Cette thèse se divise en quatre parties. La première partie est consacrée à l'étude bibliographique des différents modèles de transport actuellement utilisés pour la simulation du trafic urbain. Une nouvelle classification est proposée : elle consiste à distinguer les modèles à partir de quatre critères qui sont présentés en détail dans le chapitre 1.<br /><br />La deuxième partie de la thèse est consacrée au problème de décomposition d'un réseau urbain en sous réseaux de taille raisonnable et aussi indépendants les uns des autres que possible, c'est-à-dire ayant un nombre de connexions<br />aussi faible que possible.<br /><br />Dans la troisième partie de la thèse nous présentons un programme de simulation pour générer les données qui, à leur tour, vont servir à constituer une mémoire. Cette mémoire a pour objectif de proposer le chemin le plus rapide à l'intérieur d'un sous-réseau dès que l'on connaît l'état du sous-réseau ainsi que l'origine et la destination du véhicule.<br /><br />Enfin, la dernière partie de la thèse est la plus novatrice. Elle fait intervenir les techniques de l'analyse des données pour constituer la mémoire et permettre ainsi de choisir le chemin le plus rapide en temps réel.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le concept de ”Smart Cities” a émergé au cours des dernières années pour décrire comment les investissements dans le capital humain et social, et dans les technologies de la communication (TIC) infrastructures et services électroniques peuvent maintenir la croissance durable et la qualité de vie, par une gestion judicieuse des ressources naturelles et par un gouvernement participatif. Pour nous, Smart City est un environnement réel augmenté permettant l’informatique ubiquitaire, avec web 2.0, qui est collaborative, mobile et contextuelle, les acteurs humains, ainsi que des objets connectés faisant désormais partie intégrante de l’Internet. Dans le contexte de notre projet international France-Chine sur Smart City, nous avons utilisé une approche MOCOCO (Mobilité, Contextualisation, Collaboration) à mener des travaux de recherche avec de multiples applications dans des situations de travail professionnels et à domicile, des situations d’apprentissage mobile contextuelles, ainsi que des applications de Smart City sont prises en compte - le transport, la distribution des marchandises, et des activités sportives et culturelles. Cette thèse se concentre sur les services basés sur la localisation (LBS), et Internet des Objets (IdO), qui sont deux aspects importants de Smart City. Le choix de la Gestion Dynamique des Voies de Circulation comme une étude de cas dans cette thèse est également une bonne pratique d’intégration de nouvelles technologies pour rendre la ville plus intelligente et pour rendre notre vie plus confortable. Selon Schiller et Voisard (2004), les services basés sur la localisation peuvent ˆêtre définis comme des services qui intègrent l’emplacement ou la position d’un dispositif mobile avec d’autres informations afin de fournir une valeur ajoutée à un utilisateur. L’objectif est d’utiliser la mise en œuvre IdO pour améliorer LBS, fournissant l’intelligence ambiante et d’assurer la facilité d’utilisation pour usagers dans des situations dynamiques. L’aspect théorique de nos contributions est que nous examinons la possibilité et la faisabilité de l’utilisation de l’IdO pour augmenter LBS. L’architecture de l’IdO a une capacité d’intégrer divers objets, ce qui fournit à LBS une meilleure gestion des dispositifs de géolocalisation; l’intergiciel de l’IdO, capable de faire l’abstraction des objets et la composition de services, donne la possibilité de déployer des composants de service plus intelligents et personnalisés, ainsi peut améliorer l’intergiciel de LBS. L’aspect pratique de nos contributions est que nous avons choisi une problématique de gestion dynamique des voies comme une étude de cas, validant notre approche d’utiliser l’IdO pour augmenter LBS dans une application de Smart City. L’objectif du système de gestion dynamique des voies est d’assurer une meilleure utilisation de voie de circulation par l’allocation dynamique de voies à différents types de transport. Nous avons fourni l’architecture du système du point de vue de TIC, et un environnement de simulation pour valider la conception de la solution. Nous avons également développé une preuve de concept pour valider les aspects technologiques du système. L’environnement de simulation comprend un simulateur pour simuler la fonction du système et les comportements des véhicules, un éditeur de scénario, et un générateur de trafic en tant qu’outils d’initialisation. Différentes formes de visualisation de résultats de simulation sont également prises en compte. En outre, nous avons développé un outil d’évaluation basé sur la visualisation en 3D, qui permet l’interaction entre l’utilisateur et l’outil en temps réel, pour effectuer des tests d’utilisation comme l’étude des aspects IHM, puisque les facteurs humains devraient toujours être mis en premiers dans le contexte de Smart City. [...] / The concept of “Smart Cities” has emerged during the last few years to describe how investments in human and social capital and modern Information and Communication Technologies (ICT) infrastructure and e-services fuel sustainable growth and quality of life, enabled