バイオMA
モデリングとシミュレーションのためのソフトウェアフレームワーク
生体物理モデルの応用
BioMA は、農業と環境の分野でモデリング ソリューションを開発、パラメータ化、実行するためのパブリック ドメイン ソフトウェア フレームワークです。
モデル コンポーネントとモデリング ソリューションは、さまざまなフレームワークで再利用できます。
このソフトウェアは、.NETフレームワークのMicrosoft C#を使用して開発されています。

モデリングフレームワークは、モデリングとシミュレーションに使用され、数学モデルの開発と実行のためのソフトウェアインフラストラクチャから構成されます。モノリシック実装と比較して、生物物理学的モデリングの分野において大きな進歩をもたらしました。[1] [2] [3] [4]アルゴリズムとデータの分離、 I/Oプロシージャと統合サービスの再利用性、そしてモデリングソリューションを個別のユニットに分離することで、シミュレーションシステムの開発に大きな利点をもたらしました。農業向けのモデリングフレームワークは、時間の経過とともに進化し、さまざまなアプローチとターゲットを伴ってきました[5]

BioMA は、細かい粒度でのマルチモデル実装を含む、プラットフォームに依存しない再利用可能なコンポーネントに重点を置いて開発されたソフトウェア フレームワークです。

BioMA - 生体物理モデルの応用

BioMA（生物物理学的モデルアプリケーション）は、農業と環境の分野における生物物理学的モデルに基づくモデリングソリューションの開発、パラメータ化、実行のために設計・実装されたパブリックドメイン のソフトウェアフレームワークです。 [6] BioMAは、自由に拡張可能なソフトウェアコンポーネントにコード化された個別の概念単位に基づいています。[7]

このフレームワークの目標は、プロトタイプから運用アプリケーションへの迅速な橋渡しを行い、様々なモデリングソリューションを実行・比較できるようにすることです。このフレームワークの重要な側面は、モデリングワークフローの様々なステップにおける出力の品質評価を可能にする透明性です。このフレームワークは、モデリングソリューションとグラフィカルユーザーインターフェースの両方において、フレームワークに依存しないコンポーネントに基づいています。目標は、モデル開発と運用のためのフレームワークを提供することだけでなく、スタンドアロンまたは異なるフレームワークで再利用可能なオブジェクトの緩やかなコレクションを提供することです。このソフトウェアは、.NETフレームワークのMicrosoft C#言語を使用して開発されています。

このフレームワークは、第6回EUフレームワークプログラムSEAMLESSプロジェクトの APES [8]タスクで実施された作業の発展形である。

プラットフォームとそのツールおよびコンポーネントの展開は次のように使用されています。

  • 生物物理学的シミュレーションのための気象データセットを作成するため: [9] [10] [11]
  • ヨーロッパにおける農作物生産への影響を評価すること[12] [13]および適応[14] [15]
  • 気候変動下での土壌病原体の発生をシミュレートするため、[16] [17]
  • 樹木種の成長と発達を再現するため、[18]
  • 気候変動下でトウモロコシに被害を与える昆虫の生存率を推定する[19] [20] [21]
  • 作物の環境適合性を推定するため、[22]
  • サブモデルレベルでモデリングソリューションの比較を行うため、[23]
  • 作物の発育と成長のための再利用可能なモデルのライブラリを開発すること、[24] [25]
  • ラテンアメリカにおける気候変動の農作物生産への影響を推定するため、[26]
  • 真菌感染症[27] [28] [29]および植物疫病の動態をシミュレートするため[30] [31] [32]
  • 農業気象変数を推定するため、[33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43]
  • 土壌水分特性を推定するための関数ライブラリを開発する[44] [45]
  • 農産物の品質を評価する。[46] [47]
  • 農業経営手法のタイミングと適用をシミュレートする[48] [49]
  • 農業モデルの感度分析を行うためのライブラリを開発する[50]
  • 圃場実験を再現して作物モデルの性能を評価するためのライブラリを定義する[51]
  • 冬菜種生産の量的および質的側面に関する新しいモデルを開発する[52]
  • カネグロサトウキビモデルをジャイアントリードに適応させる[53]

