Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Optimisation bi-niveaux pour la résilience et l’adaptation des réseaux de transport

Laboratoire principal - Référent principal COSYS - LICIT  -  EL FAOUZI Nour-Eddin      tél. : +33 472142543

Directeur du laboratoire principal LECLERCQ Ludovic  -

Spécialité de la thèse mathématiques appliquées, Recherche opérationnelle, optimisation, ingénierie du trafic

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Bron

Etablissement d'inscription ENTPE

Ecole doctorale MEGA (MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE)

Directeur de thèse prévu EL FAOUZI Nour-Eddin  -  Université Gustave Eiffel  -  COSYS - LICIT-ECO7

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Les réseaux de transport sont conçus pour assurer la mobilité des biens et des personnes et structurent la vitalité de l’activité économique et sociale des populations. En urbain, ces réseaux de transport font souvent face à des congestions (récurrentes ou non) dégradant le niveau de service attendu de ces réseaux. Le maintien d’un niveau de service acceptable continue donc un enjeu d’exploitation important surtout dans la perspective d’une croissance soutenue de la demande de déplacement.

Pour répondre à la demande de mobilité (actuelle et future), les réseaux de transport doivent s'adapter dynamiquement à ses changements. En outre, la résilience des réseaux de transport aux catastrophes naturelles et aux menaces malveillantes est essentielle pour assurer un fonctionnement optimal des réseaux. L'ordonnancement des projets de maintenance des réseaux et la protection des actifs vulnérables de l'infrastructure de transport nécessitent des modèles intégrés capables de capter la réaction des populations aux changements. De plus, étant donné les décisions de planification stratégique à long terme, généralement coûteuses, l'optimisation de la conception du réseau est essentielle pour assurer un impact maximal sur la performance du réseau. Modéliser l'impact des actions de conception dans les réseaux de transport peut être considéré comme une compétition dite de Stackelberg (Von Stackelberg, 1934), où un acteur leader cherche à prendre la meilleure décision en anticipant la réaction d'un acteur suiveur. Ce cadre d'optimisation à deux niveaux a une interprétation naturelle dans la conception des réseaux, où le joueur leader représente l'autorité organisatrice de transport et le joueur suiveur représente le choix collectif des voyageurs dans un équilibre de Nash (Wardrop, 1952). La solution optimale, c'est-à-dire exacte, de ce problème de conception de réseau n'est pas triviale, car les problèmes d'optimisation de bi-niveaux sont connus pour être insolubles, même dans le cas le plus simple et linéaire (cf. Rey et al., 2019). Pourtant, une conception optimale des réseaux est essentielle pour améliorer la résilience et le retour à la normale des réseaux, et des méthodologies conceptuelles fondamentalement nouvelles sont nécessaires pour faire progresser la capacité des algorithmes à trouver une solution et informer sur les politiques de planification durable.

L'objectif de cette thèse est de concevoir, mettre en œuvre et valider de nouvelles méthodologies pour modéliser et résoudre les problèmes de décision difficiles rencontrés dans la conception et la résilience des réseaux de transport. La conception et la résilience des réseaux jouent un rôle central dans la conception et le fonctionnement du métabolisme des villes intelligentes. Les résultats de cette thèse devraient appuyer l'élaboration et le contrôle de politiques de conception durable des réseaux de transport et permettre de relever les défis sociaux et économiques fondamentaux induits par la congestion et la sécurité. Plus précisément, ce projet de thèse vise à introduire des formulations innovantes et efficaces du problème de jeux Stackelberg dans les réseaux de transport et à développer de nouveaux algorithmes mathématiques pour les problèmes de conception des réseaux en équilibre afin d'optimiser la résilience et la capacité de récupération des réseaux de transport urbain.

Références :

Alderson, D.L., Brown, G.G. and Carlyle, W.M., 2015. Operational models of infrastructure resilience. Risk Analysis, 35(4), pp.562-586.
Bell, M.G., 2000. A game theory approach to measuring the performance reliability of transport networks. Transportation Research Part B: Methodological, 34(6), pp.533-545.
Bell, M.G., Kanturska, U., Schmöcker, J.D. and Fonzone, A., 2008. Attacker–defender models and road network vulnerability. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 366(1872), pp.1893-1906.
Bhavathrathan, B.K. and Patil, G.R., 2015. Capacity uncertainty on urban road networks: A critical state and its applicability in resilience quantification. Computers, Environment and Urban Systems, 54, pp.108-118.
Brown, G., Carlyle, M., Salmerón, J. and Wood, K., 2006. Defending critical infrastructure. Interfaces, 36(6), pp.530-544.
Rey, D., Bar-Gera, H., Dixit, V. V., & Waller, S. T. (2019). A Branch-and-Price Algorithm for the Bilevel Network Maintenance Scheduling Problem. Transportation Science, 53(5), 1455–1478.
Rey, D., & Bar-Gera, H. (2019). Long-term Scheduling for Road Network Disaster Recovery. International Journal of Disaster Risk Reduction.
Rey, D. (2019). Computational benchmarking of the discrete bilevel network design problem. EURO Working Group on Transportation (EWGT), Barcelona, Spain.
Von Stackelberg, H., 2010. Market structure and equilibrium. Springer Science & Business Media.
Wardrop, J.G., 1952. Some theoretical aspects of road traffic research. In Inst Civil Engineers Proc London, UK.

Mots-clefs: Résilience des réseaux, vulnérabilité des infrastructure, optimisation des infrastructure de transport, compétition dite de Stackelberg, optimisation bi-niveaux.