by a wise management of natural resources and through participative government. To us, Smart City is a real augmented environment allowing ubiquitous computing, with up-to-date web 2.0, which is collaborative, mobile and contextual, human actors as well as different things (connected objects) are now an integral part of internet. In the international France-China project on Smart City we used the MOCOCO approach (Mobility, Contextualization, Collaboration) to conduct research work with multiple applications in working, learning and social situations; professional and home working situations, professional and teenager contextual mobile learning situations as well as Smart City applications are taken into account – transportation, goods distribution and local sport and cultural activities. This dissertation focuses on Location Based Services, and Internet of Things, which are both important aspects of Smart City. The choice of dynamic management of road lanes as a case study in this thesis, is also a good practice of integrating new technologies to make the city smarter and to make our life more comfortable. According to Schiller and Voisard (2004), Location Based Services (LBS) can be defined as services that integrate a mobile device’s location or position with other information so as to provide added value to a user. During recent years, LBS has evolved from simple GIS applications and positioning of emergent phone callers to more complicated, proactive, application-oriented services adapted to different users. However, heterogeneity of devices, data management and analysis, and HCI aspects are always main challenges for LBS. Our goal is to make the LBS meet the requirements of Smart City, with use of Internet of Things (IoT), integrating a certain degree of ambient intelligence. The theoretical aspect of our contributions is that we examine at component level the possibility and feasibility of using IoT to better support LBS. The ability of IoT architecture of integrating various objects gives LBS a better management of location-aware devices; the sensors can also enrich the data source of LBS. The middleware of IoT, good at objects abstraction and service composition, provides possibilities to deploy more intelligent and customized service components, thus can enhance the middleware of LBS. The practical aspect of our contributions is that we choose a dynamic lane management problem as a use case study demonstrating our approach in regard to combining LBS with IoT for a Smart City application. The goal of the dynamic lane management system is to make a better use of road lanes by dynamic allocation of lanes to different types of transportation. We provide the system architecture, user interfaces and a simulation environment to validate the solution design. We also develop a proof of concept to validate the technological aspects of the lane management system. The simulation environment of the lane management system is another important part of our contributions, it includes a core simulator to simulate the function of the system and the behaviors of the vehicles, and an editor of scenario and a generator of traffic as initialization tools. Different visualization methods of simulation results are also taken into consideration. In addition, we develop an evaluation tool which allows for real time user interaction, based on the visualization of the results of the simulator to conduct user tests for HCI aspects, as human factors should always be considered in the context of Smart City. [...]

Cette thèse est consacrée à la conception et au développement d'une plateforme multi-agent, en réalité virtuelle, de pilotage de véhicules intelligents pour la simulation du comportement microscopique du trafic. D'abord, un système de simulation intelligent des véhicules en réalité virtuelle (VR-ISSV), basé sur les multi-agents, est proposé : c'est un système modulaire hiérarchique de modélisation et de simulation, comprenant une couche matérielle, réseau et système d'exploitation ; une couche de gestion de la visualisation ; une couche de multi-agents et une couche d'interface homme-machine. Ensuite, pour le modèle d'agent du véhicule intelligent, un paradigme de conception décentralisée est utilisé basé sur l'approche multi-contrôleurs, où le comportement du suivi des véhicules et le comportement du dépassement des véhicules sont réalisées par coordination entre multi-contrôleurs. L'agent d'environnement est construit en tenant compte de l'interaction entre les véhicules et l'environnement naturel synthétique. Un système d'information géographique (GIS) est par ailleurs utilisé afin de définir l'agent d'environnement. Enfin, pour assurer la sécurité dans les manœuvres microscopiques du trafic, plusieurs contrôleurs du véhicule intelligent, adaptés à l'environnement complexe, sont considérés. Les contrôleurs, basés sur la logique floue, sont proposés pour envoyer les commandes appropriées aux actionneurs du véhicule - volant de direction, accélérateur, frein... Les modèles de comportement microscopique du trafic basé sur l'agent de véhicule intelligent sont étudiés considérant différents scénarios et l'environnement

