Régulation Accès LICIT Bourse IFSTTAR 2016

Optimisation du fonctionnement des autoroutes péri-urbaines par la
régulation d'accès : analyse et modélisation croisées des trajectoires des
véhicules et des flux
Contexte opérationnel
Pour certains déplacements de banlieue à banlieue, l’utilisation de la voiture particulière sur
les autoroutes périurbaines se révèle trop souvent la seule possibilité. De ce fait, un haut
niveau de congestion est observé sur ces autoroutes, avec des temps perdus représentant
plusieurs heures par mois pour certains usagers. Les temps de parcours sont en outre variables
d’un jour à l’autre, ce qui renforce les contraintes pesant sur les utilisateurs de ces réseaux.
A priori, les possibilités d’amélioration de cette situation sont multiples :
• Augmenter le nombre de voies disponibles et ainsi la capacité de ces infrastructures ;
l’inconvénient de cette méthode est qu’elle génère un trafic induit et des dépenses
supplémentaires en raison d’un bâti très dense ;
• Automatiser la conduite pour gagner en capacité par la réduction des temps de
réaction, l’automate étant plus fiable que le conducteur ; la mise à disposition de ce
type de véhicules se fait progressivement mais n’aboutira qu’à moyen terme ;
• Déployer plus largement les outils de régulation des autoroutes qui ont fait leurs
preuves pour retarder l’apparition de la congestion ; cette solution est à la fois
relativement peu coûteuse et sans effet induit d’augmentation de la demande.
Parmi les méthodes de régulation, la régulation d’accès est reconnue dans la littérature
comme la plus efficace sur autoroute périurbaine. Elle a été appliquée dans de nombreux pays
industrialisés (Pays Bas, Australie, Etats Unis …) et le sera de nouveau très prochainement en
France, à Grenoble. Cette méthode consiste à placer un feu sur la bretelle de raccordement
avec le réseau de surface, pour lisser les évolutions de la demande et maintenir ainsi une
circulation fluide plus longtemps. Lorsque la circulation est fluide, la capacité de la voie est
supérieure de 5 à 20 % à ce qu’elle est en congestion. Depuis les années 90, on dispose
d’algorithmes temps réel pour ajuster le débit du feu de la bretelle en fonction de la demande
sur la voie principale.
Cependant, une interrogation centrale subsiste et ne peut pour l’instant être levée ni par
l’analyse des données disponibles, ni par l’utilisation des modèles existants : « Pourquoi,
suivant les sites, le gain de capacité apporté par la régulation d’accès varie-t-il de 5 à 20 % ? ».
Obtenir une méthode de régulation qui garantisse une efficacité proche de 20 % passe par la
réponse à cette question.
Opportunités
La Direction Interdépartementale des Routes Centre Est mettra en place la régulation d’accès
sur plusieurs échangeurs de la rocade sud dans le courant de 2016. Deux types de données
seront accessibles :
• Pour réaliser l’évaluation globale de ce dispositif, des données globales (de flux et de
vitesses moyennes) seront collectées sur tous les échangeurs équipés.
• Le LICIT réalisera sur un échangeur des collectes de trajectoires avec une caméra haute
définition montée sur un hélicoptère et une méthode de traitement d’image déjà
utilisée (mocopo.ifsttar.fr). Les positions longitudinales et latérales de tous les
véhicules de cet échangeur pendant des périodes de pointe seront donc connues.
Environ 12 000 trajectoires seront ainsi collectées, avec et sans régulation d’accès. Disposer
ainsi de données à la fois fines (les trajectoires) et globales permettra une analyse croisée qui
n’a pas été réalisée jusqu’ici.
Questions scientifiques à traiter au cours de la thèse
Il s’agira de comprendre pourquoi la gamme actuelle d’efficacité de la régulation d’accès est
aussi étendue, de manière à garantir une efficacité supérieure à 15 %. Les étapes que l’on peut
identifier pour atteindre cette compréhension sont les suivantes :
• Tout d’abord il est nécessaire de procéder à une analyse multivariée des données de
trajectoires collectées pour relier les variables individuelles (distance du véhicule
s’insérant avec les véhicules en amont et en aval, différences de vitesse avec ces deux
véhicules, accélérations et décélérations …) issues des trajectoires et les configurations
de flux caractérisant le fonctionnement de l’échangeur, avec et sans régulation
d’accès.
