Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Modèle régional dynamique de trafic routier à deux échelles

Laboratoire principal - Référent principal COSYS - GRETTIA  -  BELAROUSSI Rachid      tél. : +33 181668676

Directeur du laboratoire principal OUKHELLOU Latifa  -

Spécialité de la thèse informatique ; mathématiques appliquées

Axe 1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale MATHEMATIQUES ET SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L'INFORMATION ET DE LA COMMUNICATION (MSTIC)

Directeur de thèse prévu ZARGAYOUNA Mahdi  -  Université Gustave Eiffel  -  COSYS - GRETTIA

Type de financement prévu Thèse sur contrat  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Thèse en co-tutelle avec l’Université de Bologne (Unibo-DICAM) dans le cadre du futur LIA NextRIM

CONTEXTE : Comité francilien des modélisateurs de déplacements

Cette thèse fait suite à une expertise pour la DRIEA réalisée par le GRETTIA dans le cadre du Comité francilien des modélisateurs de déplacements. Mis en place par la DRIEA en Février 2017, sur décision du préfet de la région Ile-de-France, ce comité vise à assurer le pilotage stratégique de la modélisation des déplacements franciliens. Il comprend des représentant des principaux organismes modélisateurs (DRIEA, IDF Mobilité, RATP, SNCF), les collectivités territoriales (Conseils Départementaux), AirParif, le CEREMA et l'UGE (ex-IFSTTAR). Au sein de ce comité, l'UGE est sollicité pour étudier l'opportunité du développement d'un modèle capable d'analyser les phénomènes de congestions, afin de moderniser l'outil MODUS (MOdélisation des Déplacements Urbains et Suburbains) de la DRIEA :
• Recensement des enjeux et besoins, et de l'état des données
• Exploration des solutions techniques et Préconisations [1]
• Approfondissement de la solution préconisée pour la modernisation de MODUS [2]
Cette étude d'opportunité du développement d'un modèle dynamique francilien a donné lieu à l'encadrement de deux stages au GRETTIA (M1 et M2) et a été l'occasion d'une campagne de consultation de tous les acteurs du transport d'Ile-de-France sur l'utilisation de l'outil MODUS.

MODUS est un modèle régional statique modélisant trois périodes (pointe du matin, période creuse, pointe du soir) moyenne. C'est un modèle mis en œuvre avec des données moyennées sur une période considérée, typiquement de l’ordre de 4 heures, afin de décrire l’état moyen du réseau de transports pendant cette période. Or les modèles statiques ne représentent pas la congestion, et ne peuvent évaluer précisément les temps de parcours ou les externalités (émission de polluants, bruit, consommation).

La DRIEA développe et maintient le modèle de déplacement MODUS, largement diffusé et utilisé par les collectivités territoriales et AIRPARIF, et qui complète les outils propres des organismes en charge des transports publics (Île-de-France Mobilités, SNCF, RATP). Certains prestataires des collectivités utilisent également MODUS, qui constitue avec son modèle de données un standard de fait.

D’autres modèles sont également utilisés, notamment : ANTONIN pour Île-de-France Mobilités, ARES pour SNCF Mobilités, GLOBAL et IMPACT pour la RATP, donc des modèles STATIQUES ainsi que des solutions commerciales, AIMSUN ou VISUM dynamiques mais valables à des échelles locales uniquement.

Les modèles statiques sont utiles pour la planification à long terme mais ils échouent à modéliser les points de congestion car ils sont basés sur un comportement moyen de 4 heures : pour évaluer finement les flux de trafic sur les réseaux routiers et son évolution sur une journée, un modèle de trafic dynamique est nécessaire. De nos jours, la plupart des métropoles du monde entier construisent leur propre modèle dynamique et essaient de l'utiliser dans la production [3], mais la tâche est complexe en raison de l'échelle de ces villes et de la taille du réseau routier. Les modèles dynamiques sont plus longs à construire que les modèles statiques car ils sont sensibles aux intrants de l'offre et de la demande, et ils peuvent facilement conduire à un blocage ou à une sur-saturation. Les écarts dans la sortie du modèle ou les erreurs dans les liens et les nœuds du réseau peuvent être facilement repérés et corrigés à une petite échelle par un ingénieur en modélisation. À plus grande échelle, c'est impossible d'autant que les erreurs ont tendance à s'accumuler avec le temps. L'infrastructure est trop vaste pour être caractérisée lien par lien: il y a près de 600 000 arcs sur le réseau routier francilien, pour lesquelles des informations basiques grossières sont rapportées (limitation de vitesse, capacité, géométrie), mais construire le diagramme fondamental de chaque tronçon exigerait une charge de travail colossale.

