Routage dynamique optimal pour les réseaux urbains : Une approche de programmation mathématique avec intégration complète des caractéristiques de flux de trafic

Optimal dynamic routing for urban networks : A mathematical programming approach with complete integration of traffic flow features

• Auteur / Autrice : Niloofar Shakoori
• Direction : Ludovic Leclercq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 30/09/2024
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’Ingénierie Circulation Transport et Éco-gestion des systèmes énergétiques pour les transports
• Jury : Président / Présidente : Hervé Rivano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ludovic Leclercq, Hervé Rivano, Jérôme Härri, Mahdi Zargayouna, Giovanni De Nunzio, Virginie Lurkin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Härri, Mahdi Zargayouna
• DOI : 10.70675/a2fab2e5z7669z4cfezbc37zb386d7e4a035

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circulation

Circulation urbaine

Mots clés libres

Génie civil

Routage

Transport urbain

Affectation dynamique

Trafic routier

Modélisation du trafic

Temps de trajets

Environnement

Optimisation

MFD - Diagramme fondamental macroscopique

Civil engineering

Routing

Urban transport

Dynamic assignment

Road traffic

Traffic modelization

Travel time

Environment

Optimisation

MFD - Macroscopic Fundamental Diagram

Résumé

Les réseaux de transport urbains sont de plus en plus confrontés à la congestion et à ses répercussions environnementales, ce qui impose de maintenir l'efficacité du système tout en minimisant l'impact environnemental. Les stratégies de routage optimales, essentielles dans la gestion des réseaux de trafic, peinent souvent à atteindre ces objectifs en raison des limitations des modèles traditionnels d'affectation dynamique du trafic (DTA). Ces modèles utilisent généralement des diagrammes fondamentaux triangulaires qui ne représentent pas les complexités des dynamiques du trafic urbain. De plus, la majorité des cadres existants privilégient l'optimisation du temps de trajet au détriment des objectifs environnementaux tels que les émissions. Cette lacune souligne la nécessité d'une approche de routage plus affinée et intégrée, incorporant des caractéristiques de trafic réalistes dans les cadres d'optimisation capables de traiter à la fois l'efficacité et l'impact environnemental dans la gestion du trafic urbain. Cette thèse étend les cadres existants sur l'affectation dynamique du trafic à optimalité systémique (SO-DTA) en introduisant un modèle de trafic basé sur le diagramme fondamental macroscopique par lien (MFD), améliorant ainsi la représentation des dynamiques du trafic urbain. En intégrant ce modèle dans un contexte de programmation mathématique (MMP) et en utilisant des fonctions linéaires par morceaux (PWL), le cadre proposé vise à fournir un guidage optimal prenant en compte à la fois le temps de trajet total du système (TSTT) et les émissions totales du système (TSE) dans des réseaux généraux. De plus, le cadre incorpore rigoureusement le problème de maintien des véhicules (VH) et les principes du ''premier entré, premier sorti'' (FIFO) simultanément. Comme la littérature considère principalement les principes VH et FIFO séparément en raison de leur complexité, l'inclusion explicite des deux principes améliore l'efficacité opérationnelle des modèles DTA. En résumé, cette thèse apporte plusieurs contributions clés. Tout d'abord, elle introduit un nouveau modèle de trafic basé sur le diagramme fondamental macroscopique par lien, captant les complexités des dynamiques du trafic urbain. Ensuite, intégré dans un cadre MMP, ce modèle utilise des approximations PWL pour le modèle de flux de trafic proposé. Troisièmement, le cadre soutient l'optimisation des objectifs pour le TSTT et le TSE, ce qui élargit conjointement l'applicabilité de ce cadre dans les contextes urbains. Quatrièmement, cette thèse affine la formulation NVH dans la formulation PWL du modèle de trafic basé sur le MFD par lien. Cinquièmement, le modèle intègre explicitement le principe FIFO, modélisant efficacement la gestion du trafic dans les réseaux généraux. Enfin, cette thèse propose des stratégies de solution, dont l’horizon glissant et des stratégies de sélection des itinéraires, pour atténuer les défis computationnels et améliorer l'évolutivité des cadres proposés.

Urban transportation networks are increasingly challenged by congestion and its environmental repercussions, which subsequently pose the imperative of maintaining system efficiency while minimizing environmental impact. Optimal routing strategies, pivotal in traffic network management, often struggle with these objectives due to the limitations of traditional Dynamic Traffic Assignment (DTA) models. These models typically employ triangular fundamental diagrams that may not represent the complexities of urban traffic dynamics. Furthermore, the majority of existing frameworks prioritize optimizing travel time over environmental objectives such as emissions. This oversight in the literature highlights the necessity for a more refined and integrated routing approach that incorporates realistic traffic features into the optimization frameworks capable of addressing both efficiency and environmental impact within urban traffic management. This thesis extends the existing frameworks in System-Optimal Dynamic Traffic Assignment (SO-DTA) literature by introducing a Link Macroscopic Fundamental Diagram (MFD)-based traffic model, enhancing the representation of urban traffic dynamics. By integrating this model within a Mathematical Programming (MMP) context and employing piecewise linear (PWL) functions, the proposed framework of this thesis is designed to provide optimal route guidance capable of considering both total system travel time (TSTT) and total system emissions (TSE) in general networks. Additionally, the framework rigorously incorporates the Vehicle Holding (VH) problem and the First-In-First-Out (FIFO) principles concurrently. As literature mainly considers VH and FIFO principles separately because of their complexities, the explicit inclusion of both principles enhances the operational effectiveness of DTA models. Taken together, this thesis provides several key contributions. First, it introduces a novel link MFD-based traffic model, which effectively captures the complexities of urban traffic dynamics. Second, integrated within a MMP framework, this model employs PWL approximations for the proposed traffic flow model. Third, the framework supports both objective optimization for TSTT and TSE, which jointly broaden the applicability of this framework in urban contexts. Fourth, this thesis also addresses the VH phenomenon by refining the NVH formulation within the PWL formulation of link MFD-based traffic model. Fifth, the model explicitly integrates the FIFO principle, which realistically models the operational effectiveness of traffic management in general networks. Finally, this thesis proposes solution strategies, including rolling horizon techniques and path selection strategies, to mitigate computational challenges and enhance the scalability and the performance of the proposed frameworks.