Brevet FR2761502A1 — publié le 19981002

PROCEDE ET INSTALLATION DE COMMANDE DE MOYENS DE SIGNALISATION ROUTIERE POUR L'OPTIMISATION DES FLUX DE VEHICULES. La présente invention concerne un procédé et une installation de commande de moyens de signalisation routière pour l'optimisation des flux de véhicules. Le domaine de l'invention est celui de la signalisation routière mise en oeuvre afin de réduire les risques de saturation des axes routiers., en particulier pour réduire les risques de saturation engendrée sur une voie principale par l'insertition de véhicules provenant d'un axe secondaire. On a proposé dans l'état de la technique des solutions permettant d'améliorer la circulation sur des axes importants, consistant à fermer totalement l'accès aux véhicules venant d'une voie secondaire quand on approche du taux de saturation de l'axe principal. Cette solution n'est pas réellement satisfaisante car elle crée une contrainte inacceptable pour les automobilistes empruntant la voie secondaire et ne permet pas l'optimisation des flux car elle agit sur les conséquences, et non pas sur les causes. Le but de la présente invention est de répondre à cet inconvénient en proposant un procédé et une installation visant à optimiser le flux de circulation sans interrompre totalement la circulation sur lune ni sur l'autre des voies. A cet effet, l'invention concerne un procédé de commande de moyens de signalisation routière pour l'optimisation des flux de circulation au niveau du raccordement entre une voie principale et une voie secondaire caractérisé en ce que lesdits moyens de signalisation comportent un feu de signalisation placé sur la voie secondaire passant d'un état de repos d'interdiction de passage à un état transitoire d'autorisation de passage, la durée est de l'état transitoire étant déterminée de façon à autoriser le passage d'un véhicule seulement. Selon un mode de réalisation avantageux, l'intervalle entre deux états transitoire est déterminé par la maximalisation d'une fonction représentative du paramètre de circulation à optimiser. Selon une variante avantageuse, on réalise en outre un marquage au sol sur la voie principale, en aval de la jonction des deux voies, pour la visualisation d'une file de circulation latérale réservée aux véhicules provenant de la voie secondaire. Selon une autre variante, on réalise un marquage au sol de la voie principale, à l'approche de la voie secondaire, pour interdire aux véhicules circulant sur la voie principale les changements de file intempestifs. Selon une variante préférée, on procède au comptage des véhicules circulant sur la voie principale, en amont et en aval du raccordement de la voie secondaire, à une distance suffisante de ce raccordement pour éviter la zone de circulation perturbée par les véhicules provenant de la voie secondaire et pour les empèêcher de s'inserrer sur la voie principale trop hâtivement, les données de comptage constituant les paramètres de la fonction de calcul de l'intervalle de temps séparant deux états transitoires. L'invention concerne également une installation de commande de moyens de signalisation routière pour l'optimisation des flux de circulation caractérisé en ce qu'elle comporte un feu de signalisation disposé sur la voie secondaire, à proximité de l'embranchement avec le voie principale, ledit feu étant au repose dans un premier état d'interdiction de passage, et passant transitoirement dans un état d'autorisation de passage, pendant une durée correspondant sensiblement au temps de passage d'un véhicule seulement. Avantageusement, l'invention comporte une première station de mesure disposée en aval du convergent, est constituée d'un capteur de taux d'occupation par file de circulation, et d'une seconde station de mesure située au niveau du convergent de la bretelle est équipée d'un capteur de débit. De préférence, l'installation comporte en outre une station de mesure en amont de la bretelle comportant des systèmes de comptage capable de mesurer le débit amont. Cette information pourra servir à recalibrer les paramètres du régulateur. L'invention sera exposée plus en détail dans ce qui suit, en référence aux dessins annexés