Depuis une vingtaine d'années, les problématiques de transport public en région parisienne sont devenues une préoccupation majeure. Pour les usagers qui consacrent en moyenne environ deux heures quotidiennement à leurs déplacements domicile-travail, la qualité de l'offre de transport est un enjeu majeur.La société nationale des chemins de fer français qui exploitent la majeure partie du réseau ferré dans cette région joue un rôle central dans l'organisation des transports. Mais à l'opposé des attentes qui pèsent sur ce secteur, le trafic ferroviaire rencontrent un certain nombre de dysfonctionnements. En s'inscrivant dans une démarche globale de remise en question des principes d'exploitation ferroviaire en zone dense, cette thèse apporte un regard nouveau sur l'origine des retards qui affectent les trains.Un modèle simple qui permet d'étudier la congestion du trafic ferroviaire sous l'influence de perturbations aléatoires est proposé. En s'inspirant des outils du trafic routier et tout particulièrement du diagramme fondamental de réseau,on définit pour le ferroviaire, le diagramme fondamental de ligne ferroviaire qui permet de représenter le débit en fonction de la concentration sur une portion de ligne ferroviaire. Cet outil est ensuite utilisé pour comparer les résultats issus de notre modèle à un jeu de données mesuré sur deux lignes de chemin de fer de la région parisienne.Cette comparaison montre que notre modèle permet de reproduire qualitativement les phénomènes de congestion du trafic observés sur les cas réels. / Over the last twenty years, public transport issues in the Paris region have become a major concern. The French national railway company, which operates most of the rail network in this region, plays a central role in the organisation of transport. However, in contrast to expectations in this sector, rail traffic is experiencing a number of malfunctions. As part of an overall approach to questioning the principles of rail operation in dense areas, this thesis provides a new look at the origin of delays affecting trains. Drawing on road traffic tools and in particular the basic network diagram, the basic railway line diagram is defined for railways, which makes it possible to represent the flow as a function of concentration on a portion of a railway line. This tool is then used to compare the results from our model with a set of data measured on two railway lines in the Paris region, which shows that our model can qualitatively reproduce the traffic congestion phenomena observed on real cases.(Translated with www.DeepL.com/Translator)

La conception d’un plan de transport d’un service ferroviaire est un processus qui se réalise entre deux ans et six mois avant la mise en service de celui-ci. Les principales phases de la conception sont la définition des dessertes, le calcul de la grille horaire et enfin l’organisation des roulements de rames et des conducteurs. La manière dont le plan de transport est conçu peut avoir de nombreuses conséquences sur la qualité de service : fréquence en gare insuffisante qui peut entrainer une perte de clients, robustesse de la grille horaire face à de petits incidents... En zone dense, tous ces éléments sont à prendre en compte, dès la conception de la grille horaire.Aujourd’hui, SNCF Transilien conçoit ses plans de transport en prenant d’abord en compte l’optimisation des ressources de production (sillons, rames et agents de conduite). Toutefois, l’augmentation des ressources mises en œuvre n’améliore plus l’adéquation du plan de transport à la demande des voyageurs. Ce mode de conception ne permet donc plus de faire face à l’augmentation de la demande de mobilité. C’est pourquoi il faut repenser la conception du plan de transport en intégrant immédiatement la dimension voyageuse.Nos travaux se concentrent sur les problématiques de conception de dessertes et de grille horaire, en prenant en compte le point de vue des voyageurs. Nous présentons un modèle multiobjectif de conception de dessertes, puis nous présentons un modèle de conception de grille horaire intégrant le choix d’itinéraire des voyageurs. Ensuite, nous présentons une méthode cherchant à intégrer ces deux modèles. Enfin, nous présentons une évaluation de nos résultats grâce à des indicateurs de fiabilité / The design of a railway transportation plan is a process achieved between two years and six months before it is put into service. The main phases in the design of a transportation plan are the line planning, the timetabling, the rolling stock and the crew scheduling.The design of the transportation plan can have many consequences on the quality of service: an inadequate frequency in station can cause a loss of passengers, sufficient number of seated places, robustness of the timetable in the face of small incidents... In dense area, as in the Ile-de-France region, all these elements must be taken into account as the transportation plan is designed.Today, SNCF Transilien designs its transportation plans by first taking into account the optimization of production resources (train paths, rolling stock units and drivers). However, today, the increase in resources implemented no longer improves the adequacy of the transportation plan to passengers’ demand. This design method no longer makes it possible to cope with the increase in the demand for mobility (+3% each year since 2000). This is why we must rethink the design of the transport plan by immediately integrating the passenger dimension. Our work focuses on issues of line planning and timetabling in a passenger-oriented approach. First, we present a multi-objective model for line planning. Then, we present a model of timetabling incorporating passenger route choice. Then, we initiate a method to integrate these two models. Finally, we present an evaluation of our results thanks to reliability indicators from the literature and a macroscopic simulation of the timetables

