wish them a very good success in their business.

My years as a Ph.D student would not have been as much fun without my friends, particularly my colleagues: Nafaa Jabeur, Nabil Sahli, Jamal Bentahar, Hedi Haddad, Mondher Bouden, Boubaker Boulekrouche, Mohamed Mbarki, Walid Chaker and Tarek Sboui with whom I shared the laboratory and unforgettable moments.

Finally, I would like to thank my father, my mother and my family in Tunisia for the support they provided me through my entire life, without whose love, encouragement and editing assistance, I would not have finished this thesis.

© Walid Ali, 2006