se rapportant à un exemple non limitatif de réalisation de l'invention, en relation avec les figures annexées où : - la figure 1 représente une vue schématique d'une voie principale et d'une bretelle d'accès - la figure 2 représente une vue schémarique des flux sur les deux voies - la figure 3 représente les courbes de de débit et de concentration - les figures 4 et 5 représentent des schémas de principe du système de régulation - la figure 6 représente la courbe de détermination du point de fonctionnement du régulateur - la figure 7 représente le diagramme de fonctionnement du régulateur - la figure 8 représente la courbe de la concentration en fonction du débit. La présente description concerne les spécifications techniques du système de commande des feux selon un exemple de réalisation de l'invention. Ce procédé de régulation de trafic est basé sur le principe du contrôle d'accès. I1 s'agit de contrôler le débit de véhicules d'une bretelle d'accès (1) débouchant sur une voie principale (2) en commandant un feu de signalisation (3). Le feu de signalisation présente une position de repos d'interdiction de passage, par exemple sous la forme d'un feu rouge, et une position temporaire d'autorisation de passage, par exemple sous la forme d'un feu vert. Eventuellement, mais non nécessairement, le feu de signalisation comporte un troisième feu, par exemple un feu orange. Dans ce cas, ce feu s'allume préférentiellement pendant une période annonçant le passage au vert, comme cela est le cas en Allemagne ou en Suisse. Ce troisième feu est donc préférentiellement un feu préparatoire permettant au conducteur de se préparer à passage de la position d'interdiction de passage à la position d'autorisation de passage. L'algorithme de commande des feux est basé sur une régulation de la concentration de véhicules (nombre de véhicules par kilomètres) sur la voie principale en aval de la voie d'accès. On cherche à rejeter les perturbations de trafic crées par l'insertion de véhicules provenant d'une bretelle d'accès sur la voie principale. La voie principale est divisée en plusieurs files (6 à 8) par des marquages au sol (4, 5). Le marquage (4) définissant la file latérale (6) du coté de la voie secondaire (1) interdit le passage des véhicule vers les files médianes sur une zone débutant en amont du raccordement entre la voie principale (2) et la voie secondaire (1), et se terminant en aval de cette zone. I1 s'agit par exemple d'une ligne continue double ou encore d'une ligne formant un léger relief ou des bandes de bruitage alertant le conducteur tentant de changer de file. L'intersection elle-même comporte un marquage au sol canalisant les véhicules provenant de la voie secondaire, pour les empêcher de s'insérrer trop rapidement dans la voie principale. Il permet notamment de canaliser les vhicules provenant de la voie secondaire sur une seule voie de circulation se raccordement tangeantiellement avec la voie principale. Ce marquage, par exemple une double ligne continue ou un marquage en relief, est particulièrement utile lorsque la voie d'accès secondaire comporte plus d'une voie de circulation. I1 permet dans ce cas d'assurer que les véhicules s'insérrent l'un derrière l'autre, et non pas côte à côte. Le but de l'invention est, rappelons-le, d'assurer une insertion des véhicules en file unique, avec un intervalle entre les véhicules provenant de la voie secondaire suffisant pour réduire la perturbation de la voie principale. Des capteurs (10 à 12) d'une première série de capteurs sont disposés dans chacune des files de la voie principale (2), en amont du raccordement, à une distance suffisante pour que la zone de détection ne soit pas perturbé par l'arrivée des véhicules de la voie secondaire (1). I1 s'agit par exemple de capteurs magnétiques détectant le passage d'un véhicule, ou encore de caméras vidéo associées à des moyens d'analyse d'image. De même, une série de capteurs (13 à 15) est disposée en aval de la zone de raccordement, à une distance suffisante pour que le flux de véhicules ne soit pas perturbé par l'arrivée des véhicules sur la voie secondaire. La voie secondaire est également équipée d'une série de