POURQUOI UN MODELE DYNAMIQUE?

Pour la planification de la mobilité, le temps de parcours et le coût des déplacements sont des facteurs critiques qui, lorsqu’ils sont estimés par un modèle statique, le sont à partir de variables explicatives invariantes dans le temps.
Une modélisation dynamique représente de manière plus détaillée l’interaction entre les choix de trajets, la circulation, les temps de parcours et leurs coûts en prenant en compte leur évolution temporelle.

Une analyse du trafic peut faire appel à un modèle statique pour mesurer la qualité de service ou la capacité d’une route, mais cette approche n’est pas capable d’analyser des effets tels que la congestion, la régulation par feux ou les changements d’itinéraires en cours de route, le choix de l’heure de départ, ou l’étalement des pics de trafic, ainsi que les usages émergents.

Cette finesse est indispensable à l’établissement de plans anti-bouchons, la mesure de l’impact de travaux publics ou de la réglementation, la planification d’infrastructures de mobilité, l’amélioration de la sécurité des déplacements. Les compétences et prérogatives de tous les acteurs de la mobilité de la région sont à mettre en œuvre~: un partage et une harmonisation des données à exploiter sont nécessaires et souhaitées de tous.

SUJET : thèse en co-tutelle avec l'Université de Bologne

Dans cette thèse, nous proposons une approche à deux niveaux pour aborder le problème de la modélisation dynamique du trafic routier à très grande échelle. L'étendue spatiale de l'Île-de-France (Paris et sa banlieue) est d'environ 130 km sur 160 km, avec un vaste réseau de 37 500 km de routes de géométries variées. Par conséquent, la méthode doit d'abord être mise en place à une échelle moyenne: la ville de Bologne et ses environs seraient à la fois l'occasion de traiter le problème de manière progressive et de partager les pratiques entre les autorités de transport des deux villes.

Pour une modélisation des déplacements à l'échelle de l'Ile-de-France, nous préconisons une approche à deux niveaux. Elle exploite deux partitions de l'IDF :
• un découpage s'appuyant sur les zones infracommunales IRIS (maille de base INSEE, "quartier" de ~2000 habitants). Exploitation du Zonage MODUS : 1289 zones.
• un découpage en macrozones plus larges. Une macrozone est une zone dont l'étendue est de l'ordre de 5 à 10 km (traversable en 15 minutes) et contient plusieurs zones IRIS. Partition à définir : ~ 140 à 600 zones.

Voir la VIDEO illustrant les deux échelles régionales/macrozones à l'adresse suivantes :
https://youtu.be/ITMZlrnaaW0

La modélisation articule alors :
• un modèle régional calculant les grands flux de déplacement entre macrozones.
• un modèle de trafic local (modèle de file d'attente au niveau du réseau routier) exploitant cette demande en tant que condition aux limites.

Deux orientations peuvent être envisagées :

• Approche expérimentale (informatique) : Modèle régional simplifié calculant les grands flux de déplacements par intégration du trafic local de chaque macrozone. Ces grands flux sont réinjectés dans le zonage MODUS qui utilise cette demande pour raffiner l'estimation de volumes de trafic au niveau de chaque route. Puis ré-estimation du modèle régional : Approche itérative jusqu'à convergence.

• Approche théorique (mathématiques) : Modèle régional élaboré (écoulement de trafic bidimensionnel) + modèle locale (file d'attente). Approche séquentielle : le modèle régional est calculé dans un premier temps par un modèle macroscopique de type hydrodynamique faisant intervenir les concepts de réservoirs connectés. La recherche consiste à proposer des modèles efficients sur une telle échelle, et des méthodes pour les articuler avec les modèles dynamiques locaux.

