SUPPORT DE FORMATION. Décembre Thierno AW

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1 Modèles pour le zonage et la génération des déplacements Application au cas francilien à partir du modèle de la DREIF SUPPORT DE FORMATION Décembre 2008 Thierno AW

2 SOMMAIRE Introduction Présentation du schéma classique de la modélisation à quatre étapes Retour historique sur le développement des modèles Représentation de la demande de déplacement Représentation de l offre de transport Représentation du choix modal Représentation du choix d itinéraire Objets modélisés pour la représentation de l offre de transport L affectation aux réseaux routiers de transport L affectation aux réseaux de transports collectifs Schéma de principe de la modélisation classique Vue d ensemble sur le modèle de déplacement de la DREIF Un modèle stratégique et multimodal Un modèle macroscopique et statique d affectation à l équilibre Modèle de zonage et variables locales considérées pour l occupation des sols Principe du découpage zonal et de sa modélisation Mise en œuvre opérationnelle en IDF Modélisation de la génération des déplacements Définition de la génération des déplacements Mise en œuvre opérationnelle à la DREIF Les caractéristiques d occupation des sols Segmentation selon les motifs de déplacement Formulation du modèle de génération des déplacements Simulation numérique et traitement des résultats...25 Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 2/29

3 Introduction Ce support de formation s intéresse à la formulation et à la mise en œuvre opérationnelle d une modélisation de la génération des déplacements sur la base des données du MOdèle de Déplacement Urbain et Suburbain (MODUS) de la DREIF 1. Pour bien comprendre les principes de la modélisation des déplacements, nous présenterons dans la première partie le schéma classique de la modélisation à quatre étapes ( 1). La deuxième partie étudiera le principe du découpage zonal et de sa modélisation ( 2). La troisième partie présente les variables, paramètres et lois mathématiques qui définissent le modèle de génération de la DREIF. Nous examinerons par la suite les résultats qui en sont issus via un traitement cartographique ( 3). 1. Propos liminaire : présentation du schéma classique de la modélisation à quatre étapes 1.1. Retour historique sur le développement des modèles Les modèles classiques à quatre étapes ont été d abord développés puis confirmés aux Etats-Unis en 1956 avec le Federal Highway Act. Cette méthode succédait à celle des facteurs de croissance 2 qui atteignait ses limites, dans un contexte de croissance où les besoins d investissement nécessitaient le renouvellement des pratiques pour une planification de long terme. Elle permettait de rendre mieux compte des évolutions de la société et, au lieu de se limiter à une modélisation des étapes de génération des déplacements et de distribution spatiale, intégrait les étapes de choix modal et d affectation. Cela fut le passage d une réflexion en termes d «infrastructures» à celle de «réseau», plus pertinente pour l évaluation ex-ante des projets d équipement. En France c est à partir des années soixante que les modèles à quatre étapes ont été introduits dans le marché de la modélisation, sur l initiative d un certain nombre d organismes centraux, notamment le CETUR et le SETRA. Le développement et l usage des modèles peuvent se résumer autour de quatre périodes clefs : Années 1960 : développement des premiers modèles transport, très contraints au niveau des hypothèses qui peuvent être considérées et limités dans leur capacité de simulation. Années 1970 : développement des applications pour l'aide à la décision en planification dans une période de raréfaction des ressources. Années 1980 : développement de systèmes de modèles qui permettent de composer des modèles plus complexes, avec l intégration des nouveaux enjeux 1 DREIF : Direction Régionale de l Equipement d Ile-de-France. 2 Avec un principe de modélisation simple, basé sur une extrapolation du trafic actuel pour déterminer le trafic futur à partir de variables caractérisant les «origines» et les «destinations». Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 3/29

4 de la planification liée à la durabilité urbaine (modélisation du choix modal et évaluation environnementale). Le marché du logiciel commercial de modélisation des transports se développe dans cette période. Depuis les années 1980 : développement de la microinformatique et de l'interface graphique qui permet la diffusion de l usage et sa rationalisation avec les possibilités de gestion et de capitalisation de bases de données. Les modèles se complexifient avec l approche désagrégée. Dans la même période, mentionnons le développement des modèles intégrés transports-occupation des sols. Le schéma qui suit constitue une synthèse des périodes clefs que nous venons d évoquer sur le développement historique des modèles. Période Modèles Période de croissance économique Facteurs de croissance 1960 Période de raréfaction des ressources Modèles à 4 étapes Début 70 Début 80 Modèles désagrégés Modèles Rationalisation des investissements, Développement durable Vers des modèles intégrés Transport-Occupation des sols Usages Premiers modèles de transport, très contraints Développement des Développement de applications à l aide à la systèmes de modèles décision en planification pour la composition de modèle plus complexe Développement de la microinformatique et de l interface graphique permettant de mieux capitaliser les données et de diffuser l usage Caractéristiques -Vision: court-moyen terme - Étapes: Génération et distribution - Réf. à l infrastructure -Vision: moyen-long terme - Étapes: + choix modal et affectation - Réf. au résea -Vision: plutôt du court terme - Étapes: + situations individuelles - Réf. au réseau - Vision: court-terme ; long terme - Étapes: + situations individuelles + intégration de la dimension spatiale - Réf. au réseau ; au système de localisation Figure 1 : Développement historique de la modélisation des transports et de l occupation des sols Source : Auteur (2008) La modélisation des transports s est toujours inscrite dans une logique de construction de connaissances quantitatives et qualitatives sur la planification de la ville. Cette planification est définie par Leurent (2001) comme située «[ ] au croisement de l exploitation et de l économie : il s agit de planifier, de structurer, d organiser l exploitation, en tant qu ensemble de moyens pour atteindre des objectifs économique». La complexification du processus de décision, avec l implication d une pluralité d acteurs aux intérêts différents, rend souvent nécessaire le recours à des outils de modélisation pour évaluer à priori l opportunité des projets de transport. Cette évaluation porte principalement sur : l évaluation du coût de déplacement pour l usager et pour la collectivité, l élaboration de plans d exploitation, une simulation du trafic pour anticiper la gestion des flux. Pour la présentation des fonctions de base des modèles classiques à quatre étapes, nous structurerons notre propos autour de trois points. Dans un premier temps Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 4/29

