バイオMA

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。
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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、数学モデルを開発および実行するためのソフトウェアインフラストラクチャで構成できます。モノリシック実装に関して、生物物理学的モデリングの分野で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、および個別のユニットでのモデリングソリューションの分離は、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。農業用のモデリングフレームワークは、さまざまなアプローチとターゲットで時間の経過とともに進化してきました^[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、農業と環境の分野で生物物理学的モデルに基づいたモデリングソリューションを開発、パラメータ化、実行するために設計および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]これは、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橋渡しを迅速に行い、さまざまなモデリング ソリューションを実行して比較できるようにすることです。フレームワークの重要な側面は、モデリング ワークフローのさまざまなステップで出力の品質評価を可能にする透明性です。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 インターフェイスの両方で、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、モデル開発と運用使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。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]タスクの下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菌の発達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を推定する^{[19] [20] [21]}
• 作物の環境適合性を推定する、^[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が農作物生産に与える影響を推定する^[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・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応用する^[53]

BioMA アプリケーションとモデリング ソリューションは、気候変動のシナリオ下での農業生産をシミュレートするために欧州委員会の MARS ユニットが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。

シミュレーション システムは、それぞれ独自の機能と要件を持つレイヤーに離散化されています。このようなレイヤーには、細かい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。すべてのケースで、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。

CREA で実施されている AgriDigit プロジェクトのコンテキストでは、BioMA フレームワークが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 コントローラー アーキテクチャは不要になりました。そのため、クラウド サービスでは構成レイヤーが削除されました (使用されません)。また、構成レイヤーも簡素化されました。

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が反復的に実行されます。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 では、特定のサイトに対してモデルが実行されます。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が可能になります。

次の図のように、ライブラリに基づいてアプリケーションを構築できます。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して拡張したり、新しいライブラリを追加したりすることができます。

モデル コンポーネントとツールは、コンポーネント ポータルで 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 ソリューションについても同様です (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。

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、以下のようにクリエイティブ コモンズ ライセンスの下で行われ、非営利、同一条件での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だが、コードは当事者間の特定の合意の下で共有できる。モデルコンポーネント開発者はコードを公開できるが、バイナリは再利用できるようにしなければならない。^[55]