Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

Ce travail porte sur la quantification d'incertitude dans la modélisation des émissions de polluants atmosphériques dues au trafic routier d'une aire urbaine. Une chaîne de modélisations des émissions de polluants atmosphériques est construite, en couplant un modèle d’affectation dynamique du trafic (ADT) avec un modèle de facteurs d’émission. Cette chaîne est appliquée à l’agglomération de Clermont-Ferrand (France) à la résolution de la rue. Un métamodèle de l’ADT est construit pour réduire le temps d’évaluation du modèle. Une analyse de sensibilité globale est ensuite effectuée sur cette chaîne, afin d’identifier les entrées les plus influentes sur les sorties. Enfin, pour la quantification d’incertitude, deux ensembles sont construits avec l’approche de Monte Carlo, l’un pour l’ADT et l’autre pour les émissions. L’ensemble d’ADT est évalué et amélioré grâce à la comparaison avec les débits du trafic observés, afin de mieux échantillonner les incertitudes / This work focuses on the uncertainty quantification in the modeling of road traffic emissions in a metropolitan area. The first step is to estimate the time-dependent traffic flow at street-resolution for a full agglomeration area, using a dynamic traffic assignment (DTA) model. Then, a metamodel is built for the DTA model set up for the agglomeration, in order to reduce the computational cost of the DTA simulation. Then the road traffic emissions of atmospheric pollutants are estimated at street resolution, based on a modeling chain that couples the DTA metamodel with an emission factor model. This modeling chain is then used to conduct a global sensitivity analysis to identify the most influential inputs in computed traffic flows, speeds and emissions. At last, the uncertainty quantification is carried out based on ensemble simulations using Monte Carlo approach. The ensemble is evaluated with observations in order to check and optimize its reliability

