M. Benoît, G. Chicoisne, J.-P. Deffontaines, D. Hervé, S. Lardon, F. Le Ber, C. Mullon,
F. Papy, V. Souchère, P.Thinon, M. Tichit, J.-P. Treuil

La coordination entre acteurs exploitant une ressource sous contrainte collective est une question récurrente. C'est elle qui peut garantir la durabilité des activités.

Que la contrainte soit environnementale (rester en dessous d'un seuil en taux de nitrate, ou d'un volume de sédiments produits par érosion, contrôler les états de milieux pour favoriser des espèces faunistiques ou floristiques,produire des strucutures paysagères spécifées, etc.) ou de gestion collective (rotation collective; planification des récoltes des fournisseurs d'un bassin d'approvisionnement d'une usine de transformation, organisation des irrigants en amont et en aval, le long d'un canal d'irrigation; effets de la proximité des parcelles et de leur usage sur le parasitisme; etc.), elle impose une concertation entre agriculteurs. C'est aussi le cas lorsque la décision individuelle d'un agriculteur sur ses parcelles peut avoir des conséquences sur l'état de parcelles ne lui appartenant pas et lorsque des états de l'ensemble de ces parcelles dépend la disponibilité d'une ressource commune. La prise en compte de ce que fait l'autre pour modifier ses propres choix techniques est une situation générale, mais encore trop peu étudiée. Dans chaque cas, des logiques individuelles ont à se coordonner.

Nous présentons ici une opération de simulation multi-agents qu'une équipe multidisciplinaire mixte de l'INRA et de l'ORSTOM met actuellement au point dans l'objectif de définir des conditions d'une bonne coordination entre des agriculteurs pour réduire la pollution agricole des eaux d'un bassin versant. Cette opération se déroule depuis maintenant un an, en différentes étapes qui ont permis l'intercompréhension des disciplines présentes (agronomie, informatique), la définition d'une problématique sur un exemple type (la gestion commune d'un bassin versant agricole pour maîtriser la pollution des nappes phréatiques), le choix des outils (jeux de rôle, multi-agents) qui permettent de formaliser les questions et connaissances des uns et des autres puis d'aboutir à un modèle utilisable par les véritables acteurs. Notre démarche se place dans le cadre de la modélisation d'accompagnement[6], pour les chercheurs, avec, à terme, un objectif d'application pratique sur le terrain.

Ce texte décrit notre démarche et ses premiers résultats. Il se décompose en quatre parties. La première partie présente la problématique agronomique sur l'exemple choisi et précise ses particularités quant à la prise en compte du temps et de l'espace. La seconde partie porte sur notre itinéraire méthodologique, tandis que la troisième décrit le premier modèle construit, i.e. une interface pour jeux de rôle. Dans une quatrième partie nous discutons selon les différents points de vue en jeu (informatique et agronomique ou environnemental) l'état du modèle et de la démarche, leur usage, ce qui en est attendu, leur pouvoir d'exemplarité. Enfin, nous conclurons sur les suites de notre travail.

Le problème choisi est particulièrement illustratif. Il est constitué par le cas du périmètre des Eaux de Vittel étudié par une équipe de l’INRA depuis plusieurs années [1]. Le territoire y est la surface cultivable du périmètre, la contrainte porte sur l’évolution du taux de nitrates dans les eaux des sources exploitées, les acteurs sont la quarantaine d'agriculteurs ayant des parcelles sur le périmètre, la société Vittel et, de façon plus indirecte, d'autres intervenants.

Pour les agronomes, la réduction du risque de pollution par les nitrates dans le périmètre de Vittel passe par un changement coordonné des systèmes de culture. L’équipe de l'INRA a proposé, dans un objectif de réduction du niveau moyen du taux de nitrate, que la communauté des agriculteurs passe du système de culture actuellement majoritaire, à base de maïs et céréales, à un système de culture à base de luzerne et céréales. En effet, le maïs est la culture qui donne le plus fort taux de nitrates. Cependant, cette modification ne suffit pas à elle seule à assurer une solution globalement satisfaisante de réduction de la variabilité temporelle du taux de nitrate. En effet, lors de ces successions culturales, des épisodes à plus forts risques lixivuants existent lors du retournement des luzernes. Il est donc nécessaire de décaler l’adoption du système de culture pour répartir, dans le temps et dans l’espace, les pics de pollution. Cela demande une coordination de la part des agriculteurs.

