農(nóng)業(yè)生態(tài)轉(zhuǎn)型是一個活躍的研究和發(fā)展領(lǐng)域，在這個領(lǐng)域中，模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)必須從復(fù)雜系統(tǒng)建模中評估所涉及的過程及其相互作用。因為，當(dāng)耦合描述性模型時，很少考慮到這些反饋效應(yīng)。另一個關(guān)鍵點是，即使有了機制模型，它們的耦合潛力也沒有得到評估，無論是對于計算周期還是它們相互作用的數(shù)據(jù)。所以，將植物生長模型與病蟲害（P&D）模型耦合起來，并考慮相互作用后的長期反饋，仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。雖然許多研究已經(jīng)檢索了各種方法，但其都沒有提供一個通用框架，能夠在不深入更新其體系結(jié)構(gòu)的情況下承載現(xiàn)有模型及其代碼。

2023年8月，Plant Phenomics在線發(fā)表了University of Montpellier等單位題為 Coupling Plant Growth Models and Pest and Disease Models: An Interaction Structure Proposal, MIMIC 的研究論文。

面對一個復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及在不同層面上相互作用的過程，可能存在集體行為和與環(huán)境的關(guān)系，作者為此開發(fā)了模型內(nèi)部耦合的中介接口（MIMIC, Mediation Interface for Model Inner Coupling），這是一個開放訪問的框架/工具。MIMIC以靈活的方式處理模型之間的交互，而不考慮模型的數(shù)量和類型。MIMIC確保在長期時間尺度上對所有模式的動態(tài)耦合效應(yīng)。MIMIC管理模型及其輸入和輸出之間的連接。該模型的基本假設(shè)是，從一個內(nèi)部步驟到下一個內(nèi)部步驟，每個模型在有限的時間內(nèi)操作和評估自己的內(nèi)部狀態(tài)。MIMIC可以看作是一個由3個主要部分組成的超模型，其中心部分如 圖 1 所示。這些組件解決了耦合不同和多個動態(tài)系統(tǒng)時通常遇到的問題，從去同步到反饋集成。如 圖 2 所示，MIMIC內(nèi)核的3個組件（CS、ISS和ISDR）通過共享通信總線直接相互連接。CS控制MIMIC如何管理和運行流程（圖 2，頂部）。ISDR逐步存儲與交互相關(guān)的狀態(tài)變量和仿真數(shù)據(jù)(任務(wù)調(diào)度、最后一次模型運行等)。每次執(zhí)行偽模型時，都會請求ISS將偽模型的狀態(tài)變量（輸出）轉(zhuǎn)換或翻譯為MIMIC狀態(tài)變量（交互代碼中使用的狀態(tài)變量）。因此，它們可以用作其他偽模型的輸入。

圖1“模型內(nèi)部耦合的中介接口”(MIMIC)原理圖，用P&D模型(左綠框)和植物生長模型(右綠框)的耦合示例說明了內(nèi)核組件(藍(lán)色)。

圖2MIMIC的內(nèi)核 UML表示，描述了通過通信總線(藍(lán)色圓柱體)鏈接的MIMIC主要組件(周期同步器、交互狀態(tài)和數(shù)據(jù)記錄器以及交互系統(tǒng)狀態(tài)服務(wù)器)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

MIMIC的主要好處是它為用戶提供了工具和自由來構(gòu)建他們自己的交互，用戶決定交互如何操作，平臺提供了強大的工具來設(shè)計交互的關(guān)鍵特性，并利用元編程技術(shù)。MIMIC中的交互是由用戶指令生成的，包括以下兩個方面：（a）用戶編寫的交互代碼本身，即所謂的UIM（用戶交互模型）；(b)對仿真的控制，即所謂的UC（用戶仿真控制）。如 圖 3 所示，user-MIMIC通信組件實際上是一個解析器，它為構(gòu)建偽模型和與內(nèi)核的連接創(chuàng)建元數(shù)據(jù)。

圖3 MIMIC與用戶之間的交互結(jié)構(gòu)。讀取用戶提供的數(shù)據(jù)并將其用于創(chuàng)建元數(shù)據(jù)，以便在“User–MIMIC communication.”中構(gòu)建交互。然后，元數(shù)據(jù)用于創(chuàng)建和填充偽模型。

本文的案例研究說明了MIMIC框架，耦合了咖啡樹結(jié)果模型和CBB模型。因此，提出的方法強調(diào)了植物生長和損益相互作用模型耦合的挑戰(zhàn)。最后，作者強調(diào)了MIMIC以用戶為中心的實現(xiàn)特征，作為一個實用和方便的工具，需要最少的編碼知識來使用。

MIMIC源碼鏈接：

https://github.com/Houssem-Triki/MIMIC

論文鏈接：

https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0077

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《植物表型組學(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和美國科學(xué)促進會（AAAS）合作創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學(xué)交叉學(xué)科熱點領(lǐng)域具有突破性科研進展的原創(chuàng)性研究論文、綜述、數(shù)據(jù)集和觀點。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術(shù)，基于圖像分析和機器學(xué)習(xí)的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農(nóng)業(yè)實踐中的表型組學(xué)新應(yīng)用，與植物表型相結(jié)合的分子生物學(xué)、植物生理學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、作物模型和其他組學(xué)研究，表型組學(xué)相關(guān)的植物生物學(xué)等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數(shù)據(jù)庫收錄�？祁Ｎò睯CR2022影響因子為6.5，位于農(nóng)藝學(xué)、植物科學(xué)、遙感一區(qū)。中科院農(nóng)藝學(xué)、植物科學(xué)一區(qū)，遙感二區(qū)，生物大類一區(qū)（TOP期刊）。2020年入選中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊項目。

說明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)組稿。
中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。
撰稿：林沁文（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）
排版：趙倩瑩（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）
審核：孔敏、王平