Pflanzenmodellierungs-Frameworks rationalisieren Modellierungs-Workflows von der Ausführung von Simulationen bis hin zur Ausgabevisualisierung und Modellbewertung, indem sie praktische Tools bereitstellen, die die Entwicklung, den Austausch und die Wiederverwendung von Pflanzenmodellkomponenten unterstützen. Modellierer können Frameworks mit geringem Overhead verwenden, um die zugrunde liegende Programmierung detailliert zu verstehen, oder müssen auf die Plattform zugreifen und sie ändern.

Frameworks geben Pflanzenmodellierern die Möglichkeit:

  • Modelle bequem definieren
  • Testen Sie alternative Hypothesen im selben Modell
  • Austausch von Modellkomponenten zwischen verschiedenen Plattformen
  • Organisieren Sie komplexe Simulationen unter verschiedenen Szenarien
  • Vergleichen Sie die Modellausgabe und -leistung

Postdoktorand Kyungdahm Yun und Professor Soo-Hyung Kim, beide an der University of Washington, stellen vor Cropbox, ein deklaratives Crop-Modeling-Framework, in einem neuen Artikel, der in veröffentlicht wurde in silico Pflanzen

Während in letzter Zeit viele Crop-Frameworks erstellt wurden, Crop2ML, CPlantBox und yggdrasilist Cropbox insofern einzigartig, als es eine einfache domänenspezifische Sprache und nützliche Tools zur Unterstützung eines gesamten Zyklus der Modellentwicklung bietet. „Das Framework wurde entwickelt, um einen explorativen Workflow mit minimalem Programmieraufwand in einer interaktiven Entwicklungsumgebung zu unterstützen. Wir hoffen, dass es jedem, der sich für Modellierung interessiert, ermöglicht, „Modellierung“ zu betreiben, ohne sich um technische Details kümmern zu müssen.“

Spezifikationen

  • Es bietet eine deklarative Syntax, die mathematischen Formeln ähnelt, um Modellkomponenten und -variablen zu definieren (siehe Abbildung).
  • Maßeinheiten werden automatisch konvertiert und validiert.
  • Es übersetzt Modellspezifikationen in Julia Code. Julia ist eine neue Programmiersprache, die für wissenschaftliches Rechnen entwickelt wurde und mit leistungsstarken Paketen ausgestattet ist, die Datenverwaltung, Einheitenumrechnung, Statistik und 3D-Visualisierung übernehmen.
Konzept des Cropbox-Modellierungsframeworks. Das Framework verwendet eine Modellspezifikation in einer deklarativen domänenspezifischen Sprache und gibt nach einer internen Abhängigkeitsanalyse für Variablen und Systeme in der Julia-Programmiersprache geschriebenen Hostcode aus. Modellentwickler interagieren dann mit automatisch generiertem Modellcode über mehrere Funktionen, die für Simulations-, Bewertungs-, Kalibrierungs- und Visualisierungs-Workflows bereitgestellt werden.
Konzept des Cropbox-Modellierungsframeworks.

Simulationen

  • Es bietet eine einheitliche Schnittstelle zum Ausführen von Modellen und zum Generieren von Ausgaben in einem Standardformat.
  • Es unterstützt eine programmatische Konstruktion von Konfigurationen zum Setzen von Parameterwerten.
  • Es ermöglicht groß angelegte Simulationen durch Verwendung einer automatischen Parallelverarbeitung.

Evaluierung

  • Es bietet allgemeine Metriken für die Modellbewertung wie RMSE (Root Mean Square Error) und Nash-Sutcliffe-Modelleffizienz, auch bekannt als Modelleffizienz (EF).
  • Es unterstützt die automatische Modellkalibrierung mit einer globalen Optimierungsmethode.

Visualisierung

  • Es unterstützt verschiedene sofort einsatzbereite Plotoptionen für webbasierte Jupyter- und textbasierte REPL-Umgebungen.
  • Es ermöglicht die interaktive Manipulation der Modellausgabe über eine grafische Benutzeroberfläche.
  • Es kann eine leistungsfähigere Visualisierung (z. B. 3D-Rendering) über externe Julia-Pakete unterstützen.

Kyungdahm Yun gibt auf der JuliaCon 2022 einen Überblick über Cropbox.

Die Autoren liefern drei Beispielanwendungen, bei denen zuvor in C++ geschriebene Modelle in Cropbox neu implementiert wurden: eine gekoppelte C3 und C4 Blattgasaustauschmodell, ein prozessbasiertes Erntemodell für Knoblauch und ein 3D-Wurzelarchitekturmodell. Diese Beispiele zeigen optimierte Arbeitsabläufe und weniger Code mit Cropbox.

Yun fasst zusammen: „Wir gehen davon aus, dass Cropbox zu einer vielseitigen Toolbox für Pflanzenmodellierer wird, um Pflanzenmodelle auf eine Weise zu erstellen, zu verbessern und anzuwenden, die noch nie zuvor gesehen wurde. Wir hoffen auch, dass Cropbox zu einem Agenten wird, der die Grenzen zwischen Modellbenutzern und Modellentwicklern mit weniger technischen Hürden verwischt.“

DER ARTIKEL::

Kyungdahm Yun, Soo-Hyung Kim, Cropbox: ein deklaratives Crop-Modeling-Framework, in silico Plants, Band 5, Heft 1, 2023, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac021

Das Open-Source-Framework Cropbox ist frei verfügbar unter https://github.com/cropbox/Cropbox.jl. Dort findet der Leser auch weitere Anwendungsbeispiele.