Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le contexte des systèmes de particules. Nous considérons différents systèmes physiques, décrits de manière continue, et dont la dynamique est modélisée par des équations aux dérivées partielles décrivant l’évolution temporelle de certaines quantités macroscopiques ou microscopiques, selon l’échelle de description envisagée. Dans une première partie, nous nous intéressons à une équation de type coagulation-fragmentation cinétique. Nous obtenons un résultat d’existence globale en temps, dans le cadre des solutions renormalisées de DiPerna-Lions, pour toute donnée initiale vérifiant les estimations naturelles et possédant une norme L1 et une norme Lp (p > 1) finies. La deuxième partie traite de méthodes de moments. L’objectif de ces méthodes est d’approcher un modèle cinétique par un nombre fini d’équations portant sur des quantités dépendant uniquement de la variable d’espace, et la question est de savoir comment fermer le système obtenu pour obtenir une bonne approximation de la solution du modèle cinétique. Dans un cadre linéaire, nous obtenons une méthode de fermeture explicite conduisant à un résultat de convergence rapide. Enfin, dans une troisième partie, nous travaillons sur la modélisation du trafic routier avec prise en compte de la congestion à l’aide d’un système hyperbolique avec contraintes, issu de la dynamique des gaz sans pression. En modifiant convenablement ce système, nous parvenons à modéliser des phénomènes de trafic routier "multi-voies", comme l’accélération, et la création de zones de vide. Un résultat d’existence et de stabilité des solutions de ce modèle modifié est démontré. / The context of this thesis is particle systems. We deal with different physical systems, described continuously, whose dynamics are modeled by partial differential equations. These equations follow the evolution in time of macroscopic or microscopic quantities, according to scale description. In the first part, we consider a kinetic model for coagulation-fragmentation. We obtain a global existence result, using the notion of DiPerna-Lions renormalized solutions, for initial data satisfying the natural physical bounds, and assumptions of finite L1 and Lp norm (for some p > 1). The second part deals with methods of moments. The aim of these methods is to approximate a kinetic model by a finite number of equations whose unknowns depend only on the space variable. The question is : how to close this system to get a good approximation of the solution of the kinetic model ? In a linear setting, we obtain an explicit method with linear closure relations, which leads to a fast convergence result. In the last part, we work on modeling of traffic jam taking into account the congestion, using a hyperbolic system with constraints, which occurs in the dynamics of a pressureless gas. By suitably modifying this system, we can model "multi-lane" phenomena, like acceleration, and creation of vacuum. An existence and stability result is proved on this new model.

L'usage excessif des routes peut entraîner de nombreux inconvénients dont la pollution, les accidents et la congestion. Une solution accessible à court terme consiste à mettre en œuvre des systèmes de gestion de trafic. Dans ce cadre, nous proposons un formalisme, appelé Réseaux de Petri Lots Triangulaire, qui permet la modélisation et la simulation du trafic routier au niveau mésoscopique comme un système à événements discrets. Le RdPLots Triangulaire permet ainsi de décrire les caractéristiques globales du trafic routier: flux, densité et vitesse à travers la proposition d'une relation flux-densité triangulaire. Cette relation implique une modification de la dynamique des lots. Cette dynamique permet maintenant de représenter les deux états du trafic routier à savoir fluide et congestionné ainsi que les trois régimes dédiés au comportement libre, congestion et décongestion. Le calcul des flux instantanés des transitions est à présent réalisé par une méthode basée sur la technique de programmation linéaire en ajoutant une contrainte qui prend en compte l'état et le régime des lots. Pour modéliser des stratégies de contrôle telles que la variation de la vitesse limite (VSL), nous avons intégré au RdPLots Triangulaire des événements contrôlés qui permettent le changement de la vitesse maximale d'une place lot et le flux maximal d'une transition continue ou lot. Tous ces apports théoriques sont implémentés dans un logiciel que nous avons appelé SimuleauTri, sous lequel nous avons étudié des portions d'autoroute à partir des données réelles. Les résultats de simulation sont proches des mesures effectuées sur le terrain, et montrent la pertinence de RdPLots Triangulaire. / The excessive use of roads can cause many adverse effects including pollution, insecurity and congestion. The available short-term solution is the implementation of traffic management systems which optimize the flow and reduce congestion without needing additional infrastructures. In this context, we proposed a new formalism, called Triangular Batches Petri Nets (Triangular BPN), which combines modeling and simulation of traffic in mesoscopic level as a discrete event system. The Triangular BPN describing the overall characteristics of the road traffic such as flow, density, speed by representing a new triangular relation flow-density. This relation implies the modification of batches dynamic, which is now used to represent the two road traffic states : fluid and congested, as well as the three behaviors :free, congestion and decongestion. The calculation of the instantaneous firing flows is achieved by adding a constraint that takes into account the state and behavior of batches. A set of controlled events integrated to the Triangular BPN, that allow the variation of the maximum speed of batch place and the maximum flow of batch and continuous transition. These controlled events used to model the control strategies, such as variable speed limit (VSL). All these theoretical contributions implemented in a software that is called SimuleauTri and used to study a motorway portions from real data. The simulation results are close to the measurements on the ground and show the pertinence of Triangular BPN.