Bien qu'actuellement considérés comme non sécuritaires (les fonctions de sécurité étant assurées par d'autres sous-systèmes) les systèmes de supervision du trafic ferroviaire peuvent contribuer à la sécurité dans certains scénarios de crise où une décision adaptée d'un opérateur de supervision pourrait réduire notablement la gravité des scénarios d'accident. Il est donc de toute première importance d'identifier ce type de scénarios afin d'envisager les systèmes de supervision du futur dans la perspective d'améliorer encore la sécurité des circulations dans un contexte d'augmentation du trafic ferroviaire prévisible et souhaitable dans les années à venir. La supervision impliquant des décisions prises par l'homme, la prise en compte du facteur humain est indispensable, et ce dès la conception des futurs systèmes.<br /><br />L'étude se focalise sur l'évaluation de l'interaction opérateurs humains -- machines et son impact sur la sécurité. Cette démarche nécessite la coopération de spécialistes de l'ingénierie ferroviaire (composante technique), des sciences humaines et sociales (composante humaine et organisationnelle) et de la sûreté de fonctionnement pour la synthèse et l'évaluation de la sécurité. Ces disciplines ont des approches différentes et quelquefois opposées, la thèse vise à établir un pont entre ces différentes disciplines dans un objectif commun de l'évaluation de la sécurité.<br /><br />Des études spécifiques du facteur humain ont été réalisées sur une plateforme de supervision de trafic ferroviaire. Installée dans les locaux de l'\textsc{utc}, cette plateforme comprend un système de supervision couplé à un simulateur de trafic permettant de recréer en laboratoire les conditions de travail d'un opérateur de supervision de trafic ferroviaire. L'objectif des expérimentations est d'obtenir des informations sur les processus cognitifs généraux impliqués dans la gestion d'un environnement dynamique de circulation de mobiles et de contribuer ainsi à l'évaluation du système de supervision en situation d'utilisation par des opérateurs confrontés à la gestion d'une situation nominale, normale et dégradée.

Dans plusieurs pays européens, la capacité de l’infrastructure est complètement exploitée aux heures de pointe et aux points critiques : une grande quantité de trains traversent ces points critiques dans un laps de temps très réduit. Dans cette situation le retard d’un train provoqué par un conflit de circulation peut se propager dans tout le réseau. Le problème de la gestion opérationnelle du trafic ferroviaire consiste à trouver les modifications des itinéraires et des ordonnancements des trains qui minimisent la propagation des retards. Dans cette thèse, nous proposons une approche de décomposition de Benders pour la formulation linéaire en nombres entiers à variables mixtes utilisée dans l’algorithme RECIFE-MILP. Après avoir constaté que l’approche de décomposition standard de Benders ne permet pas de trouver rapidement une solution de bonne qualité pour certaines instances du problème, nous étudions trois approches alternatives afin d’améliorer la performance de notre algorithme. Nous proposons d’abord une approche que nous appelons la reformulation réduite de Benders. Ensuite, nous introduisons des inégalités dans la formulation du problème maître de Benders. Finalement, nous scindons le processus de résolution en trois étapes au lieu de deux comme dans la décomposition standard de Benders. L'analyse expérimentale montre que la combinaison de la première et dernière approche surpasse l’algorithme original RECIFE-MILP dans la résolution de grandes instances sous certaines conditions. / In railway systems, during congested traffic situations, the infrastructure capacity is completely exploited for trains circulation. In these situations, when traffic is perturbed some trains must be stopped or slowed down for ensuring safety, and delays occur. The real-time Railway Traffic Management Problem (rtRTMP) is the problem of modifying trains route and schedule to limit delay propagation. In this thesis, we propose a Benders decomposition of a MILP-based algorithm for this problem, named RECIFE-MILP. After observing that the standard Benders decomposition (BD) does not allow the effective solution of rtRTMP instances, we study three possible approaches to improve the performance. Specifically, we first propose a modification of the problem reformulation which is typical of BD, obtaining what we call reduced BD. Then, we introduce some inequalities to the Benders master problem. Finally, we split the solution process in three steps rather than two as in the standard BD. As we show in a thorough experimental analysis, the combination of the first and last approaches outperforms the original RECIFE-MILP algorithm when tackling large instances with some specific features.

