modélisation multi-échelle denvironnements urbains virtuels walid chaker université laval,...

Modélisation Multi-échelle d’Environnements Urbains

Virtuels

Walid Chaker

Université Laval, Faculté des Sciences et de Génie,

Département d’Informatique et de Génie Logiciel

Membre du CRAD et du CRGDirecteurs de recherche : Bernard Moulin et Marius Thériault

23/février/2005 "Modélisation Multi-échelle d'Environnements Urbains Virtuels", Walid Chaker 2

Contexte

• STI (Systèmes de Transports Intelligents) : « Techniques appliquées aux Transports pour rendre les réseaux plus sûrs, efficaces, fiables et écologiques sans avoir nécessairement à le modifier matériellement »

• Simulation informatique : « un essai de reproduire un système réel dans un environnement logiciel, permettant ainsi d’étudier son évolution »

SimulationInformatique

STI

.

STI : Une nouvelle tendance : marché mondiale estimé à 90 milliards de dollars par an (dont 4.7 milliards la part du Canada)

.

On construit alors un « laboratoire artificiel » permettant de réaliser des expériences

.

La simulation informatique cadre bien avec les STI car elle offre cette possibilité de tester virtuellement l’impact de certaines interventions sur le réseau de transport sans avoir à le modifier matériellement


Objectif

• Simulations Multi-échelles :– un essai pour reproduire à plusieurs niveaux de détail

un système réel complexe dans un environnement logiciel, permettant ainsi d’étudier son évolution à différentes échelles

• Notre objectif général : – Contribuer à l’élaboration d’approches, techniques et

modèles permettant des simulations multi-échelles de la mobilité urbaine


Orientation

• Le développement d’une approche de modélisation de l’environnement urbain virtuel pour des fins de simulation de la mobilité urbaine. Cet environnement se doit d’être multi-échelle et doit spécifier trois composantes et leurs liens

Personne

LieuRéseau

Accéder

Desservir

Fréquenter


Patron de conception

Lieu

Nœud

Lien

Type

Géométrie

Vertex

1 1..*

Accès

1

*Transfert

Desserte

Mode

*

*

1

1


Démarche de Construction

1. Créer l’environnement multi-échellea. fixer le nombre d’échelles à considérerb. construire un modèle lieu/réseau pour chaque

échellec. spécifier une grille multi-résolution et affecter

les niveaux aux modèles

2. Peupler l’environnement multi-échelle a. générer les personnes et ménages b. affecter les personnes aux lieux de résidence

et d’occupation c. établir un agenda pour chaque personne


1.a. fixer le nombre d’échelles à considérer

Échelle Lieu

MacroRégion : toute une ville ou à la limite un

quartier ou un arrondissement dans une ville

Meso Parcelle ou lot ou pâté de maisons

MicroZone d’usage qui peut être un bâtiment, un

stationnement, un jardin, etc.

Exemple :


1.b. construire un modèle lieu/réseau pour chaque échelle

Exemple :

Échelle Lieu Lien

MacroRégion : toute une ville ou à la limite un quartier ou un arrondissement dans une ville

Tronçon

Méso Parcelle ou lot ou pâté de maisons Segment

MicroZone d’usage qui peut être un bâtiment, un stationnement, un jardin, etc.

Voie


Macro-modèle

Région

Macro-nœud

Macro-Lien

Type

Géométrie

Vertex

1 1..*

Accès

1

*Transfert

Desserte

Mode

*

*

1

1

2

*


Meso-modèle

Parcelle

Meso-nœud

Meso-Lien

Type

Géométrie

Vertex

1 1..*

Accès

1

*Transfert

Desserte

Mode

*

*

1

1

1

*

1

*


Micro-modèle

Zone d’usage

Micro-nœud

Micro-Lien

Type

Géométrie

Vertex

1 1..*

Accès

1

*Transfert

Desserte

Mode

*

*

1

1

*

*Fin

*

*Début


1.c. spécifier une grille multi-résolution

100 m (Niveau 1)

25 m (Niveau 3)

50 m (Niveau 2)

