Optimisation énergétique des flux de circulation routière en approche de carrefour.

par Sana Bouassida

Projet de thèse en Automatique

Sous la direction de Lydie Nouveliere et de Jamel Neji.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay en cotutelle avec l'Université de Tunis - El Manar , dans le cadre de École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication , en partenariat avec IBISC - Informatique, BioInformatique, Systèmes Complexes (laboratoire) , SIAM : Signal, Image, AutoMatique (equipe de recherche) et de Université d'Évry Val d'Essonne (référent) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Contexte : La Tunisie a actuellement la volonté de développer ses infrastructures urbaines et péri-urbaines tout en profitant des avancées technologiques portant sur la gestion efficace et sécuritaire des abords de carrefours routiers. Pour exemple, lors de la saison estivale, l'économie touristique faste du pays en cette période implique une arrivée massive de population temporaire, nationale et internationale, dont la conduite sur les routes tunisiennes n'est pas suffisamment entraînée pour permettre le franchissement de certains carrefours en toute sécurité dans un contexte de passage de piétons, deux-roues non-motorisés, trottinettes et autres overboards pendant la saison hautement touristique. Ceci est notamment le cas avec les carrefours à croisement multiples. Il s'agit donc ici de proposer une revisite d'une infrastructure de type carrefour à feux tricolores, non seulement pour sécuriser au maximum les entrées-sorties sur ce carrefour, mais aussi d'obtenir une conduite assistée plus efficace en termes de fluidité du trafic routier et de l'économie énergétique engendrée, du point de vue des transports communiquant comme de l'infrastructure elle-même. La thèse vise les niveaux 3-4 des niveaux d'automatisation automobile. La complémentarité des compétences et domaines d'application de l'équipe encadrante apparaît comme une force pour le bon développement de la thèse proposée, dans le sens où : - le Laboratoire LAMOED (Tunisie) apporte une culture issue du génie civil, nécessaire pour être en capacité de revisiter un carrefour à feux en termes de conception et fonctionnement associé, en plus des connaissances relevant de l'optimisation et de la simulation de trafic. - Le laboratoire IBISC (France) apporte, quant à lui, ses compétences en automatisation du véhicule, en modélisation du trafic, en communication inter-agents et en optimisation énergétique. Objectifs : Les objectifs visés par ce travail de thèse sont multiples et font appel à : - l'amélioration de la sécurité routière, en permettant une meilleure gestion des conflits aux abords d'un carrefour à feux tricolores, - l'obtention d'un trafic fluide, en visant au maximum le « zéro arrêt » des véhicules en abord et au sein du carrefour concerné, pour une meilleure rentabilité des transports engendrés, - l'assurance d'une efficacité énergétique accrue des moyens de transports transitant par le carrefour en association avec l'efficacité énergétique du carrefour lui-même en tant qu'infrastructure routière, - l'adoption de nouvelles stratégies de circulation en Tunisie, au vu des référentiels liés au développement durable et la sécurité routière vis-à-vis desquels le pays souhaite progresser. Pour développer un nouveau carrefour à croisement doté d'un niveau d'intelligence à définir, la thèse propose de considérer deux UAVs (Unmanned Aerial Vehicles), l'un en altitude haute et centralisateur d'informations captées, avec pouvoir de prise de décision sur la gestion du carrefour, l'autre à basse altitude et reconnu comme agent instrumenté fournisseur d'informations captées. Par communication interposée des deux UAVs en survol du carrefour ainsi revisité, l'objet principal est de doter les véhicules terrestres transitant par le carrefour d'informations issues de ces 2 UAVs, ces informations étant issues de véhicules terrestres en amont ou aval du véhicule en cours de communication avec l'UAV centralisateur et éventuellement de capteurs placés sur l'infrastructure. Méthode : Pour répondre aux objectifs précités, en respectant une volonté dont fait preuve la Tunisie à vouloir faire évoluer ses infrastructures routières en les rendant intelligentes et performantes au vu de la progression technologique internationale, la thèse se décomposera en 6 étapes de développement : - E0 - Etat de l'art : étude des carrefours à feux, problématiques de trafic en abord de carrefour sous-dimensionné, - E1 – Simulation de trafic en abord de croisement urbain : quels modèles utiliser (IDM, HDM, …) ? Quel logiciel de simulation adopter pour l'analyse d'impacts ? A ce niveau, l'ENIT possède le logiciel VTSIM qui sera étudié dans un premier temps, en le comparant à d'autres logiciels usités (SUMO, CARSIM, …) - E2 – Extension de l'étape E1 : prise en compte de la dynamique des véhicules terrestres, pour l'optimisation de la consommation d'énergie des transports couplée à l'amélioration de la sécurité routière. - E3 – Définition des cas d'usage : étude du carrefour comme infrastructure routière, énoncé de nouvelles stratégies de gestion du carrefour à feux en adossant une perception étendue des véhicules terrestres par l'usage d'UAVs haute et basse altitude, pour une éventuelle revisite de ce type d'infrastructure, Choix de scénarii comme base d'étude et permettant l'analyse d'impact de ces nouvelles technologies, Définition de la base instrumentale du carrefour dans son ensemble. - E4 - Niveau stratégique : Etude de l'apport d'UAVs dans la conception du carrefour intelligent (quelles données transmises UAV1<->V, UAV1<->UAV2, pas de communication V<->) en considérant l'UAV1 haute altitude comme un agent centralisé preneur de décision et un UAV2 basse altitude comme agent de liaison instrumenté, définition de stratégies de renvoi de décisions/données de l'UAV1 centralisateur vers un agent de type véhicule terrestre, usage de graphes de communication. - E5 – Analyse des impacts : études en simulation pour l'analyse d'impacts d'une telle solution, retour d'expérience sur les méthodes mises en œuvre. Résultats attendus : La thèse devra permettre de répondre à l'intérêt apporté par les UAVs communiquant dans la gestion améliorée du trafic au sein d'un carrefour à feux, en étendant l'étude vers la possibilité de revisiter le carrefour en supprimant éventuellement les systèmes de feux tricolores pour contribuer à la mise en place de stratégies de développement durable. Des simulations de haut niveau devront être réalisées pour avoir la matière suffisante en termes d'analyse d'impacts de la stratégie mise en œuvre. La prise en compte des effectifs en véhicules en abord du carrefour, la qualité de la communication UAV-Véhicule, le choix des données à communiquer, devront être considérés dans l'analyse présentée. A l'issue de la thèse, l'analyse d'impacts ainsi formulées contribuera à énoncer des recommandations pour la conception de nouveaux carrefours intelligents.

