Observation, modélisation et optimisation du fonctionnement d'un convergent autoroutier

par Carlos Gomez Patino

Projet de thèse en Génie civil

Sous la direction de Christine Buisson.

Thèses en préparation à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) depuis le 01-10-2018 .

  • Titre traduit

    Observaciòn, modelado y optimisaciòn del funcionamiento de una convergente vial.


  • Résumé

    Malgré le développement de l’infrastructure routier et les actions en faveur des autres modes dans les agglomérations, la demande de déplacement des voitures est supérieure à l’offre. Ceci provoque de graves problèmes de déplacement aux heures de pointe qui se traduisent par l’élévation du volume de circulation sur les voies urbaines. Ceci provoque l’augmentation de la durée et de l’extension spatiale de la congestion sur les autoroutes périurbaines. De plus, les temps de parcours varient considérablement d’un jour à l’autre. La congestion sur ces importantes voies périurbaines perturbe donc considérablement la vie quotidienne des usagers et elle a des conséquences particulièrement néfastes sur l’environnement, la consommation d’énergie, la sécurité et l’économie. Le principal objectif de l’exploitation des autoroutes urbaines est donc d’assurer une optimisation permanente des leurs conditions de fonctionnement. Une exploitation bien organisée peut assurer une meilleure utilisation du réseau existant et maintenir un bon niveau de service, c’est-à-dire offrir aux usagers des conditions satisfaisantes en termes de vitesse, de temps de trajet, d’interruptions de trafic, de sécurité, de confort et de commodité de conduite. La régulation d’accès est une des actions d’exploitation des autoroutes. Le placement d’un feu avec un cycle vert / rouge très court sur la bretelle d’accès cherche à fluidifier la circulation en contrôlant le flot des véhicules entrants. Elle retarde l’apparition de la congestion sur l’autoroute et améliore les conditions de trafic. Cette solution est relativement peu coûteuse et sans effet induit d’augmentation de la demande. L’objectif n’est cependant pas de saturer le réseau adjacent en créant une longue remontée de file, le dispositif prévoit ainsi de rouvrir l’accès dès lors que la bretelle d’accès est saturée. La mise en place d’une régulation des accès peut : - Maximiser les débits de sortie d’une zone déterminée de l’autoroute ; - Minimiser les temps de parcours moyens sur une zone spécifique de l’autoroute ; - Augmenter la régularité de circulation d’un jour à l’autre. - Maximiser le taux d’utilisation global de l’autoroute. Les phénomènes physiques qui se produisant au voisinage des convergent sont les suivants.  - L’insertion des nombreux véhicules venant de la bretelle d’accès modifie les comportements des véhicules de l’autoroute. Ceux-ci doivent modifier transitoirement leurs vitesses immédiatement après les changements de voies pour revenir à des conditions de sécurité.  - Des changements de voie interviennent aussi en amont du convergent. Ces changements de voie sont liés à une décision des conducteurs pour faciliter l’insertion des véhicules venant de la bretelle.  - Les comportements, mentionnés précédemment, provoquent le ralentissement des véhicules et, quand la congestion est générée, le débit maximal observé juste en aval de la zone de congestion est moindre que le débit maximal observé juste avant l’apparition de la congestion. Cette différence de capacité est nommée « chute de capacité » de l’autoroute. Ainsi, les caractéristiques de la section courante impactent la capacité d’insertion et induisent une variation de chute de capacité entre 3 et 30% et un accroissement des temps de parcours. Bien que la régulation d’accès soit reconnue dans la littérature comme une des méthodes de régulation les plus efficaces sur l’autoroute périurbaine, pour l’instant beaucoup d’interrogations subsistent, qui ne peuvent être complètement levées ni par la théorie existante, ni par l’analyse des données disponibles. Mieux comprendre des phénomènes comme la chute de capacité et le fonctionnement microscopique des convergents autoroutiers avec et sans régulation d’accès est donc nécessaire. Cela permettra de développer des outils d’évaluation de la régulation d’accès. Ainsi, le premier objectif de ce travail doctoral est le développement d’une démarche de recueil de données microscopiques pour étudier la chute de capacité et sa variation sur les convergents. Cette démarche sera basée sur le dimensionnement de l’expérimentation qui fait une exploration préalable du processus de récolte de données grâce à la représentation en simulation d’une partie de la réalité. De même, un deuxième objectif est le développement d’un nouveau modèle de changement de voie pour reproduire les caractéristiques remarquables du trafic sur les convergents. Finalement, compte tenu la compréhension fine du phénomène de chute de capacité, ce projet de thèse veut proposer et intégrer des algorithmes performants du fonctionnement des convergents autoroutiers aux outils de simulation. La méthodologie de travail du projet combinera l’analyse de données très précises (des données de trajectoires de véhicules) et la modélisation. Le produit final sera un outil d’évaluation de la régulation de trafic sur les convergents autoroutiers. De plus les données de trajectoires seront mises à disposition en open data. Les différents travaux à réaliser au cours de la thèse sont les suivants : • Réaliser le dimensionnement de l’expérimentation et proposer une méthodologie de recueil de données microscopiques sur les convergents. • Recueillir des données des trajectoires individuelles très fines. Les dispositifs comprennent un drone et une caméra haute définition puis le traitement automatique des images pour obtenir les positions latérales et longitudinales des véhicules. • Quantifier les impacts de comportements des véhicules et identifier les phénomènes observés. • Synthétiser la littérature pour faire une sélection fine des modèles à utiliser et comprendre la théorie disponible pour faire une étude approfondie sur ces modèles. • Proposer et développer un modèle propre à reproduire les phénomènes du trafic étudié. • Comparer exhaustivement le trafic modélisé avec le trafic routier observé pour valider le modèle retenu. • Simuler le comportement du trafic dans trois cas : le fonctionnement sans régulation, avec régulation d’accès classique (par feux avec par exemple ALINEA [3]) et avec la régulation performante. La thèse se développera grâce à l’étude fine de la théorie de trafic routier compte tenu des modèles disponibles destinés à reproduire le comportement dynamique de l’écoulement d’un trafic routier. Le fait de disposer de données de trajectoires ainsi que l’accès à une communauté scientifique permettra certainement de comprendre de manière détaillée les mécanismes physiques des convergents autoroutiers avec et sans régulation d’accès. Ainsi, ce projet apportera des outils d’évaluation du fonctionnement a priori de la régulation d’accès. Ces outils permettront en outre de prévoir l’impact des nouvelles stratégies pour garantir l’utilisation optimale de l’infrastructure disponible.

  • Titre traduit

    Observation, modeling and optimization of the throughput of a merge in freeways


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