Analyse de la capacité routière

Comprendre l'Analyse de la Capacité Routière

L'analyse de la capacité routière est une composante essentielle de l'ingénierie des transports. Elle vise à déterminer le débit maximal de véhicules qu'une section de route peut accommoder dans des conditions données, tout en maintenant un certain niveau de service pour les usagers. Le niveau de service (LOS - Level of Service) est une mesure qualitative qui décrit les conditions d'écoulement du trafic, allant de A (écoulement libre) à F (congestion et arrêts fréquents). Le calcul de la capacité et du niveau de service implique de prendre en compte divers facteurs tels que les caractéristiques géométriques de la route (nombre de voies, largeur des voies, pentes), la composition du trafic (pourcentage de poids lourds), le comportement des conducteurs, et les conditions environnementales.

Données de l'étude

On analyse une section d'autoroute à 2x2 voies en rase campagne. On souhaite déterminer son niveau de service pour l'heure de pointe.

Caractéristiques de la route et du trafic :

Nombre de voies par sens (\(N\)) : \(2 \, \text{voies/sens}\)
Vitesse de référence en écoulement libre (\(V_{\text{ref}}\)) : \(110 \, \text{km/h}\)
Largeur des voies : \(3.50 \, \text{m}\) (standard, pas d'ajustement nécessaire)
Accotement droit : \(2.50 \, \text{m}\) (standard, pas d'ajustement nécessaire)
Débit horaire de pointe (\(Q_h\)) dans le sens étudié : \(2800 \, \text{véh/h}\)
Pourcentage de Poids Lourds (\(\%PL\)) : \(15\%\)
Type de terrain : Plat (facteur d'équivalence pour PL, \(E_T = 1.5\))
Facteur de pointe horaire (PHF - Peak Hour Factor) : \(0.92\)
Facteur d'ajustement pour la population de conducteurs (\(f_p\)) : \(1.00\) (conducteurs réguliers)

Capacité de base par voie pour ce type d'autoroute (en conditions idéales) : \(2300 \, \text{vpml/h/voie}\) (véhicules passagers mixtes légers par heure par voie)

Schéma : Section d'Autoroute

Illustration simplifiée d'une section d'autoroute avec trafic mixte.

Questions à traiter

Définir la capacité d'une route et le Niveau de Service (LOS).
Calculer le débit de pointe horaire ajusté (\(v_p\)) en véhicules passagers mixtes légers par heure par voie (vpml/h/voie).
1. Calculer le facteur d'ajustement pour la présence de poids lourds (\(f_{\text{HV}}\)).
2. Calculer le débit de pointe horaire ajusté (\(v_p\)).
Calculer la densité (\(D\)) du trafic en vpml/km/voie, en supposant pour cette question une vitesse moyenne des usagers (\(S\)) de \(90 \, \text{km/h}\) à ce débit \(v_p\). (Rappel : \(Débit = Densité \times Vitesse\))

En utilisant le débit ajusté \(v_p\) et la vitesse de référence \(V_{\text{ref}}\), et en se référant à un tableau simplifié des Niveaux de Service (LOS) ci-dessous, déterminer le LOS de la section d'autoroute.

LOS	Condition d'Écoulement	\(v/c\) (Débit/Capacité) Max	Densité Max (vpml/km/voie)
A	Écoulement libre	\(\le 0.30\)	\(\le 7\)
B	Stable, légères restrictions	\(\le 0.50\)	\(\le 11\)
C	Stable, restrictions notables	\(\le 0.70\)	\(\le 16\)
D	Approche de l'instabilité	\(\le 0.85\)	\(\le 22\)
E	Capacité, instable	\(\le 1.00\)	\(\le 28\)
F	Congestion, arrêts	\(> 1.00\)	\(> 28\)

(On supposera que la capacité \(c\) est la capacité de base par voie donnée, soit \(2300 \, \text{vpml/h/voie}\)).

Quels autres facteurs, non explicitement quantifiés dans cet exercice, peuvent influencer la capacité réelle et le niveau de service d'une autoroute ?

Correction : Analyse de la Capacité Routière

Question 1 : Définitions Capacité et Niveau de Service (LOS)

Définitions :

Capacité d'une route : C'est le débit horaire maximal de véhicules (ou d'unités équivalentes comme les véhicules passagers mixtes légers) qu'une section de route ou une voie peut raisonnablement accommoder dans des conditions de chaussée, de trafic et de régulation données, pendant une période de temps spécifiée. Elle est généralement exprimée en véhicules par heure par voie (\(\text{véh/h/voie}\)) ou en véhicules passagers mixtes légers par heure par voie (\(\text{vpml/h/voie}\)).

