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Exploitation et Intermodalité

Cette thématique est composée de trois actions de recherche.

1 - Problèmes d’optimisation combinatoires de l’exploitation ferroviaire

Les travaux de cette action s’articulent autour de trois questions clés liées à la résolution de problèmes d’optimisation combinatoires.

La capacité des infrastructures ferroviaires :
La question de l’usage optimum des infrastructures est centrale, si l’on tient compte des changements impulsés par les instances européennes dans le système ferroviaire qui a conduit à une certaine séparation entre opérateurs de transport et gestionnaires d’infrastructure. L’optimisation de la gestion de la capacité et sa répartition non discriminante passe par le développement de modèles d’évaluation des marges disponibles pour de nouveaux services ou pour les activités de maintenance. Rare sont les réseaux qui aujourd’hui utilise des modèles d’optimisation pour réaliser ces fonctions, le réseau néerlandais étant à notre connaissance le premier (et encore le seul) a construire son service annuel avec des modèles d’optimisation.


Étude de capacité de la gare Lille-Flandres, outil d’analyse.


Un modèle en programmation mathématique du problème de saturation de nœuds ferroviaires a été développé et testé avec différentes techniques de résolution (méthodes exactes et approchées). L’extension de cette problématique à deux nœuds reliés par une ligne afin de considérer à terme des portions de réseau est en cours dans le projet SIGIFRET. On notera aussi que dans le cadre de cette action de recherche, Réseau Ferré de France (RFF) et la Direction de la Circulation Ferroviaire (DCF) ont demandé à ESTAS, la réalisation d’un « état de l’art » d’ensemble sur les questions d’ingénierie des horaires, à la fois en termes de pratique (ce que les professionnels du secteur utilisent actuellement) et en termes de recherche scientifique (ce que les laboratoires et les organismes de recherche travaillent actuellement). Plusieurs séminaires ont été organisés afin de sensibiliser le personnel de RFF et de la DCF à l’apport de techniques innovantes dans le domaine de l’ingénierie des horaires.

Gestion opérationnelle du trafic ferroviaire :
Le problème considéré consiste à définir l’ordonnancement et le routage des trains qui minimisent la propagation des retards dans des situations perturbées où l’exploitation ne suit plus la grille horaire planifiée. Après une formulation en programmation par contraintes, une formulation en programmation linéaire mixte a été développée et testée sur plusieurs infrastructures avec de bonnes performances pour obtenir et prouver la solution optimale. Les questions ouvertes sur ce problème sont encore nombreuses: quelle finesse de modélisation et quelle(s) décomposition(s) du problème satisfont au mieux les nouvelles organisations et offrent les meilleures performances, comment coupler les deux types de modèle développés avec des niveaux d’échelle différents. Ces questions devront s’appuyer sur une bonne prise en compte des contextes propres aux différents gestionnaires d’infrastructure et entreprises ferroviaires : topologie de l’infrastructure, densité de trafic, structure de l’offre, étendue de la zone de contrôle, dispositifs d’aide à la conduite, ... et offrir aux entreprises ferroviaires les meilleurs outils en fonction des contextes qui leur sont propres.


Graphique d’occupation des circuits de voie, outil d’analyse des solutions.


L’optimisation de l’énergie et optimisation intégrée des réseaux :
Le problème considéré est un problème d’optimisation bicritère qui vise : d’une part à garantir une bonne offre de service (maximiser l’usage de la capacité ferroviaire) et d’autre part à économiser l’énergie. Pour cela, deux aspects de la gestion du trafic ont été considérés, chaque aspect correspondant à un niveau de la planification ou une échelle différente.

Un premier niveau, qui peut être qualifié de microscopique, porte sur la construction du « sillon ». Le sillon correspond au « tracé » du chemin qu’un train va suivre dans un graphique espace-temps. Le sillon est donc lié à des impératifs horaires et aux temps de marche des trains. Dans ce contexte, l’optimisation bi-objectif des profils de conduite oppose le critère temps de marche au critère énergétique. Le problème doit prendre en compte un ensemble de contraintes opérationnelles (comme les limitations des vitesses) et un modèle de dynamique ferroviaire. La définition du modèle de dynamique ferroviaire a bénéficié de l’expertise des chercheurs du COSYS/LTN pour exploiter les principes physiques tels que le Principe Maximum de Pontryagin permettant d’établir les régimes de conduite optimaux. L’optimisation est quant à elle réalisée par un algorithme évolutionnaire, particulièrement adapté à l’optimisation multi-objectif : IBEA.

Un second niveau, plus macroscopique, porte sur l’intégration d’un ensemble de sillons afin de planifier un service annuel. En fonction des profils de vitesse retenus, l’offre de service et la consommation énergétique vont nécessairement être impactées. Cette construction repose sur un ensemble de données et de contraintes, parmi lesquelles on peut citer, outre les temps de marche, les correspondances, les contraintes de capacité en gare, les règles de priorités d’attribution de sillons, etc... Le problème traité est ici de garantir une bonne offre de service tout en limitant la consommation énergétique. Cette recherche en cours a pour objectif de construire un ensemble de tables horaires plus ou moins énergivores correspondant à une offre de service plus ou moins grande dans une démarche d’aide à la décision. C’est une optimisation bi-critère permettant aux horairistes de choisir les horaires les plus adaptés vis-à-vis du coût énergétique induit.