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s’inscrivent dans le cadre des Systèmes de TransportIntelligents (STI). Bien que les premières études sur ces systèmes ont commencé dans les années 60, leurdéveloppement reposant sur les techniques de l’information et de la communication, a atteint sa maturitédans le début des années 80. Les STI, sont composés de différents systèmes et intègrent différents concepts(systèmes embarqués, capteurs intelligents, autoroutes intelligentes, . . .) afin d’optimiser le rendementdes infrastructures routières et répondre aux problèmes quotidiens des congestions. Ce mémoire présentequatre contributions dans le cadre du trafic routier et aborde les problèmes de l’estimation et de lacommande afin d’éliminer les problèmes de congestions « récurrentes ». Le premier point traite unproblème crucial dans le domaine des STI qui est celui de l’estimation. En effet, la mise en oeuvre delois de commande pour réguler le trafic impose de disposer de l’ensemble des informations concernantl’évolution de l’état du trafic. Dans ce contexte, deux algorithmes d’estimation sont proposés. Le premierrepose sur l’emploi du modèle METANET et les techniques de modes de glissement d’ordre supérieur. Lesecond est basé sur les CTM (Cell Transmission Models). Plusieurs études comparatives avec les filtresde Kalman sont proposées. La seconde contribution concerne la régulation du trafic. L’accent est mis surle contrôle d’accès isolé en utilisant les algorithmes issus du mode de glissement d’ordre supérieur. Cettecommande est enrichie en introduisant une commande intégrée combinant le contrôle d’accès et le routagedynamique. L’ensemble des résultats, validé par simulation, est ensuite comparé aux stratégies classiquesnotamment le contrôle d’accès avec l’algorithme ALINEA. La troisième contribution traite des problèmesde coordination. En effet, l’objectif est d’appliquer le principe de la commande prédictive pour contrôlerplusieurs rampes d’accès simultanément. L’ensemble des contributions ont été validées en utilisant desdonnées réelles issues en grande partie de mesures effectuées sur des autoroutes françaises. Les résultatsobtenus ont montré un gain substantiel en termes de performances tels que la diminution du trajet, dutemps d’attente, de la consommation énergétique, ainsi que l’augmentation de la vitesse moyenne. Cesrésultats permettent d’envisager plusieurs perspectives nouvelles de développement des recherches dansce domaine susceptibles d’apporter des solutions intéressantes. / The works presented in this PhD dissertation fit into the framework of Intelligent TransportationSystems. Although the beginnings of these systems have started since the 60s, their development, basedon information and communication technologies, has reached maturity during the early 80s. The ITS usesthe intelligence of different systems (embedded systems, intelligents sensors, intelligents highways, etc.)in order to optimize road infrastructures performances and respond to the daily problems of congestions.The dissertation presents four contributions into the framework of road traffic flow and tackles theestimation and control problems in order to eliminate or at least reduce the “recurrent" congestionsphenomena. The first point treats the problem of traffic state estimation which is of most importance inthe field of ITS. Indeed, the implementation and performance of any control strategy is closely relatedto the ability to have all needed information about the traffic state describing the dynamic behavior ofthe studied system. Two estimation algorithms are then proposed. The first one uses the “metanet"model and high order sliding mode techniques. The second is based on the so-called Cell TransmissionModels. Several comparative studies with the Kalman filters, which are the most used in road traffic flowengineering, are established in order to demonstrate the effectiveness of the proposed approaches. Thethree other contributions concern the problem of traffic flow control. At first, the focus is on the isolatedramp metering using an algorithm based on the high order sliding mode control. The second contributiondeals with the dynamic traffic routing problem based on the high order sliding mode control. Such controlstrategy is enriched by introducing the concept of integration, in the third contribution. Indeed, integratedcontrol consists of a combination of several traffic control algorithms. In this thesis the proposed approachcombines an algorithm of on-ramp control with a dynamic traffic routing control. The obtained results arevalidated via numerical simulations. The validated results of the proposed isolated ramp metering controlare compared with the most used ramp metering strategy : ALINEA. Finally, the last contributiontreats the coordination problems. The objective is to coordinate several ramps which cooperate andchange information in order to optimize the highway traffic flow and reduce the total travel time in theapplied area. All these contributions were validated using real data mostly from French freeways. Theobtained results show substantial gains in term of performances such as travel time, energetic consumptiondecreasing, as well as the increasing in the mean speed. These results allow to consider several furtherworks in order to provide more interesting and efficient solutions in the ITS field.

