L'objectif de cette thèse est d'étudier l'évolution des hiérarchies urbaines et la nature de la croissance des villes dans les pays émergents, en s'appuyant sur les exemples de la Chine et de l'Inde entre 1981 et 2004. Cette période est marquée par des bouleversements profonds, tant sur un plan économique que sur un plan institutionnel pour les deux pays. Dans ce travail, la question de la nature de la croissance urbaine est analysée à travers la relation entre la taille d'une ville et sa croissance démographique. Si une telle relation existe, cela conduit à lier structurellement changement économique et mutation urbaine. Dans le cas inverse, les deux processus sont bien distincts, ce qui met en cause tout un pan de littérature qui se situe à l'intersection des sciences régionales et de l'économie du développement. Cette thèse montre que la croissance urbaine s'apparente à un processus aléatoire, sauf lorsqu'elle est institutionnellement canalisée, c'est-à-dire lorsque le législateur impose des restrictions dans les choix de déplacement et de migration des ménages et des firmes. Cela revient à démontrer que la croissance démographique de chaque ville est indépendante de sa taille, conformément à la loi de Gibrat. Sous un tel régime, un système urbain évolue à travers des changements dans l'ordre hiérarchique (les rangs) des différentes villes, tout en gardant sa structure hiérarchique d'ensemble fondamentalement stable dans le temps. Cette configuration valide la loi de Zipf pour les villes. Sur un plan empirique, les évolutions des hiérarchies urbaines chinoises et indiennes sont analysées à travers deux séries d'outils méthodologiques. En premier lieu, on cherche à caractériser la forme des distributions rang taille des villes, afin d'extraire un ensemble d'informations, concentrées dans la valeur du coefficient de hiérarchisation. On propose, alors, une analyse en coupe transversale, permettant de comparer l'état hiérarchique des distributions chinoise et indienne, à différentes dates, entre 1981 et 2004. En second lieu, on utilise un ensemble de méthodes paramétriques et non paramétriques pour étudier la nature de la croissance urbaine, en s'appuyant sur un panel plus réduit de villes des deux pays. On propose, alors, une analyse dynamique des hiérarchies urbaines, en se focalisant sur la question de la relation entre la taille et la croissance des villes. Cette problématique est développée en quatre chapitres. Le premier chapitre présente le modèle rang taille, le second l'applique sur les distributions des villes en Chine et en Inde, le troisième aborde les modèles de la croissance urbaine, tandis que le quatrième teste la nature de ce processus en Chine et en Inde. Par ce travail, cette thèse s'inscrit au prolongement d'un ensemble d'analyses.

A partir d'une base de données statistiques homogènes et de fonds cartographiques à différents niveaux spatiaux élaborés par nos critères, nous avons dressé un constat du fait urbain au Maghreb. La population urbaine progresse à un rythme soutenu mais donne lieu à une urbanisation qui est loin d'être un processus uniforme dans les territoires et entre les pays. La diversité des situations nationales, l'existence de traditions citadines... expliquent l'hétérogénéité des contextes urbains. L'explosion urbaine fulgurante que connaît l'ensemble du Maghreb est un phénomène récent mais dont le processus a démarré au début du 20ème siècle engendré par la colonisation et les mutations démographiques. Le système urbain des pays du Maghreb se modifie, les mutations sont particulièrement vigoureuses et elles affectent tous les échelons de la hiérarchie urbaine qui tend vers un équilibre. La volonté étatique de diffuser et d'harmoniser le fait urbain dans leur territoire s'est traduit par une stratégie reposant principalement sur les politiques économiques et administratives. Les littoraux concentrent toujours l'essentiel des villes, mais un début d'équilibrage des disparités régionales se met progressivement en place. Les dernières décennies ont vu exploser les tissus urbains et croître les populations urbaines, apparaître des métropoles, émerger des réseaux dynamiques de petites villes ce qui a profondément bouleversé l'armature urbaine de chaque pays. Cependant en près de 40 années, les pays du Maghreb ont construit et organisé des armatures urbaines répondant davantage à leurs objectifs.

Depuis trois décennies, les villes sont devenues le réceptacle majeur de la mondialisation de l'économie. Les mutations urbaines liées à ce contexte ont transformé leurs rôles et fonctions : ce phénomène appelé processus de métropolisation a fait l'objet d'études pluridisciplinaires depuis le début des années 1990. La définition du concept de métropolisation s'est d'abord construite pour les grandes métropoles. Mais les villes de taille inférieure ont subi également des mutations profondes. L'objet de la thèse consiste à analyser les transformations subies par les métropoles dont l'agglomération est comprise entre 500 000 et 1 million d'habitants et à apprécier si elles s'apparentent à des processus de métropolisation. A partir d'une analyse comparative de cinq capitales régionales européennes, les mutations urbaines sont saisies au regard des évolutions démographiques, socio-économiques et politiques. Les manifestations de la métropolarisation montrent que ces villes jouent aussi un rôle moteur dans le développement de leurs pays notamment grâce à leur insertion dans des dynamiques internationales. Toutefois, ces capacités demeurent fragiles car fortement dépendantes de mouvements économiques généraux et des politiques publiques.

