Optimisation d'itinéraires multimodaux fondée sur les temps de parcours à l'échelle d'une ...

162 Pages·2017·5.33 MB·French

by  Aurélie Bousquet

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Optimisation d'itinéraires

multimodaux fondée sur les temps

de parcours à l'échelle d'une

agglomération urbaine dense

Thèse de l'Ecole Nationale des Travaux
Publics de l'Etat
Ecole Doctorale:

Mécanique, Energétique, Génie Civil et

Acoustique

Spécialité Génie Civil
Diplôme de Doctorat
Par

Aurélie BOUSQUET

Directeurs de thèse:
Nour-Eddin EL FAOUZI

Jean-Baptiste LESORT

Thèse soutenue le 06 juillet 2010
N° d’ordre 2010-ENTP-0003 Année 2010

Thèse

Optimisation d’itinéraires multimodaux
fondée sur les temps de parcours à
l’échelle d’une agglomération urbaine
dense

Présentée devant
L’Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat

Pour obtenir
Le grade de docteur

École doctorale : Mécanique, Energétique, Génie Civil et Acoustique

Spécialité : Génie Civil

Par
Aurélie Bousquet

Soutenue publiquement le 6 juillet 2010 devant la Commission d’Examen

Jury
E.-H. AGHEZZAF Professeur (Université de Gand) Examinateur
M. BIERLAIRE Professeur (EPFL) Rapporteur
V.-D. CUNG Professeur (Grenoble INP) Rapporteur
N.-E. EL FAOUZI Directeur de recherche (INRETS) Directeur de thèse
J.-B. LESORT Directeur de recherche (INRETS) Directeur de thèse
M. MIRAMOND Professeur (INSA Lyon) Examinateur
A. MOUKRIM Professeur (UTC) Examinateur