Le domaine de la modélisation du trafic routier vise à comprendre son évolution. Dans les dernières années, plusieurs modèles du trafic ont été proposés dans l’objectif de géolocaliser les embouteillages au sein du trafic, détecter des motifs dans le trafic routier, estimer l’état du trafic etc. La plupart des modèles proposés considèrent le trafic routier en termes de ses constituants ou comme une entité agrégée en fonction de l’échelle choisie et expliquent l’évolution du trafic quantitativement en tenant compte des relations entre les variables de trafic comme le flot, la densité et la vitesse. Ces modèles décrivent le trafic en utilisant des données très précises acquises par différents capteurs. La précision des données rend son calcul coûteux en termes de ressources requises. Une des solutions à ce problème est la représentation qualitative du trafic routier qui réduit le nombre de ressources de traitement nécessaires. Puisque le trafic routier est un phénomène spatio-temporel, les modèles proposés pour représenter ce type de phénomène pourraient être appliqués dans le cas du trafic routier. Les modèles spatio-temporels, proposés par la communauté de l’Analyse Spatio-Temporelle, ont comme objectif la représentation d’un phénomène tant du point de vue qualitatif que quantitatif. Certains de ces modèles proposent une discrétisation des phénomènes modélisés en considérant un phénomène comme constitué d’entités. Appliquée au trafic routier, cette notion permet d’identifier différentes entités, comme les véhicules, les piétons, les bâtiments etc., qui le constituent. Ces entités influent sur l’évolution du trafic. Les modèles spatio-temporels qualitatifs définissent l’effet des différentes entités les unes sur les autres en terme de relations spatiales. L’évolution spatio-temporelle du phénomène modélisé est représenté par la variation temporelle de ces relations. La prise en compte des entités du trafic et des relations spatiales formalise une structure qui peut être représentée en utilisant un graphe, où les nœuds modélisent des entités et les arcs des relations spatiales. Par conséquent, l’évolution du trafic, modélisée via ce graphe, devient l’évolution du graphe et peut être représenté en terme de la variation de la structure du graphe ainsi que celle des attributs de ses nœuds et de ses arcs. Dans cette thèse, nous proposons une modélisation du trafic routier de ce type basée sur la théorie des graphes. Une des applications à la modélisation du trafic routier est la détection des motifs pertinents au sein du trafic. Dans les modèles du trafic existants, les motifs détectés sont statistiques et sont représentés en utilisant des caractéristiques numériques. Le modèle que nous pro posons dans cette thèse met en avant la structure représentant le trafic routier et peut donc être utilisé pour définir des motifs structurels du trafic qui prennent en compte des différentes entités du trafic et leurs relations. Ces motifs structurels sont sous-jacents à une modélisation sous forme de graphe dynamique. Dans cette thèse, nous proposons un algorithme pour détecter ces motifs structurels du trafic dans le graphe spatio-temporel représentant le trafic routier. Ce problème est formalisé comme celui de l’isomorphisme de sous-graphe pour des graphes dynamiques. L’algorithme proposé est évalué en fonction desdifférents paramètres de graphes. / For past several decades, researchers have been interested in understanding traffic evolution, hence, have proposed various traffic models to identify bottleneck locations where traffic congestion occurs, to detect traffic patterns, to predict traffic states etc. Most of the existing models consider traffic as many-particle system, describe it using different scales of representation and explain its evolution quantitatively by deducing relations between traffic variables like flow, density and speed. Such models are mainly focused on computing precise information about traffic using acquired traffic data. However, computation of such precise information requires more processing resources. A way to remedy this problem is to consider traffic evolution in qualitative terms which reduces the required number of processing resources. Since traffic is spatio-temporal in nature, the models which deal with spatio-temporal phenomenon can be applied in case of traffic. Such models represent spatio-temporal phenomenon from qualitative as well as quantitative standpoints. Depending on the intended application, some models are able to differentiate between various entities taking part in the phenomenon, which proves useful in case of traffic since different objects like vehicles, buildings, pedestrians, bicycles etc., directly affecting traffic evolution, can be included in traffic models. Qualitative spatio-temporal models consider the effects of different entities on each other in terms of spatial relations between them and spatio-temporal evolution of the modeled phenomenon is described in terms of variation in such relations over time. Considering different traffic constituents and spatial relations between them leads to the formation of a structure which can be abstracted using graph, whose nodes represent individual constituents and edges represent the corresponding spatial relations. As a result, the evolution of traffic, represented using graph, is described in terms of evolution of the graph itself, i. e. change in graph structure and attributes of nodes and edges, with time. In this thesis, we propose such a graph model to represent traffic. As mentioned above, one of the applications of existing traffic models is in detecting traffic patterns. However, since such models consider traffic quantitatively, in terms of acquired traffic data, the patterns detected using such models are statistical (a term employed by Pattern Recognition researchers) in the sense that they are represented using numerical description. Since graph-based traffic model proposed in this thesis represents the structure of traffic, it can be employed to redefine the meaning of traffic patterns from statistical to structural (also a term from Pattern Recognition community). Structural traffic patterns include different traffic constituents and their inter-links and are represented using time-varying graphs. An algorithm to detect a given structural traffic pattern in the spatio-temporal graph representing traffic is proposed in this thesis. It formalizes this problem as subgraph isomorphism for time-varying graphs. In the end, the performance of the algorithm is tested using various graph parameters.