• Ensuite, il faudra s’approprier les modèles existants pour en saisir les limites et les
comparer avec les observations. Potentiellement, il sera nécessaire de proposer des
pistes d’amélioration de ces modèles.
• Sur la base de cette compréhension des phénomènes et du modèle que l’on aura
amélioré, on pourra proposer puis tester un nouvel algorithme de régulation d’accès
des autoroutes périurbaines. L’objectif de ce nouvel algorithme sera de maximiser le
gain quelle que soit la configuration de l’échangeur.
Au cours de la thèse, un séjour chez nos collègues européens reconnus sur ces sujets (TU
Crête, Grèce ou TU Delft, Pays-Bas) sera envisagé.
Profils recherchés
L’étudiant(e) disposera d’un master dans une des disciplines utiles à la réalisation du
programme de travail défini ci-dessus : mathématiques appliquées, statistiques optimisation,
modélisation, automatique … ou en génie civil.
Mots clefs
Trafic routier, autoroute urbaine, régulation d’accès, congestion, analyse de données
multivariées, modélisation, automatique, validation expérimentale, calage de modèles.
Encadrement
• Christine Buisson, Directrice de recherches IFSTTAR,
• Laboratoire : LICIT (Laboratoire Ingénierie Circulation Transports), unité mixte de
recherche de l’IFSTTAR (Institut des Sciences et Technologies des Transports, de
l’Aménagement et des réseaux) et de l’ENTPE (Ecole Nationale des Travaux Publics de
l’Etat),
• Ecole doctorale : MEGA (Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique),
• Etablissement d’inscription : Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat
Premières références
(1)
(2)
Marczak, F., Daamen, W., Buisson, C Key variables of merging behaviour: empirical comparison
between two sites and assessment of gap acceptance theory, Transportation Research Part C 36
(2013) 530546
Papamichail, I., Kotsialos,A., Margonis, I., Papageorgiou, M. Coordinated ramp metering for
freeway networks – A model-predictive hierarchical control approach Transportation Research
Part C: 18, (2010) 311-331
Highway access control: towards a better functioning through observation and modelling of
vehicular trajectories and flows
Abstract
Operational context
The demand for individual mobility using individual vehicles is not decreasing, especially for suburb to
suburb commuting. In consequence, a lot of travel time is lost every day, urban highways being the
place where most of the congestion is observed. Moreover, congestion varies from one day to the
next, imposing the users to take some precautions in their departure time.
As the extension of the network is not feasible in dense urban regions, as the new technologies like
automated and connected vehicles will not rapidly produce results in this aspects, control of highway
traffic seems to be, in the short range, the unique solution. Many experiments have been conducted
since more than 20 years about various types of control.
Apparently access control is the most efficient control. It consists in placing a traffic light along the
access ramp. The duration of the green is chosen (with the help of optimal control) to maintain free
flow conditions on the highway while minimizing the queue length on the ramp. When the queue on
the ramp is too long, the colour of the traffic light becomes permanently green. Meanwhile, having
maintain free flow conditions on the main section of the highway permits the system to have the
highest capacity. Indeed, literature reports that when congestion is installed on the highway, its
capacity decreases by a factor of 3 to 20 %.
The PhD subject proposes to use advanced data collection techniques to better understand the reason
of this capacity drop. In Grenoble, 2016 will be the time of installing a new ramp access control device.
Join with the experience gained in our laboratory in collecting individual trajectory with a camera
mounted on an helicopter, this ramp control experiment constitutes an unique opportunity to better
understand and model trafic behaviour near ramps with and without access control.
Keywords
Vehicular traffic, urban highway, access control, congestion, data analysis, modeling, control,
experimental validation, calibration.