Le problème de la gestion éco-responsable du trafic urbain est adressé. Ce type de gestion du trafic vise à réduire les arrêts des véhicules, les accélérations, la consommation énergétique, ainsi que la congestion. L'éco-management du trafic dans les réseaux urbains peut être catégorisé dans deux classes principales : contrôle du véhicule et contrôle de l'infrastructure. Les deux domaines de contrôle peuvent présenter caractéristiques soit isolées soit coordonnées, en dépendant du type d'information utilisée dans l'optimisation.La gestion du trafic côté véhicule influe sur chaque véhicule en fonction de ses propres caractéristiques et position. Le contrôle isolé du véhicule vise principalement à optimiser la transmission et/ou le profil de conduite des véhicules, en utilisant éventuellement des informations sur les caractéristiques de la route, mais sans communiquer avec les autres agents du réseau. Le contrôle coordonné du véhicule, d'autre part, fait usage de la communication entre les véhicules et avec l'infrastructure pour obtenir des bénéfices plus importants en termes de consommation d'énergie et de fluidité de la circulation.En revanche, la gestion du côté infrastructure influe sur les feux et les panneaux de signalisation, afin d'améliorer les performances de l'ensemble du trafic. Le contrôle isolé de l'infrastructure régule essentiellement les feux de signalisation pour une seule intersection, ou bien les limites de vitesse dans un seul tronçon de route, sans prendre en compte les interactions avec les jonctions et/ou les sections voisines. Le contrôle coordonné de l'infrastructure surmonte cette limitation en utilisant des informations sur les conditions de circulation dans d'autres sections de la route, afin de réduire la congestion.Les contributions de ce travail peuvent être résumées comme suit.Tout d'abord, une solution pour le contrôle coordonné du véhicule a été proposée, dans laquelle la communication avec l'infrastructure est exploitée pour réduire la consommation d'énergie. En particulier, les plans des feux de signalisation sont supposés être communiqués au véhicule et connus, et une vitesse optimale est suggérée au véhicule afin de traverser une séquence de carrefours à feux sans s'arrêter, tout en suivant une trajectoire d'énergie minimale. La stratégie proposée, appliquée indépendamment à chaque véhicule, a été testée dans un simulateur de trafic microscopique afin d'évaluer l'impact sur les performances du trafic. L'analyse a montré que la consommation d'énergie et le nombre d'arrêts peuvent être considérablement réduits sans affecter le temps de parcours.Ensuite, une solution pour le contrôle isolé de l'infrastructure a été proposée. Un modèle macroscopique du trafic urbain a été introduit, et les limites de vitesse variables ont été utilisées pour améliorer les performances de la circulation. L'optimisation vise à trouver un compromis entre la réduction de consommation énergétique et le temps de parcours moyen des véhicules dans le tronçon de route considéré. Des expériences ont démontré qu'il existe une limite de vitesse optimale qui améliore les performances du trafic, et qui réduit la longueur de la file d'attente au feu de signalisation.Enfin, une solution pour le contrôle coordonné de l'infrastructure a été proposée. La synchronisation des feux de signalisation sur les grands axes de circulation a été prouvée efficace pour réduire le temps de parcours. Notre analyse a démontré qu'un problème d'optimisation peut être formalisé pour prendre en compte également les aspects énergétiques. Des expériences approfondies dans un simulateur de trafic microscopique ont montré qu'il existe une corrélation entre la progression du trafic et ses performances. La stratégie de contrôle proposée a montré qu'une réduction significative de la consommation d'énergie peut être atteinte, en éliminant presque complètement les arrêts et le temps d'arrêt, sans affecter le temps de parcours. / The problem of energy-aware traffic management in urban environment is addressed. Such traffic management aims at reducing vehicle stops, accelerations, energy consumption, and ultimately congestion. The eco-management in urban traffic networks may be divided in two broad categories: vehicle-side control and infrastructure-side control. Both control domains can feature isolated or coordinated characteristics, depending on the type of information used in the optimization.The vehicle-side traffic management influences each single vehicle according to its own characteristics and position. Isolated vehicle control aims primarily at optimizing the powertrain and/or the driving profile of the vehicles, possibly using information about the road characteristics, but without communicating with the other agents of the traffic network. Coordinated vehicle control makes use of communication among vehicles and with the infrastructure in order to achieve larger benefits in terms of energy consumption and traffic fluidity.The infrastructure-side management, on the other hand, influences traffic lights and road side panels in order to improve the performance of the traffic as a whole. Isolated infrastructure control regulates essentially the traffic lights at a single signalized intersection, or the speed limits in a single stretch of road, without taking into account the interactions with the neighboring junctions and/or road sections. Coordinated infrastructure control overcomes this limitation by using information about traffic conditions in other road