Thèse préparée au Laboratoire d’Ingénierie Circulation Transports, unité mixte INRETS-ENTPE
Fiche bibliographique
1-UR(1erauteur) 2-Projetn° 3-INRETS
Laboratoire d’IngénierieCirculation Thèse LICITn°1006
Transports
4-Titre
Optimisation d’itinéraires multimodaux fondée sur les temps de parcours à l’échelle d’une
agglomérationurbainedense.
5-Sous-titre 6-Langue
Français
7-Auteur(s) 8-Rattachementext.
AurélieBOUSQUET
9-Nomadressefinanceur,co-éditeur 10-N°contrat,conv
11-Datedepublication
Juillet2010
12-Remarques
13-Résumé
La multimodalité désigne un usage différencié dans l'espace et dans le temps des différents
modesdetransport(enparticuliertransportsencommunetvéhiculesindividuels).
Elle apparaît aujourd'hui comme une des solutions aux problèmes de congestion et aux
difficultés de déplacement dans les grandes agglomérations. Elle ne peut toutefois se
développer que si : (1) il existe une offre de transport attractive en alternative à la voiture
individuelle, (2) les opérations de transfert d'un mode vers l'autre sont facilitées, notamment
grâce à un jalonnement et une tarification intégrée, (3) les usagers sont informéssur l'offre de
transport multimodale. Ce travail s'intéresse au troisième point puisqu'il vise à définir des
méthodesd'optimisationd'itinérairesmultimodauxafind'alimenterunserviced'informationdes
usagers. L'indicateur retenu pour évaluer la qualité d'un itinéraire multimodal est le temps de
parcours car sa connaissance permet à l'usager une comparaison objective des itinéraires et
des modes et donc une rationalisation de ses choix. Dans la mesure où les données
nécessaires sont disponibles,letemps deparcours est estimédemanièredynamique,afin de
tenircomptedesvariationsduniveaudeserviceaucoursdutempssurlesdifférentsréseaux.
Nous nous intéressons dans un premier temps à l'optimisation d'un itinéraire routier
monomodal, avec prise en compte des délais et interdictions portant sur les mouvements
directionnels. Nous proposons une formulation originale pour ce problème, que nous
comparons à une formulation de la littérature. Les méthodes d'étiquetage sont étendues pour
traiterlesproblèmesdechemindetempsdeparcoursminimumquienrésultent.
Nous étudions ensuite une généralisation de ce problème : l'optimisation d'un itinéraire
multimodal.Les déplacements étantstructurés enfonction dechaînes d'activités réalisées par
les usagers sur l'ensemble de la journée, nous considérons par la suite le problème
d'optimisation d'une chaîne multimodale de déplacements. La résolution de ce problème
apporte une aide à la décision à l'usager dont l'objectif est de minimiser le temps total passé
dans les transports sur une série de déplacements successifs. Un schéma d'optimisation
globaldelachaînededéplacementsestproposé.
La dernière partie de la thèse traite de la mise en œuvre opérationnelle des algorithmes de
calcul d'itinéraire proposés. Ces algorithmes sont intégrés au sein d'un démonstrateur
alimenté par des estimations dynamiques de temps de parcours. Leur utilisation
opérationnelle est envisagée dans le cadre de deux applications complémentaires :
l’information des usagers avantledéplacementetunesecondeaucoursdudéplacement.
14-Motsclés 15-Diffusion
Pluscourtchemin-optimisation d’itinéraire -tempsde INRETS/RR/10-582-FR
parcours-informationmultimodale-chaîne d’activités
16-Nbdepages 17-Prix 18-Bibliographie 19-Confidentiel
157 oui
RØsumØ
La multimodalitØ dØsigne un usage di(cid:27)ØrenciØ dans l’espace et dans le temps des
di(cid:27)Ørents modes de transport (en particulier transports en commun et vØhicules indivi-
duels). Elle appara(cid:238)t aujourd’hui comme une des solutions aux problŁmes de congestion
et aux di(cid:30)cultØs de dØplacement dans les grandes agglomØrations. Elle ne peut toute-
fois se dØvelopper que si : (1) il existe une o(cid:27)re de transport attractive en alternative
(cid:224) la voiture individuelle, (2) les opØrations de transfert d’un mode vers l’autre sont fa-
cilitØes, notamment gr(cid:226)ce (cid:224) un jalonnement et une tari(cid:28)cation intØgrØe, (3) les usagers
sont informØs sur l’o(cid:27)re de transport multimodale. Ce travail s’intØresse au troisiŁme
point puisqu’il vise (cid:224) dØ(cid:28)nir des mØthodes d’optimisation d’itinØraires multimodaux
a(cid:28)n d’alimenter un service d’information des usagers. L’indicateur retenu pour Øva-
luer la qualitØ d’un itinØraire multimodal est le temps de parcours car sa connaissance
permet (cid:224) l’usager une comparaison objective des itinØraires et des modes et donc une
rationnalisation de ses choix. Dans la mesure oø les donnØes nØcessaires sont dispo-
nibles, le temps de parcours est estimØ de maniŁre dynamique, a(cid:28)n de tenir compte des
variations du niveau de service au cours du temps sur les di(cid:27)Ørents rØseaux.
NousnousintØressonsdansunpremiertemps(cid:224)l’optimisationd’unitinØraireroutier
monomodal,avecpriseencomptedesdØlaisetinterdictionsportantsurlesmouvements
directionnels. Nous proposons une formulation originale pour ce problŁme, que nous
comparons(cid:224)uneformulationdelalittØrature.LesmØthodesd’ØtiquetagesontØtendues
pour traiter les problŁmes de chemin de temps de parcours minimum qui en rØsultent.
Nous Øtudions ensuite une gØnØralisation de ce problŁme : l’optimisation d’un itinØ-
raire multimodal. Les dØplacements Øtant structurØs en fonction de cha(cid:238)nes d’activitØs