101 100

103 102

111 110

113 112

131 130

133 132

121 120

123 122

201 200

203 202

211 210

213 212

221 220

223 222

231 230

233 232

301 300

303 302

311 310

313 312

331 330

333 332

321 320

323 322

001 000

003 002

011 010

013 012

031 030

033 032

021 020

023 022

30

2

Cas d’une grille rectangulaire


1.c. spécifier une grille multi-résolutionCas d’une grille hexagonale


1.c. affecter les niveaux aux modèles

Échelle

Micro

Méso

Macro

1 2 3 4 5 6 7 8 9 Niveau

50 m

12.5 m

0.78 m


2.a. générer les personnes et ménages

• Point de départ : données de l’enquête OD (Origine/Destination) tenue par le MTQ et le RTC à l’automne 2001

• 8 % de la population a été interrogée

• Partant des caractéristiques de cet échantillon significatif, nous avons reconstitué une population synthétique de même taille que la population réelle et ayant des caractéristiques similaires à l’échantillon initial


Principe de génération de la population synthétique

Population de l’enquête OD

Tableaux croiséscompilation reconstruction

synthétique

Population générée


2.b. affecter les personnes aux lieux de résidence et d’occupation

• L’affectation se fait à l’échelle meso

• Une réaffectation se fera à l’échelle micro pour une portion limitée du territoire

• Pour l’instant on ne s’intéresse qu’aux activités d’étude et de travail

• Encore une fois on utilise les données de l’enquête OD mais …


Affectation des ménages aux lieux de résidence


Affectation des personnes aux lieux d’occupation

1. Partant des données de l’enquête OD on calcule la distribution des valeurs de l’attribut “temps déplacement auto”

2. Ayant cette distribution on affecte une valeur objective “temps déplacement auto” pour chaque personne de la population synthétique

3. Selon l’emploi de chaque personne on lui affecte un lieu d’occupation de façon à ce que la valeur effective de “temps déplacement auto” s’approche au maximum de la valeur objective


Formalisation de l’affectation des personnes aux lieux d’occupation

• Soient – P1, P2, …, Pn les n personnes de la population

synthétique– O(i) la distance objective de Pi– W1, W2, …, Wn les n opportunités de lieux

d’occupation

• L’assignation consiste à déterminer n couples (Pi, Wj) disjoints de façon à minimiser l’écart entre O(i) et D(i,j) avec D(i,j) la distance calculée entre le lieu de résidence de Pi et Wj.


Solution 1 : couplage parfait et à moindre coût dans un graphe biparti pondéré

P1

P2

P3

P4

P5

W1

W2

W5

W4

W3

P1

P2

P3

P4

P5

W1

W2

W5

W4

W3

Meilleur couplage qui augmente la satisfaction totale

|O(5) – D(5,2)|


Principes Fondamentaux du Modèle Proposé

Modèle Conceptuel Échelle A

Modèle Conceptuel

Échelle B

Modèle Conceptuel Échelle C

Modèle Conceptuel Échelle D

Méta-modèle Lieux / Réseau / population (Patron de conception)

Modèle de l’espace (Grille multirésolution)

Environnement Échelle A

Environnement Échelle B

Environnement Échelle C

Environnement Échelle D

Données Données Données Données


Prototype de simulation méso

temps de simulation d'un TimeStep

0

5

10

15

20

25

30

1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 193 201 209 217 225

TimeStep

Du

rée

(se

co

nd

es

)

durée

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 193 201 209 217 225

en cours

lancés

Plateforme de Simulation

Moteur de simulation

Serveur TransCAD

Appel au macro « FindPath »

avec nœud départ et nœud

arrivée

Retour du chemin : liste de liens + liste de directions

Appel au macro « GetPosition »

avec le lien courant et le % de progression

Retour de la position de l’agent : (longitude, latitude)

Nodes Layer

Links layer

Fichier .net

Définition des coûts des déplacement

MacroUser interface Database

compilation

TransCAD OLE object

Environnement Liens + nœuds +

jointure nœuds/grille

AgentsMénages + personnes

Planification des déplacements

Chargement des données

Exécution des déplacements

début Fin


Conclusion

• Le modèle se veut intégrateur de :– Simulations urbaines et géosimulations; – Simulations des transports et du trafic routier – Simulations des mouvements de piétons et de

véhicules dans les applications de réalité virtuelle

• Il permet :– Prise en compte de plusieurs échelles dans

l’environnement– Réunion des concepts liés au réseau de transports, aux

lieux et à la population – Indépendance entre les échelles – Flexibilité par rapport à la hiérarchisation – Possibilité d’inclure des informations de perception

modélisation multi-échelle denvironnements urbains virtuels walid chaker université laval,...

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