Le problème se scinde en deux parties distinctes :

Ce problème présente un double intérêt, dans la prise en compte de l’espace et du temps. Il y a des interférences entre l’espace de l’exploitation et celui du bassin-versant. L’agriculteur doit résoudre la double contrainte de son assolement et de celui du bassin-versant. De plus, cet assolement s’inscrit dans une succession culturale sur plusieurs années. Il faut donc les construire en raisonnant sur l’intégration annuelle des successions culturales.

Plusieurs travaux ont montré les possibilités des formalismes multi-agents pour modéliser des problèmes de coordination entre exploitants d'une ressource, ou encore des problèmes d'organisation du territoire[2], [3], [4], [5]. C'est sur ce constat qu' a démarré notre groupe ; nous nous sommes fixé la tâche de reprendre la problématique déjà bien avancée de la gestion de l'eau dans le bassin de Vittel, avec l'objectif de réfléchir à ce qu'aurait pu être ou pourrait être une modélisation multi-agents dans ce contexte. Il s'agissait en somme de réexaminer un cas concret encore très présent dans l'esprit des agronomes avec un regard nouveau.

Ce groupe a conduit un ensemble de discussions avec au départ, comme arrière-plan, l'objectif de construire à terme un simulateur multi-agents de la gestion de l'eau dans le bassin. Ce simulateur était censé mettre en œuvre d'une part une représentation informatique des différents acteurs concernés (agriculteurs, Société des eaux de Vittel, institutions diverses), de leurs comportements à l'égard des pratiques agricoles et enfin de leurs relations sociales, d'autre part des représentations informatiques des processus physiques spatialisés impliqués dans la pollution des sources exploitées.

Les discussions ont très vite mis à jour la diversité et la complexité des représentations du problème au sein de notre groupe. Comme toujours dans de telles entreprises, apparaissent en effet différents points de vue sur le niveau de réalisme à retenir pour formaliser les contraintes individuelles et collectives, les objectifs et stratégies des acteurs, ainsi que la manière dont ces derniers peuvent raisonner pour décider. Ces différences rendent difficile l'établissement d'un consensus sur les éléments à retenir dans la modélisation. Elles sont liées à la difficulté pour le groupe de se donner une image commune des questions à poser et des objectifs même de la modélisation. Les points suivants, notamment, ont fait l'objet de nombreux débats :

Les discussions ont bien montré la difficulté à formuler les questions auxquelles on cherchait à répondre. Il est cependant apparu une préoccupation centrale : celle de l'organisation et des effets du changement : comment le changement s'est-il organisé effectivement ? Comment aurait-il pu s'organiser ou pourrait-il s'organiser ? Quels ont été les freins et les facteurs favorisant ? Ce changement suffit-il à satisfaire les objectifs qui lui avaient été fixés?. Résout-il vraiment les problèmes sur le long terme? A partir de cette préoccupation centrale ont été évoquées des questions plus précises : quelles sont les contraintes spécifiques à la période de transition ? La satisfaction de toutes les contraintes, individuelles ou collectives est-elle théoriquement possible? Une concertation entre agriculteurs dans la conduite du changement existe-elle déjà de fait? Quelles sont les conditions ou incitations économiques et sociales pour qu'une telle concertation se mette en place ou se renforce? Comment amener des acteurs à trouver des formes de négociation qui les satisfassent collectivement ?

Les discussions ont mis à jour dès le début une diversité d'objectifs entre lesquels il a été difficile de s'arrêter : s'agissait-il d'un modèle de recherche (pour comprendre), d'un modèle pédagogique (pour faire comprendre) ou un modèle de gestion (pour choisir une action) ? Ce modèle était-il destiné aux chercheurs ou aux acteurs directs ? Le groupe a pris un choix conservatoire, celui d'un modèle pédagogique destiné aux chercheurs et susceptible de constituer un cas d'école représentatif de ce type de problème. Mais l'idée de mettre le modèle dans les mains des acteurs directs reste toujours un objectif ultime.