De nos jours, la pollution atmosphérique particulièrement issue du trafic routier en milieu urbain dans l’Union Européenne, a été associée à une augmentation de la prévalence des maladies respiratoires. Parmi ces maladies associées, l’asthme constitue aujourd’hui un réel problème de santé publique particulièrement chez les enfants. Cracovie, ville inscrite au patrimoine mondial de l’UNESCO, est un terrain d’étude pertinent dans la mesure où la source de pollution du trafic routier est prédominante et où des relations ont été établies entre la mauvaise qualité de l’air et le développement de l’asthme chez les enfants. Une démarche méthodologique pluridisciplinaire d’évaluation du risque sanitaire, combinant des approches de statistiques, de modélisation CALINE4 et d’épidémiologie à l’aide du système d’Information Géographique, a été élaborée afin de mettre en exergue des relations significatives entre la pollution issue du trafic routier et l’asthme infantile. Les plus forts Risques Relatifs Sanitaires ont été mis en évidence jusqu’à 300 m de la chaussée et particulièrement au niveau des axes routiers stratégiques de Cracovie, tels que les axes reliant les deux centres-villes historique et moderne de Cracovie ou ceux constitutifs de la rocade. Ces axes routiers traversent les quartiers les plus densément peuplés où résident aussi les plus fortes proportions d’enfants les plus vulnérables face à l’asthme. Ce résultat pourrait inciter le gestionnaire à intervenir pour améliorer le plan de déplacement urbain de Cracovie et d’autres villes avec des problématiques semblables afin de limiter l’impact de la pollution issue du trafic routier sur le développement de l’asthme infantile. / Nowadays, the air pollution particularly emitted from road traffic in urban areas in the European Union, was associated with an increased prevalence of respiratory diseases. Among these associated pathologies, asthma is now a real public health issue particularly among children. Cracow, a city declared as a UNESCO World Heritage, is a relevant field study insofar as the source of air pollution, the road traffic is predominant and insofar as relevant relationships were shown between poor air quality and the development of asthma among children. A multidisciplinary methodological approach of health risk assessment, combining statistical, modeling CALINE4 and epidemiological approaches using Geographic Information System was developed to highlight relevant relationships between air pollution generated by road traffic and childhood asthma. The strongest Health Relative Risks have been highlighted up to 300 m from the roadway and particularly on the strategic roads of Cracow, i.e. the roads linking the two historic and modern downtowns of Cracow or the constitutive road of the bypass. These roads pass through the most densely districts where also lives the highest proportion of children most vulnerable to asthma.These results could encourage the planner to review the urban transport plan of Cracow and other cities with similar problems, in order to limit the impact of road traffic air pollution on the development of childhood asthma.

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.

La présente recherche pluridisciplinaire a pour objectif principal d'analyser et d'évaluer de nouvelles potentialités de l'amélioration du fonctionnement des réseaux de voies rapides (RVR) avec leur maillage progressif et en particulier avec le développement des systèmes d'information des usagers. Cette recherche s'appuie principalement sur le cas concret du RVR d'Ile-de-France, représentatif par sa complexité structurelle et par les problèmes rencontrés lors de son exploitation et notamment ceux liés à la mise en œuvre opérationnelle du système d'exploitation : SIRIUS. L'examen de l'approche d'exploitation de ce réseau révèle deux problèmes majeurs qui sont au cœur de l'amélioration du fonctionnement des RVR : celui du manque d'outils adaptés et celui de l'organisation des acteurs. Partant de ces deux constats, notre recherche s'est focalisée sur deux axes : - développement, analyse, validation et prospective des outils d'exploitation, - analyse des aspects organisationnels et éléments de réflexion pour la définition de politiques d'exploitation. Cette recherche a consacré beaucoup d'effort au développement des outils et à l'élaboration des procédures pour la maîtrise du recueil automatique des données (RAD). Un enseignement de notre travail est d'avoir montré que, pour les systèmes d'exploitation comme SIRIUS, il s'agit là d'un aspect essentiel. L'approche de la détection automatique des bouchons (DAB) développée permet leur détection systématique et quasi instantanée, avec un taux de fausses alarmes raisonnable. L'application de cette approche de DAB devrait assurer une information fiable sur les encombrements. De manière générale, la maîtrise du RAD ouvre la voie à la prestation de différents niveaux de services dont l'impact en matière d'exploitation routière doit encore faire l'objet d'évaluations complémentaires. Parallèlement, nous démontrons que cette maîtrise - et plus généralement, celle de l'exploitation des RVR - dépend des réponses apportées à certains problèmes d'organisation. Dans un contexte multi-acteurs, il est nécessaire de favoriser au maximum la coopération, mais il faut également tenir compte des exigences d'autonomie de chaque acteur pour améliorer les performances d'ensemble du système socio-technique d'exploitation des RVR. Des propositions concrètes, visant à une approche globale des problèmes d'exploitation des RVR, sont formulées en ce sens.

