Traffic state estimation and prediction in freeways and urban networks

par Andrés Ladino lopez

Thèse de doctorat en Automatique - productique

Le président du jury était Christophe Bérenguer.

Le jury était composé de Karl Henrik Johansson.

Les rapporteurs étaient Lyudmila Mihaylova, Habib Haj-Salem.

  • Titre traduit

    Estimation et prédiction de l'état du trafic dans les autoroutes et les réseaux urbains


  • Résumé

    La centralisations du travail, la croissance économique et celle de la population autant que l’urbanisation continue sont les causes principales de la congestion. Lors que les villes s’efforcent pour mettre à jour leurs infrastructures du trafic, l’utilisation de nouvelles techniques pour la modélisation, l’analyse de ces systèmes ainsi que l’intégration des mega données aux algorithmes aident à mieux comprendre et combattre les congestions, un aspect crucial pour le bon développement de nos villes intelligentes du XXIe siècle. Les outilsd’assistance de trafic spécialement conçus pour détecter, prévoir et alerter des conditions particulières sont très demandés dans nos jours.Cette recherche est consacrée au développement des algorithmes pour l’estimation et la prédiction sur des réseaux de trafic routier. Tout d’abord, nous considérons le problème de prévision à court terme du temps de trajet dynamique basé sur des méthodes pilotées par les données. Nous proposons deux techniques de fusion pour calculer les prévisions à court terme. Dans un première temps, nous considérons la matrice de covariance d’erreur et nous utilisons ses informations pour fusionner les prévisions individuelles créées á partir de clusters. Dans un deuxième temps, nous exploitons les mesures de similarité parmi le signal á prédire et des clusters dans l’histoire et on propose une fusion en tant que moyenne pondérée des sorties des prédicteurs de chaque cluster. Les résultats des deux méthodes on été validés dans le Grenoble Traffic Lab, un outil en temps réel qui permet la récupération de données d’une autoroute d’environ (10.5Km) qui couvre le sud de Grenoble.Postérieurement nous considérons le problème de reconstruction de la densité / et le débit de façon simultanée à partir de sources d’information hétérogènes. Le réseau de trafic est modélisé dans le cadre de modèles de trafic macroscopique, où nous adoptons l’équation de conservation Lighthill-Whitham-Richards avec un diagramme fondamental linaire par morceaux. Le problème d’estimation repose sur deux principes clés. Dans un premier temps, nous considérons la minimisation des erreurs entre les débits et les densités mesurés et reconstruits. Finalement, nous considérons l’état d’équilibre du réseau qui établit la loi de propagation des flux entrants et sortants dans le réseau. Tous les principes sont intégrés et le problème est présenté comme une optimisation quadratique avec des contraintes d’égalité a fin de réduire l’espace de solution des variables à estimer. Des scénarios de simulation basés sur des données synthétiques pour un réseau de manhattan sont fournis avec l’objectif de valider les performances de l’algorithme proposé.


  • Résumé

    Centralization of work, population and economic growth alongside continued urbanization are the main causes of congestion. As cities strive to update or expand aging infrastructure, the application of big data, new models and analytics to better understand and help to combat traffic congestion is crucial to the health and development of our smart cities of XXI century. Traffic support tools specifically designed to detect, forecast and alert these conditions are highly requested nowadays.This dissertation is dedicated to study techniques that may help to estimate and forecast conditions about a traffic network. First, we consider the problem Dynamic Travel Time (DTT) short-term forecast based on data driven methods. We propose two fusion techniques to compute short-term forecasts from clustered time series. The first technique considers the error covariance matrix and uses its information to fuse individual forecasts based on best linear unbiased estimation principles. The second technique exploits similarity measurements between the signal to be predicted and clusters detected in historical data and it performs afusion as a weighted average of individual forecasts. Tests over real data were implemented in the study case of the Grenoble South Ring, it comprises a highway of 10.5Km monitored through the Grenoble Traffic Lab (GTL) a real time application was implemented and open to the public.Based on the previous study we consider then the problem of simultaneous density/flow reconstruction in urban networks based on heterogeneous sources of information. The traffic network is modeled within the framework of macroscopic traffic models, where we adopt Lighthill-Whitham-Richards (LWR) conservation equation and a piecewise linear fundamental diagram. The estimation problem considers two key principles. First, the error minimization between the measured and reconstructed flows and densities, and second the equilibrium state of the network which establishes flow propagation within the network. Both principles are integrated together with the traffic model constraints established by the supply/demand paradigm. Finally the problem is casted as a constrained quadratic optimization with equality constraints in order to shrink the feasible region of estimated variables. Some simulation scenarios based on synthetic data for a manhattan grid network are provided in order to validate the performance of the proposed algorithm.


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