capteurs (16) pour le comptage des véhicules arrivant sur la voie secondaire (1). Le système selon l'invention comporte principalement un feu de signalisation (3) situé sur la voie secondaire (1), à proximité de la zone de raccordement. Ce feu est normalement vers ou inactif, lorsque les débits sur la voie principale et sur la voie secondaire sont suffisamment faibles pour qu'il ne soit pas nécessaire de procéder à une régulation des flux de véhicules provenant de la voie secondaire. A l'approche de la saturation, la régulation entre en fonction. Le début du cycle de régulation commence par une interiction de passage pendant un temps prédéterminé, par exemple 30 à 45 secondes. Le feu (3) est alors au repos en position d'interdiction de passage, par exemple sous forme de feu rouge. Le système de commande dont un exemple de réalisation sera décrit plus en détail dans ce qui suit commande le passage du feu (3) en position d'autorisation de passage pendant une durée invariable déterminée pour autoriser le passage d'un véhicule à la fois seulement. Cette durée d'autorisation de passage transitoire peut être déterminée par un temporisateur, ou encore par la détection du passage du véhicule autorisé, par exemple par coupure d'un faisceau transversal. Ces impulsions transitoires sont séparées temporellement par des intervalles d'interdiction de passage qui sont déterminées en fonction des paramètres représentatifs du débit. Les paramètres pris en compte et l'équation déterminant l'intervalle de temps en fonction des paramètres considérés dépend de certaines options. Ils est possible de privilégier l'écoulement sur la voie principale, ou de déterminer une valeur minimale de débit sur la voie secondaire, ou encore de rechercher une optimisation du nombre total de véhicule sur l'ensemble des deux voies. La fonction déterminera la périodicité, ou plus précisément l'intervalle de temps séparant deux autorisation de passage d'un véhicule unique. Dans des cas limites, il est possible que ces intervalles soient inférieurs à la durée de position transitoire d'autorisation de passage, auquel cas le feu restera constamment en position d'autorisation de passage, ou au contraire tendra vers l'infini, auquel cas le feu restera en permanence en situation d'interdiction de passage. La description qui suit exposera un exemple de méthode de développement de l'algorithme de commande des feux. Ce modèle de commande fournit une représentation mathématique du système réel suffisamment précise pour permettre le calcul de l'évolution des variables caractéristiques du système (variables d'état). Cette représentation couplée à des mesures sur le processus physique permet d'anticiper et de contrôler le système réel. Les paramètres pris en compte sont U représentant le débit de la voie d'accès secondaire (1) Daval représentant le débit de la voie principale (2), en aval du raccordement des deux voies, exprimé en nombre de véhicules par heures (vh/h) Damont représentant le débit de la voie principale (2), en amont du raccordement des deux voies, exprimé en nombre de véhicules par heures (vh/h) C représentant la concentration de véhicules dans la zone de raccordement. Le tronçon routier est pris isolement afin de travailler avec des variables de trafic moyennes locales. Ces variables sont caractéristiques des conditions du trafic aux abords de la jonction On a les équations suivantes équation de conservation de la matière. DAval= UBretelle+ Damon Relation Débit Concentration. DAval=CAval'VAval On choisit un modèle de trafic macroscopique basé sur le principe du diagramme fondamental .Ce principe repose sur l'observation expérimentale. I1 suppose que la relation entre les valeurs moyennes du débit et de la concentration d'une portion de route suit une loi en forme de cloche représentée en figure 2. Cette relation sera désignée par l'équation DAval fDF(CAval). Après une analyse rapide des équations du modèle, on distingue aisément deux plages de fonctionnement du système Pour CH2 CCf071CUE : le trafic est fluide. Pour C > Cc~xsr- Le trafic est saturé. Le critère de fluidité le plus significatif est la vitesse du flux de circulation qui correspond