La croissance démographique dans les zones urbaines représente un problème pour la planification des transports. La surcharge des systèmes de transport urbains entraîne des coûts monétaires importants et des problèmes environnementaux. Des mesures politiques sont alors nécessaires pour réduire le niveau de congestion et accroître l'efficacité des systèmes de transport. À court terme, les simulateurs de trafic pourraient constituer un outil puissant pour la conception de solutions innovantes. Mais les simulateurs de trafic classiques sont exigeants sur le plan informatique pour les applications à grande échelle. De plus, la mise en place du scénario de simulation est complexe. Une modélisation de trafic agrégée pourrait être une bonne solution (Daganzo-2007, Geroliminis-2008). Le réseau routier des villes est divisé en régions, où un diagramme fondamental macroscopique bien défini (MFD) régule les conditions de circulation à l'intérieur de chacune. Le MFD concerne le débit et la densité de trafic moyens dans une région. Malgré que l’idée d’agréger le réseau de la ville soit simple, il soulève plusieurs défis qui n’ont pas encore été abordés. Jusqu'à aujourd'hui, seule (Yildirimoglu-2014) propose un cadre d'affectation dynamique du trafic pour les réseaux régionaux et les modèles MFD. Ce cadre est basé sur le modèle Logit multinomial et ne traite pas explicitement des distributions de longueurs de parcours. De plus, leur structure ne considère pas que les utilisateurs sont différents les uns des autres et ont des objectifs et des préférences différents pour leurs voyages. L'objectif de cette thèse est double. Tout d'abord, l'influence du comportement des utilisateurs sur la performance globale du réseau routier d’une ville est étudiée. Cette analyse se concentre sur la vitesse moyenne du réseau et ses capacités internes et de sortie, en comparant différents modèles tenant compte des différents types de comportement des utilisateurs par rapport à l'équilibre utilisateur déterministe et stochastique. En second lieu, un cadre innovant et complet d’affectation dynamique du trafic pour les modèles multirégionaux basés sur le MFD est proposé. Ce cadre est divisé en plusieurs étapes et repose sur les connexions entre la ville et les réseaux régionaux. Dans un premier temps, des méthodes systématiques de mise à l’échelle sont proposées pour rassembler les voies régionales. Dans un deuxième temps, quatre méthodes sont discutées pour calculer les distributions de longueurs de parcours pour caractériser ces chemins régionaux. Dans la troisième étape, un modèle de chargement de réseau qui considère les distributions de longueurs de parcours explicitement calculées et l’évolution des vitesses moyennes régionales est proposé. Enfin, ce cadre d'affectation dynamique du trafic est étendu pour prendre en compte les usager qui ont une aversion au regret ou une rationalité imparfaite. Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet européen ERC intitulé MAGnUM: approche de modélisation du trafic multi-échelle et multimodal pour la gestion durable de la mobilité urbaine. / The population growth in urban areas represents an issue for transportation planning. This overload of urban transportation systems, leading to significant monetary costs and environmental issues. Policy measures are then needed to decrease the level of congestion and increase the efficiency of transportation systems. In a short term, traffic simulators might be a powerful tool that helps to design innovative solution. But, the classical traffic simulators are computationally demanding for large scale applications. Moreover, the set up of the simulation scenario is complex. An aggregated traffic modeling might be a good solution (Daganzo, 2007; Geroliminis and Daganzo, 2008). The city network is divided into regions where a well-defined Macroscopic Fundamental Diagram (MFD) regulates the traffic conditions inside each one. The MFD relates the average traffic flow and density inside a region. Despite the idea of aggregating the city network is simple, it brings several challenges that have not yet been addressed. Up to today, only Yildirimoglu and Geroliminis (2014) proposed a dynamic traffic assignment framework for regional networks and MFD models. This framework is based on the simple Multinomial Logit model and does not explicitly deal with trip length distributions. Moreover, their framework does not consider that users are different from each other and have different purposes and preferences for their travels. The goal of this PhD dissertation is to twofold. First, the influence of the users behavior on the global network performance is investigated. This analysis focus on the network mean speed and its internal and outflow capacities, comparing different models that account for different kinds of users behavior against the Deterministic and Stochastic User Equilibrium. Second, an innovative and complete dynamic traffic assignment framework for multi-regional MFD-based models is proposed. This framework is divided into several milestones and is based on the connections between the city and regional networks. In a first step, systematic scaling-up methods are proposed to gather the regional paths. In a second step, four methods are discussed to calculate the distributions of trip lengths that characterize these regional paths. In the third step, a network loading model that considers distributions of trip lengths that are explicitly calculated and the evolution of the regional mean speeds is proposed. Finally, this dynamic traffic assignment framework is extended to account for bounded rational and regret-averse users. This PhD is part of a European ERC project entitled MAGnUM: Multiscale and Multimodal Traffic Modeling Approach for Sustainable Management of Urban Mobility.

Cette thèse porte sur les modèles d'équilibres dynamiques sur un réseau de transport et leurs applications à l'affectation de trafic. Elle tente d'en propose une formulation à la fois générale et mathématiquement rigoureuse. Une attention particulière est accordée à la représentation de la demande de transport. Plus spécifiquement, la modélisation de l'hétérogénéité dans les préférences des usagers d'un réseau de transport, ainsi que des stratégies de choix d'horaire dans les déplacements, occupe une place importante dans notre approche. Une caractéristique de ce travail est son fort recours au formalisme mathématique; cela nous permet d'obtenir une formulation concise et micro-économiquement cohérente des réseaux de transport et de la demande de transport dans un contexte dynamique. Cette thèse traite aussi de méthodes de résolution en lien avec les modèles d'équilibres dynamiques. Nous établissons analytiquement des équilibres sur des réseaux de petites tailles afin d'améliorer la connaissance qualitative de l'interaction entre offre et demande dans ce contexte. L'intuition retirée de ces exercices nous permet de concevoir des méthodes numériques de calculs qui peuvent être appliquées à des réseaux de transport de grande taille. Tout au long de la thèse plusieurs applications économiques de ces travaux sont explorées. Toutes traitent des politiques de tarification de la congestion et de leurs évaluation, notamment lorsque les automobilistes sont susceptibles d'ajuster leurs horaires de départ. En particulier une politique tarifaire conçue pour limiter la congestion lors des grands départs de vacances est testée. Elle consiste à mettre en place un péage sur le réseau autoroutier variant selon l'heure de la journée mais aussi de jour en jour. Ce type de péage est particulièrement intéressant pour les exploitants car il leur permet d'influencer à la fois sur l'heure et le jour de départ des vacanciers. Les méthodes développées dans cette thèse permettent d'établir que les gains en termes de réduction de la congestion sont substantiels.