Chaque jour des milliers de camions transportant des centaines de milliers de tonnes de marchandises dangereuses par diverses modalités. Toutefois, le terme “dangereux” indique une adversité intrinsèque qui caractérise ces produits transportés, et qui peuvent se manifester lors d'un accident entraînant la fuite d'une substance dangereuse. Dans une telle situation, les conséquences peuvent nuire à l'environnement et létal pour l'humain.L'importance des marchandises dangereuses revient aux bénéfices économiques considérables générés. En fait, on ne peut nier la contribution du transport des produits dérivés de combustibles fossiles, ce qui représente plus de 60% des marchandises dangereuses transportées en Europe. Eni, la société italienne leader de pétrochimie, gère chaque jour une flotte d'environ 1.500 camions, qui effectuent de nombreuses expéditions. Pourtant la distribution de produits pétroliers est une activité à grande risques, et tout accident lors du transport peut entraîner de graves conséquences.Consciente des enjeux, la division Eni R&M - Logistique Secondaire, historiquement actif au siège de Gênes, collabore depuis 2002 avec le DIBRIS à l'Université de Gênes, et le CRC à Mines ParisTech, dans le but d'étudier les améliorations possibles en matière de sûreté dans le transport de marchandises dangereuses. Au fil des ans, cette collaboration a permis le développement d'un système d'information et décisionnel. Le composant principal de ce système est une plate-forme de surveillance de la flotte Eni appelé TIP (Transport Integrated Platform), pour livrer les produits vers les points de distributions. Ces véhicules sont équipés d'un dispositif capable de transmettre des flux de données en temps réel en utilisant un modem GPRS. Les données transmises peuvent être de nature différente et contenir des informations sur l'état du véhicule, le produit et les événements détectés durant l'expédition. Ces données sont destinées à être reçues par des serveurs centralisés puis traitées et stockées, afin de soutenir diverses applications du TIP.Dans ce contexte, les études menées tout au long de la thèse sont dirigés vers le développement d'une proposition visant à réduire davantage les risques liés au transport de marchandises dangereuses. En d'autres termes, un modèle basé sur le compromis entre les facteurs économiques et sûretés pour le choix de l'itinéraire. L'objectif est motivé par la nécessité de soutenir les règlements et les normes de sécurité existantes, car ils ne garantissent pas totalement contre les accidents entrainant des marchandises dangereuses.L'objectif est effectué en prenant en compte le système existant comme base pour l'élaboration d'un système de transport intelligent (STI) regroupant plusieurs plates-formes logicielles. Ces plates-formes doivent permettre aux planificateurs et aux décideurs de suivre en temps réel leur flotte, à évaluer les risques et tous les itinéraires possibles, de simuler et de créer différents scénarios, et d'aider à trouver des solutions à des problèmes particuliers.Tout au long de cette thèse, je souligne la motivation pour ce travail de recherche, les problématiques, et les défis de transport de marchandises dangereuses. Je présente le TIP comme le noyau de l'architecture proposée du STI. Pour les besoins de la simulation, les véhicules virtuels sont injectés dans le système. La gestion de la collecte des données a été l'objet d'une amélioration technique pour plus de fiabilité, d'efficacité et d'évolutivité dans le cadre de la surveillance en temps réel. Enfin, je présente une explication systématique de la méthode d'optimisation des itinéraires considérant les critères économiques et de risques. Le risque est évalué en fonction de divers facteurs notamment la fréquence d'accidents entrainant des marchandises dangereuses, et ses conséquences. La quantification de l'incertitude dans l'évaluation des risques est modélisée en utilisant la théorie des ensembles flous. / Everyday thousands of trucks transporting hundreds of thousands of tons of dangerous goods by various modalities and both within and across nations. However, the term “dangerous” indicates an intrinsic adversity that characterize these products, which can manifest in an accident leading to release of a hazardous substance (e.g. radioactive, flammable, explosive etc.). In this situation, the consequences can be lethal to human beings, other living organisms and damage the environment and public/private properties.The importance of dangerous goods boils down to the significant economic benefits that generates. In fact, one cannot deny the contribution of the transport of all fossil fuel derived product, which represents more than 60% of dangerous goods transported in Europe. Eni, the Italian leading petrochemical company, every day operates a fleet of about 1,500 trucks, which performs numerous trips from loading terminals to filling stations. Distribution of petroleum products is a risky activity, and an accident during the transportation may lead to serious consequences.Aware of what is at stake, the division Eni R&M - Logistics Secondary, historically active in Genoa headquarters, is collaborating since 2002 with the DIBRIS department at University of Genoa, and the CRC at Mines ParisTech, with the purpose of studying possible improvements regarding safety in transport of dangerous goods, particularly petroleum products. Over years, this collaboration has led to the development of different technologies