5 nous ferons une présentation de la consistance de la modélisation pour la représentation de la demande de déplacement ( 1.1.1). Le second point abordera la représentation de l offre de transport ( 1.1.2). Nous nous intéresserons ensuite à une définition de la modélisation du choix du mode de transport ( 1.1.3), pour in fine évoquer le choix d itinéraire avec l affectation de la demande sur les modes routiers et de transports collectifs Représentation de la demande de déplacement Nous voulons définir ici les concepts clefs qui définissent la modélisation de la demande de déplacement dans les modèles classiques. - Déplacement. La demande de déplacement est représentée par déplacement. Le déplacement étant une demande dérivée, liée au besoin de réalisation d une activité. Sa modélisation tient compte des attributs individuels et des caractéristiques de localisation entre le lieu de départ et le lieu d arrivée. - Relation entre une origine et une destination. Les déplacements sont représentés par zone d origine et de destination. Le plus souvent le traitement de la demande s effectue pour un ensemble de zones d origine et de destination sous une forme matricielle. - Segmentation spatiale. L aire d étude est modélisée suivant un découpage spatial qui sert de base à la modélisation de la demande de déplacement. Une distinction est faite entre le zonage interne et externe. Le premier est une représentation d une portion de zone dans l aire d étude. Le second correspond à une représentation moins précise du périmètre extérieur à l aire d étude, dont il faut toutefois tenir compte pour intégrer son implication dans le système de transport étudié. - Liaison entre le zonage et le réseau de transport. Le rattachement des zones de demande aux réseaux de transports s effectue à partir d une modélisation de centroïdes de zones et de connecteurs. Les centroïdes correspondent aux points d émission et de réception du trafic d une zone vers le réseau de transport. Le plus souvent est considéré le barycentre zonal. Les connecteurs constituent des arcs fictifs reliant le centroïde de zone à un nœud du réseau de transport ; ses caractéristiques physiques doivent permettre une description des parcours terminaux internes à la zone. - Segmentation par classe de comportement. La modélisation de la demande de déplacement amène à considérer plusieurs classes d usagers, le plus souvent en fonction d un comportement de circulation ou un comportement économique. - Segmentation temporelle de la demande. Elle consiste à déterminer la période (année), le type de jour (jour moyen de semaine, week-end) et la plage horaire (Heure de Pointe du Matin, Heure de Pointe du Soir, Heure Creuse) dont tente de rendre compte la modélisation. Le plus souvent, la modélisation en milieu urbain considère la période de pointe qui est dimensionnante pour la capacité des réseaux de transport. Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 5/29

6 Représentation de l offre de transport Pour la représentation de l offre de transport, différents éléments sont modélisés. - Nœuds et arcs du réseau. La représentation de l offre de transport procède par une représentation des points d intersection entre deux segments homogènes du réseau formés par les arcs. Pour chaque arc sont spécifiés le nœud initial et le nœud final. Les arcs sont caractérisés par leurs attributs physiques et économiques, avec la description de la longueur, du sens de circulation, du prix de traversée et plus généralement des conditions d exploitation. - Classification des arcs selon les caractéristiques physiques et économiques. Les arcs sont classés selon les caractéristiques physiques et économiques qui leur sont propres (pour en simplifier la description : voies rapides, voies de dessertes secondaires, boulevard périphérique, ). - Lignes et Missions. Pour la modélisation des transports collectifs, la structuration des données et des différentes couches d informations à modéliser sont plus complexes. Pour en donner les composantes principales, nous définirons les objets lignes et missions. Les lignes sont définies par des nœuds de station (arrêt) et des arcs d interstations. Les missions sont constituées par une sélection de stations parcourant une ligne avec une description précise des conditions d accès et de correspondance Représentation du choix modal - Choix du mode de transport. La modélisation du choix modal s effectue le plus souvent par l association d un coût généralisé de déplacement aux différents modes de transports, l affectation s effectuera ainsi par relation originedestination et par segment de demande sur le mode le moins coûteux. - Catégories d usagers captifs. Dans la formulation du modèle, les classes d usagers captifs peuvent être définies et être affectées exclusivement sur un mode de transport. Les autres segments de demande ont un univers de choix plus large, avec une répartition le plus souvent sur trois modes : la voiture particulière, les transports collectifs, les modes doux. - Répartition de la demande en fonction du coût généralisé et structure du choix modal. La modélisation du coût généralisé (G) de chaque mode (m) et pour chaque segment de demande (i) définit en réalité la répartition modale. En considérant un mode alternatif (m ), la part modale est calculée suivant la formulation suivante. P mi exp( θ. Gmi ) = exp( θ. G ) + exp( θ. G Le paramètre θ constitue une mesure de la concentration du choix (Leurent, 2006). Plus il est élevé, plus le mode le moins coûteux reçoit du trafic. Le plus souvent une formulation logit est utilisée pour la modélisation du choix modal, dans l objectif de descrire les comportements socio-économiques des individus en fonction des caractéristiques de l offre de transport. Deux grandes familles de modèle logit existent : mi m i ) Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 6/29