rØalisØes par les usagers sur l’ensemble de la journØe, nous considØrons par la suite le
problŁme d’optimisation d’une cha(cid:238)ne multimodale de dØplacements. La rØsolution de
ce problŁme apporte une aide (cid:224) la dØcision (cid:224) l’usager dont l’objectif est de minimiser
le temps total passØ dans les transports sur une sØrie de dØplacements successifs. Un
schØma d’optimisation global de la cha(cid:238)ne de dØplacements est proposØ.
La derniŁre partie de la thŁse traite de la mise en (cid:247)uvre opØrationnelle des al-
gorithmes de calcul d’itinØraire proposØs. Ces algorithmes sont intØgrØs au sein d’un
dØmonstrateur alimentØ par des estimations dynamiques de temps de parcours. Leur
utilisation opØrationnelle est envisagØe dans le cadre de deux applications complØmen-
taires:unepremiŁreinformantl’usageravantledØplacementetunesecondel’informant
au cours de son dØplacement.
MOTS-CLES : plus court chemin - optimisation d’itinØraire - temps de parcours -
information multimodale - mouvement directionnel - cha(cid:238)ne d’activitØs
1
2
Remerciements
Je tiens (cid:224) remercier ici tous ceux qui m’ont permis, directement ou indirectement,
de mener (cid:224) bien ce travail.
Tout d’abord un grand merci (cid:224) Nour-Eddin El Faouzi, Jean-Baptiste Lesort et So-
phie Constans pour leur accompagnement et la con(cid:28)ance qu’ils m’ont faite tout au long
de ces quelques annØes passØes au LICIT. Merci Øgalement (cid:224) El Houssaine Agghezaf
de m’avoir accueillie pendant trois mois dans le dØpartement de Gestion Industrielle
de l’universitØ de Gand, d’avoir consacrØ du temps (cid:224) des scØances de travail enrichis-
santes et de m’avoir beaucoup appris en recherche opØrationnelle. Merci (cid:224) l’institut de
recherche autrichien sur l’Ønergie et les transports (Arsenal Research - AIT) de m’avoir
Øgalement accueillie pendant trois mois et permis de dØcouvrir les travaux en cours (cid:224)
Vienne en matiŁre d’information multimodale. En particulier, merci (cid:224) Franz Pohl et
Elisabeth Mrakotsky pour leur accueil chaleureux.
Jeremerciel’ensembledesmembresdujuryetparticuliŁrementlesdeuxrapporteurs
quiontconsacrØuntempsimportant(cid:224)lalecturedemonmØmoireetdontlesremarques
m’ont permis d’amØliorer sa qualitØ : M. Michel Bierlaire et M. Van Dat Cung.
Merci (cid:224) la rØgion Rh(cid:244)ne-Alpes qui, par son aide (cid:28)nanciŁre, a rendu possibles mes
sØjours (cid:224) Vienne et (cid:224) Gand. Merci aux partenaires du projet TEMPUS qui ont acceptØ
de fournir des donnØes de terrain pour alimenter le dØmonstrateur : le CETE de Lyon,
le Grand Lyon, le SYTRAL et CORALY.
Mes remerciements vont Øgalement aux personnes qui ont participØ au dØveloppe-
ment du dØmonstrateur : Cyril Gandon, Christian Rose, Ludovic BarthØlØmy, Samuel
Barbarin et Sovireak Moeung pour le dØveloppement de l’interface web du systŁme,
Magali Duboisset pour sa participation (cid:224) la structuration des nombreuses donnØes ma-
nipulØes au cours de ce travail et Nacerra Meddah pour son travail sur les donnØes de
temps de parcours.
Je remercie tous ceux qui ont contribuØ (cid:224) faire du LICIT un endroit sympathique
oø je me suis rendue avec plaisir pendant un peu plus de trois ans : Damien, Romain,
Norbert, David, Sophie, Nour-Eddin, Olivier de Mouzon et Olivier Richard.
En(cid:28)n, je tiens (cid:224) remercier ma famille et mes amis, qui m’ont accompagnØe et sou-
tenue au cours de ces annØes.
3
4
Table des matiŁres
1 Introduction gØnØrale 9
1.1 (cid:201)lØments de contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Information et guidage des usagers des transports, Øtat des lieux . . . . 11
1.3 ProblØmatique de la thŁse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.1 Traitement et mise en forme des donnØes de terrain . . . . . . . 16
1.3.2 Estimation dynamique des temps de parcours . . . . . . . . . . 16
1.3.3 Calcul d’itinØraires multimodaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 (cid:201)tat de l’art des algorithmes de plus court chemin statiques et dyna-
miques 21
2.1 ProblŁme statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.1 Algorithmes (cid:224) (cid:28)xation/correction d’Øtiquettes . . . . . . . . . . 22
2.1.2 AccØlØration des algorithmes d’Øtiquetage . . . . . . . . . . . . . 24
2.2 ProblŁme dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 Chemin de coßt minimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2 Chemin de temps de parcours minimal . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.3 AccØlØrations des algorithmes d’Øtiquetage . . . . . . . . . . . . 31
2.3 DØ(cid:28)nition de fonctions de temps de parcours FIFO pour les plus courts
chemins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1 (cid:192) partir d’horaires de passage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2 (cid:192) partir de fonctions de vitesse constantes par morceaux . . . . 33
2.3.3 (cid:192) partir de fonctions de temps constantes par morceaux . . . . 35
3 ModØlisation des mouvements directionnels pour l’optimisation d’iti-
nØraires monomodaux routiers 37
3.1 (cid:201)tat de l’art des problŁmes de plus court chemin avec sØquences d’arcs
