Incidence de la régulation d’un carrefour à feux sur le risque des usagers

Le carrefour à feux

   Nous reprenons dans cette partie un certain nombre de définitions du guide de l’AFNOR (Anonymous, 1991). Nous étudions le trafic routier dans une partie particulière de l’environnement, les carrefours à feux. Les carrefours sont des lieux critiques pour la sécurité des personnes qui s’y déplacent. Le carrefour est le lieu de croisement d’au moins deux routes. Ces routes sont caractérisées par leur largeur, le nombre de voies et le sens de circulation sur ces voies. Les routes se croisent de nombreuses façons, tant du point de vue de l’infrastructure que des règles de franchissement. La figure 2.1 représente un carrefour simple de deux routes à sens unique, qui sera appelé plus spécifiquement intersection dans la suite, et précise les zones fonctionnelles : la zone de conflit, avec deux zones de stockage en amont des lignes de feux. Un carrefour peut être très complexe, composé en fait d’un ensemble de carrefours plus simples suffisamment rapprochés et imbriqués les uns dans les autres pour apparaître aux yeux de l’usager comme un seul carrefour. Nous nous intéressons dans ce travail à un type particulier de carrefour, les carrefours à feux, dont l’accès est contrôlé par des signaux lumineux d’intersection situés sur chaque voie d’entrée sur le carrefour. La signalisation lumineuse d’intersection couvre l’ensemble des signaux lumineux d’intersection tricolores, piétons et d’anticipation. Nous nous intéressons par la suite essentiellement aux signaux tricolores, appelés aussi feux tricolores ou de circulation. Un feu tricolore est caractérisé par sa couleur (vert, jaune ou rouge), un éventuel pictogramme désignant l’usager concerné et le fait qu’il clignote ou pas. La façon de gérer les feux de circulation constitue la méthode ou stratégie de régulation du carrefour à feux et est discutée dans la partie suivante. Un mouvement est défini par son origine et sa destination. A chaque type de mouvement ne correspond pas une voie dédiée. Ils sont regroupés par deux ou trois sur une même voie mixte et constituent des courants. Un courant de véhicule est défini comme l’ensemble des mouvements de véhicules provenant d’une même branche d’accès à un carrefour et admis simultanément au moyen d’un même groupe de signaux. Un point conflictuel résulte de la rencontre, en un même lieu, de mouvements antagonistes de mobiles. Certains trouvent une solution dans le respect des règles du Code de la Route, mais ils doivent être examinés avec soin en fonction de la visibilité et de l’importance respective des mouvements (cf la réglementation en vigueur dans (Anonyme, 1996)). D’autres doivent être systématiquement éliminés dès lors que l’on implante une signalisation lumineuse d’intersection. La zone de conflit est constituée des points conflictuels du carrefour. La durée pendant laquelle un ou plusieurs courants sont admis simultanément dans le carrefour constitue une phase. L’enchaînement des différentes phases constitue le cycle des feux. Le cycle désigne aussi la durée entre deux passages successifs de l’ensemble des feux d’un carrefour à feux par le même état, en supposant que des phases ne sont pas escamotées. Dans ce cas, la stratégie est dite acyclique. Un plan de feux est l’ensemble des données définissant tout ou partie du fonctionnement d’un carrefour à feux, ou d’un ensemble de carrefours à feux, en particulier les phases du carrefour, leur succession et leur durée.