7 le logit multinomial et le logit hiérarchique, pour la définition de la structure de choix modal. Nous reprenons les définitions du guide du CERTU (2003) sur la modélisation de la demande de déplacement dans ce qui suit. (i) Le logit multinomial : «Le modèle logit multinomial met l ensemble des modes sur un seul plan et il les suppose donc indépendants ; il en résulte que la probabilité relative reste constante si l on introduit ensuite un mode nouveau, celui-ci prenant du trafic uniformément aux autres modes (pour un couple origine-destination donné)». VP ML TC VP : Voiture Particulière ; ML : Modes Légers ; TC : Transports Collectifs (ii) Le logit hiérarchique : «Le logit hiérarchique à pour objectif de reconstituer l ordre de choix des individus, lorsque deux modes sont proches (et non strictement indépendants) ; par exemple, on choisira entre VP et TC, et ensuite entre bus et métro». VP ML TC RER Métro Tram VAL Bus - Distinction entre approche agrégée et désagrégée. Dans la modélisation du choix modal une distinction est faite entre les approches agrégées et désagrégées. La différence est liée à la méthode d estimation des données et non aux caractéristiques économiques des modèles. Avec une estimation du modèle basée sur des données zonales, on parlera de modèle agrégé. Si elle s effectue à partir de données individuelles, le terme de modèle désagrégé est employé Représentation du choix d itinéraire Objets modélisés pour la représentation de l offre de transport Distinction entre nœuds, carrefours et arrêts Les nœuds sont des objets ponctuels correspondant au sommet des graphes. Ils définissent la position des arrêts et des carrefours et constituent des éléments du graphe que les arcs peuvent relier à eux-mêmes ou à d autres nœuds. Pour la représentation des transports collectifs, un identifiant particulier permet de distinguer les nœuds d arrêts, pour la définition des conditions d accès et de correspondance. Pour la représentation de ces objets graphiques dans le cadre francilien, nous disposons des données de la DREIF, qui contiennent les coordonnées géographiques Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 7/29

8 des nœuds, ainsi que les attributs tels que le nom, le type, le tronçon principal. Le codage des nœuds peut être précisé dans la modélisation, en renseignant les mouvements autorisés aux nœuds, le supplément de temps de transport à appliquer pour les modes routiers notamment lors de procédure d affectation. La démarche est similaire pour la modélisation des transports collectifs. Il est possible de préciser les nœuds interdits de mouvements, ainsi que le supplément de temps pour les mouvements aux nœuds. Arcs de transport et connecteurs Les arcs sont des objets polylignes qui relient des nœuds. Ces derniers sont distingués par leur position, par les appellations sommet initial (nœud d origine) et sommet final (nœud de destination) quand l arc est orienté. En dehors de ces éléments topologiques, des caractéristiques physiques (capacité, modes de transport autorisés, ) et économiques (temps, coût monétaire ) sont associées aux arcs pour la modélisation des modes routiers et de transports collectifs. Pour la modélisation propre au système de transport francilien, les attributs d entrée sont les numéros de nœuds d origine et de destination, le type et la longueur du tronçon, vitesse à vide et temps de parcours pour les différents modes autorisés. Sous le même format sont codés les connecteurs, arcs fictifs définis pour la liaison des zones à partir de leur centroïde (centre de gravité des zones) aux réseaux de transports. Précisons que les zones en question, objets polygones, correspondent au découpage élémentaire du territoire pour la modélisation de la demande de déplacement. Elles correspondent aux origines et destinations des déplacements, et contiennent les renseignements sur les types d activités localisées, leur quantité, leur positionnement par rapport aux réseaux de desserte. Graphes et réseaux de transport Le graphe de réseaux est constitué à partir de ces éléments de bases dont nous venons de faire la définition. Il est construit à partir de l association d un ensemble de nœuds et d un ensemble d arcs. Nous empruntons la définition qu en donne Leurent, qui précise que «[ ] le graphe établit une topologie discrète entre les nœuds, reliés par les arcs. On interprète intuitivement les nœuds comme des ponts de rencontre, des points de jonction, des carrefours, et les arcs comme des liaisons, des routes entre ces points». Le réseau est constitué de graphes orientés ; la théorie des graphes permettant d étudier la structure et la topologie des réseaux. Objets propres à la modélisation des transports collectifs : arrêts, lignes et missions Arrêts, lignes et missions sont des objets spécifiques à la modélisation des services de transports collectifs. Les services en question pouvant être définis comme «[ ] bien économique disponible sous certaines circonstances d espace et de temps, avec une certaine qualité en termes de durée et de confort, et éventuellement une composition séquentielle de plusieurs moyens [ ]» (Leurent, 2007). Pour la modélisation des transports collectifs les nœuds désignent la position des arrêts et des carrefours. Un codage spécifique permet de préciser les nœuds pour lesquels les missions de transports collectifs peuvent s arrêter pour les montées et descentes des voyageurs. Les attributs essentiels à considérer pour la modélisation des nœuds dans un réseau de TC sont : Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 8/29

