Comment le réseau routier détermine la capacité de trafic

Les chercheurs de l'ETH Zurich ont montré que l'on peut utiliser la structure des réseaux routiers urbains pour prédire leur capacité de circulation. Cette information permet aux urbanistes et aux planificateurs des transports de quantifier comment les changements influeront sur les volumes de trafic.
Il est maintenant possible d'utiliser l'infrastructure d'une ville pour estimer le nombre de voitures qu'elle peut gérer avant que la congestion ne commence à s'accroître. Image : Rosengartenstrasse, Zurich. (Image : Keystone/Ennio Leanza)

Les personnes qui font la navette en voiture auront une idée de ce que signifie la «capacité de trafic», tirée de leur propre expérience : lorsqu'un flux de voitures se dirige vers une ville tôt le matin, le flux de trafic augmente d'abord - jusqu'à ce qu'un point critique soit atteint en termes de nombre de véhicules sur les routes. A partir de ce moment, chaque voiture supplémentaire réduit la circulation et les véhicules s'immobilisent ou forment un embouteillage. Ce point critique représente la capacité de trafic d'une ville, ou son volume de trafic maximum possible.

Le nombre de véhicules qu'un réseau routier peut supporter diffère d'une ville à l'autre, et les facteurs qui influencent ces différentes capacités de circulation n'étaient pas quantifiés auparavant. Les chercheurs de l'ETH Zurich, sous la direction de Kay Axhausen, professeur de planification de la circulation et des transports, et de Monica Menendez (aujourd'hui à la New York University Abu Dhabi), ont utilisé des milliards de mesures du trafic pour révéler un ensemble de règles qui nous permettent d'estimer facilement le nombre critique de véhicules et, par extension, la capacité du réseau routier urbain.

Analyse des données de trafic de 41 villes

Pour leur étude parue dans la revue Scientific Reports, les chercheurs ont examiné des milliards d'observations de véhicules à partir de détecteurs de trafic fixes placés dans 41 villes du monde entier, dont Tokyo et Los Angeles, ainsi que dans de nombreux hubs européens tels que Paris, Londres, Zurich, Bâle, Berne et Lucerne. Une fois que les scientifiques ont simplifié l'énorme quantité de données et les ont mis sous une forme utilisable, ils ont commencé par calculer la capacité de trafic individuelle de chaque ville. Ils se sont concentrés sur les voitures, excluant explicitement les autres formes de transport.

Ils ont ensuite comparé les capacités de circulation des villes et cherché des caractéristiques qui pourraient expliquer les différences entre elles. Ils ont ainsi découvert que certaines caractéristiques topologiques liées au réseau routier et au réseau de bus pouvaient expliquer environ 90 % des différences de capacité de trafic observées entre les différentes villes.

Quatre variables réseau caractéristiques

Les chercheurs dirigés par Kay Axhausen et Monica Menendez ont identifié quatre facteurs qui façonnent le réseau routier d'une ville et finissent par définir sa capacité de trafic : la densité du réseau routier (mesurée en kilomètres de voies par surface), et la redondance du réseau en fournissant des itinéraires alternatifs pour se rendre à une destination particulière. La fréquence des feux de signalisation a également eu un impact, de même que la densité des lignes de bus et de tramway qui concurrencent la circulation automobile pour l'espace et les droits de passage (comme la priorité de signalisation ou les voies réservées aux bus, un phénomène courant à Zurich).

«Ces quatre facteurs, tous issus des réseaux bus/tram et du réseau routier, expliquent avec une précision étonnante les différences de capacité que nous observons d'une ville à l'autre», explique Kay Axhausen. Ces résultats leur ont permis de confirmer une théorie à laquelle ils réfléchissaient depuis longtemps, tirée de simulations antérieures et d'une petite quantité de données empiriques. Cette théorie désormais confirmée est la suivante: sous réserve de la densité des véhicules dans différentes villes, les volumes de trafic se comportent de la même façon et suivent les mêmes schémas.

«Cela signifie que nous pouvons utiliser l'infrastructure d'une ville pour prédire le point critique et, par extension, la capacité de trafic du réseau», explique Lukas Ambühl, doctorant dans le groupe Traffic Engineering et l'un des premiers auteurs de l'étude.

Calcul de l'infrastructure idéale

Un profane pourrait penser qu'il est assez évident que la forme d'un réseau est liée à sa capacité de trafic. Les experts en transport de l'ETH Zurich estiment toutefois qu'il est loin d'être évident qu'un système aussi chaotique qu'un réseau de transport urbain, avec des milliers de participants agissant tous de manière indépendante, suivrait réellement les mêmes schémas dans toutes les villes examinées. C'est pourquoi ce modèle fascine autant les scientifiques.

Les résultats sont également pertinents sur le plan pratique : les urbanistes peuvent désormais quantifier leurs attentes quant à la manière dont les investissements ou les travaux de construction prévus amélioreront ou limiteront la capacité de trafic de leur réseau. Par exemple, la construction (ou la suppression) de voies de circulation modifie la densité du réseau, tandis qu'un pont clé rendu inutilisable en raison de travaux de rénovation diminue sa redondance. Et si les entreprises de transport font en sorte que les transports publics circulent plus fréquemment, il y aura plus d'autobus sur les routes.

Toutefois, les auteurs notent également les limites de l'étude. Ils expliquent que l'échantillon, couvrant 41 villes, est petit et que la plupart de ces villes se trouvent en Europe. De plus, ils n'ont pas examiné en détail la façon dont les feux de circulation sont contrôlés aux intersections. Enfin, l'étude n'a porté que sur l'infrastructure, sans tenir compte des questions de demande, comme la façon dont les pendulaires réagissent à une nouvelle situation de circulation.

Malgré cela, les résultats pourraient aider les villes à créer une infrastructure plus optimale. «Notre nouvelle compréhension de la capacité de circulation dans les réseaux urbains ne supprimera peut-être pas définitivement les embouteillages. Cependant, elle jouera probablement un rôle clé dans l'amélioration de la situation des transports», explique Kay Axhausen.