and mainly to an information and decision support system. The major component of this system is a platform for monitoring Eni fleet, at the national level, to deliver the products to the distribution points, called the Transport Integrated Platform (TIP). These vehicles are equipped with a device capable of transmitting data stream in real-time using a GPRS modem. The data transmitted can be of different nature and contain information about the state of the vehicle and occurred events during the trip. These data are intended to be received by centralized servers then get processed and stored, in order to support various applications within the TIP.With this in mind, the studies undertaken throughout the thesis are directed towards the development of a proposal to further minimize the risk related to the transportation of dangerous goods. In other words, a trade-off based model for route selection taking into consideration economic and safety factors. The objective is prompted by the need to support existent regulations and safety standards, which does not assure a full warranty against accidents involving dangerous goods.The goal is carried out by considering the existent system as basis for developing an Intelligent Transportation System (ITS) aggregating multiple software platforms. These platforms should allow planners and decision makers to monitor in real-time their fleet, to assess risk and evaluate all possible routes, to simulate and create different scenarios, and to assist at finding solutions to particular problems.Throughout this dissertation, I highlight the motivation for such research work, the related problem statements, and the challenges in dangerous goods transport. I introduce the TIP as the core for the proposed ITS architecture. For simulation purposes, virtual vehicles are injected into the system. The management of the data collection was the subject of technical improvement for more reliability, efficiency and scalability in real-time monitoring of dangerous goods shipment. Finally, I present a systematic explanation of the methodology for route optimization considering both economic and risk criteria. The risk is assessed based on various factors mainly the frequency of accident leading to hazardous substance release and its consequences. Uncertainty quantification in risk assessment is modelled using fuzzy sets theory.

Le développement des réseaux séparatifs entraîne le transfert fréquent de polluants urbains vers les milieux récepteurs (plans d’eau, rivières, etc.). La compréhension des processus de production et de lessivage des polluants dans le milieu urbain est pourtant incomplète à l’heure actuelle. Afin de répondre aux questions liées à la gestion des eaux urbaines, l’amélioration des connaissances des processus physiques est nécessaire, tant au niveau des surfaces urbaines que les réseaux d'assainissement. Pour cela, la modélisation du transfert hydrologique des polluants en milieu urbain peut être un outil précieux.Cette thèse a pour objectif de développer et d'analyser des modèles distribués à base physique pour simuler les flux de polluants routiers (Matières En Suspension (MES), Hydrocarbures, Métaux) dans un environnement urbain. Elle s'inscrit dans le cadre du projet ANR "Trafipollu" et bénéficie des résultats expérimentaux mis en œuvre dans ce projet pour la calibration et validation des modèles utilisés. Le travail de thèse s’articule autour de deux échelles de modélisation : l’échelle locale et l’échelle du quartier.A l'échelle locale, le code FullSWOF (volumes finis, schéma numérique d'ordre 2) couplé au modèle d’érosion d'Hairsine and Rose (1992a; 1992b) et des données géographiques très détaillées (résolution spatiale centimétrique) ont été utilisés et adaptés afin d'améliorer nos connaissances des processus physiques du lessivage des polluants sur les surfaces urbaines. La comparaison aux mesures en continu permet d’évaluer la performance d’une modélisation physique pour représenter les variations spatiales et temporelles des processus de transferts des polluants sur les surfaces urbaines. Les analyses des résultats obtenus permettent de constater la prédominance des effets d'arrachement liés à la pluie sur les processus d'entrainement par l'advection sur la majeure partie du bassin versant routier. L’utilisation d’un modèle d’érosion pour modéliser le transport particulaire en zone urbaine est une innovation importante de cette thèse.A l’échelle du quartier, la deuxième étape du travail consiste à coupler séquentiellement le modèle TREX (Velleux, England, et al., 2008) avec le modèle CANOE (Alison, 2005), nommé "TRENOE" plateforme. En changeant différentes options de mise en œuvre et de configurations du modèle, l’adaptation de la précision numérique et l’utilisation de données détaillées d’occupation du sol semblent être les facteurs clés pour une telle modélisation. Par ailleurs, ce couplage a montré des problèmes de fond tels que la modélisation du schéma numérique des flux en surface (seulement dans 4 directions), ainsi que l'utilisation de l'équation USLE pour simuler l'érosion en milieu urbain, ne comprenant pas d’impact des gouttes de pluie pour la modélisation.Pour remédier à ces défauts, la plateforme opensource LISEM-SWMM est développée en couplant le modèle LISEM (De Roo, Wesseling, et al., 1996), modèle d’érosion développé initialement pour le milieu naturel, et le modèle SWMM (Rossman, 2010). Pour la première fois, la modélisation hydrologique s’appuie aussi