Les interactions

   Le trafic est un système complexe, résultant de l’ensemble des comportements individuels de ses multiples acteurs, et de leurs interactions. Les interactions constituent la première classe d’évènements pertinents : dans une circulation fluide, peu dense ou sans difficultés de conduite particulières, une proportion importante des usagers [mobiles] effectuent leur déplacement sans interactions, c’est à dire sans avoir à modifier leur trajectoire ou leurs manœuvres en fonction d’autres usagers présents simultanément sur les lieux. (Muhlrad, 1988) Nous parlerons dans ce cas de mobiles isolés. Dans le cas contraire, lorsque deux mobiles sont mis en présence et doivent tenir compte l’un de l’autre dans leur mouvement, il y a interaction. Cela implique une certaine proximité spatio-temporelle. Il y a des interactions permanentes entre un mobile et son environnement, entre plusieurs mobiles : l’usager doit tenir compte en permanence des autres entités présentes sur la route, car ils partagent le même espace. Cette définition n’est cependant pas opérationnelle en tenant compte de nos capacités d’observation. Nous ne pouvons pas détecter de l’extérieur la prise de conscience par un usager de la présence d’un autre usager. Cette prise de conscience peut induire un changement de comportement observable, mais pas dans tous les cas. Nous définissons alors une interaction potentielle de la façon suivante.
Définition 2.2.1 Deux mobiles sont en interaction potentielle s’ils sont proches spatialement et que leur distance diminue. Ainsi, sur la plupart des carrefours, tous les mobiles se rapprochant les uns des autres sont en interaction potentielle les uns avec les autres. Avec cette définition, un mobile est isolé soit s’il est trop éloigné des autres mobiles, soit s’il s’éloigne de tous les mobiles proches. Au bout d’un certain temps, tous les mobiles suffisamment proches sont ou ont été en interaction potentielle. Pour la suite, nous utilisons simplement le terme d’interaction. Plusieurs mobiles peuvent être en interaction à un instant donné, mais nous nous ramenons toujours à des interactions entre deux mobiles, en analysant les interactions entre mobiles deux à deux. Les mobiles en interactions sont qualifiés de protagonistes ou impliqués. Dans ce travail, nous voulons évaluer la sécurité des usagers. La sécurité peut renvoyer à des acceptions très différentes selon les usagers et les intervenants. La sécurité, ou plutôt l’insécurité, est caractérisée par l’occurence d’accidents. L’accident marque le dysfonctionnement du système.
Définition 2.2.2 Un accident est un événement du trafic impliquant un mobile qui entre en collision avec au moins un obstacle ou un autre mobile, avec dommages matériels et/ou corporels pour les usagers. La gravité d’un accident mesure les conséquences de l’accident, i.e. les dommages causés par l’accident.