a la vitesse moyenne spatiale sur le tronçon (les v sont les vitesses des véhicules présents sur le tronçon d'étude). La régulation proposée se met en marche lorsque la valeur de la concentration du tronçon est voisine ou supérieure à la concentration critique. La stratégie de commande des feux aura donc pour but d'asservir la concentration à une valeur légèrement inférieure à la concentration critique. En effet, il est clair que pour une demande de débit aval importante, la vitesse du flux est maximale pour par conséquent l'état optimal du système est le point de fonctionnement correspondant à une valeur de la concentration de véhicule égale à la concentration critique. Diagramme fondamental Le processus est représenté par le diagramme constituant la figure 3. Le débit de la bretelle détermine la fonction de commande du feu de signalisation (3), et plus précisément de la durée séparant deux périodes transitoires d'autorisation de passage. Comme, on l'a vu précédemment, la sortie du système est la concentration du tronçon à réguler. On remarque que le débit amont est incontrôlé mais agit sur le système : il s'agit d'une perturbation. Nous allons donc chercher à asservir la concentration en bouclant le système. La théorie classique de l'automatique est a l'origine d'un grand nombre de méthodes aboutissant à la conception d'un correcteur pour le processus a réguler. Etant donne la simplicité du modèle de commande du système, nous avons choisi de boucler le système avec pour correcteur un simple intégrateur. Cet intégrateur a pour but d'assurer la convergence de la valeur de sortie du process vers la valeur de consigne. Les sorties du systèmes sont échantillonnées à fréquence fixe. I1 s'agit des capteurs de taux d'occupation aval et amont qui renseignent sur la valeur de la concentration. La fonction de transfert de intégrateur en z transforme en Z est : Kntegr 1 d'ou le schéma bloc représenté en figure 4. Le choix du gain Nntegr de intégrateur est le résultat d'un compromis entre la stabilité du système bouclé et la dynamique de ralliement de la valeur de sortie a la valeur de la consigne. Pour le système régulé, la plage de valeur de la concentration est connue, elle correspond au voisinage de la valeur de concentration de consigne. Nous allons donc déterminer les paramètres du régulateur pour le point de fonctionnement correspondant a cette valeur de consigne. Cw = CConsignr- a. Coemoe : Concentration de véhicule au point de fonctionnement. O Le modèle de commande est non linéaire, nous allons donc le linéariser pour notre point de fonctionnement, comme représenté graphiquement en figure 5. 10= 10+~ai (0Y(0Aval 0m)+ C(0Ava) Aval DAvai(CAval) fOf )+ aoSf )+ (0)(0Aval CF) d où Aval CAval= K DAval+ D +0 '\LC. D - 0Aval avec K0F=7m et C,f,cc,, Aval K0F 0 avec KDF=F et Gt,=C Aval Aval U Bretelle Kntegr z1 i (CConsigne CA Va I) D -u +D c c DAval = UBrelelle+ Damon donnent CoT Aval - K = DAmOn+KjnSg,z CAval) Koe Koe Amont in'egr 1nane Après linéarisation, la fonction de transfert devient. 0Aval= ssi EY KT z z,n,le 0F 0Consgna+ (KOF DAmont C z-1 1+ ntagrK z-, )wHiegr+i z- i Cette fonction de transfert du système bouclé correspond au schéma bloc représenté en figure 6. Calibration du correcteur. Cette fonction de transfert permet d'identifier les dynamiques du processus poursuite de consigne. rejet des perturbations. Le terme Kjntegr KDF Z 1+ 1+l'nrKpF, correspond à la dynamique de poursuite de la consigne. I1 s'agit d'un système du premier ordre. La stabilité est assure si i+KntegrK0F > 1. Plus Kniegrest grand, plus le système est instable. Le terme z-i (Kntegr+ i > z i (Kintegr+ 1)Z- 1 correspond à la dynamique de rejet de la perturbation provoquée par une variation du débit amont de la voie principale Damant. Plus Knegrest grand, plus le rejet de la perturbation est rapide. Le choix du gain Nnteg,est basé sur un compromis entre la dynamique de poursuite et la stabilité du système bouclé. On 0,8 choisira donc par exemple Kintegr KDF =0,8 d'ou Kintegr = KDF La loi de commande devient UBretelle(k)= UBretelle(k-1) + Kintegr (Ccons - CAval(k)) . Cette loi de commande permet de déterminer la nature des signaux à