Thématique générale : les systèmes complexes

Dans le cadre du projet ForenSeek, pour assister l’expert dans ses prises de décision et pour améliorer l’estimation de la date de la mort d’une personne, il est impératif de modéliser au mieux l’écosystème cadavre-entomofaune-environnement. C’est en effet sur ce(s) modèle(s) que le système d’aide à la décision se base pour fournir ses fameuses décisions. Un tel écosystème cadavre-entomofaune-environnement est un système complexe, avec des propriétés importantes (p. ex., rétroaction, émergence, etc.) ayant de potentiels impacts sur les procédés et méthodes de modélisation utilisés.

Avant d’étudier plus en détails le cœur de nos travaux, il semble ainsi opportun de discuter de ces systèmes dits complexes. Car nos objectifs théoriques d’informaticiens/automaticiens tiennent en un mot : « généralisation ». Nous nous efforçons d’étendre et de propager les connaissances d’un système particulier à l’ensemble de ces systèmes complexes. Qu’il s’agisse d’une larve sur un cadavre, d’une fourmi dans une fourmillière, ou d’un véhicule sur une autoroute, etc., de nombreux points communs peuvent mis en évidence.

Les systèmes complexes

Le mot « complexe » vient du latin cum plexus qui signifie ce qui est tissé ensemble. On appelle « système complexe », un système composé d’un très grand nombre d’acteurs hétérogènes en interaction, structurés en plusieurs niveaux d’organisation.

Un des exemples habituels est celui de la fourmi dans sa fourmilière : un comportement individuel « simple » et réactif (stimuli/réactions) à côté de comportements globaux complexes (ex. : agencement évolué du nid ou pratique de l’élevage sans aucune intervention supérieure).

Exemple d’un système complexe : une fourmilière.
Oecophylla sp. Shot in Gombe (Gabon). By Axel Rouvin.

Plusieurs notions se retrouvent ainsi au sein des systèmes complexes :

• Le principe de rétroaction (feedback en anglais) : la rétroaction représente l’action de retour d’un effet sur ses propres causes. L’exemple courant de rétroaction concerne la régulation thermique d’un organisme soumis à une température extérieure fluctuante. Lorsque la température de l’environnement baisse, la température de l’organisme devrait également diminuer, pourtant un phénomène de rétroaction vient s’opposer à la cause pour que l’effet en soit modifié. Une rétroaction peut être directe, indirecte, instantannée, temporisée, positive, négative, en cascade, intérieure, extérieure, etc. La combinaison de boucles de rétroaction diverses a généralement des effets pervers imprévisibles surtout lorsque celles-ci sont considérées ou observées de manière simplifiée. On parle aussi de boucle de rétroaction ou de causalité rétroactive, généralisant clairement la causalité linéaire. Ce principe se retrouve couramment en automatique lorsqu’on parle de système asservi ou régulé.

• Le principe d’émergence : la notion d’émergence est couramment employée dans divers domaines (p. ex., en économie, en éthologie, en systèmes de production, etc.). L’émergence peut être définie comme un processus à partir duquel un système, composé d’acteurs en interactions, acquiert de nouvelles propriétés inconnues ou non-déductibles directement à partir des propriétés individuelles ou par une simple somme de ces propriétés.

• Le principe de (multi-)niveaux : l’organisation est une propriété essentielle aux systèmes complexes leur permettant d’éviter chaos ou agrégat inerte. Cette organisation est structurée et plusieurs niveaux, multi-dimensionnels, multi-temporels, multi-spaciaux, multi-objectifs, multi-hiérarchiques, etc., s’influencent et échangent. L’exemple de l’organisme vivant (constitué d’organes, eux-mêmes constitués de tissus, eux-mêmes constitués de cellules, elles-mêmes constituées etc.) est illustratif de l’organisation multi-niveaux d’un système complexe. Chacun des niveaux peut possèder un cycle de vie particulier, partager informations et ressources avec d’autres niveaux et dépendre et influencer ces mêmes niveaux. Cette organisation de l’organisation (cf. Tome 1 de la Méthode, p. 129, E. Morin, 1977) est une notion particulièrement importante dans la conception des sytèmes complexes, qui n’est généralement pas une chose aisée à intégrer, en particulier lorsqu’on tente de modéliser de tels systèmes.

• Le principe d’ouverture et de fermeture : pour qu’un système persiste, il doit disposer d’ordre et de désordre (internes ou externes) et pouvoir donc interagir avec eux. Le système échange alors avec son environnement, énergie, matière, information, sous diverses formes et intensités, pour se maintenir en état. Dans la littérature, les systèmes ouverts sont souvent opposés aux systèmes fermés (c.-à-d., n’ayant aucun échange avec leur environnement). Dans les faits, la complète fermeture n’est qu’une simplification théorique, généralement admise par les scientifiques pour isoler temporairement le système afin d’en faciliter son analyse. En réalité, tout système est à la fois fermé et ouvert : partiellement fermé pour conserver en partie de son ordre et de sa complexité interne ; et partiellement ouvert pour échanger, communiquer, incorporer le désordre extérieur, l’utiliser et le transformer en ordre pour évoluer.

Ces quelques paragraphes ne peuvent suffire à présenter les systèmes complexes mais nous permettent d’entrevoir les difficultées liées à l’étude et l’analyse de ceux-ci. Par exemple, lorsqu’une observation est effectuée sur un tel système d’étude, il importe parfois de pouvoir revenir sur les causes passées à l’origine de l’état présent (ex., c’est ce qui est fait lorsqu’on tente de d’estimer le moment de la mort d’une personne dans ForenSeek). Quand le système est complexe, remonter le temps semble pourtant être une tâche laborieuse : le nombre important d’acteurs, la grande stochasticité des événements, les interactions multiples, etc., sont en effet autant de paramètres insaisissables pour l’observateur.

Ces paramètres insaisissables deviennent alors des sources d’imperfections (incertitudes, imprécisions, etc.) devant être prises en compte afin d’améliorer les décisions. Dans le cadre de ForenSeek, les imperfections sont multiples :

• incomplétude : prélèvements entomologiques non-exhaustifs ;
• incertitude : conservations incertaines des échantillons ;
• subjectivité : choix de méthodes d’analyse particulières sélectionnées sans réelles justifications, etc.

Nous montrons dans le cadre de nos travaux que l’association :

• de la simulation numérique ;
• du raisonnement abductif ;
• et d’un paradigme de représentation et de manipulation des informations imparfaites ;

peuvent apparaître comme une solution adaptée pour effectuer de la rétrodiction dans le cadre de systèmes complexes.

A écouter : l’émission "Science publique", diffusée le 03/12/2010 sur France Culture et présentée par Michel Alberganti, intitulée "La complexité impose-t-elle la pluridisciplinarité ?" : http://www.franceculture.com/emission-science-publique-la-complexite-impose-t-elle-la-pluridisciplinarite-2010-12-03.html

Ou un accès direct au mp3 de l’émission sur le site : radiofrance-podcast.net

De nombreux articles traitent de la complexité (et cela dans tout domaine), par exemple : L’économie comme science "complexe"