Modeling traffic on urban road networks with hyperbolic conservation laws

Cette thèse se consacre à la modélisation mathématique du trafic routier à l'aide des lois de conservation hyperboliques. Nous nous intéressons plus particulièrement à l’application des modèles macroscopiques en milieu urbain. Les zones urbaines sont désormais régulièrement confrontées à des niveaux de congestion record et à des épisodes de pollution atmosphérique causés par le trafic routier. L’objectif de cette thèse est alors de développer des modèles de trafic qui représentent de manière réaliste l’évolution des véhicules en milieu urbain. Dans un premier temps, nous considérons le modèle Aw-Rascle-Zhang avec relaxation. Nous construisons une suite de solutions approchées à l'aide de la méthode de suivi des fronts (wave-front tracking en anglais) couplée à une méthode de décomposition temporelle (splitting en anglais) en référentiel Lagrangien. Pour chaque valeur du paramètre de relaxation, nous montrons que cette suite converge vers une solution faible et entropique du système pour une donnée initiale à variation bornée. Par la suite, nous calculons une borne supérieure sur la décroissance des ondes positives. Nous démontrons que les solutions du système convergent vers une solution faible du modèle Lighthill-Whitham-Richards (LWR), c'est à dire vers la solution de la loi de conservation scalaire, lorsque le paramètre de relaxation tend vers zéro. Nous concluons par une discussion sur le caractère entropique de cette solution faible du modèle LWR. Dans un second temps, nous proposons un nouveau modèle macroscopique de trafic routier qui préserve le caractère borné de l'accélération des véhicules. Notre modèle couple une Équation aux Dérivées Partielles (EDP), la loi de conservation scalaire, à plusieurs Équations aux Dérivées Ordinaires (EDO), décrivant la trajectoire de véhicules accélérant à taux constant. Ces véhicules sont traités dans le modèle comme des goulots d'étranglement mobiles. Nous proposons la construction de solutions approchées avec un algorithme de suivi des fronts d'ondes et prouvons l'existence et l'unicité de la solution pour le problème de Cauchy associé à une donnée initiale constante par morceaux. Nous produisons ensuite des simulations numériques de notre modèle dans différentes situations urbaines, allant de la résolution du problème de Riemann à la simulation d'un axe urbain comportant plusieurs feux de signalisation. Enfin nous comparons ces simulations aux solutions du modèle LWR appliqué aux mêmes situations. Pour terminer, nous proposons un nouveau modèle macroscopique de trafic routier avec des stockages tampon (buffers en anglais) aux intersections afin de résoudre le modèle LWR sur des réseaux routiers. Ce modèle utilise des buffers de dimension finie, qui garantissent la propagation de la congestion au sein du réseau. Il comporte également des fonctions de répartition de véhicules aux jonctions qui sont dépendantes du temps, et peuvent dès lors être contrôlées au cours du temps. La dynamique du trafic est d'abord établie à l'aide des lois de conservation hyperboliques, conformément au modèle LWR, puis retranscrite dans une formulation de Hamilton-Jacobi. Nous prouvons alors l'existence, l'unicité et la stabilité des solutions vis à vis des données initiales en résolvant un problème de point fixe dans un espace de Banach approprié. La propriété de stabilité garantit que la solution du problème peut être contrôlée et optimisée en modifiant les fonctions de répartition des véhicules aux jonctions. Cela représente une avancée dans la résolution du problème d'assignation dynamique du trafic routier (Dynamic Traffic Assignment en anglais). Pour finir, nous détaillons l'application du modèle à un réseau routier réaliste comportant plusieurs intersections et des routes de longueur finie.This thesis is devoted to the modeling of traffic flow using hyperbolic conservation laws, with a specific focus on urban applications. Urban areas are today facing severe episodes of air pollution and increasing congestion due to traffic. The objective is to overcome some of the current limitations of macroscopic traffic flow models in urban situations. We first study the seminal Aw-Rascle-Zhang model with relaxation. We prove well-posedness of the model using wave-front tracking approximations and splitting technique in a Lagrangian setting. Besides, we provide an estimate on the decay of positive waves. We then show that the solutions of the Aw-Rascle-Zhang system with relaxation converge to a weak solution of the LWR model when the relaxation parameter goes to zero. Finally, we propose a discussion on the entropy aspect of this weak solution of the LWR model. We then propose a new macroscopic traffic flow model accounting for the boundedness of traffic acceleration, which is required for physical realism. Our model is built on the coupling between the scalar conservation law accounting for the conservation of vehicles and a number of ordinary differential equations describing the trajectories of accelerating vehicles, which we treat as moving constraints. We detail a wave-front tracking algorithm to construct approximate solutions of the model, with general flux functions and show existence of solutions to the Cauchy problem for a piecewise constant initial datum. Finally, we provide numerical simulations of the model in different urban situations, from a single Riemann problem to sequences of traffic lights, and confront the results to numerical simulations of the LWR model. Finally, we introduce a new macroscopic traffic flow model with buffers on road networks. This model features buffers of finite size, enabling backward propagation of congestion on the network, and time-dependent routing functions at the junctions. The dynamics are first defined on the level of conservation laws, and then transformed in an Hamilton-Jacobi formulation. We prove existence, uniqueness and stability of the solutions with respect to the routing ratios and initial datum using a fixed-point problem in a proper Banach space. Thanks to stability, the model provides a controllable framework, using routing ratios as control parameters. This represents an advance towards solving the Dynamic Traffic Assignment (DTA) problem. In the end we detail how this framework applies to a classical road network with several intersections and finite-length links