Contrôle du trafic des réseaux urbains à grande échelle

par Liudmila Tumash

Projet de thèse en Automatique - productique

Sous la direction de Carlos Canudas-de-Wit et de Maria Laura Delle monache.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Grenoble Images Parole Signal Automatique (laboratoire) et de Systèmes Commandés en Réseaux (NECS) (equipe de recherche) depuis le 18-09-2018 .


  • Résumé

    Ce sujet de recherche traite du problème de contrôle du trafic routier d'aires urbaines à un niveau agrégé. Le contrôle d'un réseau d'une dimension, c'est à dire d'une route seule, par exemple une autoroute, a été largement étudié à l'aide de plusieurs approches telles que: la gestion des voies d'accélération, la modification de la vitesse maximale autorisée ou bien des consignes de redirection aux usagers. Cependant, le contrôle du trafic routier à l'échelle urbaine nécessite des techniques et une formulation du problème différentes. Le principal levier pour contrôler le trafic routier en zone urbaine passe par la modification des cycles des feux. Plusieurs approches ont été développées par le passé. Deux d'entre elles "Split Cycle and Offset Optimisation" (SCOOT) et "Sydney Coordinated Adaptive Traffic System" (SCATS) fonctionnent bien mais seulement quand les conditions de trafic sont en dessous du seuil de saturation. D'autres, telles que PRODYN, "Real-time Hierarchical Optimized Distributed and Effective System" (RHODES) et "Optimization Policies for Adaptive Control"(OPAC) reposent sur des algorithmes d'optimisation mais présentent des limitations d'ordre numérique quand elles sont déployées en temps réel et ne peuvent donc en pratique être appliquées qu'à quelques intersections. Les méthodes d'optimisation de contrôle basé sur le modèle sont centralisées et donc requièrent d'importantes infrastructures de communication tandis que l'approche "Max-pressure" (MP) repose sur un feedback local ne nécessitant que l'information des liens adjacents. L'objectif des recherches présentées ci-dessus est de contrôler le flux véhiculaire à chaque noeud du réseau (intersection). Une approche alternative, qui suit l'idée du projet Scale FreeBack et qui est celle adoptée dans cette thèse est de contrôler uniquement les flux entrants et sortants à la frontière de certaine zone spécifique. Cette stratégie de contrôle d'entrée a été étudiée précédemment avec le contrôle de voie d'accès d'autoroutes mais des problèmes de stabilité, de changement d'échelle, de contrôlabilité, d'observabilité et dépendance temporelle persistent. De plus, aucune méthode de contrôle de feu à grande échelle et faisant face aux difficultés associées n'a encore été trouvée. Le sujet de cette thèse est donc d'élargir l'état de l'art actuel en introduisant un nouveau contrôle basé sur le modèle, en s'appuyant sur nos récents développement de 2D LWR model (incluant la propagation d'onde en 2D) dans l'équipe. Ce model peut être vu comme une extension naturelle en 2D du très connus CTM-model. La réalisation des taches suivantes sera planifiée : -Etude de la contrôlabilité/observabilité du 2D-CTM model; -Partitionnement du réseau en zone qui sont controlables; -Identifier (parmi tous les feux possibles) les contrôles d'entrée les plus significatifs dans notre contexte; -Construire un contrôle de frontière afin d'améliorer certaines métriques pertinentes (à établir) des conditions de trafic routier; -Preuve de concept à l'aide d'un simulateur microscopique. Une batterie de tests et autres simulations pour valider la théorie seront réalisés à l'aide de l'équipement disponible au "Grenoble Traffic Lab" Center (see GTL) -qui est actuellement en train d'être étendu au centre ville de Grenoble (projet GTL-Ville)- où nous avons collecté des données de trafic et construit une plateforme de données "temps réel". L'algorithme développé au cours de cette thèse sera intégré au projet GTL-Ville. Les expériences qui ne pourront pas être réalisées à l'aide de données réelles seront testées en utilisant un microsimulateur de trafic reproduisant la complexité du réseau urbain de Grenoble.

  • Titre traduit

    Traffic control in large-scale urban networks


  • Résumé

    This research proposal deals with the problem of controlling urban traffic network at an aggregated level. In fact, the control of "one-dimensional networks" (i.e. freeways) has been extensively studied using several approaches like: ramp metering, variable speed limits, rerouting, etc. However, urban traffic control on networks involves different techniques, and calls for different formulations. The main tools used to control urban traffic are traffic lights. Several approaches were developed in the past. Split cycle and offset optimization (SCOOT) and Sydney coordinated adaptive traffic system (SCATS) work well only when the traffic conditions are below saturation. Others like PRODYN, real-time hierarchical optimized distributed and effective system (RHODES) and optimization policies for adaptive control (OPAC) are based on optimization algorithms but show numerical limitations when deployed in real time, and can therefore be used only at a few intersections. Model-based control optimization methods are centralized and hence require significant communication infrastructure, while the Max-Pressure (MP) control approach is a local feedback requiring only information from adjacent links. The aim of the above-mentioned studies was to control vehicle flows at each individual node. An alternative approach, which follows the ideas of the Scale FreeBack project and is the objective of this thesis, consists in controlling only the inflows/outflows at the perimeter of some specific areas. This "gating control strategy" was studied previously using ramp metering-like methods borrowed from the one-dimensional networks, but fundamental issues focusing on stability, scalability, controllability/observability and time-varying controlled areas were not considered. To some extent, no efficient methods of traffic light control at the large-scale network level and meeting the associated complexity issues have yet been found. This PhD thesis proposal aims at going beyond the present state of the art by introducing an innovative scalable model-based control approach, based our recent developed 2D-LWR model (which includes 2D wave propagations) in the team. This model can be seen as a natural extension to 2D of the well-known CTM. Several specific task will be expected: -Study the controllability/observability of the 2D-CTM model; -Partition the network in zones which are controllable; -Identify (among all possible traffic light) control inputs those which are the most representative in our context; -Design boundary control laws to improve the relevant traffic metrics; -Validate the concept using a microscopic simulator; Field tests and other realistic simulations to validate the theory will be performed using the equipment available at the Grenoble Traffic Lab center (see GTL), that is currently being extended at the level of city center of Grenoble (GTL-Ville project) where we are collecting traffic related data and constructing a real-time data-collection systems. The algorithms developed in this work, will be integrated into the GTL-Ville project. Experiments that cannot be realized in vivo, will be tested on a microscopic traffic simulator replicating the full complexity of the Grenoble urban network.