Les discussions menées se sont déroulées en deux grandes phases.

La première a apporté certaines clarifications qui sont devenues le bien commun du groupe : par exemple sur les indicateurs de pollution à prendre en compte, sur la simplification consistant à ne considérer dans un premier temps que les exploitations présentes dans un seul sous-bassin, sur l'importance donnée à la coordination temporelle des successions culturales sur les parcelles du même sous bassin, etc.

Ces avancées ont cependant buté sur la difficulté liée à un travail uniquement "en réunion", sur le "papier". Nous ne disposions pas par exemple d'une première maquette de simulateur qui aurait pu servir à tester telle ou telle formalisation des comportements et donc nous "accompagner" dans notre effort de modélisation. Sans l'appui d'une telle maquette, l'approche multi-agents est finalement restée abstraite. Les membres du groupe se sont trouvés devant les difficultés de tout chercheur dans son effort de clarification d'un problème, sans qu'aucune technique nouvelle vienne apporter un apport réellement décisif. C'est ainsi que les raisons que les agriculteurs avaient de faire tel ou tel choix, ou de négocier de telle ou telle façon, n'ont pu faire l'objet d'explicitations susceptibles d'être incluses dans un modèle consensuel. C'est devant ces limites qu'a été émise l'idée de substituer la construction d'un jeu de rôle informatisé à celle d'un simulateur multi-agents.

Cette substitution qui a ouvert la seconde phase des discussions manifestait trois changements majeurs:

La nouvelle orientation a immédiatement accroché le groupe par son caractère concret et sa façon de reléguer certaines des difficultés rencontrées. Elle ouvrait une nouvelle série de réflexions qui ont porté:

Dans la phase actuelle de notre projet, nous mettons donc l'accent sur la construction du jeu de rôle informatisé: sur les choix d'interface et de communication entre les joueurs, à travers leurs postes de travail et le réseau, ainsi que sur la spécification minimale du "terrain de jeu" -c'est-à-dire du monde simulé-, des règles et des stratégies. Nous reviendrons ultérieurement, en fonction des besoins, sur l'automatisation de certains joueurs sou forme d'agents, au delà de cete première forme d'agent qu' est ici le maître du jeu.

Les choix effectués suite à ces discussions ont conduit à spécifier une première version du jeu informatisé: terrain et règles de jeu, architecture client-serveur du système informatique interconnectant plusieurs postes en réseau à travers le Web, interfaces présentées aux joueurs sur leurs écrans et procédures de communication.

Le modèle simule l’application des décisions des agriculteurs, évalue leur conséquence sur la pollution du bassin et permet aux agriculteurs de négocier entre eux pour modifier leurs décisions. Il sert à comprendre comment les agriculteurs vont organiser leur territoire individuellement et collectivement : comment ils décident d’organiser leur nouvel assolement et comment ils négocient entre eux ?

Le terrain de jeu est un ensemble de parcelles attribuées chacune à un "agriculteur". La stratégie d'un agriculteur est définie par les choix qu'il effectue, pour chaque parcelle, quant à la date de passage à la rotation culturale recommandée, et quant à la culture du nouveau cycle qu'il mettra effectivement en place, sur cette parcelle, à cette date. Un ensemble minimal de contraintes individuelles viennent limiter l'espace des choix possibles pour chaque agriculteur.

A chaque tour de jeu, après un premier tour d'initialisation, chaque agriculteur propose une nouvelle stratégie, modifiant celle qu'il avait avancé au tour précédent. Le maître du jeu recueille l'ensemble de ces propositions, après avoir rejeté celles non conforme aux contraintes en place. Il donne son évaluation du résultat, en terme d'appréciation plus ou moins documentée, sur l'évolution des taux de nitrates qui résulterait de l'application des stratégies proposées.

Plus précisément, le jeu est construit sur les règles suivantes :

Ce modèle doit permettre d'expérimenter plusieurs scénarios, touchant à la connaissance plus ou moins grande que les agriculteurs peuvent avoir sur un certain nombre de points :

Nous avons en premier lieu décidé de la concevoir avec une architecture client-serveur et de la développer en langage Java à partir des classes du module Java.net.