La qualité d'alimentation électrique d'un réseau ferroviaire peut être fortement affectée par l'indisponibilité d'un équipement électrique, que ce soit suite à un incident technique ou une opération de maintenance. Il est alors nécessaire de réduire le trafic prévu en ajustant les grilles horaires et les profils de vitesse, tout en conservant des performances d'exploitation optimales. Le but du travail présenté dans ce mémoire est de développer un outil d'aide à la décision pour assister les agents en charge de la réorganisation du trafic lors d'un incident sur infrastructure électrique. Le système étudié est complexe et son analyse repose sur des simulations coûteuses. Nous avons donc proposé une démarche en deux phases. Dans un premier temps, une analyse de sensibilité permet de détecter de manière efficace les variables d’ajustement du trafic les plus influentes. Après une analyse comparative entre différentes techniques, nous avons retenu l’analyse de sensibilité régionale par filtrage de Monte Carlo et test de KS, car cela permet de prendre en compte les contraintes opérationnelles, comme les niveaux de tension en ligne. La deuxième phase consiste à optimiser la solution en travaillant dans un espace de recherche de dimension réduite. Un ensemble de solutions Pareto optimales sont générées afin d’évaluer le meilleur compromis entre le critère principal qui est la densité de trafic et d’autres critères tels que les pertes ou les échauffements. Les techniques mises en œuvre ont abouti à la réalisation d’un prototype. Cet outil permet à l’ingénieur de définir les variables d’ajustement et les critères de performance du trafic. Il analyse ensuite l’influence des différentes variables d’ajustement et optimise le trafic par rapport aux critères définis. L’outil a été testé sur quatre cas d’étude correspondant à des portions de réseaux et à des trafics ferroviaires réels. / The power supply quality of a railway network can be strongly affected by the unavailability of electrical equipment, whether due to a technical incident or a maintenance operation. It is then necessary to reduce the expected traffic by adjusting the time schedules and speed profiles, while maintaining optimal operating performance. The purpose of the work presented in this thesis is to develop a decision support tool to assist the agents in charge of the reorganization of traffic during an incident on electrical infrastructure. The studied system is complex and its analysis is based on costly simulations. We therefore proposed a two-phase approach. As a first step, a sensitivity analysis can effectively detect the most influential traffic adjustment variables. After a comparative analysis between different techniques, we selected the regional sensitivity analysis by Monte Carlo filtering and KS test, because it allows us to take into account the operational constraints, like the tension levels in line. The second phase consists in optimizing the solution by working in a small research area. A set of Pareto-Optimal solutions are generated to evaluate the best trade-off between the main criterion "traffic density" and other criteria such as losses or overheating. The techniques implemented led to the production of a prototype. The tool allows the engineer to define traffic adjustment variables and traffic performance criteria. Then it analyzes the influence of the various adjustment variables and optimizes the traffic according to the defined criteria. The tool was tested on four case studies proposed by SNCF Réseau and corresponding to network segments and actual rail traffic.