GranuLab : un système d'aide à la découverte scientifique appliqué à la physique des milieux granulaires

L Breton

LIP6 2002/007: THÈSE de DOCTORAT de l'UNIVERSITÉ PARIS 6 LIP6 / LIP6 research reports
196 pages - Janvier/January 2002 - French document.

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Thème/Team: Apprentissage et Acquisition de Connaissances

Titre français : GranuLab : un système d'aide à la découverte scientifique appliqué à la physique des milieux granulaires
Titre anglais : GranuLab : a human-computer collaboration system for scientific discovery applied to granular physics

Résumé : En physique des milieux granulaires, des méthodes de simulations numériques sont utilisées notamment pour tenter de comprendre la connexion entre les mécanismes d'interaction des grains et l'obtention de lois macroscopiques fiables contrôlant leurs aspects mécaniques. Les méthodes généralement employées sont d'une complexité telle qu'une étude systématique de larges empilements et leur utilisation pour identifier des lois macroscopiques de comportement, restent un problème ouvert. Nous avons proposé une modélisation multi-agent originale, appelée GranuSolve, qui permet de résoudre des tas de sable bidimensionnels à l'équilibre statique. Cette méthode d'éco-résolution a, dans la pratique, une complexité linéaire avec le nombre de grains de l'empilement. Nous montrons également l'intérêt de la conception de groupes d'agents pour la résolution distribuée de ce type de problème. Cette efficacité a ouvert les portes au développement de GranuLab, un système d'aide à la découverte scientifique appliqué à la physique des milieux granulaires. Plus précisément, ce laboratoire virtuel permet des expérimentations basées sur les solutions générées par le composant GranuSolve. Cet environnement permet de représenter et de mémoriser la démarche scientifique d'un chercheur en physique granulaire. Ainsi, le système permet de poser des hypothèses, de réaliser des expérimentations pour vérifier celles-ci et enfin de proposer des lois. Nous avons choisi une approche componentielle associée au langage XML pour représenter et opérationnaliser ces expérimentations. Tout d'abord, cette approche a contribué à réaliser simplement un laboratoire virtuel à l'aide d'un nombre restreint de composants élémentaires. Ensuite, nous avons initié la création d'une représentation standardisée des données physiques relatives aux expérimentations. Enfin, après de nombreuses expérimentations, le système a permis de vérifier une théorie analytique du comportement de propagation et de diffusion d'un tas.

Abstract : In granular physics, numerical simulations are often used to better explain the link between the microscopic interaction mechanisms (e.g. contact forces between beads) and macroscopic laws (e.g. the maximum load at the bottom of a silo). Up to now, the complexity of the numerical simulations prevented physicists to study large piles and their mechanical properties. Thus, we have first proposed a multi-agent based simulation: GranuSolve. This eco-solving method can compute piles in a static equilibrium. The complexity of our algorithm is linear with respect to the number of grains. Then, we show how relevant it is to model groups of agents for the distributed resolution of our problem. Theses performances have paved the way for the development of GranuLab, a human-computer collaboration system for scientific discovery in the domain of granular physics. To be more precisely, this is a virtual laboratory for experiments based on the solutions given by the GranuSolve component. Within this environment, a granular physic researcher can represent and memorize the scientific processes he is walking through. So, the system allows the researcher to state hypotheses and realize experiments in order to establish these hypotheses as laws. We have chosen a componential approach based on the XML language to represent and operationalize theses experiments. At first, this approach has contributed to easily achieve a virtual laboratory with the help of a limited number of elementary components. Then, we have also initiated the creation of a standardized representation of physical data related to granular piles. Finally, the system has allowed the verification of an analytical theory related to the propagative and diffusive behavior of sand piles from solutions given by the GranuSolve component.

Mots-clés : aide à la découverte scientifique, simulation multi-agent, laboratoire virtuel, XML, milieux granulaires

Key-words : human-computer collaboration, multi-agent based simulation, virtual laboratory, XML, granular physics

Publications internes LIP6 2002 / LIP6 research reports 2002

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