Le verrou scientifique d'un passage à une telle échelle doit être complété par quelques éléments prospectifs. La structure du nouveau modèle dynamique régional devra être suffisamment souple pour pouvoir s’ouvrir aux évolutions très rapides du système de transports. Dans le domaine routier, il faut mentionner l’évolution des véhicules (électriques, hybrides, puis connectés, voire dans un avenir plus lointain autonomes), les nouveaux services de mobilité (plateformes internet, co-voiturages, services à la demande, auto-partages), les nouveaux services d’information et de guidage (Waze), et le partage de l’infrastructure (bus, trams, deux roues avec ou sans motorisation). Dans un cadre multimodal on peut envisager une intermodalité beaucoup plus forte, basée tant sur des meilleurs services de rabattement, des transports du premier et dernier kilomètre, une multimodalité facilitée par les services notamment médiatisés par les portables (multimodalité « sans couture »). Les données disponibles seront également amenées à évoluer, avec une importance croissante des données individuelles massives produites par les voyageurs et collectées par des opérateurs privés.

Thèses au GRETTIA en relation avec ce sujet :
- Modèles bi-dimensionnels : Tibye Saumtally (2012), Kwami Sossoe (2017),
- A une échelle intermédiaire (ville/quartier) Projet E3S : Younès Delhoum (2022)

[1] Etude d'opportunité du développement d'un modèle dynamique francilien, dans le cadre de la modernisation des outils de modélisation des transports d'Île-de-France
• Partie 1/2 : Recensement des enjeux et besoins, et de l'état des données (40 p.). R.Belaroussi, F.Dupin, J-P. Lebacque
• Partie 2/2 : Exploration des solutions techniques et Préconisations (96p).

[2] Approfondissement de la solution préconisée pour la modernisation de MODUS : Notice technique et organisationnelle (43p.). Belaroussi &al

[3] Status of Activity-Based Models and Dynamic Traffic Assignment at Peer MPOs. Cambridge Systematics, Inc. 2015. Task Order 15.2.

http://mahdi.zargayouna.free.fr/

http://www.ifsttar.fr/menu-haut/annuaire/fiche-personnelle/personne/belaroussi-rachid

Mots-clefs: Modèle basé activité; Population Synthétique ; Planification d’infrastructures de mobilité, Affectation dynamique du trafic,