9 L identifiant des nœuds avec un codage à la fois numérique et alphanumérique ; La typologie, en distinguant les nœuds carrefours des nœuds d arrêts et les modes de transports qu ils desservent ; Accessoirement, le numéro de tronçon du flux principal peut être rajouté. La plupart des logiciels de modélisation du marché permettent de spécifier les mouvements interdits et autorisés aux nœuds lors de la modélisation des lignes. Une ligne de transports collectifs est constituée d une ou de plusieurs variantes de lignes, qui formes les missions. Celles-ci peuvent être différenciées par leurs temps de parcours ou leur coût généralisé. Table graphique des stations de missions : conditions d accès et de correspondances 4 Table graphique des missions de TC : services desservant une série de stations Table graphique des lignes : itinéraires des véhicules 2 3 Table graphique de la voirie : couche support des lignes et missions 1 Figure 2 : Représentation simplifiée des différentes couches d information modélisées pour les transports collectifs Source : Données (DREIF) ; Auteur (2008) L affectation aux réseaux routiers de transport - Modélisation du réseau. Pour l affectation aux modes routiers de transport, on considère un réseau modélisé avec ses caractéristiques physiques et économiques, comme indiqués. - Modélisation de la demande de déplacement. Il est nécessaire d avoir constitué une matrice origine-destination pour une certaine condition temporelle et pour les segments de demande à affecter sur les réseaux routiers de transport. - Recherche d itinéraire et chargement des déplacements. Pour chaque couple d OD, il s effectue une recherche d itinéraire le moins coûteux, procurant un coût minimum entre une origine et une destination. Ce coût peut être défini Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 9/29

10 pour un ou plusieurs segments d usagers ou de comportements. La formulation générale du coût généralisé de déplacement qui suit peut être admise. ( t + k ( t t ) + C d + P B CG = V ) t o f - Affectation des déplacements sur les itinéraires de coût minimal. Les déplacements sont chargés sur le réseau relativement aux itinéraires les moins coûteux, ce qui définie un niveau de trafic en chaque arc et nœud du réseau. - Effet de congestion et choix d itinéraire. Le niveau de trafic sur les arcs du réseau définie un temps de parcours à charge qui influence à son tour le choix d itinéraire. - Principes d équilibre entre l offre de transports routiers et la demande de déplacement. L ajustement entre le niveau de service offert par le réseau, mesuré par le critère de congestion locale des arcs et le choix d itinéraire définit un niveau d équilibre entre l offre de transport et la demande de déplacements, selon les principes de Wardrop (optimum individuel ou optimum collectif). - Objets modélisés pour la représentation de l offre de transport. o d Figure 3 : Illustration d une affectation aux modes routiers Source : Auteur (2008) Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 10/29

11 Figure 4 : Zoom sur le périmètre de Paris et de la ville nouvelle de Marne-la-Vallée Source : Auteur (2008) L affectation aux réseaux de transports collectifs - Modélisation du réseau. La modélisation permet la représentation des différents nœuds d arrêt, lignes et missions du réseau de transports collectifs, sur un principe plus complexe que pour le mode routier. - Modélisation des fréquences ou des horaires des missions. Pour la représentation des services de transports collectifs en milieu urbain dense, le choix s oriente le plus souvent vers une modélisation des fréquences des missions pour une heure de pointe considérée. A chaque mission est associé un temps d attente moyen qui est égal à l intervalle en situation hors cadencement, ou à la démi-intervalle en situation de cadencement. - Recherche d itinéraire et chargement des déplacements. Comme pour les modes routiers, la fonction de recherche d itinéraire peut être distinguée de l affectation. Elles procèdent par le calcul d une fonction d impédance, qui est le plus souvent le coût généralisé de déplacement qui tient compte des attributs d offre de services (typiquement : temps et tarifs), la valeur du temps, ainsi que différentes pondérations (typiquement : temps de changement sur une ligne, temps d attente pour une ligne, temps de rabattement, temps de séjour en gare, temps à bord, confort). La formulation suivante peut être admise pour les modèles d affectation à l équilibre. C k = [ rj + VOT * ( γ xxi + γ wwi )] + [ VOT * ( γ d di + γ vti (1 + α( vi i J i I / C ) i β ))] Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 11/29

12 - Affectation des déplacements sur les itinéraires de coût minimal. Les déplacements sont chargés sur le réseau relativement aux itinéraires les moins coûteux, ce qui définit un niveau de trafic pour les différents services de transports collectifs disponibles. Différents algorithmes de calcul existent pour la structure de cheminement en transports collectifs. (i) Affectation en «Shortest Path» L algorithme propose un seul Plus Court Chemin (PCC) minimisant le coût généralisé de déplacement entre un point d origine et de destination, sans prendre en compte la disponibilité d autres missions proposant des temps de trajet concurrents sur la ligne. Nous sommes dans ce cas à un niveau local du déplacement et de la décision. Figure 5 : PCC simple entre les station de Port Royal et de Noisy- Champs en transports collectifs Source : Auteur (2008), Données DREIF 2004 (ii) Affectation en «Optimal Strategies» Cette méthode généralise la première, la Stratégie Optimale est fondée sur le principe que l usager des transports collectifs réalise une série de décisions en fonction de l ensemble des services disponibles entre sa zone d origine et sa zone de destination. Dans cet algorithme, le prix pour l usage du mode n intervient pas ; le choix est basé uniquement sur les fréquences des services. Le résultat n est pas un chemin unique comme précédemment mais un sous-réseau appelé hyper-chemin (hyperpath), du fait de la possibilité locale de combiner en parallèle des missions utilisées alternativement. Les usagers adapteraient leur itinéraire en fonction des informations qu ils reçoivent (Spiess et Florian, 1989). Nous sommes dans ce cas à un niveau d ensemble du déplacement et de la décision. Figure 6 : PCC en stratégie optimale entre les stations de Place d Italie et de Place de Clichy Source : Auteur (2008), Données DREIF 2004 (iii) Affectation en «Pathfinder» Cette méthode généralise la seconde, elle s en distingue par la prise en compte du prix du déplacement dans le choix d itinéraire via un calcul de coût généralisé. Les services de transports collectifs aux caractéristiques similaires (temps de parcours, prix, Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 12/29