pØnalisØes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.1.1 Approche de rØsolution na(cid:239)ve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.2 Mouvements simples pØnalisØs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.3 Mouvements complexes pØnalisØs . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 DØ(cid:28)nition du graphe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 ModØlisation des mouvements directionnels . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.1 Plus court chemin avec sous-sØquences d’Øtiquettes pØnalisØes . 45
3.3.2 Plus court chemin avec sous-chemins pØnalisØs . . . . . . . . . . 51
3.3.3 Comparaison des deux approches . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3.4 StratØgies d’Øtiquetage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.5 Tests numØriques sur un rØseau routier de grande taille . . . . . 56
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5
4 Optimisation d’itinØraires multimodaux simples ou cha(cid:238)nØs 61
4.1 Optimisation d’un itinØraire multimodal . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.1 (cid:201)tat de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.2 ReprØsentation du rØseau multimodal . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.3 Plus court chemin multimodal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Optimisation d’une cha(cid:238)ne multimodale de dØplacements . . . . . . . . 73
4.2.1 (cid:201)tat de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.2 Classi(cid:28)cation des modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2.3 Cha(cid:238)ne multimodale de temps de parcours minimal . . . . . . . 75
4.2.4 Heuristique de choix des points de stationnement . . . . . . . . 84
4.2.5 RØsultats numØriques sur un rØseau de grande taille . . . . . . . 86
4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5 Mise en (cid:247)uvre des algorithmes de calcul d’itinØraire multimodal 93
5.1 ModŁle de donnØes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.1.1 ReprØsentation du rØseau de voirie . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.1.2 ReprØsentation d’objets ponctuels le long de la voirie . . . . . . 95
5.1.3 ReprØsentation du rØseau de transport en commun . . . . . . . . 96
5.1.4 ReprØsentation des p(cid:244)les d’Øchange . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.1.5 Typologie des modes de transport et rŁgles de circulation . . . . 97
5.1.6 ReprØsentation des donnØes de tra(cid:28)c . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2 Estimation du temps de parcours des vØhicules particuliers . . . . . . . 99
5.2.1 (cid:201)tat de la pratique de l’estimation du temps de parcours . . . . 99
5.2.2 Association de fonctions de vitesses aux arcs du graphe . . . . . 109
5.2.3 AgrØgation des temps de parcours (cid:224) l’Øchelle d’un chemin . . . . 113
5.3 Estimation du temps de recherche d’une place de stationnement . . . . 115
5.3.1 (cid:201)tat de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.3.2 Estimation du temps de recherche sur voirie . . . . . . . . . . . 117
5.4 Moteur de calcul d’itinØraire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.4.1 DØ(cid:28)nition dynamique des temps de parcours et des dØlais multi-
modaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.4.2 Initialisation de l’application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.5 Applications d’information des usagers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.5.1 Information avant le dØplacement : optimisation d’itinØraires in-
dividuels de porte-(cid:224)-porte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.5.2 Information pendant le dØplacement : optimisation d’itinØraires
de p(cid:244)le-(cid:224)-p(cid:244)le . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6 Conclusion et perspectives de recherche 125
6.1 Travail rØalisØ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.2.1 ParallØlisation et rØpartition des algorithmes de calcul d’itinØraire 127
6.2.2 Optimisation multi-objectif d’itinØraires multimodaux . . . . . . 127
6.2.3 AmØlioration des estimations de temps de parcours . . . . . . . 127
Bibliographie 134
A Rappel des notations 135
6
B Lexique 139
C Structure du graphe multimodal 141
C.1 ReprØsentation des points d’intØrŒt dans le graphe de transport individuel141
D Algorithmes de plus court chemin 143
D.1 Classi(cid:28)cationdesproblŁmesdynamiquesdechemindetempsdeparcours
minimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
D.2 Construction d’une fonction de temps de parcours FIFO pour les modes
subissant le tra(cid:28)c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
D.3 Algorithmes dØveloppØs pour le calcul d’itinØraires multimodaux . . . . 144
D.3.1 Algorithmes statiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
D.3.2 Algorithmes dynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
E Estimation dynamique des temps de parcours 149
E.1 Exemples de donnØes de tra(cid:28)c sur voies rapides urbaines . . . . . . . . 149
E.2 Exemples de donnØes de tra(cid:28)c sur le rØseau de surface . . . . . . . . . . 151
E.3 Estimation du temps de recherche de stationnement sur voirie . . . . . 153
F Application de calcul d’itinØraire 155
F.1 Saisie d’une requŒte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
F.2 Activation manuelle des points de stationnement . . . . . . . . . . . . . 156
F.3 PrØsentation des rØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7