sur l’utilisation de sorties de modèles atmosphériques pour les dépôts des particules fines (PM10), hydrocarbures et métaux. Les résultats montrent que l’emploi de modèles totalement distribués peut arriver à reproduire de manière très fine les dynamiques des particules, des hydrocarbures et des métaux. Même si à ce stade la plateforme développée nécessite des améliorations pour adapter aux utilisations dans le champ opérationnel, ceci constitue une avancée pour le domaine de modélisation du transfert hydrologique des polluants routiers en milieu urbain / Nowadays, the increasing use of separate stormwater systems causes a frequent transport of urban pollutants into receiving water bodies (lakes, rivers). However, current studies still lack of the knowledge of urban build-up and wash-off processes. In order to address urban management issues, better understanding of physical mechanism is required not only for the urban surfaces, but also for the sewer systems. In this context, the modelling of hydrological transfer of urban pollutants can be a valuable tool.This thesis aims to develop and assess the physically-based and distributed models to simulate the transport of traffic-related pollutants (suspended solids, hydrocarbons, heavy metals) in urban stormwater runoffs. This work is part of the ANR "Trafipollu" project, and benefit from the experimental results for model calibration and validation. The modelling is performed at two scales of the urban environment: at the local scale and at the city district scale.At the local scale of urban environment, the code FullSWOF (second-order finite volume scheme) coupled with Hairsine and Rose model (1992a; 1992b) and detailed monitoring surveys is used to evaluate urban wash-off process. Simulations over different rainfall events represent promising results in reproducing the various dynamics of water flows and particle transfer on the urban surfaces. Spatial analysis of wash-off process reveals that the rainfall-driven impacts are two orders of magnitude higher than flow-drive effects. These findings contribute to a significant improvement in the field of urban wash-off modelling. The application of soil erosion model to the urban context is also an important innovation.At the city district scale, the second step consists of coupling the TREX model (Velleux, England, et al., 2008) and the CANOE model, named "TRENOE" platform. By altering different options of model configurations, the adequate numerical precision and the detailed information of landuse data are identified as the crucial elements for achieving acceptable simulations. Contrarily, the high-resolution topographic data and the common variations of the water flow parameters are not equally significant at the scale of a small urban catchment. Moreover, this coupling showed fundamental problems of the model structure such as the numerical scheme of the overland flow (only 4 directions), and the empirical USLE equations need to be completed by raindrop detachment process.To address these shortcomings, the LISEM - SWMM platform is developed by coupling the open-source LISEM model (De Roo, Wesseling, et al., 1996), which is initially developed for soil erosion simulations, and the SWMM model (Rossman, 2010). For the first time, the hydrological model is also supported by the simulations of atmospheric dry deposits of fine particles (PM10), hydrocarbons and heavy metals. The performance of water flow and TSS simulations are satisfying with the calibrated parameters. Considering the hydrocarbons and heavy metals contents of different particle size classes, simulated event mean concentration of each pollutant is comparable to local in-situ measurements. Although the platform at current stage still needs improvements in order to adapt to the operational applications, the present modelling approach contributes to an innovative technology in the field of modelling of hydrological transfer of the traffic-related pollutants in urban environment

Le bruit de la circulation routière, et en particulier le bruit des deux-roues motorisés, constituent une importante source de gêne sonore. Afin d’estimer l’exposition sonore dans les villes de plus 100 000 habitants, la directive européenne 2002/49/CE impose la réalisation de cartes de bruit stratégiques, basées sur l’indice Lden. Cet indice est également utilisé dans des relations exposition-réponse, afin de prédire les pourcentages de personnes gênées, notamment par le bruit du trafic routier. En couplant les cartes de bruit stratégiques et ces relations exposition-réponse, des cartes de gêne pourraient être établies. Toutefois, la pertinence de cet indice pour prédire la gêne due au bruit en milieu urbain est souvent remise en cause, car de nombreux facteurs acoustiques influents (e.g. les caractéristiques spectrales et temporelles) ne sont pas pris en compte par cet indice. Cette thèse vise à améliorer la caractérisation de la gêne due au bruit de trafic routier urbain en considérant différentes compositions de trafic et la présence des deux-roues motorisés. Dans ce but, des expériences sont menées en conditions contrôlées. Une première étude a porté sur l’influence de plusieurs facteurs acoustiques relatifs aux périodes de calme et aux bruits de passage de véhicules sur la gêne due au bruit de trafic routier urbain. Cette étude a conclu à l’influence de la présence de périodes de calme et du nombre de véhicules au sein du trafic routier urbain et à l’absence d’influence de l’ordre