Concrètement, cela se traduit par

Dans une première approximation, on peut considérer les clients comme les joueurs et le serveur comme le maître du jeu.

Une partie se déroule de la façon suivante :

L’interface d’un joueur est constitué des fenêtres suivantes :

Sur ces fenêtres, le joueur visualise sa propriété et son plan de culture .

Sur cette première fenêtre, le plan de sa propriété est affiché à une année donnée que l’on fixe à partir d’un potentiomètre.

Il établit un plan de culture sur une deuxième fenêtre en cliquant sur un bouton correspondant à la culture de la nouvelle rotation, puis sur une des cases du tableau correspondant à une parcelle et à une année de début. La nouvelle rotation est alors appliquée à cette parcelle à partir de cette date ; les conséquences de cette hypothèses sont alors prises en compte sur les deux fenêtres.

Sur cette fenêtre, le joueur visualise toutes les parcelles du bassin et leur contribution à la pollution de celui-ci ; il peut examiner leur évolution à l’aide du potentiomètre. En cliquant sur une parcelle, il affiche son exploitant et sa contribution à la pollution.

A l’aide de cette dernière fenêtre, le joueur peut composer et échanger avec les autres joueurs des propositions de coordination. Les messages sont de trois types

Cette phase de développement nous a permis de valider certains de nos choix techniques initiaux. Ainsi il nous semble que :

Nous sommes maintenant en mesure reprendre une analyse critique d’expériences de " Web-based simulation ". Nous disposons avec cette expérience de la grille d’analyse nécessaire.

Par ailleurs, le développement informatique impose de spécifier complètement les structures de données et les algorithmes, en particulier ceux qui règlent la communication entre processus. Ces choix ont donné lieu à des discussions entre tous les acteurs de cette expérience, et les critères de décision n'ont pas été seulement informatiques, au profit de tous. Les plus animées de ces discussions ont eu trait :

Comme décrit plus en détail ci dessus, dans l’état actuel, le modèle sert à énoncer les règles de résolution du problème d’organisation des assolements, dans les doubles dimensions spatiale et temporelle, individuelle et collective. La maquette informatique fournit au joueur-agriculteur :

Le jeu de rôle proposé permet à la fois de réfléchir à l'explicitation du problème, à ses solutions techniques et met en avant les procédures de coordination nécessaires pour atteindre une solution. C'est sur ce dernier point que nous souhaitons insister.

Coordination implique dans les contextes dont nous venons de parler, une négociation, une discussion collective entre les acteurs pouvant les amener à des consensus collectifs entraînant des changements de stratégies individuelles. Or la façon dont des acteurs peuvent organiser et mettre en œuvre de telles discussions collectives, ainsi que le contenu des conversations, sont mal connus, car difficiles à observer en pratique et aussi difficiles à modéliser. Les modèles formels de protocoles issus de la théorie des systèmes multi-agents semblent à cet égard insatisfaisants, car basés sur des situations trop spécifiques. Un des objectif assigné au jeu de rôle est donc d'être un dispositif d'observation d'acteurs en train de négocier. Certes ces acteurs sont en situation virtuelle, mais le pari est que cette situation virtuelle, lorsque son réalisme sera suffisamment affiné, pourra nous apprendre quelque chose sur ce qui se passe en situation réelle et de modéliser les protocoles de discussion collective en œuvre.

Les premières expérimentations seront l’occasion d’observer ce qui se passe dans le jeu, selon le double point de vue de la séquences des décisions et de la séquences des négociations, faisant émerger des stratégies dont on pourra évaluer l’efficacité. Nous examinerons la séquences des décisions de choix de culture pour étudier les raisonnements tenus par les joueurs-agriculteurs: commencent-ils par affecter une culture, la plus importante à leurs yeux? ou par affecter une parcelle, selon ses caractéristiques de taille ou de localisation? ou par raisonner une date? . Comment réagissent-ils aux conséquences néfastes dans le temps d'une décision jugée satisfaisante à une date donnée? Commencent-ils par réfléchir à leurs parcelles, avant de négocier avec d’autres? cherchent-ils à résoudre le problème sur les parcelles voisines aux leurs? s’adaptent-ils aux propositions venues des autres? Nous examinerons la prise en compte des informations disponibles, la capacité à former des coalitions et la réceptivité au problème global, de façon à mieux représenter les interactions entre l’individuel et le collectif.