sections to alleviate congestion.The contributions of this work to the energy-aware traffic management may be summarized as follows.Firstly, a solution for the coordinated vehicle control has been proposed, in which communication with the infrastructure is exploited to reduce energy consumption. In particular, the traffic lights timings are assumed to be communicated to the vehicle and known, and the vehicle is suggested an optimal speed to drive through a sequence of signalized intersections without stopping, while following a minimum-energy trajectory. The proposed strategy, independently applied to each vehicle, has been tested in a microscopic traffic simulator in order to assess the impact on the traffic performance. The analysis has demonstrated that the energy consumption and the number of stops can be drastically reduced without affecting the travel time.Then, a solution for the isolated infrastructure control has been proposed. A macroscopic urban traffic model has been introduced, and the variable speed limits have been used as actuation to improve traffic performance. In particular, the analysis has been carried out at saturated traffic conditions, with given and fixed traffic lights scheduling. The optimization aims at reducing the energy consumption in trade-off with the average travel time of the vehicles in the considered road section. Experiments have demonstrated that there exists an optimal speed limit that improves traffic performance and reduces the length of the queue at the traffic light.Lastly, a solution for the coordinated infrastructure control has been proposed. Traffic lights coordination on arterials has been proved to be effective in terms of traffic delay reduction. Our analysis has demonstrated that an optimization problem can be cast to take into account also energetic aspects. Extensive experiments in a microscopic traffic simulator have showed that a correlation exists between traffic progression and traffic performance indexes, such as energy consumption, travel time, idling time, and number of stops. The proposed control strategy has showed that a significant reduction of energy consumption can be achieved, almost completely eliminating number of stops and idling time, without affecting the travel time.

L'analyse et la prévision du comportement des réseaux de transport sont aujourd'hui des éléments cruciaux pour la mise en place de politiques de gestion territoriale. La simulation informatique du trafic routier est un outil puissant permettant de tester des stratégies de gestion avant de les déployer dans un contexte opérationnel. La simulation du trafic à l'échelle d'un ville requiert cependant une puissance de calcul très importante, dépassant les capacité d'un seul ordinateur.Dans cette thèse, nous étudions des méthodes permettant d'effectuer des simulations de trafic multi-agent à large échelle. Nous proposons des solutions permettant de distribuer l'exécution de telles simulations sur un grand nombre de coe urs de calcul. L'une d'elle distribue directement les agents sur les coeurs disponibles, tandis que la seconde découpe l'environnement sur lequel les agents évoluent. Les méthodes de partitionnement de graphes sont étudiées à cet effet, et nous proposons une procédure de partitionnement spécialement adaptée à la simulation de trafic multi-agent. Un algorithme d'équilibrage de charge dynamique est également développé, afin d'optimiser les performances de la distribution de la simulation microscopique.Les solutions proposées ont été éprouvées sur un réseau réel représentant la zone de Paris-Saclay.Ces solutions sont génériques et peuvent être appliquées sur la plupart des simulateurs existants.Les résultats montrent que la distribution des agents améliore grandement les performances de la simulation macroscopique, tandis que le découpage de l'environnement est plus adapté à la simulation microscopique. Notre algorithme d'équilibrage de charge améliore en outre significativement l'efficacité de la distribution de l'environnement / Nowadays, analysis and prediction of transport network behavior are crucial elements for the implementation of territorial management policies. Computer simulation of road traffic is a powerful tool for testing management strategies before deploying them in an operational context. Simulation of city-wide traffic requires significant computing power exceeding the capacity of a single computer.This thesis studies the methods to perform large-scale multi-agent traffic simulations. We propose solutions allowing the distribution of such simulations on a large amount of computing cores.One of them distributes the agents directly on the available cores, while the second splits the environment on which the agents evolve. Graph partitioning methods are studied for this purpose, and we propose a partitioning procedure specially adapted to the multi-agent traffic simulation. A dynamic load balancing algorithm is also developed to optimize the performance of the microscopic simulation distribution.The proposed solutions have been tested on a real network representing the Paris-Saclay area.These solutions are generic and can be applied to most existing simulators.The results show that the distribution of the agents greatly improves the performance of the macroscopic simulation, whereas the environment distribution is more suited to microscopic simulation. Our load balancing algorithm also significantly improves the efficiency of the environment based distribution

