Etude de cas : Système de transport intelligent (ITS : Intelligent Transport System)

Quelques chiffres :

• 5,5 milliards d'euros c’est le coût annuel des embouteillages à la France, 84 milliards aux US.
• 1,3 million c’est le nombre de personnes qui meurent annuellement sur les routes mondialement.
• 30 à 50 km c’est la distance moyenne parcourue journellement par un conducteur japonais c-à-d 25 à 30% de l’autonomie d’un véhicule électrique actuel.

Plusieurs défis à relever apparaissent derrière ces chiffres:

• stabiliser puis diminuer, la consommation énergétique globale et les émissions de CO2 liées à la voiture
• optimiser l’utilisation des véhicules et des infrastructures de manière à limiter la croissance du trafic et à éviter une asphyxie complète de nos villes, avec ses conséquences humaines et économiques désastreuses.

Description générale Un ITS est une infrastructure interactive capable d'échanger des informations avec les véhicules et les conducteurs dans le but d’améliorer la sécurité et le confort de conduite des conducteurs, et de permettre une optimisation globale du trafic routier.

Par exemples (extraits des articles cités plus bas) :

• En cas d’accident, le véhicule envoie automatiquement un signal d’alerte aux services de secours et aux véhicules suivants.

• Les trajets sont optimisés car le véhicule est capable de déterminer le meilleur itinéraire en fonction de critères (temps, km,, énergie) en intégrant en temps réel les conditions de circulation.

• Le système peut indiquer les parkings disponibles dans le périmètre du véhicule.

• Le système indique en permanence aux véhicules électriques la distance qui le sépare des bornes les plus proches et il sait également en temps réel si ces bornes sont libres et, si ce n’est pas le cas, dans combien de temps elles le seront. Mais le système prévu va plus loin car, si les bornes les plus proches sont occupées, il indique au conducteur si ce dernier a assez d’autonomie d’énergie pour se rendre jusqu’à une borne plus lointaine mais disponible. De cette manière, quel que soit l’état d’occupation du réseau de recharge électrique, le conducteur est assuré d’attendre le moins possible pour recharger son véhicule.

• Actuellement, une voiture passe 90 % de sa vie en stationnement et, quand elle roule, elle n’a, dans 90 % des cas, qu’un seul passager, le conducteur. Si l’on pouvait, grâce à la gestion interactive et intelligents des véhicules, faire baisser ces deux ratios et les ramener par exemple à 75 %, en généralisant l’autopartage et l’utilisation ponctuelle de la voiture à la demande, les conséquences sur un parc mondial qui compte plus d’un milliard d’unités seraient considérables : diminution des accidents de la route, diminution du besoin en nouvelles infrastructures routières, réduction massive de la pollution et des émissions de CO2, réduction du coût d’utilisation par voiture, désengorgement de nos villes au bord de l’asphyxie, etc.…

Cas d’utilisation extrait de [4]: a driver wants to reach a destination point as soon as possible, using as much as possible the devices, saving as much as possible the Battery. To solve this problem, we first have to be able to evaluate a trip duration and the corresponding energy consumption for a certain vehicle usage.

Les conducteurs comme les responsables de flottes de voiture veulent pouvoir surveiller et déterminer la consommation de leurs véhicules. Il s'agit non seulement de savoir de quelle quantité d'énergie (électricité et/ou carburant) le véhicule dispose mais également d'être capable de calculer en fonction de la vitesse du véhicule, de la distance à parcourir et des conditions (en ville, sur autoroute, en montagne) la consommation prévisible. Il s'agit donc d'être capable à distance de répondre à différentes questions comme de quelle quantité d'énergie dispose cette voiture? Quelle est sa consommation moyenne? Quelle quantité d'énergie est nécessaire pour accomplir telle route? Actuellement, si les conditions restent les mêmes, quelle distance peut-elle parcourir? A-t-elle assez d'énergie? Pour cela, nous disposons :