13 nœuds parcourus ) sont représentés sous la forme d un tronc commun. Elle se distingue du modèle de stratégie optimale en permettant au modélisateur de définir le seuil (ne devant pas dépasser 25% de l impédance du PCC) à partir duquel l algorithme de calcul peut associer des chemins (multiples chemins) aux caractéristiques similaires (Dial, 1967). Figure 7 : PCC en «pathfinder» entre les stations de Place d Italie et de Place de Clichy Source : Auteur (2008), Données DREIF Effet de congestion et choix d itinéraire. La notion de congestion dans la modélisation des transports collectifs est plus difficile à saisir et à intégrer dans une simulation. Les arcs sont généralement codés avec une capacité infinie, et les procédures d affectation ne sont pas itératives pour intégrer le paramètre de confort (consécutivement à la congestion des véhicules de transports collectifs) dans les choix d itinéraires des usagers. Certaines modélisations la prennent en compte sous forme de constante, ou de loi de chargement et déchargement des véhicules. - Principes d équilibre entre l offre de transports collectifs et la demande de déplacement. L ajustement entre le niveau de service offert par le réseau, mesuré par le critère de coût généralisé, et de préférence pour le confort sur les lignes les moins chargées définissent un niveau d équilibre entre l offre de transport et la demande de déplacements Schéma de principe de la modélisation classique Dans une présentation plus classique, nous proposons le schéma suivant pour constituer une synthèse sur ce que nous venons d évoquer sur les modèles classiques à quatre étapes. Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 13/29

14 Inputs Exogènes Variables du système d ACTIVITÉ Variables du système de TRANSPORT Impacts Simulés Génération des déplacements Distribution zonale Répartition modale Affectation modale Principes Application -Spécification du circuit d information et de simulation par segment de trafic -Spécification des formules d émission et de réception -Raccordement des jeux de données : attributs descripteurs des zones -Simulation numérique -Spécification du circuit d information et de simulation par segment de trafic et par motif -Spécification de la formule de coût généralisé et la formule gravitaire -Raccordement des jeux de données : CG pour les modes VP et TC -Simulation numérique -Spécification du circuit d information et de simulation par segment de trafic -Spécification des formules de répartition modale -Raccordement des jeux de données : flux multimodaux, CG pour les modes VP et TC, indicateurs de stationnement -Simulation numérique -Spécification du circuit d information et de simulation -Spécification des fonctions utilisées dans le logiciel -Documentation des fichiers constitués, avec des règles de dénomination -Simulation numérique et présentation des résultats Figure 8 : Structure générale des modèles de planification à quatre étapes Sources : Leurent (2006) ; Auteur (2008) - L étape de génération des déplacements est l occasion de diagnostiquer, d analyser et de prospecter l occupation des sols. - L étape de distribution zonale permet de comprendre surtout la répartition spatiale des activités dans l espace. - Les étapes de choix modal et d affectation ont pour finalité de confronter l offre de service (réseaux/accessibilité) à la demande de déplacements. Le schéma qui suit représente sous forme de couches cartographiques, les différentes informations issues d une telle modélisation. Dans ce qui suit, nous focaliserons sur la première étape de modélisation qui porte sur la définition d un zonage et la génération des déplacements. Préalablement, nous présenterons les caractéristiques générales du modèle de la DREIF. Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 14/29

15 CHOIX MODAL (iii) ET AFFECTATION (iv) : CONFRONTER L OFFRE ET LA DEMANDE DE Réseaux routiers chargés TRANSPORT DISTRIBUTION (ii) : COMPRENDRE LA REPARTITION SPATIALE DES Lignes de désir ACTIVITES GENERATION (i) : Densité de populations DIAGNOSTIQUER, ANALYSER ET PROSPECTER L OCCUPATION DES SOLS Densité d emplois Figure 9 : Intérêt d une démarche de modélisation illustrée sur le territoire de MLV Source : Auteur (2008) 1.3. Vue d ensemble sur le modèle de déplacement de la DREIF Un modèle stratégique et multimodal Modèle stratégique Le modèle de transport de la DREIF couvre l ensemble du territoire régional. Il s agit d un modèle stratégique de planification, dont les fonctions principales concernent notamment l analyse prospective de la demande de déplacements en liaison avec la localisation des activités, l évaluation des politiques de transports dans la recherche d une adéquation optimale entre la demande et l offre, mais aussi leur évaluation avec la considération d enjeux sociaux, environnementaux, et économiques. Ces modèles intègrent à la fois des échelles de temps long par la prise en compte des questions urbanistiques (avec la modélisation de la localisation des activités, réseaux de transport) et court (représentation des comportements de mobilité). Le schéma de principe suivant, qui n a pas pour ambition d être exhaustif, présente les principales problématiques traitées dans les modèles de planification ainsi que leurs interrelations. Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 15/29

16 -Zonage élémentaire -Caractéristiques d occupation des sols -Segmentation des usagers -Graphes de réseaux -Description topologique -Description physique -Description économique Demande de déplacement Offre de transport Equilibre à long terme Equilibre à court terme Localisation des activités Conditions d accès / Performance des réseaux -Schéma spatial -Réglementation -Dynamique de localisation -Volonté d aménagement -Modes de transports -Coût d accès et pénibilité des transports -Adéquation spatiale Figure 10 : Problématiques étudiées et échelles de temps dans les modèles stratégiques de planification Source : Adapté du Ministère Canadien des Transports Source ; Auteur (2008) Modèle multimodal La représentation d un système multimodal a trait à la prise en compte des différents moyens de transports existants pour relier une zone d origine à une zone de destination. MODUS prend en compte trois modes de transports pour la représentation des comportements de mobilité des franciliens : la voiture particulière, les transports collectifs, et les modes légers. Les modèles d affectation sont appliqués uniquement aux deux premiers modes susmentionnés Un modèle macroscopique et statique d affectation à l équilibre Modèle macroscopique MODUS, appartient à la famille des modèles macroscopiques. Ils permettent une représentation agrégée des flux de déplacements, sur la base de variables spatiales et temporelles. Les modèles microscopiques permettent une représentation plus détaillée, correspondant à la représentation des comportements au niveau de l individu ou du véhicule. A un niveau intermédiaire se situe les modèles mésoscopiques. Modèle statique d affectation à l équilibre Il s agit d un modèle classique d affectation statique, prenant en compte le coût généralisé de déplacement. Le terme statique renvoie au fait que la demande de déplacements, comme l offre de transport sont supposées stationnaires dans une Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 16/29