L’objectif de ce travail consiste en la modélisation des flux de véhicules d’un grand et dense réseau de transport multimodal. Le travail s’organise en deux parties: un aspect théorique et un aspect développement. L’étude théorique met l’accent sur la façon dont un réseau multimodal peut être modélisé et comment sa performance en termes d’offre peut être optimisée. Pour ce faire, trois études principales sont réalisées: la prévision et la régulation des flux de trafic sur les grands réseaux de surface, la multimodalité véhiculaire dans les grands réseaux de surface prenant en compte les nouvelles formes de mobilité, et enfin l’impact de l’information sur le coût des itinéraires. La partie développement consiste en la conception d’un simulateur de flux de trafic pour réguler le trafic multimodal véhiculaire. Le simulateur développé devrait aider les opérateurs de transport et les collectivités territoriales dans leurs stratégies de gestion des flux de trafic / The objective of this work consists on the modeling of traffic flow of a large multimodaltransportation network. The work is organized in two parts: a theoretical study part anda development part. The theoretical study emphasizes on how a multimodal network canbe model and how its performance in terms of supply can be optimized. To do so, threemain studies are discussed: the traffic flow prediction and regulation on large surface net-works, the vehicular multimodality in big surface networks taking into account new forms ofmobility, and finally the impact of the information on the cost of the itineraries. The devel-opment part consists on the conception of a traffic flow simulator to regulate the vehicularmultimodal traffic. The developed simulator should assist transport operators and territorialcommunities in their traffic flow management strategies

Mes travaux de recherche ont pour sujet unificateur : les déplacements et les réseaux de transport ; et ils ont été traités par une approche unique, la modélisation physico-économique à caractère mathématique et algorithmique.<br />Une telle modélisation comporte quatre aspects : un contenu sémantique, à caractère physique ou économique ; une formulation mathématique ; un solveur technique ; un aspect empirique (métrologie, statistique, économétrie).<br />Les disciplines mises en œuvre sont variées : théorie des réseaux, optimisation, informatique algorithmique, probabilités et statistiques, et aussi économie, socio-économie et physique du trafic. Mes contributions théoriques concernent la théorie des réseaux, l'économie du transport et la physique du trafic.<br />Mes travaux se répartissent en quatre thèmes :<br />A. La mesure et la modélisation du trafic. Au niveau local d'une route, j'ai analysé la relation entre flux et vitesse en mettant en cohérence l'analyse désagrégée, probabiliste au niveau du mobile individuel ; et l'analyse macroscopique en termes de flux et de distribution statistique des temps.<br />B. La modélisation des réseaux et des cheminements. L'équilibre entre offre de transport et demande de déplacement conjugue une dimension spatiale - topologique, une dimension temporelle, et une dimension comportementale - économique. Les enjeux de modélisation concernent : la représentation de l'offre et la demande ; la formulation et les propriétés d'existence – unicité – stabilité ; les algorithmes. Je me suis intéressé à la diversité des comportements ; et à la modélisation fine de l'offre et à la dimension temporelle.<br />C. L'analyse socio-économique des déplacements. Je me suis intéressé à l'usage de divers moyens de transport et à la prospection de leur clientèle potentielle ; au choix d'horaire de déplacement ; aux caractéristiques à la fois économiques et dynamiques de la congestion.<br />D. La distribution spatiale des déplacements et des activités. Je me suis intéressé d'une part à l'observation des flux par relation origine-destination (O-D) et à l'inférence statistique des matrices O-D ; et d'autre part, à la justification microéconomique des déplacements en raison de la localisation et de l'utilité des activités.