• d'informations “théoriques” de :
  1. Consommation moyenne sur route, mixte, urbaine; en fonction de la marque, de l'année, du modèle; (exemple : http://www.fiches-auto.fr/articles-auto/chiffres-consommation/peugeot.php)
  2. Consommation moyenne en fonction de la vitesse (exemple : http://www.calculconsommationessence.com/consommation-essence-vitesse.php)

• de capteurs embarqués sur les voitures de
  1. niveau d'énergie (en litres, Gallon, ou en kWh);
  2. performance exprimée en litres au 100km ou kWh au 100km (d'autres unités sont envisageables miles/galon); ces informations peuvent être évaluées sur la conduite en cours ou depuis le début de la mise en circulation du véhicule;
  3. vitesse instantanée, vitesse moyenne sur la conduite en cours ou vitesse moyenne depuis la mise en circulation

Le système précédent vise à être vendu. Pour cela nous souhaitons développer un écosystème qui permette à des communautés d'usagers de saisir les informations nécessaires à son fonctionnement, tel que par exemple

• permettre à un constructeur automobile de saisir les données de consommation de ses véhicules,
• à un usager de s'enregistrer dans l'écosystème,
• à un usager enregistré d'envoyer volontairement les informations concernant son trajet : sa consommation, ses vitesses, …
• à un usager d'obtenir des données statistiques sur ses trajets : la consommation de ses voitures, …
• à un expert de confronter les données obtenues des usagers avec celles des constructeurs,
• aux usagers de consulter les statistiques sur les modèles de voitures,
• …

A terme, on peut imaginer que des producteurs de capteurs proposeront à leurs clients, de connecter directement leurs capteurs à notre service de façon à ce que les usagers n'aient plus à saisir leurs données.

Nos usagers doivent pouvoir calculer une route pour se rendre d'un point à un autre.

Des responsables de l'urbanisme enregistrent des points avec leurs coordonnées GPS (par exemple : Dept Info IUT Nice, Gare Saint Augustin, Dept Info Sophia) et des tronçons entre ces points. Ils caractérisent les tronçons en terme de “ville”, “autoroute à péage”, “montagne”… Des internautes peuvent associer différentes informations propres à chaque tronçon telles que “route étroite”, “inondable”, “attention aux coups de vents”… Un usager peut alors demander les routes permettant de relier deux points et obtenir des informations complémentaires comme la distance à parcourir, les natures de la route (autoroute + montagne) et par tronçon les informations laissées par les internautes. Un usager doit pouvoir visualiser une route sur une carte. Il doit être possible de savoir qui a laissé un message. A un tronçon est associé une vitesse limite autorisée, le nombre de voies, la direction éventuelle du tronçon qui peut être à sens unique.

Il doit être possible à un automobiliste d'obtenir des informations sur le trafic routier et à un ensemble de capteurs de mémoriser les informations sur le trafic. Les informations qui nous intéressent sur un tronçon sont :

• le débit: ²⁾;
• le temps de parcours (tp) qui correspond à une moyenne du temps passé par les véhicules pour franchir un tronçon.

Ces informations peuvent être obtenues à partir de capteurs associés à la route, accessibles sur des sites distants comme googleMaps (http://www.memoclic.com/624-google-maps/15236-comment-fonctionne-trafic-google-maps.html) ou Escota, ou basé sur les données émises par les véhicules de notre système.

Nous cherchons à avoir des informations :

• courantes : Un automobiliste qui demande le débit ou le temps de parcours courant d'un tronçon sera automatiquement dirigé vers le “bon” service qui lui donnera l'information;
• moyennées : nombre de vehicules/minutes qui passent journalièrement en un point. Pour cela, les données courantes sont automatiquement mémorisées. Les experts doivent pouvoir préciser la fréquence de questionnement des capteurs et la plage utilisée pour calculer la fréquentation.
• Il peut également être intéressant d'utiliser/enregistrer le débit et le temps de parcours en fonction de l'heure, des jours de la semaine et de la période de l'année. Un expert peut alors demander à visualiser sur un graphe l'évolution du débit pour un temps donné (aujourd'hui, le 25 décembre) ou en moyenne à: une heure donnée (à 10h), une journée (aujourd'hui, ou les lundis), la semaine, sur plusieurs mois. L'objectif est de nous permettre d'identifier par exemple, que l'autoroute est bien plus embouteillée le mardi matin.