traiter. I1 faut donc mesurer la concentration sur la voie principale en aval du convergent à chaque période d'échantillonnage et mémoriser UBretelle(k 1). Natures des sianaux en entrée du système. Diagramme fondamental. C(xl,x2,t) est le nombre de véhicules présents à l'instant t sur le segment de longueur x2-xl. L'unité courante est le nombre de véhicules par kilomètre. (vh/km). Le taux d'occupation r(x,t) est la fraction du temps durant lequel, les véhicules occupent une longueur de route donnée. L'intérêt de cette grandeur est d'être facilement mesurable par des capteurs à boucle magnétique enfouis dans la chaussée. On obtient ainsi une mesure de la concentration sans dispositif coûteux par la relation suivante. r(x,t)= (L+I)#C(x,t) L est la longueur moyenne d'un véhicule. I est la longueur du capteur. Le système complet nécessite deux stations de mesures. La première, en aval du convergent, est constituée dans 1'exemple décrit de trois capteurs de taux d'occupation enfouis dans la chaussée (un par file). La seconde, située au niveau du convergent de la bretelle est équipée d'un capteur de débit. Ce dispositif pourra être complété par une station de mesure en amont de la bretelle comportant des systèmes de comptage capable de mesurer le débit amont. Cette information pourra servir à recalibrer les paramètres du régulateur. La figure 7 représente une vue schématiquement de la mise en oeuvre du système selon l'invention. La période d'acquisition des signaux des capteurs d'environ 40 secondes, ainsi que les moyens de filtrage, devront être déterminés sur site en fonction de la nature des signaux émis par les capteurs. Mode de conversion du débit de la bretelle en modulation du cycle du feux. I1 semble souhaitable de maintenir un débit de bretelle minimum si le tronçon est saturé. Une variante de réalisation consiste à insérer une période de feux orange avant le passage au vert de façon à prévenir l'automobiliste du passage prochain au vert. Compte tenu du temps de réaction du conducteur, le maintien des cycles de feux fixe une valeur limite haute pour le débit. Ce débit est égale au nombre de voiture injectées pendant la durée du feux vert divisé par cette durée. Le calcul de la durée du feux rouge s'effectue de la façon suivante Nveticych nombre de véhicule autorisés à démarrer par cycle de feu (un par file de la voie secondaire) '5orange Durée du feu orange. avent Durée du feu vert. Durée du feu rouge. ticycleTotE Durée du cycle total. #cycle Total= #Orange + #Vert + #rouge oconducte Temps de réaction du conducteur temps nécessaire au conducteur pour interpréter l'information " Le feu est vert Dmaxcycle Débit maximum du feux en fonctionnement cyclique. UBretell, valeur de la commande de débit de la bretelle d'accès. on a l'équation suivante Nvel1cycle UBretelle Nve brouge vert+ orange+ '5rouge Si # Rouge = #Conducteur et Nvehcycle=1 c dans le cas du goutte à goutte on obtient le débit maximum Dmaxcycle= /5 vert+ ti orange+ 0 conducteu La conversion du débit de bretelle (commande) en durée de feux rouge #Rouge s'obtient donc en appliquant la formule U SorangeSver Bretelle Si le débit calculé par l'algorithme de commande est supérieur au débit maximum, la seule possibilité est de maintenir le vert constamment. La valeur du débit devient alors incontrôlée. Il est alors nécessaire de repasser en fonctionnement à durée de feu intermittant si on souhaite toujours contrôler le débit. En tout état de cause, la mise en fonction du contrôle d'accès sera déclenché pour des états de trafic dense. On choisira donc deux seuils de valeurs de la concentration pour la mise en service et le débrayage du contrôle d'accès. Les différents seuils sont représentés sous une forme graphique en figure 7. Les états de trafic dense imposent des valeurs de débits de bretelle faible. Par conséquent, la limitation de la plage de variation des débits de commande ne devrait pas affecter l'efficacité de la régulation. Afin de s'affranchir de la dispersion des temps de réaction des conducteurs, nous proposons d'ajouter au système un équipement supplémentaire. Il s'agit de mettre en oeuvre un capteur capable de détecter le passage d'un