17 tranche horaire donnée (celle de l heure de pointe en l occurrence). Contrairement aux modèles dynamiques qui prennent en compte le déroulement temporel des déplacements. La notion d équilibre fait référence au principe de Wardrop (1952), avec une distinction entre l optimum individuel et l optimum collectif. L architecture générale du modèle de la DREIF correspond à la famille des modèles à quatre étapes qui permettent l application, avec une considération de certaines boucles de rétroaction, la représentation de la demande de déplacement (par les modèles de génération et de distribution modale) et des comportements de mobilité (par les modèles de choix modaux et d affectation aux itinéraires). Nous détaillerons leur mise en œuvre opérationnelle dans les sections suivantes. Les données d entrée du modèle Les quatre étapes d une modélisation Le calibrage du modèle Système d activités Hypothèses socio-écomiques Populations et et Emplois Matrice des temps «Intermodaux» Génération des déplacements Volumes de déplacements générés et attirés par zone? Distribution gravitaire des déplacements Répartition des flux par Origine-Destination? Données sur la mobilité Enquêtes spécifiques Système de transport Matrice des temps VP et TC Graphes de réseaux Répartition modale de la demande Mode de transport choisi? Matrice de demande VP et TC à l H.P. Résultat intermédiaire Affectation sur les réseaux de transport Itinéraire de déplacement choisi? Données sur la mobilité Comptages et temps de parcours Comptages et temps de parcours Données sorties du modèle Cartes des flux, des lignes de désirs, du chargement, de l accessibilité, des émissions de polluants Figure 11 : Architecture du modèle de génération de la DREIF Source : Auteur (2008) Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 17/29

18 2. Modèle de zonage et variables locales considérées pour l occupation des sols 2.1. Principe du découpage zonal et de sa modélisation La modélisation de la demande de déplacement amène préalablement à constituer un découpage zonal qui, tout en tenant compte des limites institutionnelles, s en affranchit dans l objectif d étudier de manière fonctionnelle le territoire. La modélisation d un terrain géographique pour une étude des déplacements s effectue en considérant le plus souvent deux facteurs propres à l aire d étude : les caractéristiques d occupation des sols et de dessertes des territoires par les réseaux routiers et collectifs. Typiquement, dans le cas francilien, les communes situées dans la partie centrale de l agglomération, avec des densités importantes de populations et d emplois seront découpées en plusieurs zones élémentaires. Dans la périphérie moins dense le découpage zonal peut épouser les limites des communes. En périphérie lointaine, plusieurs communes peuvent être regroupées en une seule zone de demande. Le zonage est cependant dans tous les cas circonscrit dans les limites départementales. Pour que l aire d étude circonscrive l ensemble des déplacements qui concernent le territoire un zonage externe est définit pour prendre en compte les flux d échanges entre l aire d étude et son périmètre externe. Au-delà des seuls critères de densité urbaine, le niveau de finesse du zonage peut varier pour prendre en compte les aires d influence des différents modes de transports. En effet, l aire d influence des transports collectifs sera plus réduite du faits des déplacements terminaux en marche à pied ou par un mode auxiliaire. Au niveau des sous modes de transports collectifs, il est admis que l aire d influence d un arrêt de bus se situe entre mètres, celle d un métro entre m, et celle d un train entre m (CERTU, 2003). Les cartes qui suivent mettent en évidence la localisation de la population et de l emploi, relativement au découpage zonal de MODUS pour la modélisation des déplacements. Nous spécifions par la suite les différences entre les zonages des réseaux VP et TC, en les distinguant du découpage communal. Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 18/29

19 Carte 1 : Représentation prismatique de la localisation actuelle de la population et de l emploi à partir du découpage zonal pour la modélisation des déplacements Source : Auteur (2008) Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 19/29

20 2.2. Mise en œuvre opérationnelle en IDF Pour la représentation des zones de demande de déplacements, nous reprenons ci-dessous le découpage défini pour le modèle de déplacement de la DREIF. Il est constitué de 1277 zones pour la modélisation des déplacements en modes individuels de transport et de 1192 zones pour les modes collectifs. Ce découpage inclut les communes de l Oise, avec lesquelles les migrations alternantes sont importantes avec le territoire francilien. Précisons que le zonage externe est constitué de 23 zones pour la prise en compte les flux d échange entre l Ile-de-France (y compris l Oise) et les territoires en dehors de son périmètre géographique. Ce découpage externe n est pas pris en compte pour l affectation de la demande aux réseaux de transports collectifs. Carte 2 : Zonage pour la modélisation de la demande de déplacement en Ilede-France - VP / 1277 zones modus et aux TC / 1191 zones modus Carte 3 : Zonage pour la modélisation de la demande de déplacement en Ilede-France - VP / 1277 zones modus et aux TC / 1191 zones modus Source : Données (DREIF) ; Auteur (2008) Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 20/29