Calcul de solutions économes en énergie non dominées en terme de temps de parcours.


2 - Services d’information et systèmes de mobilité

Cette action traite les questions suivantes :

  • Quelle est la valeur ajoutée du numérique dans les services d’information ?
  • Quels services innovants proposer au citoyen pour qu’il s’oriente vers une mobilité durable ?
  • Comment développer une offre complémentaire à l’automobile et aux transports collectifs ?

Les travaux de recherche de cette action proposent d’analyser les demandes émanant des différentes parties prenantes (Autorité organisatrice, exploitant, client) du système technique et organisationnel des mobilités, de construire des solutions innovantes de services sur la base des technologies de l’information et de la communication, de les explorer par l’expérimentation et l’évaluation.

Dans le domaine de l’informatique, le fil conducteur se concrétise par la personnalisation du Système d’Information Multimodale (SIM). Ce concept prend en compte l’information sur les transports publics, l’information routière, mais également les modes « doux » : le vélo, la marche à pied et toutes les autres formes de mobilités, comme l’auto-partage et le co-voiturage.

Le SIM constitue le support de traitement de ces informations, depuis leur recueil jusqu’à leur diffusion. L’utilisation du terme « système » renvoie non seulement aux aspects techniques et numériques, mais également aux schémas d’organisation qui accompagnent sa mise en œuvre. Pour un déplacement donné, le système d’information multimodale les fonctions suivantes :

  • Éclairer le choix modal i.e. proposer toutes les offres de mobilité pour un itinéraire donné.
  • Faciliter l’usage des réseaux, i.e. aider, guider et assister de bout en bout le voyageur.
  • Amender les services de mobilité, i.e. intégrer l’usage(r) dans l’offre et les services d’aide à la mobilité.

Le SIM est aujourd’hui passé dans le domaine opérationnel, grâce aux travaux de la Prédim. Le ministre des Transports a annoncé la création d’un « SIM national français » par l’AFIMB (Agence Française Information Multimodale et Billettique).

Les travaux sur les systèmes d’information ont permis de répondre à la problématique de la personnalisation de l’information à la fois en interface et en calcul d’itinéraire, ces travaux ont été complétés par de l’évaluation et du développement de modèles informatiques reproductibles.

Dans le domaine des systèmes de mobilité, le vélo doit être développé comme moyen de déplacement dans la ville. Mais il ne possède pas encore le véritable statut de système de transport qui nécessite des infrastructures, des stations et des services. En 2012, s’est terminé le projet VIC Ville Cycle, financé par l’ANR, coordonné par le CEA, et en partenariat avec deux industriels Oxylane, Altinnova, ainsi qu’un bureau d’études WT2I.

Dans les systèmes de mobilité, les Systèmes de Transports Intelligents (STI) reposent sur l’utilisation des technologies de l’information et de la communication en vue d’une optimisation des infrastructures existantes et de la fluidification de l’exploitation des systèmes de transport individuel et collectif. Le projet européen SCOOP@F coordonné par le laboratoire ESTAS porte sur les systèmes coopératifs permettant le dialogue entre l’infrastructure et les véhicules.

Un projet de living lab est en cours dans l’éco-quartier de l’Union sur Lille Métropole. Un dossier est en cours en liaison avec la plate-forme i-viaTIC, la recherche devra y apporter des méthodologies d’évaluation.

3 - Amélioration de la régularité, de la ponctualité et des correspondances dans les réseaux des transports collectifs urbains

Cette action de recherche vise en premier lieu à minimiser la durée du trajet, ce qui se traduit par une très bonne régulation de trafic et une diminution du temps d’attente et de correspondances dans les arrêts. Elle vise aussi à améliorer l’accessibilité aux personnes à mobilité réduite, à agir sur les paramètres qui font baisser le sentiment d’insécurité, à améliorer le confort. C’est vers cet objectif global de l’amélioration de la qualité et de l’exploitation des systèmes de transport que ces travaux de recherche sont orientés. Le modèle développé a été validé sur plusieurs instances de problèmes et a bénéficié de nombreuses améliorations qui ont porté aussi bien sur le modèle que sur les techniques de résolution. Ces travaux reposent sur les théories scientifiques de l’Intelligence Artificielle comme les sous-ensembles flous, les réseaux de neurones et les systèmes multi-agents. La faisabilité d’un système d’aide à la décision « SAD » pour assister les régulateurs de trafic des réseaux de transport collectif a été démontrée. Ces travaux ont été effectués dans le cadre du projet GRRT : SART « Système d’aide à la régulation de trafic des réseaux de transport collectif de Valenciennes ».