véhicule. Dans cette configuration matériel, c'est le signal de ce capteur qui provoque le passage du feux au rouge. Ainsi, la durée du vert correspond dans tout les cas au passage d'un seul véhicule. La durée du feux rouge est donc calculé pour respecter la durée totale du cycle calculée par le système de commande. on a toujours Orange. Verl aRrJuge NveMcYcle U Orange Vert Bretelle avec 6 Orange Durée du feu orange fixe. vert Durée du feu vert mesuré entre le passage au feux orange et le signal du capteur de détection de passage du véhicule. La présente invention est décrite à titre d'exemple non limitatif. Il est entendu que l'Homme du métier sera à même de réaliser diverses variante sans pour autant sortir du cadre de l'invention. En particulier, l'équipement pour la mise en oeuvre de l'invention peut être complété par une barière interdisant le passage des véhicules provenant de la voie secondaire, lorsque le feu est rouge. REVENDICATIONS 1 - Procédé de commande de moyens de signalisation routière pour l'optimisation des flux de circulation au niveau du raccordement entre une voie principale et une voie secondaire caractérisé en ce que lesdits moyens de signalisation comportent un feu de signalisation placé sur la voie secondaire passant d'un état de repos d'interdiction de passage à un état transitoire d'autorisation de passage, la durée est de l'état transitoire étant déterminée de façon à autoriser le passage d'un véhicule seulement par file de la voie secondaire 2 - Procédé de commande de moyens de signalisation routière pour l'optimisation des flux de circulation selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'intervalle entre deux états transitoire est déterminé par la maximalisation d'une fonction représentative du paramètre de circulation à optimiser. 3 - Procédé de commande de moyens de signalisation routière selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on réalise en outre un marquage au sol sur la voie principale, en aval de la jonction des deux voies, pour la visualisation d'une file de circulation latérale réservée aux véhicules provenant de la voie secondaire. 4 - Procédé de commande de moyens de signalisation routière selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on réalise marquage au sol de la voie principale, à l'approche de la voie secondaire, pour interdire aux véhicules circulant sur la voie principale les changements de file intempestifs. 5 - Procédé de commande de moyens de signalisation routière selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on procède au comptage des véhicules circulant sur la voie principale, en amont et en aval du raccordement de la voie secondaire, à une distance suffisante de ce raccordement pour éviter la zone de circulation perturbée par les véhicules provenant de la voie secondaire, les données de comptage constituant les paramètres de la fonction de calcul de l'intervalle de temps séparant deux états transitoires. 6 - Installation de commande de moyens de signalisation routière pour l'optimisation des flux de circulation caractérisé en ce qu'elle comporte un feu de signalisation disposé sur la voie secondaire, à proximité de l'embranchement avec le voie principale, ledit feu étant au repose dans un premier état d'interdiction de passage, et passant transitoirement dans un état d'autorisation de passage, pendant une durée correspondant sensiblement au temps de passage d'un véhicule seulement. 7 - Installation de commande de moyens de signalisation routière pour l'optimisation des flux de circulation selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'elle comporte une première station de mesure disposée en aval du convergent, est constituée d'un capteur de taux d'occupation par file de circulation, et d'une seconde station de mesure située au niveau du convergent de la bretelle est équipée d'un capteur de débit. 8 - Installation de commande de moyens de signalisation routière pour l'optimisation des flux de circulation selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'elle comporte en outre une station de mesure en amont de la bretelle comportant des systèmes de comptage capable de mesurer le débit amont.