Certains véhicules/automobilistes ³⁾ doivent pouvoir recevoir et émettre des messages. Voici quelques exemples basés sur ce principe et qui doivent être mis en oeuvre.

• Un véhicule en panne (à l'arrêt et problème détecté par le système central de la voiture) enverra automatiquement vers notre serveur central un message qui précisera : le lieu et la position sur la route (voie). Tous les véhicules abonnés au service et dans la zone de la panne seront automatiquement prévenus via des écrans dédiés dans la voiture. Si la panne a lieu sur une autoroute, le service de dépannage et de voiries sont également automatiquement prévenus.
• Tous les messages correspondant à un évènement localisé sont automatiquement “annulés” lorsque le véhicule sort de la zone correspondant au message.
• En cas d'accident (choc important détecté ou pression d'un bouton d'alerte), le véhicule signale l'accident. En réponse, les services de secours sont automatiquement prévenus et le système tente une prise de contact avec le véhicule accidenté si un numéro de téléphone lui est associé. Les véhicules à proximité sont également contactés en demandant des informations et en proposant une connexion téléphonique avec les services de secours dépêchés. L'automobiliste peut alors accepter de répondre à la demande. Dès que les informations sont considérées comme acquises par les services de secours, le message de demande d'information est “annulé”. Un message est envoyé à toutes les voitures dans le secteur pour les notifier de l'accident. Ces notifications se font vers tous les véhicules qui rentrent dans la zone. Par la suite, les services idoines peuvent émettre de nouveaux messages comme : route fermée, circulation sur une voie, fin de l'accident…. Suite au signalement d'une fin d'accident, les voitures qui rentrent dans la zone ne sont plus notifiées.
• Un accident ou une panne peuvent ne pas être détectés (véhicule non équipé) et dans ce cas d'autres véhicules peuvent avertir le système central pour démarrer les scénarios.
• Enfin les automobilistes abonnés peuvent émettre et recevoir des messages tels que : obstacle sur la route, verglas, … Le contenu des messages est réglementé et ne peut pas excéder quelques mots appartenant à un vocabulaire attendu. A tout message est associé l'identité de l'automobiliste et la localisation du véhicule. Tous les automobilistes dans le secteur reçoivent ces messages. Il est possible de prévoir des filtres pour ne recevoir que certains types de messages. L'annulation d'un message est possible par tout automobiliste dans le secteur, par exemple un obstacle retiré de la voirie.

Les automobilistes et les urbanistes désirent disposer d'un outil leur permettant de connaître les places libres (cf. http://www.nice.fr/Transport/Le-stationnement-intelligent). Il s'agit de connaître le taux d'occupation d'un stationnement à partir des capteurs présents sur les places quand les parkings en sont équipés ou d'utiliser la présence des véhicules connectés (capteur non en mouvement) pour extrapoler l'occupation pour les parkings non équipés de capteurs. De plus, des responsables parkings pourront également ajouter des informations comme “fermeture” du parking, ou parking plein pour ceux qui sont non équipés, … Les urbanistes pourront visualiser les taux d'occupation calculés dans le temps pour prévoir la politique de stationnement dans les villes, il serait ainsi intéressant de notifier directement les experts lorsque certains seuils d'occupation sont trop souvent bas ou hauts. Il serait également utile de pouvoir enregistrer de nouveaux parking, capteurs etc… pour ajouter à notre park de stationnements les places autour de l'IUT!