des véhicules routiers, de la position et de la durée des périodes de calme. Ces résultats ont été utilisés afin de mener la caractérisation physique et perceptive de différentes compositions de trafic routier urbain. La régression multi-niveau a été utilisée pour calculer la gêne, en considérant 1) des facteurs acoustiques influents à l’aide de combinaisons pertinentes d’indices et 2) un facteur non acoustique : la sensibilité au bruit. Dans les villes, le bruit routier est souvent entendu en situation de multi-exposition avec d’autres bruits. Dans le cadre de ces travaux de thèse, les situations de multi-exposition aux bruits routier et d’avion ont été étudiées. Pour cela, un travail semblable à celui mené pour le bruit de trafic routier urbain a été mené pour le bruit d’avion conduisant également à des combinaisons pertinentes d’indices. En vue de caractériser les gênes dues aux bruits de trafic routier et d’avion pour des situations de multi-exposition sonore, les données des précédentes expériences ainsi que celles d’une expérience conduite en situation de multi-exposition à ces bruits combinés ont été utilisées au travers d’une régression multi-niveau adaptée, comme cela a pu être mené dans la littérature. La régression multi-niveau a ainsi permis la proposition de modèles de gêne pour chaque source de bruit. Puis, la gêne totale due à des situations de multi-exposition à ces bruits a été étudiée, afin de mettre en évidence les phénomènes perceptifs mis en jeu. Des modèles de gêne totale ont été proposés, en utilisant les modèles de gêne due à chaque source. Enfin, les modèles de gêne obtenus pour chaque source et les modèles de gêne totale ont été confrontés aux données d’une enquête socio-acoustique. A cet effet, une méthodologie a été proposée afin d’estimer les différents indices des modèles à partir des valeurs du Lden, issues de cartes de bruit et utilisées pour définir l’exposition au bruit des personnes enquêtées. Cette confrontation a montré que les modèles proposés à partir d’expériences menées en laboratoire et couplés à la méthodologie d’estimation des indices à partir des valeurs du Lden permettent une bonne prédiction de la gêne in situ. / Road traffic noise, and in particular powered two-wheeler noise, constitute an important source of noise annoyance. In order to estimate the noise exposure in cities of more than 100 000 inhabitants, the European directive 2002/49/EC requires the elaboration of strategic noise maps, based on the Lden index. This index is also used in exposureresponse relationships, to predict the percentages of annoyed people, by road traffic noise for example. By coupling strategic noise maps and these exposure-response relationships, noise annoyance maps could be established. The relevance of this index to predict noise annoyance in cities is however often questioned, since many influential acoustical factors (e.g. spectral and temporal features) are not considered by this index. The aim of this thesis is to enhance the characterization of noise annoyance due to different compositions of urban road traffic including powered two-wheelers. To achieve this goal, experiments were carried out under controlled conditions. A first study concerned the influence of several acoustical features related to quiet periods and vehicle pass-by noises on the annoyance due to urban road traffic noise. This study demonstrated the influence of the presence of quiet periods and of the number of vehicles within the urban road traffic and to the absence of the influence of the order of the vehicle pass-by noises, the position and duration of quiet periods. These results were used to carry out the physical and perceptual characterization of different compositions of urban road traffic noise. Multilevel regression was used to calculate noise annoyance, by coupling combinations of indices relating to influential acoustical features and an individual factor: noise sensitivity. In cities, road traffic noise is often combined with other noises. In the framework of this thesis, noise exposure to road traffic noise combined with aircraft noise was studied. Therefore, the same work as the one performed for urban road traffic noise was carried out for aircraft noise, leading also to relevant combinations of noise indices. In order to characterize annoyances due to road traffic noise and to aircraft noise in a combined exposure situation, data from the previous experiments and from an experiment dealing with these combined noises were used through an appropriate multilevel regression, as done in literature. The regression allows annoyance models for each noise source to be proposed. Then, total annoyance due to combined noises was studied, in order to highlight the perceptual phenomena related to the combined exposure. Total noise annoyance models were proposed, using proposed annoyance model of each noise source. Finally, these single source annoyance models and total annoyance models were tested using data of a socio-acoustic survey. To do this, a methodology has been proposed to estimate the different indices involved in the annoyance models, from the Lden values obtained from the strategic noise maps and used to define the noise exposure of the respondents. This confrontation showed that the models proposed on the basis of experiments carried out under laboratory conditions and coupled with a methodology of estimation of the noise indices from Lden values, enabled a good prediction of in situ annoyance.