Modélisation et simulation du trafic. Christine BUISSON (LICIT) Journée Simulation dynamique du trafic routier ENPC, 9 Mars 2005

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1 Modélisation et simulation du trafic Christine BUISSON (LICIT) Journée Simulation dynamique du trafic routier ENPC, 9 Mars 2005

2 Plan de la présentation! Introduction : modèles et simulations définition des cas traités aujourd hui! 1 ère partie : modèles et outils de simulation du trafic! 2 nde partie : les treize étapes d une étude en simulation réussie! Conclusions 9 mars

3 Introduction! Un modèle est une image de la réalité ; 9 mars

4 René Magritte, La trahison des images, Septembre 1928, huile sur canevas, 90 x 123 cm, collection privée, New York.

5 Introduction (suite)! Un modèle est une image de la réalité ;! Il est basé sur des hypothèses simplificatrices. 9 mars

6 Introduction (suite) Les outils de simulation sont des programmations sur ordinateurs des modèles. Ces modèles, généralement mathématiques :! font des hypothèses simplificatrices sur la réalité,! expriment de manière continue l état du système à t+ t en fonction de celui à t,! sont ensuite résolus numériquement. Les modèles sont ensuite programmés sur un ordinateur ; Un habillage (interface graphique) permet un usage plus facile. " toujours vérifier que les hypothèses simplificatrices du modèles, sous jacentes au logiciel de simulation sont pertinentes dans votre cas!! 9 mars

7 Introduction (fin) Dans cette présentation, on s intéresse aux outils pour l exploitant! De réseau urbain ;! Péri urbain ;! Interurbain. Les outils de simulation dynamique du trafic permettent! A noter :! De comparer des aménagements de voirie! De comparer des réglages de feux ;! De comparer diverses stratégies de régulation du trafic :! Information des usagers ;! Régulation d accès ;! Diffusion d information des liens existent et se renforcent avec les outils pour la planification 9 mars

8 1 ère partie : Modèles et outils de simulation du trafic Le phénomène auquel on s intéresse est la circulation des véhicules. Deux composantes du phénomène :! Progression des véhicules sur les voies (files d attentes, flux, vitesses )! Ecoulement 1.1.A! Répartition des véhicules sur le réseau (pourcentages directionnels, )! Affectation 1.1.B Ce phénomène a lieu sur un réseau dont il faut décrire :! La géométrie! La nature des voies! Les régulations mises en place! Il faut également décrire la demande de trafic qui cherche à se déplacer :! Matrices origines / destination " Fournir au logiciel de simulation l ensemble des données et paramètres dont il a besoin mars

9 1.1.A Modèles d écoulement Deux problèmes d écoulement :! Sur les axes! Aux nœuds du réseau En simplifiant, deux types de modèles d écoulement :! Individualisant les véhicules! Considérant un flux homogène 9 mars

10 1.1.A.a Modèles microscopiques d écoulement : traitement des axes! Écoulement des véhicules les uns derrière les autres : loi de poursuite Accélération = Fonction (espacement, vitesses)! Répartition des véhicules sur les voies : lois de changement de file File = Fonction (vitesse désirée, vitesses sur les voies adjacentes ) 9 mars

11 1.1.A.a Modèles microscopiques d écoulement : traitement des axes Les modèles microscopiques sont stochastiques : Ils utilisent des distributions des valeurs individuelles :! Vitesse désirée ;! Distance de sécurité ;! «Facilité à supporter une contrainte» ;! Il y a donc des tirages aléatoires des valeurs individuelles Ce qui implique qu il faut faire plusieurs «réplications» 9 mars

12 1.1.A.a Modèles microscopiques d écoulement : traitement des intersections Les règles de priorité et d acceptation de créneau peuvent être simulés avec un formalisme similaire 9 mars

13 1.1.A.b Modèles macroscopiques d écoulement : traitement des axes! L hypothèse de base est que les véhicules peuvent être assimilés à un flux. " On néglige :!les «trous»!les variations de comportement d un véhicule à l autre!les variations de comportements d un véhicule au cours de son déplacement! Les variables d état sont :!le débit Q(x,t)!la concentration ou densité K(x,t) 9 mars

14 1.1.A.b Modèles macroscopiques d écoulement : traitement des axes! Conservation des véhicules " K( x, t) + t Q( x, t) = 0 x! Le débit est une fonction de la concentration à travers la relation fondamentale : Q ( x, t) = F( K( x, t)) 9 mars

15 1.1.A.b Modèles macroscopiques d écoulement : traitement des axes La relation fondamentale est une équation simplifiée basée sur des observations expérimentales. 9 mars

16 1.1.A.b Modèles macroscopiques d écoulement : traitement des intersections Le traitement des intersections est basé sur une modification locale des règles de calcul des débits. 9 mars

17 1.1.B Modèles d affectation Permettent de reproduire la répartition d une demande entre une origine et une destination sur les différents itinéraires possibles. Origine Destination 9 mars

18 1.1.B Modèles d affectation En situation statique c est-à-dire sans variation de la demande, ni de l offre, des modèles sont disponibles (DAVIS, EMME2, ). Lorsque la demande (ou l offre) varie : situation dynamique Nécessité de calculer plusieurs optima successifs. Problèmes traités (pour l instant??) de manière insatisfaisante : Information des usagers (PMV, ) Guidage ; 9 mars

19 1.2 Données nécessaires pour alimenter les outils de simulation! La géométrie Longueur des axes, position des carrefours Des interfaces avec des SIG peuvent faciliter le travail de saisie! La nature des voies Nombre de voies, capacités! Les régulations mises en place Réglage des feux Ou logiques de régulation 9 mars