Hypothèses fondamentales : la hiérarchie des interactions et la sévérité

   Les chercheurs suédois de l’université de Lund, C. Hydén et Å. Svensson, font l’hypothèse que les événements du trafic peuvent se répartir en différentes classes selon leur rapport à la sécurité, i.e. à l’accident (Hydén, 1987; Svensson, 1998). Ces classes d’événements plus ou moins sûrs peuvent être placées dans une hiérarchie des événements de trafic selon leur sécurité, ou hiérarchie de sécurité, avec les accidents à leur sommet. Dans cette hiérarchie de sécurité, plus une interaction est “loin” de l’accident, plus elle est sûre. Il est possible de construire de proche en proche des classes d’interactions de plus en plus sûres. Les interactions les plus proches des accidents, i.e. dont le déroulement est très proche de celui d’un accident, sans collision, sont appelées les quasiaccidents. Après les quasi-accidents, peuvent être définis des “quasi-quasi-accidents”, interactions très proches des quasi-accidents, dans lesquels par exemple les mobiles sont moins proches et les manœuvres d’évitement sont moins urgentes … Il est possible d’envisager récursivement toute une hiérarchie des interactions selon leur proximité à l’accident. A la notion de hiérarchie peut être ajoutée celle de pyramide, introduite par (Hydén, 1987), indiquant que plus les situations sont éloignées de l’accident, plus elles sont fréquentes dans le trafic. Nous nous intéressons uniquement aux accidents entre mobiles. La situation la plus sûre est donc un mobile isolé. Les situations plus sévères, minimales pour qu’un accident ait lieu, sont les interactions. Les interactions sont les événements du trafic élémentaires considérés. Nous reprenons l’hypothèse selon laquelle
Hypothèse 1 Les interactions du trafic peuvent se placer sur une hiérarchie selon leur rapport à la sécurité, hiérarchie dite de sécurité. Attardons-nous sur la description d’un quasi-accident, qui nous permet de décrire différentes situations d’interaction entre mobiles. Trois notions classiques introduites dans les techniques des conflits de trafic interviennent dans la définition (Hydén, 1987; Muhlrad, 1988; Svensson, 1998) : trajectoire de collision : deux mobiles sont sur une trajectoire de collision à un instant donné dans le cas où, si leurs trajectoires sont extrapolées à partir de cet instant selon des hypothèses à préciser, ils entreraient en collision en un point de collision potentielle. Les mobiles protagonistes sont alors en interaction critique. manœuvre d’évitement : action entreprise par un protagoniste afin de quitter une trajectoire de collision, en changeant de vitesse et/ou de direction. Elle est plus ou moins urgente. L’évitement constitue une rupture visible dans la continuité du déplacement, comme un freinage ou un écart brusque.  Un quasi-accident est une interaction critique dans laquelle la manœuvre d’évitement est brusque car elle intervient alors que la collision est imminente. A l’aide de ces termes, la figure 2.2, grandement inspirée de (Muhlrad, 1988), décrit différentes situations d’interaction, plus ou moins proches de l’accident, et les processus qui y mènent. Il faut nuancer la capacité descriptive de la notion de trajectoire de collision. Il existe en effet des interactions très dangereuses entre mobiles sans trajectoire de collision. Lorsque les trajectoires extrapolées des mobiles sont telles qu’ils passent très près l’un de l’autre, ou se déplacent parallèlement, ils ne sont pas sur une trajectoire de collision (Wakabayashi et Renge, 2000). Or ces interactions peuvent être très dangereuses, un petit changement de trajectoire de l’un des mobiles pouvant les mettre sur une trajectoire de collision imminente. Il faut étendre la notion de trajectoire de collision (Wakabayashi et Renge, 2000), en considérant par exemple une “aire de danger” autour du mobile des interactions dangereuses dans ce cadre. Nous n’étudions pas ces cas dans la suite, pour des raisons liées aux données. A partir de l’hypothèse de l’existence d’une hiérarchie de sécurité des interactions, est définie l’échelle de sévérité comme la traduction de la hiérarchie de sécurité en éléments mesurables (selon des hypothèses à préciser) (Svensson, 1998). Nous reprenons l’hypothèse suivante,
Hypothèse 2 La sévérité est une valeur qui peut être estimée pour tout type d’interaction et reflète sa position dans la hiérarchie de sécurité. La sévérité d’une interaction est reliée à la probabilité que l’interaction évolue en accident, i.e. la probabilité conditionnelle qu’une collision ait lieu entre deux protagonistes, sachant que l’interaction entre ces protagonistes a été observée (Hydén, 1987; Svensson, 1998). Cette probabilité peut être obtenue comme le rapport du nombre d’interactions ayant évolué en accident, sur le nombre d’interactions, en observant assez longtemps le trafic pour que les fréquences des interactions soient de bonnes estimations de leur probabilité. (Muhlrad, 1988) décrit les facteurs principaux constituant la sévérité pour les interactions critiques :
• le degré d’urgence de l’évitement, i.e. la marge de manœuvre avant la collision potentielle,
• l’intensité des manœuvres d’évitement des mobiles impliqués,
• l’efficacité finale de l’évitement, i.e. la proximité des usagers à l’issue de l’évitement.
Les usagers peuvent réagir très brusquement parce qu’ils interprètent mal la situation, alors qu’une manœuvre normale serait suffisante. Pour cette raison, nous écartons le facteur de l’intensité des manœuvres d’évitement. La sévérité revient alors à une proximité dans le temps et l’espace des mobiles protagonistes, proximité qui leur laisse plus ou moins de marge de manœuvre pour éviter la collision. Ces éléments valent pour les interactions non critiques. Nous pouvons ordonner les classes d’événements décrits dans la figure 2.2, sur une échelle de sévérité, des plus sévères vers les moins sévères : les accidents, les quasi-accidents, les interactions critiques (autres que les accidents ou les quasiaccidents), les interactions non-critiques, les mobiles isolés. Différentes hypothèses, définitions opérationnelles de la sévérité, résultent en des hiérarchies différentes, qui doivent cependant rester logiques et cohérentes avec la hiérarchie de sécurité.