  • Titre traduit

    Energy optimization of road traffic flows in approach to crossroad.


  • Résumé

    Context : Tunisia currently has the will to develop its urban and peri-urban infrastructures while taking advantage of technological advances relating to the efficient and safe management of the surroundings of road junctions. For example, during the summer season, the country's booming tourist economy in this period implies a massive arrival of temporary, national and international population, whose driving on Tunisian roads is not sufficiently trained to allow the crossing of certain crossroads in complete safety in the context of pedestrian crossing, non-motorized two-wheelers, scooters and other overboards during the highly tourist season. This is particularly the case with multiple crossing intersections. Here, therefore, it is a question of proposing a revisit of an infrastructure of the crossroads type with traffic lights, not only to secure the maximum entry-exits on this crossroads, but also to obtain a more efficient assisted driving in terms of fluidity of the road traffic and the energy savings generated, from the point of view of communicating transport as of the infrastructure itself. The thesis targets levels 3-4 of the automotive automation levels. The complementarity of skills and areas of application of the supervisory team appears to be a force for the proper development of the proposed thesis, in the sense that: - the LAMOED Laboratory (Tunisia) brings a culture stemming from civil engineering, necessary to be able to revisit a traffic intersection in terms of design and associated operation, in addition to knowledge relating to traffic optimization and simulation. - The IBISC laboratory (France) brings its skills in vehicle automation, traffic modeling, inter-agent communication and energy optimization. Goals : The objectives of this thesis work are multiple and call for: - improving road safety, by allowing better conflict management around a traffic light crossroads, - obtaining smooth traffic, aiming as far as possible for the 'zero stop' of vehicles on board and within the crossroads concerned, for better profitability of the transport generated, - the assurance of increased energy efficiency of the means of transport passing through the crossroads in association with the energy efficiency of the crossroads itself as road infrastructure, - the adoption of new traffic strategies in Tunisia, in view of the benchmarks related to sustainable development and road safety vis-à-vis which the country wishes to progress. To develop a new intersection with a level of intelligence to be defined, the thesis proposes to consider two UAVs (Unmanned Aerial Vehicles), one at high altitude and centralizing information collected, with decision-making power on the management of the crossroads, the other at low altitude and recognized as an instrumented agent providing information captured. By interposed communication of the two UAVs flying over the crossroads thus revisited, the main object is to provide land vehicles passing through the crossroads with information from these 2 UAVs, this information being from land vehicles upstream or downstream of the vehicle in communication course with the centralizing UAV and possibly sensors placed on the infrastructure. Methods : Method: To meet the aforementioned objectives, while respecting the will shown by Tunisia to want to develop its road infrastructure by making it intelligent and efficient in view of international technological progress, the thesis will be broken down into 6 stages of development: - E0 - State of the art: study of crossroads with traffic lights, traffic issues in the approach of undersized crossroads, - E1 - Simulation of traffic on an urban intersection: which models to use (IDM, HDM,...)? Which simulation software to adopt for impact analysis? At this level, the ENIT has the VTSIM software which will be studied first, by comparing it to other popular software (SUMO, CARSIM, ...) - E2 - Extension of step E1: taking into account the dynamics of land vehicles, for the optimization of transport energy consumption coupled with the improvement of road safety. - E3 - Definition of use cases: study of the crossroads as a road infrastructure, statement of new strategies for managing the crossroads with traffic lights by supporting an extended perception of land vehicles by the use of high and low altitude UAVs, for a possible revisiting of this kind of infrastructure, Choice of scenarios as a basis for study and allowing the impact analysis of these new technologies, Definition of the instrumental basis of the crossroads as a whole. - E4 - Strategic level: Study of the contribution of UAVs in the design of the intelligent crossroads (which data transmitted UAV1 <-> V, UAV1 <-> UAV2, no communication V <->V) considering the high altitude UAV1 as a centralized decision-making agent and a low altitude UAV2 as an instrumented liaison agent, definition of strategies for returning decisions / data from the centralizing UAV1 to a land vehicle agent, use of communication graphs. - E5 - Impact analysis: simulation studies for the impact analysis of such a solution, feedback on the methods implemented. Expected results : The thesis should allow us to respond to the interest brought by UAVs communicating in improved traffic management within a traffic intersection, by extending the study to the possibility of revisiting the intersection, possibly eliminating the traffic light systems, to contribute to the implementation of sustainable development strategies. High-level simulations will have to be performed to have sufficient material in terms of impact analysis of the strategy implemented. The taking into account of the number of vehicles approaching the crossroads, the quality of the UAV-Vehicle communication, the choice of data to be communicated, should be considered in the analysis presented. At the end of the thesis, the impact analysis thus formulated will contribute to formulating recommendations for the design of new intelligent crossroads.