20 1.2 Données nécessaires pour alimenter les outils de simulation (suite)! Matrices Origines Destination dynamiques Souvent issues de Mat. OD Statiques, puis travaillées par des logiciels, pour obtenir des Mat. OD dynamiques.! Conditions initiales (Ou alors prendre un réseau vide)! Conditions aux limites (capacité des voies en aval de la zone simulée)! Modifications du réseau suite à des :! Incidents! Conditions météo! Nature et répartition par type de véhicules! TC,! Véhicules informés/pas informés,! 9 mars

21 1.2 Données nécessaires pour alimenter les outils de simulation (suite)! Données réelles (boucles, caméras, ) permettant d identifier une situation normale de fonctionnement du réseau. On commence par choisir l indicateur de qualité (capacités, temps de parcours individuels ou totaux ) Ensuite les données réelles sont partagées en deux parties :! La première partie permet le calibrage (réglage des paramètres) " Attention au risque de sur calibrage, en particulier lorsque le nombre de paramètres est élevé! La seconde partie, la validation. " Les erreurs doivent être du même ordre dans les deux cas.! Données imaginées pour construire la situation projetée. 9 mars

22 1.2 Données nécessaires pour alimenter les outils de simulation (suite)! Matrices Origines Destination dynamiques Souvent issues de Mat. OD Statiques, puis travaillées par des logiciels, pour obtenir des Mat. OD dynamiques.! Conditions initiales (Ou alors prendre un réseau vide)! Conditions aux limites (capacité des voies en aval de la zone simulée)! Modifications du réseau suite à des :! Incidents! Conditions météo! Nature et répartition par type de véhicules! TC,! Véhicules informés/pas informés,! 9 mars

23 1.2 Données nécessaires pour alimenter les outils de simulation (fin)! Il est toujours très difficile de se procurer des données de bonne qualité ; en particulier pour :! Matrice OD dynamique! Prévoir un temps dans le projet pour la vérification de cohérence, la qualification, le filtrage et l agrégation des données fournies. 9 mars

24 2. Treize étapes d une étude en simulation réussie 1. S interroger : «Suis-je réellement obligé(e) d utiliser la simulation?». La simulation est consommatrice de temps et d argent. D autres solutions existent, pour dégrossir le problème, en particulier les débits cumulés. 2. S interroger «quelles sont les questions posées?» et «quelles sont les questions à ignorer?». Faire une liste des configurations réseau envisagées (physiques et de régulation) ; des indicateurs utiles au projet, 3. Choisir soigneusement le logiciel qui sera utilisé. Il doit répondre au maximum de questions posées, mais ne pas le sur dimensionner. Un logiciel connu, à performance identiques, devra être préféré à un logiciel inconnu. 9 mars

25 2. Treize étapes d une étude en simulation réussie 4. Circonscrire l étude dans le temps et dans l espace. Définir les alternatives à étudier.! Extension géographique de la zone à étudier ;! Durée de l heure de pointe. Les limites doivent contenir toute la congestion actuelle ou future 5. Recueillir les données nécessaires. 6. Coder le réseau (caractéristiques des axes et carrefours, demandes de trafic, régulation des feux, ) suivant le format du logiciel choisi. 7. Vérifier soigneusement les sorties du logiciel pour repérer les erreurs de codage. Les corriger. Vérifier que chaque axe a un carrefour amont et aval 9 mars

26 2. Treize étapes d une étude en simulation réussie 8. Calibrer soigneusement les paramètres du logiciel en respectant un ordre défini sur un sous ensemble des données de la situation actuelle.! Commencer par faire un calibrage pour la capacité de chaque arc en ajustant les paramètres d écoulement,! Poursuivre par la répartition des flux,! Terminer par le réglage à partir d indicateur globaux (comme le temps total passé). 9. Valider la simulation sur le second sous ensemble de données de la situation actuelle. Les erreurs finales (de l ordre de 10 à 20 %) devront être du même ordre que celles obtenues en calibrage 9 mars

27 2. Treize étapes d une étude en simulation réussie 10. Définir finement les différentes alternatives en relation avec le donneur d ordre.! prévision de l évolution de la demande à l horizon du projet,! codage des modifications de l infrastructure. 11. Simuler les alternatives. 12. Analyser les résultats des simulations des différentes alternatives en fonction des indicateurs d efficacité de l aménagement choisis :! temps total passé,! débit total de l infrastructure! 13. Ecrire le rapport final. 9 mars

28 Conclusions (1/2)! Adapter le choix de l'outil! Au problème posé! Aux moyens disponibles (données, temps...)! Utiliser à bon escient! Les mesures et expérimentations! Les calculs " Certains, même très simples, peuvent permettre de calculer grossièrement un horizon de rentabilité! La simulation 9 mars

29 Conclusions (2/2)! Intérêt de la simulation! Etude de scénarios complexes! Calcul de nombreux indicateurs! Présentation aux décideurs! Limites! Domaine de validité bien défini à ne pas déborder! validité des résultats souvent plus qualitative que quantitative! Demande un investissement et un savoir-faire important! Une enquête sur les besoins des usagers de la recherche en trafic routier est en cours, merci de transmettre vos cartes de visites! 9 mars

30 Références! A lire absolument :! 2004, FHWA; Traffic analysis toolbox Vol. I, II & III. En particulier le volume III : Guidelines for Applying traffic microsimulation modeling software: 2001, F. Künkel et Ch. Buisson, Simulation dynamique du trafic routier, Dossier 106, CERTU, Lyon, 121 pages.! Ont de plus été utilisés pour cette présentation :! 1999, JB Lesort, modélisation et simulation du trafic, journée simulation du trafic du CERTU ; septembre.! 2005, L. Leclercq, Calibration of flow density relationships in urban streets ; TRB mars

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