Une Technique des Conflits de Trafic alternative

   L’intérêt principal des TCT est de permettre un diagnostic de sécurité rapide (quelques jours), beaucoup plus rapide que les études basées sur les accidents. Certains phénomènes sont cependant difficiles à expliquer avec les TCT “classiques” présentées précédemment. Le travail de Å. Svensson (Svensson, 1998) étend la TCT au-delà des conflits les plus sévères, intégrant toutes les interactions critiques, et propose ainsi un cadre de description et d’analyse de la sécurité plus détaillé que les TCT classiques. Ce travail propose un cadre permettant d’expliquer le “paradoxe” du rond-point. Cette façon d’aménager les intersections a connu un grand succès depuis quelques années, car il s’y déroule statistiquement moins d’accidents avec dommages corporels que dans des carrefours à feux. Si la fréquence des accidents ne diminue pas, la fréquence des dommages corporels diminue (Anonymous, 2000). L’étude de (Jacquemart, 1998) indique que sur les sites de carrefours aménagés en ronds-points, la fréquence d’accident a baissé de 37% et le taux de dommages corporels de 51%. Or il se déroule sur les ronds-points nettement plus de conflits que sur les carrefours classiques. Cette constatation semble en contradiction avec la validité des TCT. Une première explication tient au changement de types d’interactions, qui ne sont plus transversales et donc moins dangereuses (Hydén et Várhelyi, 2000). Il n’en reste pas moins que les chiffres des conflits et des accidents ne sont pas du tout corrélés. Comment résoudre cette contradiction apparente ? (Svensson, 1998) défend l’hypothèse de l’existence d’une hiérarchie de sécurité, mesurable sur une échelle de sévérité, hypothèse sur laquelle notre travail repose. Le trafic est alors vu comme un ensemble d’événements de sévérités différentes. Les événements pertinents pour la sécurité sont les interactions avec trajectoire de collision, les interactions critiques, et leur sévérité est décrite par leurs valeurs de TA et de vitesse, comme les autres TCT suédoises. Dans ce travail, la présence d’une manœuvre d’évitement n’est pas nécessaire pour décrire un conflit. Le diagnostic de sécurité s’appuie ensuite sur l’analyse de la forme de la distribution des interactions en fonction de leur sévérité. Cette forme peut être affectée par différents facteurs comme le type de mobile et de manœuvre d’évitement, les vitesses des mobiles impliqués, le débit, la conception du carrefour… Cette forme peut être utilisée pour
• décrire des différences de comportement des usagers,
• prédire la fréquence d’événements plus sévères à partir d’informations sur des événements moins sévères,
• proposer des mesures d’aménagements.
Å. Svensson recueille les données d’interactions, de conflits et d’accidents entre véhicules ou entre véhicules et piétons sur trois sites, dont deux sont équipés de feux. Les données sont comptées par type de manœuvre et d’usager entreprenant la manœuvre d’évitement. Les conclusions générales de son étude sont les suivantes. Toutes les distributions déclinent aux deux bouts, i.e. pour les interactions les plus sévères et les moins sévères relevées. La forme des distributions dans leur partie centrale, pour les interactions les plus nombreuses, diffère selon les facteurs étudiés. Pour les manœuvres tournantes, les distributions dépendent peu du type de carrefour, à feux ou non. Si les mobiles traversent le carrefour tout droit, il semble y avoir une différence selon que le carrefour est équipé de feux ou non. Le pic de la distribution pour le carrefour équipé se situe sur des interactions plus sévères, et est nettement plus étalé, que pour le carrefour non-équipé. Aucune conclusion ne peut être tirée concernant le type de mobile impliqué. En conclusion, Å. Svensson postule l’existence d’une frontière dans l’échelle de sévérité au-dessus de laquelle un fort taux d’interaction est un signe d’insécurité et endessous de laquelle c’est un signe de sécurité (cf figure 2.4). En outre, des lieux caractérisés par un taux moyen d’interaction de sévérité faible et répartis sur de nombreux niveaux de sévérité peuvent occasionnellement produire des accidents avec dommages corporels très graves. La distribution opposée, avec un pic clair situé à des valeurs de sévérité plus grandes, mais en dessous de la frontière, semble indiquer une faible occurence d’événements les plus sévères. Å. Svensson explique cette observation par le processus d’apprentissage des usagers (cf (Muhlrad, 1993) aussi), i.e. la meilleure vigilance des usagers habitués à être impliqués régulièrement dans des interactions de sévérité notable. Ces travaux proposent une solution au paradoxe du rond-point. Dans un rond-point, les usagers sont vigilants et bien habitués à gérer les interactions récurrentes. L’analyse de l’ensemble des interactions critiques, des plus sévères aux moins sévères, donne ainsi une image plus complète et nuancée de la sécurité.