La modélisation du trafic routier dans un réseau dense et de grande étendue nécessite un grand nombre de données, si bien qu'une modélisation par arcs est impossible en pratique. Pour simplifier le problème, une idée est d'agréger les tronçons du réseau en un continuum sur lequel le trafic routier s'écoule comme un fluide surfacique. Cette modélisation est qualifiée de bidimensionnelle. Même si la structure géométrique détaillée du réseau est perdue, une telle modélisation évite la description très fine du trafic sur un réseau dans lequel les points de mesure ne sont pas en nombre suffisant pour permettre une évaluation exhaustive de l'état du trafic. Une série de travaux commencée dans les années 1980 a permis de dégager quelques concepts importants. Cependant, ces travaux n'ont pas résolu les problèmes de modélisation fondamentaux : comment déduire et modéliser des comportements globaux à partir de comportements locaux (flux sur un axe, interactions aux intersections) ? Deux modèles bidimensionnels de trafic sont développés. Le premier modèle est statique. Le trafic s'écoule dans des directions de propagation privilégiées (orthogonales). Le modèle prend en compte l'équilibre entre l'offre de déplacement du réseau et une demande élastique de déplacement des usagers. Les principales sorties sont constituées en chaque point et pour chaque destination par les débits directionnels et les coûts de déplacement. Le deuxième modèle est dynamique. L'écoulement du trafic est décrit au niveau de cellules élémentaires du réseau dans lesquelles on définit les notions d'offre et de demande. À partir d'une loi comportementale obtenue sur un réseau discret, on écrit l'équation dynamique de conservation du trafic routier en tout point d'un réseau anisotrope

La modélisation du trafic routier dans un réseau dense et de grande étendue nécessite un grand nombre de données, si bien qu'une modélisation par arcs est impossible en pratique. Pour simplifier le problème, une idée est d'agréger les tronçons du réseau en un continuum sur lequel le trafic routier s'écoule comme un fluide surfacique. Cette modélisation est qualifiée de bidimensionnelle. Même si la structure géométrique détaillée du réseau est perdue, une telle modélisation évite la description très fine du trafic sur un réseau dans lequel les points de mesure ne sont pas en nombre suffisant pour permettre une évaluation exhaustive de l'état du trafic. Une série de travaux commencée dans les années 1980 a permis de dégager quelques concepts importants. Cependant, ces travaux n'ont pas résolu les problèmes de modélisation fondamentaux : comment déduire et modéliser des comportements globaux à partir de comportements locaux (flux sur un axe, interactions aux intersections) ? Deux modèles bidimensionnels de trafic sont développés. Le premier modèle est statique. Le trafic s'écoule dans des directions de propagation privilégiées (orthogonales). Le modèle prend en compte l'équilibre entre l'offre de déplacement du réseau et une demande élastique de déplacement des usagers. Les principales sorties sont constituées en chaque point et pour chaque destination par les débits directionnels et les coûts de déplacement. Le deuxième modèle est dynamique. L'écoulement du trafic est décrit au niveau de cellules élémentaires du réseau dans lesquelles on définit les notions d'offre et de demande. À partir d'une loi comportementale obtenue sur un réseau discret, on écrit l'équation dynamique de conservation du trafic routier en tout point d'un réseau anisotrope / Traffic road modelling in the dense network of a wide area needs a large amount of data. It renders a keen modelling unmanageable in practice. To simplify the problem, an idea is to aggregate the network links as continuous medium where traffic road flows as a fluid on a surface. This modelling is called two-dimensional. Even if the detailed geometric structure of the network is lost, such a modelling avoids the traffic keen description on a network where measure points are not numerous enough to allow an exhaustive evaluation of traffic state. A series of articles started in the 80's have highlighted relevant concepts. Nevertheless, these previous works have not solved fundamental modelling issues: how to deduce and model global behaviours basing on local behaviours (flow on an axe, interactions at intersections). Two models are developed. The first model is static. Traffic road flows on privileged directions (orthogonal). The model takes into account the balance between the network trip supply and the users' elastic trip demand. The principal outputs are, for each point of the network and each destination, the directional flows and the trip costs. The second model is dynamical. The description of traffic flows stands at the level of elementary traffic cells, where concepts of supply and demand are defined. With a behaviour law deduced from a discrete network, we establish the conservation dynamic equation of road traffic at each point of an anisotropic network