Dans le même temps, le modèle peut être affiné sur sa réalité agronomique. Le réalisme de la représentation du milieu, des contraintes pesant sur les exploitants et à contrario de leurs possibilités d'action, peut être amélioré.

En ce qui concerne l’espace, nous n’avons pris en compte que les conséquences spatiales des choix de successions culturales, en terme de répartition des surfaces dans le bassin-versant. Nous pourrons par la suite compléter la question de l’espace dans plusieurs directions. Les parcelles ont des caractéristiques physiques, telles que la pente ou le sol, qui peuvent jouer sur le choix des cultures. Elles ont des caractéristiques de voisinage qui modifient leur impact environnemental, telles que la proximité d’une faille qui alimente directement la nappe phréatique ou de surfaces en herbe, qui freinent la diffusion des nitrates.

Par ailleurs, les parcelles sont appropriées par les exploitants, elles peuvent changer de main au cours du temps, être redécoupées ou supprimées de l’assolement. Cette réorganisation du parcellaire, cette transformation de l’espace, support des cultures, augmente la complexité du problème, car il faut raisonner à la fois sur l’évolution du contenu, les cultures et sur celle du contenant, les parcelles. La question est de savoir comment les transformations du foncier interfèrent avec les affectations de culture.

De plus, l'appréhension du problème passe par la prise en compte de plusieurs niveaux d’organisation plus ou moins emboîtés, qui sont le territoire des exploitations, les bassins-versants élémentaires et l’ensemble du périmètre.

En énonçant ces améliorations possibles du jeu, nous essayons de mettre en évidence la façon dont nous souhaitons utiliser le concept de jeu de rôle dans l'explicitation d’un problème. En effet, par définition un jeu de rôle, en opposition avec un jeu de stratégie, est basé sur un apprentissage, une construction progressive des règles du jeu, par les acteurs mis en situation de jouer; dans ce cas, des formalisations communes peuvent être progressivement mises en place peu à peu, sans attendre que l’on ait clarifié tous les processus biophysiques du problème d’environnement, ni tous les processus cognitifs de décisions et de négociation des acteurs.

Inévitablement, le groupe sera amené à repréciser la finalité de son travail, en le recentrant peut-être sur ce qui apparaît être le plus motivant: préparer une expérimentation avec les acteurs réels -les agriculteurs-pour lesquels la concertation est une composante importante de l'action. Il s'agira alors de créer un réel outil pédagogique pour la négociation. Dans cet outil, certains des joueurs pourront être remplacés par des agents informatiques. Cette substitution sera conduite avec l'objectif d'expliciter les déterminants comportementaux des acteurs et sera donc un facteur essentiel de la construction d'un modèle commun. Elle devrait faciliter l'exploration d'un plus grand nombre de scénarios.

[1] J.-P. Deffontaines et J. Brossier (eds) Vittel. Les dossiers de l'environnement de l'INRA N8 14.

[2] F. Bousquet, C. Cambier, C. Mullon et P. Morand. Simulating the interaction between a society et a renewable resource. Biological Systems. 1993.

[3] E. Fianyo, J.-P. Treuil et Y. Demazeau. Simulation de l'exploitation des périmètres irrigués : étude sur la coordination réactive par apprentissage dans l'utilisation d'une ressource. Dans Actes du colloque JFIADSMA'97. Hermès 1997.

[4] L. Vercouter. Coordination multi-agents pour la résolution de problèmes de gestion locale sous contraintes collectives. Rapport de stage du DEA 127, Informatique : Systèmes multi-agents. Dir. Stage : S. Pinson, J.-P. Treuil.

[5] F. Le Ber, V. Chevrier, A. Dury. A Multi-Agent System for the Simulation of Land Use Organisation. 3èm workshop IFAC, AI in Agriculture, April 1998

[6] F. Bousquet, O. Barreteau, C. Mullon et J. Weber. Modélisation d'accompagnement : systèmes multi-agents et gestion des ressources renouvelables. Dans `` Quel avenir pour la planète? ' Colloque de Fontevraud, 1996.

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