Laboratoire principal - Référent principal	COSYS - GRETTIA - BELAROUSSI Rachid tél. : +33 181668676
Directeur du laboratoire principal	OUKHELLOU Latifa -
Spécialité de la thèse	informatique ; mathématiques appliquées
Axe	1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	MATHEMATIQUES ET SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L'INFORMATION ET DE LA COMMUNICATION (MSTIC)
Directeur de thèse prévu	ZARGAYOUNA Mahdi - Université Gustave Eiffel - COSYS - GRETTIA
Type de financement prévu	Thèse sur contrat - Université Gustave Eiffel
Résumé Thèse en co-tutelle avec l’Université de Bologne (Unibo-DICAM) dans le cadre du futur LIA NextRIM CONTEXTE : Comité francilien des modélisateurs de déplacements Cette thèse fait suite à une expertise pour la DRIEA réalisée par le GRETTIA dans le cadre du Comité francilien des modélisateurs de déplacements. Mis en place par la DRIEA en Février 2017, sur décision du préfet de la région Ile-de-France, ce comité vise à assurer le pilotage stratégique de la modélisation des déplacements franciliens. Il comprend des représentant des principaux organismes modélisateurs (DRIEA, IDF Mobilité, RATP, SNCF), les collectivités territoriales (Conseils Départementaux), AirParif, le CEREMA et l'UGE (ex-IFSTTAR). Au sein de ce comité, l'UGE est sollicité pour étudier l'opportunité du développement d'un modèle capable d'analyser les phénomènes de congestions, afin de moderniser l'outil MODUS (MOdélisation des Déplacements Urbains et Suburbains) de la DRIEA : • Recensement des enjeux et besoins, et de l'état des données • Exploration des solutions techniques et Préconisations [1] • Approfondissement de la solution préconisée pour la modernisation de MODUS [2] Cette étude d'opportunité du développement d'un modèle dynamique francilien a donné lieu à l'encadrement de deux stages au GRETTIA (M1 et M2) et a été l'occasion d'une campagne de consultation de tous les acteurs du transport d'Ile-de-France sur l'utilisation de l'outil MODUS. MODUS est un modèle régional statique modélisant trois périodes (pointe du matin, période creuse, pointe du soir) moyenne. C'est un modèle mis en œuvre avec des données moyennées sur une période considérée, typiquement de l’ordre de 4 heures, afin de décrire l’état moyen du réseau de transports pendant cette période. Or les modèles statiques ne représentent pas la congestion, et ne peuvent évaluer précisément les temps de parcours ou les externalités (émission de polluants, bruit, consommation). La DRIEA développe et maintient le modèle de déplacement MODUS, largement diffusé et utilisé par les collectivités territoriales et AIRPARIF, et qui complète les outils propres des organismes en charge des transports publics (Île-de-France Mobilités, SNCF, RATP). Certains prestataires des collectivités utilisent également MODUS, qui constitue avec son modèle de données un standard de fait. D’autres modèles sont également utilisés, notamment : ANTONIN pour Île-de-France Mobilités, ARES pour SNCF Mobilités, GLOBAL et IMPACT pour la RATP, donc des modèles STATIQUES ainsi que des solutions commerciales, AIMSUN ou VISUM dynamiques mais valables à des échelles locales uniquement. Les modèles statiques sont utiles pour la planification à long terme mais ils échouent à modéliser les points de congestion car ils sont basés sur un comportement moyen de 4 heures : pour évaluer finement les flux de trafic sur les réseaux routiers et son évolution sur une journée, un modèle de trafic dynamique est nécessaire. De nos jours, la plupart des métropoles du monde entier construisent leur propre modèle dynamique et essaient de l'utiliser dans la production [3], mais la tâche est complexe en raison de l'échelle de ces villes et de la taille du réseau routier. Les modèles dynamiques sont plus longs à construire que les modèles statiques car ils sont sensibles aux intrants de l'offre et de la demande, et ils peuvent facilement conduire à un blocage ou à une sur-saturation. Les écarts dans la sortie du modèle ou les erreurs dans les liens et les nœuds du réseau peuvent être facilement repérés et corrigés à une petite échelle par un ingénieur en modélisation. À plus grande échelle, c'est impossible d'autant que les erreurs ont tendance à s'accumuler avec le temps. L'infrastructure est trop vaste pour être caractérisée lien par lien: il y a près de 600 000 arcs sur le réseau routier francilien, pour lesquelles des informations basiques grossières sont rapportées (limitation de vitesse, capacité, géométrie), mais construire le diagramme fondamental de chaque tronçon exigerait une charge de travail colossale. POURQUOI UN MODELE DYNAMIQUE? Pour la planification de la mobilité, le temps de parcours et le coût des déplacements sont des facteurs critiques qui, lorsqu’ils sont estimés par un modèle statique, le sont à partir de variables explicatives invariantes dans le temps. Une modélisation dynamique représente de manière plus détaillée l’interaction entre les choix de trajets, la circulation, les temps de parcours et leurs coûts en prenant en compte leur évolution temporelle. Une analyse du trafic peut faire appel à un modèle statique pour mesurer la qualité de service ou la capacité d’une route, mais cette approche n’est pas capable d’analyser des effets tels que la congestion, la régulation par feux ou les changements d’itinéraires