Cette thèse est consacrée à la conception et au développement d’une plateforme multi-agent, en réalité virtuelle, de pilotage de véhicules intelligents pour la simulation du comportement microscopique du trafic. D’abord, un système de simulation intelligent des véhicules en réalité virtuelle (VR-ISSV), basé sur les multi-agents, est proposé : c’est un système modulaire hiérarchique de modélisation et de simulation, comprenant une couche matérielle, réseau et système d’exploitation ; une couche de gestion de la visualisation ; une couche de multi-agents et une couche d’interface homme-machine. Ensuite, pour le modèle d’agent du véhicule intelligent, un paradigme de conception décentralisée est utilisé basé sur l’approche multi-contrôleurs, où le comportement du suivi des véhicules et le comportement du dépassement des véhicules sont réalisées par coordination entre multi-contrôleurs. L’agent d’environnement est construit en tenant compte de l’interaction entre les véhicules et l’environnement naturel synthétique. Un système d’information géographique (GIS) est par ailleurs utilisé afin de définir l’agent d’environnement. Enfin, pour assurer la sécurité dans les manœuvres microscopiques du trafic, plusieurs contrôleurs du véhicule intelligent, adaptés à l’environnement complexe, sont considérés. Les contrôleurs, basés sur la logique floue, sont proposés pour envoyer les commandes appropriées aux actionneurs du véhicule - volant de direction, accélérateur, frein... Les modèles de comportement microscopique du trafic basé sur l’agent de véhicule intelligent sont étudiés considérant différents scénarios et l’environnement / This PhD thesis is dedicated to the modeling and simulation of microscopic traffic behavior in virtual reality system, with the intent of providing a new approach to effectively ensure traffic safety. At first, Virtual Reality Intelligent Simulation System of Vehicles (VR-ISSV), based on multi-agent, is proposed to simulate the intelligent microscopic traffic, which is a hierarchical modular modeling and simulation system consisting of hardware, network and operating system layers, visualization management layer, multi-agent layer, human-machine interface layer. The multi-agent layer includes entity agents (intelligent vehicle agents and around vehicle agents), service agent and environment agent. Second, for the intelligent vehicle agent model, a decentralized design paradigm is used for developing the multi-controller based intelligent vehicle, whereby the car following behavior and the overtaking behavior could be realized by the coordination of the multi-controller. The environment agent is constructed based on the conception of Synthetic Natural Environment (SNE), taking into account the interaction between the vehicles and the natural environment. Geographic Information System (GIS) is used to establish environment agent. Finally, to ensure the safety in microscopic traffic maneuver, the intelligent vehicle controllers adapting to complex environment are considered. Fuzzy logic based controllers are designed for sending the appropriate outputs to the vehicle’s actuators – the steering wheel and the throttle/brake pedals. Microscopic traffic behavior models based on the intelligent vehicle agent involving environment are studied

La simulation constitue une approche majeure pour la conception, le développement, l’analyse et l’évolution des systèmes urbains. Dans le contexte de cette thèse, nous nous intéressons à la modélisation et à la simulation des déplacements de flux (piéton, véhicule, cycle) au sein d’environnements urbains. Le contexte industriel dans lequel s’inscrit également cette thèse impose de considérer les déplacements de chaque entité dans un univers modélisé en trois dimensions. Nous proposons d’aborder les nombreux défis scientifiques et technologiques en modélisant les flux sous la forme d’entités autonomes appelées agents. La simulation orientée-agent nécessite de définir trois mécanismes principaux : le comportement des agents, leurs interactions avec les autres agents et leurs interactions avec l’environnement dans lequel ils évoluent. Ce dernier modélise la structure du monde ainsi que sa dynamique endogène. Malheureusement, il reste difficile de trouver des modèles d’environnement répondant aux différentes problématiques scientifiques et technologiques abordées dans cette thèse. Par conséquent, nous proposons un modèle d'environnement, nommé HEDGE (HEterogenous Dual Graph Environment). Il est basé sur une décomposition de l’environnement en zones reliées par des liens de navigation et de perception. Cette structure de graphe est au centre de notre modèle. Elle a été conçue pour permettre une modélisation naturelle de l’environnement et une simulation efficace du système constitué par cet environnement et les agents. Les missions et les processus dynamiques de l’environnement sont modélisés à l’aide de mécanismes inspirés des lois de la Physique. Les actions fournies par les agents et par les algorithmes calculant la dynamique endogène de l’environnement sont des forces à appliquer aux objets du monde. Un modèle de détection et de résolution de conflits entre ces forces est