Laboratoire principal - Référent principal	COSYS - LICIT - EL FAOUZI Nour-Eddin tél. : +33 472142543
Directeur du laboratoire principal	LECLERCQ Ludovic -
Spécialité de la thèse	mathématiques appliquées, Recherche opérationnelle, optimisation, ingénierie du trafic
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Bron
Etablissement d'inscription	ENTPE
Ecole doctorale	MEGA (MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE)
Directeur de thèse prévu	EL FAOUZI Nour-Eddin - Université Gustave Eiffel - COSYS - LICIT-ECO7
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Les réseaux de transport sont conçus pour assurer la mobilité des biens et des personnes et structurent la vitalité de l’activité économique et sociale des populations. En urbain, ces réseaux de transport font souvent face à des congestions (récurrentes ou non) dégradant le niveau de service attendu de ces réseaux. Le maintien d’un niveau de service acceptable continue donc un enjeu d’exploitation important surtout dans la perspective d’une croissance soutenue de la demande de déplacement. Pour répondre à la demande de mobilité (actuelle et future), les réseaux de transport doivent s'adapter dynamiquement à ses changements. En outre, la résilience des réseaux de transport aux catastrophes naturelles et aux menaces malveillantes est essentielle pour assurer un fonctionnement optimal des réseaux. L'ordonnancement des projets de maintenance des réseaux et la protection des actifs vulnérables de l'infrastructure de transport nécessitent des modèles intégrés capables de capter la réaction des populations aux changements. De plus, étant donné les décisions de planification stratégique à long terme, généralement coûteuses, l'optimisation de la conception du réseau est essentielle pour assurer un impact maximal sur la performance du réseau. Modéliser l'impact des actions de conception dans les réseaux de transport peut être considéré comme une compétition dite de Stackelberg (Von Stackelberg, 1934), où un acteur leader cherche à prendre la meilleure décision en anticipant la réaction d'un acteur suiveur. Ce cadre d'optimisation à deux niveaux a une interprétation naturelle dans la conception des réseaux, où le joueur leader représente l'autorité organisatrice de transport et le joueur suiveur représente le choix collectif des voyageurs dans un équilibre de Nash (Wardrop, 1952). La solution optimale, c'est-à-dire exacte, de ce problème de conception de réseau n'est pas triviale, car les problèmes d'optimisation de bi-niveaux sont connus pour être insolubles, même dans le cas le plus simple et linéaire (cf. Rey et al., 2019). Pourtant, une conception optimale des réseaux est essentielle pour améliorer la résilience et le retour à la normale des réseaux, et des méthodologies conceptuelles fondamentalement nouvelles sont nécessaires pour faire progresser la capacité des algorithmes à trouver une solution et informer sur les politiques de planification durable. L'objectif de cette thèse est de concevoir, mettre en œuvre et valider de nouvelles méthodologies pour modéliser et résoudre les problèmes de décision difficiles rencontrés dans la conception et la résilience des réseaux de transport. La conception et la résilience des réseaux jouent un rôle central dans la conception et le fonctionnement du métabolisme des villes intelligentes. Les résultats de cette thèse devraient appuyer l'élaboration et le contrôle de politiques de conception durable des réseaux de transport et permettre de relever les défis sociaux et économiques fondamentaux induits par la congestion et la sécurité. Plus précisément, ce projet de thèse vise à introduire des formulations innovantes et efficaces du problème de jeux Stackelberg dans les réseaux de transport et à développer de nouveaux algorithmes mathématiques pour les problèmes de conception des réseaux en équilibre afin d'optimiser la résilience et la capacité de récupération des réseaux de transport urbain. Références : Alderson, D.L., Brown, G.G. and Carlyle, W.M., 2015. Operational models of infrastructure resilience. Risk Analysis, 35(4), pp.562-586. Bell, M.G., 2000. A game theory approach to measuring the performance reliability of transport networks. Transportation Research Part B: Methodological, 34(6), pp.533-545. Bell, M.G., Kanturska, U., Schmöcker, J.D. and Fonzone, A., 2008. Attacker–defender models and road network vulnerability. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 366(1872), pp.1893-1906. Bhavathrathan, B.K. and Patil, G.R., 2015. Capacity uncertainty on urban road networks: A critical state and its applicability in resilience quantification. Computers, Environment and Urban Systems, 54, pp.108-118. Brown, G., Carlyle, M., Salmerón, J. and Wood, K., 2006. Defending critical infrastructure. Interfaces, 36(6), pp.530-544. Rey, D., Bar-Gera, H., Dixit, V. V., & Waller, S. T. (2019). A Branch-and-Price Algorithm for the Bilevel Network Maintenance Scheduling Problem. Transportation Science, 53(5), 1455–1478. Rey, D., & Bar-Gera, H. (2019). Long-term Scheduling for Road Network Disaster Recovery. International Journal of Disaster Risk Reduction. Rey, D. (2019). Computational benchmarking of the discrete bilevel network design problem. EURO Working Group on Transportation (EWGT), Barcelona, Spain. Von Stackelberg, H., 2010. Market structure and equilibrium. Springer Science & Business Media. Wardrop, J.G., 1952. Some theoretical aspects of road traffic research. In Inst Civil Engineers Proc London, UK.
Mots-clefs:	Résilience des réseaux, vulnérabilité des infrastructure, optimisation des infrastructure de transport, compétition dite de Stackelberg, optimisation bi-niveaux.

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