21 Les tables de données associées au découpage MODUS contiennent les variables sociodémographiques, constituées en situation de référence et en prospective. Elles sont considérées dans la composition des données d entrée pour l estimation de la demande de déplacements. Carte 4: Découpages communal et départemental de la région francilienne Source : Auteur (2008) Département Nombre de communes Nombre de zones modus VP Nombre de zones modus TC Paris Hauts-de-Seine Seine-Saint-Denis Val de Marne Val d Oise Essonne Yvelines Seine-et-Marne Ensemble d objets Tableau 1 : Découpage communal et zonal pour la modélisation des déplacements Source : Données (DREIF) ; Auteur (2008) Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 21/29

22 3. Modélisation de la génération des déplacements 3.1. Définition de la génération des déplacements Combien de déplacements? L étape de génération des déplacements s intéresse à la modélisation du nombre de déplacements émis et reçus par zone. Les données exogènes au modèle de génération sont les mesures d occupation des sols sur un nombre de postes défini par l utilisateur. Ces données endogènes sont la mesure des émissions et des réceptions sur une journée moyenne pour différents segments de demande Mise en œuvre opérationnelle à la DREIF Les caractéristiques d occupation des sols Les données d occupation des sols pour la modélisation de la situation actuelle sont issues du RGP (Recensement Général de la Population) 1999 et de l ERE (Enquête Régional Emploi) 2001, ainsi que d une enquête complémentaire menée par la DREIF en 2003 sur l accueil des étudiants. Pour chaque zone, sept variables d occupation des sols sont ainsi définies. P Population totale tot P Population active act E Nombre d emplois total tot E Nombre d emplois de commerce com E Nombre d emplois de loisirs loi E Nombre d emplois tertiaires ter P Nombre de place pour les étudiants de l enseignement supérieur etu Segmentation selon les motifs de déplacement Pour la segmentation des usagers 5 motifs «non-orientés» caractérisant l origine et la destination du déplacement sont considérés : Domicile Travail 3 Achats Loisirs Affaires personnelles Leur combinaison par origine et destination permet la détermination de 8 motifs «orientés», définis par la table d agrégation suivante : 3 Y compris les «affaires professionnelles» non basées sur le lieu de travail. Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 22/29

23 Domicile Travail Achats Loisirs Aff. Perso. Domicile Travail Achats Loisirs Aff. perso Les motifs orientés sont ainsi : 1. Domicile Travail 2. Travail Domicile 3. Domicile Achats/Affaires personnelles 4. Achats/Affaires personnelles Domicile 5. Basé Travail et non basé Domicile 6. Non basé Travail et non basé Domicile 7. Domicile Loisirs 8. Loisirs Domicile Le graphique ci contre est récapitulatif des volumes de déplacements observés à partir de l EGT, pour les différents motifs distingués dans le tableau d agrégation. Volume Motifs Tableau 2 : Table d'agrégation des motifs par origine et destination et volume de déplacements observés Source : DREIF La logique d agrégation des motifs est la suivante : distinction typologique des motifs basés au domicile (1-4, 7,8), au travail (5), ni domicile-ni travail (6) ; puis pour les motifs les plus importants en volume liés au domicile sont distingués les motifs professionnels (1,2), de consommation privée (3,4), et de loisirs (7,8) Formulation du modèle de génération des déplacements La génération est traitée par un modèle de régression linéaire. A chaque motif j et par attribut zonal k sont associés un coefficient d émission e m, ket un coefficient de réception r m, k. 7 E m, i em, k X k, i k= 1 = : Emissions journalières par zone. 7 R m, i rm, k X k, i k= 1 E m i Rm, i = : Réceptions journalières par zone. =, : Sous cette contrainte. Avec : m motif du déplacement, k variables d occupation des sols, i indice du zone modus Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 23/29

24 Suivant cette formulation générale, nous pouvons écrire le nombre total de déplacements émis et reçus par zone par : E R = e1 Ptot + e2 Ptot + e3 Pact + e4 Etot + e5 Ecom + e6 Eloi + e7 Eter + e8 = r1 Ptot + r2 Ptot + r3 Pact + r4 Etot + r5 Ecom + r6 Eloi + r7 Eter + r8 P P etu etu La normalisation des émissions et des réceptions Pour la normalisation des émissions et des réceptions, nous considérons les formulations suivantes : Em + Rm Gm = : La moyenne du nombre total de déplacements émis et reçus 2 par les zones. Les valeurs des émissions et réceptions normalisées s écrivent ainsi : G m E m, i( normée) = em, k X k, i Em Et G m R m, i( normée) = rm, k X k, i Rm La captivité aux transports collectifs Pour prendre en compte le fait que «le choix entre la voiture et les transports collectifs ne s effectue que pour les agents en situation effective de choix, c'est-à-dire qui ont une voiture disponible au moment d effectuer leur déplacement et qui sont en possession d un permis de conduire.» Les personnes qui ne sont pas en situation de choix sont dites captives des transports collectifs. Les taux de désagrégation des classes d usagers en émission et en réception sont obtenus à partir d une exploitation de l EGT, selon le découpage morphologique en couronne (Paris, Petite Couronne, Grande Couronne). La formulation de la génération des déplacements tient compte de la segmentation des classes d usagers en catégories 4 captives (C) et non captives (NC) et intègre les particularités départementales par un taux d émission et de réception. Il est obtenu par : E R m, i ( m, i e I C) = E τ ( i ): Emissions journalières selon modalités de captivité. m, i ( m, i r I C) = R τ ( i ): Attractions journalières selon modalités de captivité. Avec I département dans lequel est localisé la zone modus i, τ e taux de déplacements captifs en émission, et τ r taux de déplacements captifs en réception. 4 Nous omettons volontairement la différenciation entre C et NC, quand la formulation est identique. Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 24/29