utilisé afin de garantir un état cohérent du modèle de l’environnement. Dans la dernière partie de cette thèse, nous illustrons l’utilisation du modèle HEDGE dans le cadre de deux projets d’aménagement de la ville de Belfort et de sa communauté d’agglomérations Le produit de l’application de ce modèle est utilisé à des fins d’études techniques (études préliminaires, avant-projet), de communication (concertations et débats publics) et de promotion (expositions, valorisation) sous la forme de logiciels interactifs en 3D. / Simulation constitutes a major approach for the conception, development, analysis and evolution of urban systems. This thesis focusses on the modeling and simulation of movements (pedestrian, vehicle, cycle) within urban environments. The industrial context associated with this thesis requires to consider the movements of each entity in a three dimensional universe. In this thesis, we propose to address the scientific and technological challenges by using autonomous entities, called agents, to model the individuals. In agent-based simulation three elements must be defined: the agent behaviors, their interactions with other agents, and with the environment. The environment models the structure of the world and its endogenous dynamics. Unfortunately, it is still difficult to find an environment model that answers all the different scientific and technological problems addressed in this thesis. Consequently, an environment model named HEterogenous Dual Graph Environment (or HEDGE) is proposed. The HEDGE model is based on a decomposition of the environment using zones that are linked with navigation and perception links. This graph structure is at the center of our model. It is designed to “naturally” model the environment, and it allows an efficient simulation of the system composed of the environment and the agents. The environment’s missions and dynamic processes are modeled using mechanisms, which are inspired by the laws of Physics. The actions provided by the agents and the endogenous dynamics algorithms correspond to physical forces to apply to objects in the world. A model of conflict detection and resolution between those forces is used to ensure the coherence of the environment model state. In the last part of this thesis, the HEDGE model is used in the context of two urban planning projects in the city of Belfort, and its metropolitan area. The product of this model’s application is used in the context of technical studies (preliminary studies, pre-project), communication (consultation and public debates) and promotion (exposition, valorization) in the form of interactive 3D software.

Les systèmes de transport intelligents ont acquis un grand intérêt pour la recherche ces dernières années. Alors que la simulation réaliste du trafic joue un rôle important, elle n'a pas reçu suffisamment d'attention. Cette thèse est consacrée à l'étude de la simulation du trafic au niveau microscopique et propose des modèles de mobilité des véhicules correspondants. À l'aide de méthodes d'apprentissage profond, ces modèles de mobilité ont fait leurs preuves avec une crédibilité prometteuse pour représenter les véhicules dans le monde réel. D'abord, un modèle de mobilité basé sur un réseau de neurones piloté par les données est proposé. Ce modèle provient de données de trajectoires du monde réel et permet de mimer des comportements de véhicules locaux. En analysant les performances de ce modèle de mobilité basé sur un apprentissage de base, nous indiquons qu’une amélioration est possible et proposons ses spécifications. Un MMC est alors introduit. La préparation de cette intégration est nécessaire, ce qui comprend un examen des modèles de mobilité traditionnels basés sur la dynamique et l’adaptation des modèles « classiques » à notre situation. Enfin, le modèle amélioré est présenté et une simulation de scénarios sophistiqués est construite pour valider les résultats théoriques. La performance de notre modèle de mobilité est prometteuse et des problèmes de mise en œuvre sont également discutés / The intelligent transportation systems gain great research interests in recent years. Although the realistic traffic simulation plays an important role, it has not received enough attention. This thesis is devoted to studying the traffic simulation in microscopic level, and proposes corresponding vehicular mobility models. Using deep learning methods, these mobility models have been proven with a promising credibility to represent the vehicles in real-world. Firstly, a data-driven neural network based mobility model is proposed. This model comes from real-world trajectory data and allows mimicking local vehicle behaviors. By analyzing the performance of this basic learning based mobility model, we indicate that an improvement is possible and we propose its specification. An HMM is then introduced. The preparation of this integration is necessary, which includes an examination of traditional dynamics based mobility models and the adaptation method of “classical” models to our situation. At last, the enhanced model is presented, and a sophisticated scenario simulation is built with it to validate the theoretical results. The performance of our mobility model is promising and implementation issues have also been discussed

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.