BioMAアプリケーションとモデリングソリューションは、欧州委員会のMARSユニットが気候変動シナリオ下における農業生産のシミュレーションに使用するシミュレーションツールです。BioMAは、EU FP7プロジェクトMODEXTREMEでも使用されています。

建築

シミュレーション システムは複数のレイヤーに分割され、各レイヤーには独自の機能と要件があります。これらのレイヤーには、細粒度のモデルが個別のユニットとして実装されるモデル レイヤー (ModL)、[54]、基本モデルがより複雑で集約されたモデルにリンクされるコンポジション レイヤー (CompL)、および操作用にコンテキスト固有のパラメーター化 (ソフトウェアの意味で) を提供できる構成レイヤー (ConfL) があります。アプリケーションは、単純なコンソール アプリケーションからモデル ビュー コントローラー パターンに基づくユーザー対話型アプリケーションにまで及びます。最も単純なケースでは、ModL または CompL に直接リンクするか、モデル ConfL にアクセスします。いずれの場合も、コンポーネント指向アーキテクチャにより、システムの機能の豊富さと透明性に影響を与える一連の機能を実装できます。レイヤー間でトップダウンの依存関係は実装されないため、さまざまなアプリケーションやフレームワークでツール、ユーティリティ、モデル コンポーネントを独立して再利用できます。

BioMAシミュレーションシステムのアーキテクチャレイヤー
  • モデル層:コンポーネントで実装された細粒度/複合モデル
  • 構成レイヤー:モデルコンポーネントからのモデリングソリューション
  • 構成層:コントローラの高度な機能のためのアダプタ
  • アプリケーション: コンソールから高度なMVC実装まで
  • 開発ツール: 主にコード生成を使用するツール
  • モデルライブラリを実装する再利用可能なコンポーネントがモデリング ソリューションに構成されます。
  • モデリング ソリューションは、1 つのモデリング フレームワークに限定されるものではありません。
  • アダプターは、BioMA などのフレームワーク アプリケーションに固有のモデリング ソリューションのバージョンを作成します。
  • 意味的に明示的なインターフェースにより、リッチなアプリケーションの作成が可能
モデルコンポーネントからモデリングソリューション、アダプタまで

クラウドアーキテクチャ

CREAで実施されているAgriDigitプロジェクトにおいて、BioMAフレームワークはSaaSアーキテクチャを介してクラウドで実行できるように適応されました。モデル呼び出しはHTTP呼び出しとして扱われるため、モデル・ビュー・コントローラ・アーキテクチャは不要になりました。そのため、クラウドサービスでは構成層は削除（使用されない）されました。また、コンポジション層も簡素化されました。

アプリケーション

BioMA でモデリングソリューションを構築するために使用するモデルライブラリ

高度なアプリケーションは、次の 2 つのカテゴリに分類できます。

  • BioMA-Spatialでは、グリッドセルまたはポリゴンなどの空間的に明示的な単位に対してモデルを反復的に実行します。これらのアプリケーションには、空間単位間の相互作用をモデル化するレイヤーを含めることができます。
  • BioMA-Siteは、特定のサイトに対してモデルを実行するアプリケーションです。これらのアプリケーションは特定の作物に特化することができ、一般的にモデルの構成ブロックと出力へのより詳細なアクセスを可能にします。

アプリケーションは、以下の図のようにライブラリをベースに構築できます。ライブラリは、ソフトウェア開発キットに示されているように、新しいモデルを実装することで拡張でき、新しいライブラリを追加することもできます。

可用性

モデルコンポーネントとツールは、コンポーネントポータルからSDKを使用して自動的にダウンロードできます。モデリングソリューションも同様です（ポータルは現在改修中です）。

SaaS としてのモデリング ソリューションへのアクセスをリクエストする必要があります。

BioMA知的財産権モデル

コア コンポーネントのコードはMITライセンスの下で利用可能ですが、バイナリの再利用は下記の Creative Commons ライセンスの下で行われ、非営利、共有条項が適用されます。

アプリケーションとツールはクリエイティブ・コモンズ・ライセンスの下でバイナリとして利用可能ですが、コードは当事者間の特定の合意に基づいて共有できます。モデルコンポーネント開発者はコードを公開できますが、バイナリは再利用できるように公開する必要があります。[55]

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