25 E( C) = 1277 i= 1 Em, i ( C) captivités émis par une zone. R( C) = 1277 i= 1 Rm, i ( C) captivités reçus par une zone. : Nombre total de déplacements selon modalités de : Nombre total de déplacements selon modalités de Les vecteurs finalisés des déplacements émis et reçus par zone s écrivent comme suit : E R G C) = Em iτ e ( i I). E m, i( normée) (, R C) = Rm iτ r ( i I). R m, i( normée) (, m m m m ( C) ( C) ( C) ( C) Simulation numérique et traitement des résultats Afin de mettre en évidence le nombre total de déplacements générés dans le territoire francilien nous proposons le graphique suivant, en considérant l année millions de déplacements quotidiens sont ainsi représentés dont 29% appartiennent à la catégorie d usagers captifs. La répartition par motif des volumes de déplacements journaliers restitue de façon satisfaisante les observations issues de l EGT Il en découle qu une majorité de déplacements franciliens s effectuent pour des motifs non contraints. Milliers Captifs Non Captifs M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 Figure 12 : Volume actuel de déplacements simulés par catégorie d usagers et par motif en situation actuelle Source : Données (DREIF) ; Auteur (2008) Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 25/29

26 - Les parts des motifs orientés Domicile-Achats/Affaires personnelles (M4) puis Affaires personnelles/domicile-achats (M5) sont les plus importantes. Elles correspondent à 42% de la demande journalière. - Les motifs liés aux migrations alternantes, et qui correspondent davantage à la demande aux heures de pointes, constituent 25% des flux journaliers. Cette part se répartie quasi-uniformément entre les motifs Domicile-Travail (M1=12%) et Travail-Domicile (M2=13%). - Enfin les motifs liés aux déplacements non orientés Secondaires Professionnels (M5), Secondaires Personnelles (M6) et de Loisirs [Domicile-Loisirs (M7), Loisirs- Domicile (M8)] correspondent respectivement à 11%, 9% et 13% de la demande journalière. Dans ce qui suit, nous examinons la génération des déplacements en focalisant l analyse sur le nombre de flux émis et reçus par département francilien, suivant les modalités de captivité définies pour la représentation de la demande. Milliers P PC GC Emis C Emis NC Reçus C Reçus NC Figure 13 : Génération actuelle des déplacements par département francilien Source : Données (DREIF) ; Auteur (2008) Résumons les principaux éléments à retenir de cette décomposition des émissions-réceptions. - Une adéquation entre l intensité de l occupation des sols et la génération des flux apparaît. 58% des flux émis et reçus sont localisés dans le périmètre spatial de Paris et de la Petite Couronne. Le centre de l agglomération y participe pour 22%. Ce taux passe à 13% pour le département des Hauts-de-Seine. 56% de la population se localise dans Paris et sa Petite Couronne. Pour l emploi ce taux est de 67% sur ces mêmes zones, avec une forte concentration parisienne (32% de l emploi régional). - Une diminution de la captivité avec l éloignement au centre. Nous constatons à la lecture du graphique que le niveau de captivité diminue avec l éloignement au centre de l agglomération. La densité d offre parisienne et la qualité des services de transports expliquent certainement l équivalence observée entre les Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 26/29

27 (i) catégories captives et non captives. Dans la Petite Couronne la part des déplacements non captifs atteint 62%. Ce taux s établit à 75% dans la Grande Couronne francilienne. Localisation spatiale des flux en émission au niveau local Une analyse cartographique a été privilégiée pour l analyse locale de la demande de déplacements. Elle procède d abord par la spatialisation des flux émis, toutes modalités de captivité confondues. Elle porte ensuite sur l observation des écarts en tenant compte de la segmentation des usagers en catégorie captive et non captive. Carte 5 : Emissions journalières actuelles des déplacements, toutes modalités de captivité, en situation de référence (2004) Source : Données (DREIF) ; Auteur (2008) (ii) Mise en évidence des déséquilibres spatiaux sur la génération des flux Poursuivons l examen de la demande de déplacements, avec un indicateur basé sur une analyse spatiale du ratio entre les déplacements émis et reçus par zone élémentaire de demande. Cette approche nous permet de constituer un examen élémentaire localisant les zones potentiellement exposées à des flux croisés, sur les bases suivantes : un ratio inférieur à un indique les zones dans lesquelles le nombre de déplacements reçus est supérieur aux flux émis. Inversement, un ratio supérieur à un désigne une surreprésentation des flux en émission. L analyse cartographique issue du modèle de génération, et relative à la représentation de la situation actuelle, permet de constater deux faits marquants qui augurent des caractéristiques de la mobilité des franciliens. - L emploi est fortement concentré à Paris et dans la Petite Couronne, pour près Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 27/29

28 de 67 %, même si les villes nouvelles continuent à se renforcer pour contrebalancer ce déséquilibre spatial. L intensité des flux reçus étant davantage liée au nombre d emplois et de services, nous pouvons constater sur la carte que les zones pour lesquelles le ratio des émissions sur les réceptions est inférieur à un sont localisées dans ces périmètres. - Inversement, les zones périphériques avec une fonction résidentielle dominante, sont caractérisées par une surreprésentation des flux en émission. Carte 6 : Ratio entre déplacements émis et reçus par zone de demande, en situation de référence (2004) Source : Données (DREIF) ; Auteur (2008) (iii) Traitement cartographique de la génération selon les motifs de déplacements En complément des analyses précédentes, nous présentons dans ce qui suit une analyse cartographique de la génération sur la base des volumes de déplacements émis journalièrement. Elle traite, à focalisant sur Paris et la ville nouvelle de Marne-la- Vallée, de la densité des flux générés par zone et de leur répartition suivant les huit motifs de déplacements présentés précédemment. Thierno AW Doctorant ENPC-LVMT 28/29