en cours de route, le choix de l’heure de départ, ou l’étalement des pics de trafic, ainsi que les usages émergents. Cette finesse est indispensable à l’établissement de plans anti-bouchons, la mesure de l’impact de travaux publics ou de la réglementation, la planification d’infrastructures de mobilité, l’amélioration de la sécurité des déplacements. Les compétences et prérogatives de tous les acteurs de la mobilité de la région sont à mettre en œuvre~: un partage et une harmonisation des données à exploiter sont nécessaires et souhaitées de tous. SUJET : thèse en co-tutelle avec l'Université de Bologne Dans cette thèse, nous proposons une approche à deux niveaux pour aborder le problème de la modélisation dynamique du trafic routier à très grande échelle. L'étendue spatiale de l'Île-de-France (Paris et sa banlieue) est d'environ 130 km sur 160 km, avec un vaste réseau de 37 500 km de routes de géométries variées. Par conséquent, la méthode doit d'abord être mise en place à une échelle moyenne: la ville de Bologne et ses environs seraient à la fois l'occasion de traiter le problème de manière progressive et de partager les pratiques entre les autorités de transport des deux villes. Pour une modélisation des déplacements à l'échelle de l'Ile-de-France, nous préconisons une approche à deux niveaux. Elle exploite deux partitions de l'IDF : • un découpage s'appuyant sur les zones infracommunales IRIS (maille de base INSEE, "quartier" de ~2000 habitants). Exploitation du Zonage MODUS : 1289 zones. • un découpage en macrozones plus larges. Une macrozone est une zone dont l'étendue est de l'ordre de 5 à 10 km (traversable en 15 minutes) et contient plusieurs zones IRIS. Partition à définir : ~ 140 à 600 zones. Voir la VIDEO illustrant les deux échelles régionales/macrozones à l'adresse suivantes : https://youtu.be/ITMZlrnaaW0 La modélisation articule alors : • un modèle régional calculant les grands flux de déplacement entre macrozones. • un modèle de trafic local (modèle de file d'attente au niveau du réseau routier) exploitant cette demande en tant que condition aux limites. Deux orientations peuvent être envisagées : • Approche expérimentale (informatique) : Modèle régional simplifié calculant les grands flux de déplacements par intégration du trafic local de chaque macrozone. Ces grands flux sont réinjectés dans le zonage MODUS qui utilise cette demande pour raffiner l'estimation de volumes de trafic au niveau de chaque route. Puis ré-estimation du modèle régional : Approche itérative jusqu'à convergence. • Approche théorique (mathématiques) : Modèle régional élaboré (écoulement de trafic bidimensionnel) + modèle locale (file d'attente). Approche séquentielle : le modèle régional est calculé dans un premier temps par un modèle macroscopique de type hydrodynamique faisant intervenir les concepts de réservoirs connectés. La recherche consiste à proposer des modèles efficients sur une telle échelle, et des méthodes pour les articuler avec les modèles dynamiques locaux. Le verrou scientifique d'un passage à une telle échelle doit être complété par quelques éléments prospectifs. La structure du nouveau modèle dynamique régional devra être suffisamment souple pour pouvoir s’ouvrir aux évolutions très rapides du système de transports. Dans le domaine routier, il faut mentionner l’évolution des véhicules (électriques, hybrides, puis connectés, voire dans un avenir plus lointain autonomes), les nouveaux services de mobilité (plateformes internet, co-voiturages, services à la demande, auto-partages), les nouveaux services d’information et de guidage (Waze), et le partage de l’infrastructure (bus, trams, deux roues avec ou sans motorisation). Dans un cadre multimodal on peut envisager une intermodalité beaucoup plus forte, basée tant sur des meilleurs services de rabattement, des transports du premier et dernier kilomètre, une multimodalité facilitée par les services notamment médiatisés par les portables (multimodalité « sans couture »). Les données disponibles seront également amenées à évoluer, avec une importance croissante des données individuelles massives produites par les voyageurs et collectées par des opérateurs privés. Thèses au GRETTIA en relation avec ce sujet : - Modèles bi-dimensionnels : Tibye Saumtally (2012), Kwami Sossoe (2017), - A une échelle intermédiaire (ville/quartier) Projet E3S : Younès Delhoum (2022) [1] Etude d'opportunité du développement d'un modèle dynamique francilien, dans le cadre de la modernisation des outils de modélisation des transports d'Île-de-France • Partie 1/2 : Recensement des enjeux et besoins, et de l'état des données (40 p.). R.Belaroussi, F.Dupin, J-P. Lebacque • Partie 2/2 : Exploration des solutions techniques et Préconisations (96p). [2] Approfondissement de la solution préconisée pour la modernisation de MODUS : Notice technique et organisationnelle (43p.). Belaroussi &al [3] Status of Activity-Based Models and Dynamic Traffic Assignment at Peer MPOs. Cambridge Systematics, Inc. 2015. Task Order 15.2. http://mahdi.zargayouna.free.fr/ http://www.ifsttar.fr/menu-haut/annuaire/fiche-personnelle/personne/belaroussi-rachid
Mots-clefs:	Modèle basé activité; Population Synthétique ; Planification d’infrastructures de mobilité, Affectation dynamique du trafic,

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