Contrôle d'accès collaboratif : application à la rocade sud de Grenoble

Collaborative ramp metering control : application to Grenoble south ring

• Auteur / Autrice : Dominik Pisarski
• Direction : Carlos Canudas-de-Wit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et productique
• Date : Soutenance le 16/09/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Images parole signal automatique - Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Centre de recherche de l'université Grenoble Alpes
• Jury : Président / Présidente : Mazen Alamir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carlos Canudas-de-Wit, Olivier Sename, Giacomo Como
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : John Lygeros, Antonella Ferrara

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circulation, Technique de la

Circulation

Mots clés libres

Contrôle de trafic

Contrôle d'accès

Optimisation

Traffic control

Ramp metering

Optimization

Résumé

La thèse présente les résultats de recherche sur une méthode de contrôle distribué et coordonné pour la régulation des accès autoroutiers. Le trafic autoroutier est représenté par le modèle Cell Transmission Model (CTM). L'objectif de contrôle principal est de d'obtenir une distribution uniforme de la densité des véhicules sur des portions d'autoroute. Équilibrer la densité est un nouvel objectif de trafic qui peut potentiellement réduire le nombre et l'intensité des accélérations et décélérations et peut par conséquent permettre des voyages plus sécurisés et confortables tout en diminuant la consommation de carburant et les émissions de polluants. En outre, cet objectif prend en compte les paramètres de trafic standards tels que le Temps de Trajet Total et la Distance Totale Parcourue. Une architecture modulaire distribuée est proposée pour le contrôleur. Cela permet de déterminer les décisions optimales à prendre en utilisant uniquement des informations d'état locales et en provenance des contrôleurs voisins.La contribution débute par l'analyse d'ensembles d'équilibre de CTM. L'objectif de cette étude est d'obtenir les conditions qui assurent l'existence et l'unicité des états stationnaire qui sont équilibrées. Dans l'ensemble des états stationnaire, nous sommes intéressés à la sélection du point qui maximise la Distance Totale Parcourue. Sont discutés ensuite les aspects de la mise en œuvre et les limites de la méthode proposée. Enfin, plusieurs études de cas sont présentées appuyant les résultats d'analyse et examinant l'efficacité de la méthode proposée.La majeure partie de la thèse vise à concevoir un dispositif de commande optimale pour équilibrer la densité du trafic routier. L'optimisation est réalisée de manière répartie. En utilisant les propriétés de contrôlabilité, l'ensemble des sous-systèmes devant être contrôlés par des feux aux rampes d'accès sont identifiés. Le problème d'optimisation est alors formulé comme de Nash du jeu dans un environnement non coopératif. Le jeu est résolu en le décomposant en une série de jeux à deux joueurs hiérarchiques et compétitifs. Le processus d'optimisation emploie des canaux de communication qui correspond à la structure de commutation de l'interconnexion de système. L'approche alternative pour équilibrer emploie la théorie des systèmes multi-agents. Chacun des contrôleurs est pourvu d'une structure à rétroaction assurant que les états au sein de son sous-système atteignent des valeurs communes par l'évaluation de protocoles de consensus. Dans ces structures, un problème de contrôle optimal minimisant le Temps de Trajet Total est formulé. Le contrôleur distribué fondé sur le jeu de Nash est validé grâce des simulations microscopiques Aimsun. Le scénario de test comprend des données de trafic provenant de la rocade sud de Grenoble.

The thesis presents the results of research on distributed and coordinated control method for freeway ramp metering. The freeway traffic is represented by the Cell-Transmission Model. The primary control objective is to provide a uniform distribution of vehicle densities over freeway links. Density balancing is a new traffic objective which can potentially reduce the number and intensity of acceleration and deceleration events and therefore, it can make a travel more safety and comfortable while decreasing fuel consumption and emissions. In addition, the objective takes into account standard traffic metrics like Total Travel Distance and Total Travel Spent. For the controller, a distributed modular architecture is assumed. It enables to compute the optimal decisions by using only local state information and some supplementary information arriving from the neighbouring controllers.The contributing part begins with the analysis on equilibrium sets of the Cell-Transmission Model. The goal of this study is to derive the conditions that assure the existence and the uniqueness of the balanced equilibrium states. The next step is to find a set of inputs such that the resulting equilibrium state is balanced. In the set of balanced equilibria, we are interested in the selection of the point that maximizes the Total Travel Distance. In the sequel, the implementation aspects and limitations of the proposed method are discussed. Finally, several case studies are presented to support the analysis results and to examine the effectiveness of the proposed method.The major part of the thesis aims on a design of an optimal controller for balancing the traffic density. The optimization is performed in a distributed manner. By using controllability properties, the set of subsystems to be controlled by local ramp meters are identified. The optimization problem is then formulated as a non-cooperative Nash game. The game is solved by decomposing it into a set of two-players hierarchical and competitive games. The process of optimization employs the communication channels matching the switching structure of system interconnectivity. The alternative approach of balancing employs the theory of multi-agent systems. Each of the controllers is provided with a feedback structure assuring that the states within its local subsystem achieve common values by evaluating consensus protocols. Under these structures, an optimal control problem to minimize the Total Travel Spent is formulated. The distributed controller based on the Nash game is validated via Aimsun micro-simulations. The testing scenario involves the traffic data collected from the south ring of Grenoble.