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Table des matières

1 Introduction 
1.1 Contexte 
1.2 La problématique 
1.3 Contributions de ce travail 
1.4 Plan du document
2 Le diagnostic de sécurité dans les carrefours 
2.1 Introduction 
2.1.1 Les éléments du monde
2.1.2 Le carrefour à feux
2.1.3 La régulation dans un carrefour à feux
2.2 La sécurité et le risque
2.2.1 Les interactions
2.2.2 Hypothèses fondamentales : la hiérarchie des interactions et la sévérité
2.2.3 Le risque
2.3 Les méthodes de diagnostic de sécurité 
2.3.1 L’usage de l’exposition
2.3.2 L’analyse des accidents
2.3.3 Les Techniques des Conflits de Trafic
2.3.4 Autres méthodes de sécurité
2.4 Conclusion
3 Le diagnostic de sécurité pour notre problématique 
3.1 Une modélisation des interactions 
3.1.1 Quelles interactions ?
3.1.2 Les catégories d’interaction
3.1.3 Le risque et la sévérité
3.2 Le système expérimental 
3.2.1 Le laboratoire Carrefour Intelligent
3.2.2 Le site expérimental
3.2.3 Les données
3.2.4 La base de données
3.3 Que détecter dans les données ? 
3.3.1 Adaptations nécessaires
3.3.2 Quels indicateurs de sévérité ?
3.3.3 Limites et discussion
3.3.4 Objectifs du travail et interprétation des données
3.4 Conclusion 
4 Des règles pour les interactions et leur proximité 
4.1 Introduction 
4.1.1 Le contexte
4.1.2 Intelligence artificielle et systèmes experts
4.2 La détection des interactions 
4.2.1 Les formes
4.2.2 Le franchissement de la ligne de feu
4.2.3 Les interactions
4.3 L’indicateur de proximité 
4.3.1 Extrapolation des trajectoires
4.3.2 Calcul de l’indicateur de proximité
4.4 Validation 
4.4.1 Introduction
4.4.2 La détection des interactions
4.4.3 L’indicateur de proximité
4.4.4 Remarques
4.5 Conclusion
5 L’apprentissage de la sévérité des interactions 
5.1 Introduction à l’apprentissage 
5.1.1 Système à base de règles et apprentissage
5.1.2 L’apprentissage artificiel
5.2 La problématique des indicateurs de sévérité
5.2.1 Les exemples
5.2.2 Les étiquettes de sévérité
5.2.3 Un algorithme incrémental pour traiter un flux de données
5.3 Apprentissage incrémental par sélection de données
5.3.1 Quels objectifs ?
5.3.2 Introduction à l’apprentissage actif
5.3.3 Sélection de données dans un flux
5.3.4 Critère d’arrêt
5.3.5 Combiner les hypothèses pour améliorer la stabilité des performances
5.4 Etudes expérimentales et validation
5.4.1 Problèmes classiques
5.4.2 L’indicateur de vitesse
5.4.3 Conclusion
5.5 Perspectives et problèmes ouverts
6 Analyse comparative de stratégies de régulation 
6.1 Les résultats 
6.1.1 Présentation
6.1.2 Comparaisons
6.2 Conclusion 
6.3 Limites et perspectives
7 Conclusion et perspectives 
A Les modules de détection des interactions
A.1 Introduction à G2
A.2 Les principes de nos modules G2
A.3 L’algorithme de construction des formes dans les images
A.4 Les règles pour le franchissement de la ligne de feu
B Les modules d’apprentissage
B.1 Introduction
B.2 Les modules programmés
B.2.1 Les données
B.2.2 L’apprentissage
B.2.3 Les utilitaires
B.3 Temps de calcul des algorithmes d’apprentissage
C Valorisation des compétences
C.1 Cadre général et enjeux de ma thèse
C.2 Contexte
C.3 Conduite du projet
C.3.1 Gestion du temps
C.3.2 Gestion des relations extérieures
C.3.3 Budget et financement
C.4 Compétences développées dans le cadre de mon projet
C.5 Conclusion
Bibliographie

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