La congestion en milieu urbain est un enjeu majeur que ce soit d’un point vue économique, social ou environnemental. À court et moyen terme, l’utilisation de la simulation dynamique du trafic routier peut permettre d’analyser et de guider des politiques d’optimisation des infrastructures existantes. Aujourd’hui, du fait de la complexité des systèmes de transport, les outils de modélisation classiques sont limités à des échelles géographiques peu étendues (de l’ordre du quartier). À grande échelle, le temps de calcul devient rapidement un facteur limitant tout comme le calibrage et la scénarisation. Néanmoins les dernières décennies ont vu l’apparition d’une nouvelle génération de modèles bien adaptés aux métropoles urbaines. Ceux-ci sont basés sur une relation phénoménologique entre la production de déplacements et le nombre de véhicules dans une zone spatiale d’un réseau routier, appelée Diagramme Fondamental de Zone (Macroscopic Fundamental Diagram, MFD). Cette relation, validée empiriquement sur de nombreuses villes, a permis d’étudier différentes méthodes de contrôle du trafic pour une ville entière, mais a été peu utilisée à des fins de prévision de la congestion. L’objectif de cette thèse est de proposer un premier outil opérationnel de simulation et d’analyse des grands réseaux de métropoles, en utilisant et développant les modèles de trafic basés sur la relation MFD. Cet outil doit posséder un cadre théorique cohérent qui puisse convenir à des applications telles que la prévision d’états de trafic, le développement de nouvelles politiques de contrôle, l’estimation de pollutions liées au trafic, etc. Les contributions de la thèse portent sur deux aspects. Le premier est l’analyse des propriétés mathématiques et physiques des modèles existants, en incluant une formalisation complète de la gestion de plusieurs longueurs de parcours au sein d’une même zone urbaine. En particulier, cette formalisation traite de la distinction des trajets internes à la zone et des problèmes de flux convergents et divergents pour les trajets traversant la zone lorsque la congestion se propage d’une zone à l’autre. Le deuxième aspect est la proposition d’un nouveau modèle basé sur la distance individuelle parcourue à l’intérieur d’une zone urbaine (trip-based). Cette approche permet d’individualiser les usagers (auparavant représentés sous forme de flux continus) et donc de définir plus finement leurs caractéristiques, en vue de coupler leurs déplacements à des modèles d’affectations sur différentes routes. Enfin, des exemples d’application illustrant diverses collaborations sont donnés en dernière partie de la thèse. La simulation du trafic sur l’aire urbaine du Grand Lyon (France) y est présentée, ainsi que de nouveaux modules de modélisation de la recherche de parking ou de contrôle périphérique. Cette thèse est partie intégrante d’un projet européen ERC intitulé MAGnUM : Approche multi-échelle et multimodale de la modélisation du trafic pour une gestion durable de la mobilité urbaine. / Congestion in urban areas has become a major issue in terms of economic, social or environmental impact. For short or mid term, using dynamic road traffic simulation can help analyzing and providing guidelines to optimization policies of existing infrastructures. Today, because of the complexity of transport systems, classical modeling tools are limited to small geographical areas (of a district size). Computational time, together with simulation calibration, are notably very constraining at large scales. However, a new generation of models designed for metropolitan areas has arisen over the past decades. These models are based on a phenomenological relationship between travel production and the number of vehicles in a given spatial area of a road network, known as the Macroscopic Fundamental Diagram (MFD). This relationship, supported by empirical evidences from several cities around the world, has allowed the study of different traffic control schemes at a whole city scale, but was rarely used for traffic state forecasting. The aim of this PhD is to propose an efficient modeling tool, based upon the concept of MFD, to simulate and analyze traffic states in large metropolitan areas. The theoretical framework of this tool must be consistent and applicable for traffic state forecasting, development of new control policies, traffic emission estimation, etc. There are two major contributions in this PhD. The first one is analyzing the mathematical and physical properties of existing models, and formalizing the dynamics of several trip lengths inside the same urban zone. In particular, this formalization distinguishes between internal trips and trips crossing the zone. Flow merging and diverging issues are also addressed when congestion propagates from one zone to another. The second contribution is proposing a new trip-based model based on individual traveled distance. This approach allows to treat users independently (previously represented with continuous flows), and thus to define their characteristics more precisely to couple their trips with assignment models on different paths. Finally, examples of application from various collaborations are given in the last part of this thesis. It includes a simulation study of the Grand Lyon urban area (France), as well as new modules to simulate search-for-parking or perimeter control. This PhD is part of a European ERC project entitled MAGnUM: Multiscale and Multimodal Traffic Modeling Approach for Sustainable Management of Urban Mobility.