Au début du projet, chaque groupe choisit deux cas d'utilisation d'intégration qu'il pense cibler. Des réunions hebdomadaires entre les chefs de groupes doivent permettre de maintenir la cohérence de l'ensemble. Si les groupes avancent bien ils peuvent s'intégrer davantage.

Voici quelques exemples d'intégration, d'autres cas peuvent être proposés à votre enseignant.

1. (CoS) (difficulté niveau 1) Communication et stationnement : des automobilistes peuvent signaler eux-même qu'un parking est plein, pour cela ils émettent un message qui est automatiquement interprété par le système.
2. (CoT) (difficulté niveau 2) Communication et Trafic : Lorsque le temps de parcours d'un tronçon passe au delà de seuils donnés (les seuils sont déterminés en fonction de la voirie, de la vitesse autorisée, de la longueur du tronçon, … nous les considérons comme donnés), un message est émis tels que “gêne notable”; “circulation dense”, “risque de congestion” ou “blocage”. Lorsque la situation passe en dessous ou au dessus du seuil courant, le message précédent est annulé et un nouveau message est éventuellement émis.
3. (CC) (difficulté niveau 1) Consommation et Consommation Variante : le système central interroge “régulièrement” les véhicules qu'il surveille pour connaître leur consommation courante.
4. (CP) (difficulté niveau 2) Consommation et Parcours : Ai-je assez d'énergie pour faire cette route? Quelle énergie me faut-il pour faire cette route ?
5. (CCP) (difficulté niveau 4) Consommation et Consommation Variante et Parcours : le système central interroge “régulièrement” les véhicules qu'il surveille pour connaître leur consommation courante et leur position, il détermine alors le tronçon sur lequel se trouve le véhicule et établit une concordance entre la nature du tronçon(montagne ou autoroute par exemple) et la consommation courante du véhicule et la mémorise.
6. (TP)(difficulté niveau 2) Trafic et Parcours : Connaissant la vitesse maximale autorisée sur un tronçon et le temps de parcours moyen des différents tronçons, combien de temps me faut-il pour faire cette route ?
7. (CPT)(difficulté niveau 4) Consommation Variante, Parcours et Trafic : à partir des données de consommation constatées sur certains tronçons et du trafic, il s'agit de mieux caractériser les tronçons en leur associant des taux de consommation plus juste qui pourront ainsi tenir compte du contexte.
8. (SC) (difficulté niveau 4) Stationnement et Consommation et Parcours : lorsque un véhicule approche des limites de son autonomie, il peut demander si un stationnement est disponible à proximité. On pourra étendre la notion de stationnement à celle de zone de recharge (Battery ou station d'essence).
9. (PT) (difficulté niveau 2) Parcours & Trafic : On veut savoir si étant donné une route et une date, il y a des risques d'embouteillage. Sur quel tronçon? etc.

• 1. http://www.rtflash.fr/voiture-futur-sera-propre-communicante-automatique-et-partagee/article
• 2. Hao Wu; Fujimoto, R.M.; Riley, G.F.; Hunter, M., “Spatial Propagation of Information in Vehicular Networks,” Vehicular Technology, IEEE Transactions on , vol.58, no.1, pp.420,431, Jan. 2009 URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4490168&isnumber=4749378
• 3. Gaugel, T.; Mittag, J.; Hartenstein, H., “Characterization and modeling of dissemination delays in inter-vehicle communication networks,” Vehicular Networking Conference (VNC), 2012 IEEE , vol., no., pp.203,210, 14-16 Nov. 2012 URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6407433&isnumber=6407366
• 4. Borjan Tchakaloff, Sébastien Saudrais, Jean-Philippe Babau ORQA: Modeling Energy and Quality of Service within AUTOSAR Models. Quality of Software Architectures (QoSA) Conference, Vancouver : Canada (2013) http://hal.univ-brest.fr/hal-00852862
• http://mpt2013.fr/le-trafic-routier-en-equations/