Niveau de Service (LOS - Level of Service) : C'est une mesure qualitative décrivant les conditions d'exploitation d'un écoulement de trafic et la perception qu'en ont les usagers. Il est généralement défini par des lettres allant de A à F :

LOS A : Écoulement libre, grande liberté de manœuvre, faible densité.
LOS B : Écoulement stable, légère restriction de la liberté de manœuvre.
LOS C : Écoulement stable, mais la liberté de manœuvre est notablement restreinte.
LOS D : Approche de l'écoulement instable, la liberté de manœuvre est sévèrement limitée, confort réduit.
LOS E : Fonctionnement à la capacité ou très proche. Écoulement instable, arrêts possibles.
LOS F : Écoulement forcé, congestion, arrêts fréquents, débits inférieurs à la capacité.

Le LOS est déterminé en fonction de paramètres quantitatifs comme la densité, la vitesse, le rapport débit/capacité (\(v/c\)), et le temps de parcours.

Résultat Question 1 : La capacité est le débit maximal qu'une route peut accommoder. Le LOS est une mesure qualitative des conditions d'écoulement du trafic (de A à F).

Question 2 : Calcul du débit de pointe horaire ajusté (\(v_p\))

Principe :

Le débit de pointe horaire observé (\(Q_h\)) doit être ajusté pour tenir compte de plusieurs facteurs afin d'obtenir un débit équivalent en véhicules passagers mixtes légers par heure par voie (\(v_p\)), utilisable pour l'analyse de capacité. Les principaux ajustements concernent le facteur de pointe horaire (PHF), le nombre de voies (\(N\)), la présence de poids lourds (\(f_{\text{HV}}\)), et le type de population de conducteurs (\(f_p\)).

Formule(s) utilisée(s) :

a) Facteur d'ajustement pour Poids Lourds (\(f_{\text{HV}}\)) :

f_{\text{HV}} = \frac{1}{1 + P_T (E_T - 1)}

Où \(P_T\) est la proportion de poids lourds (ex: 0.15 pour 15%) et \(E_T\) est le facteur d'équivalence en véhicule passager pour les poids lourds.

b) Débit de pointe horaire ajusté par voie (\(v_p\)) :

v_p = \frac{Q_h}{\text{PHF} \times N \times f_{\text{HV}} \times f_p}

Données spécifiques :

\(Q_h = 2800 \, \text{véh/h}\)
\(\text{PHF} = 0.92\)
\(N = 2 \, \text{voies/sens}\)
\(\%PL = 15\% \Rightarrow P_T = 0.15\)
\(E_T = 1.5\) (terrain plat)
\(f_p = 1.00\)

Calcul de \(f_{\text{HV}}\) :

\begin{aligned} f_{\text{HV}} &= \frac{1}{1 + 0.15 (1.5 - 1)} \\ &= \frac{1}{1 + 0.15 \times 0.5} \\ &= \frac{1}{1 + 0.075} \\ &= \frac{1}{1.075} \\ &\approx 0.93023 \end{aligned}

Calcul de \(v_p\) :

\begin{aligned} v_p &= \frac{2800}{0.92 \times 2 \times 0.93023 \times 1.00} \\ &= \frac{2800}{1.84 \times 0.93023} \\ &= \frac{2800}{1.7116232} \\ &\approx 1636.00 \, \text{vpml/h/voie} \end{aligned}

Résultat Question 2 :

Le facteur d'ajustement pour poids lourds \(f_{\text{HV}} \approx 0.930\).
Le débit de pointe horaire ajusté est \(v_p \approx 1636 \, \text{vpml/h/voie}\).

Question 3 : Calcul de la densité (\(D\)) du trafic

Principe :

La relation fondamentale du trafic est \(Débit = Densité \times Vitesse\). On peut donc calculer la densité si le débit et la vitesse sont connus.

Formule(s) utilisée(s) :

D = \frac{v_p}{S}

Où \(v_p\) est en vpml/h/voie et \(S\) est la vitesse moyenne des usagers en km/h. La densité \(D\) sera en vpml/km/voie.

Données spécifiques :

\(v_p \approx 1636.00 \, \text{vpml/h/voie}\)
\(S = 90 \, \text{km/h}\) (vitesse moyenne supposée à ce débit)

Calcul :

\begin{aligned} D &= \frac{1636.00 \, \text{vpml/h/voie}}{90 \, \text{km/h}} \\ &\approx 18.178 \, \text{vpml/km/voie} \end{aligned}

Résultat Question 3 : La densité du trafic est \(D \approx 18.18 \, \text{vpml/km/voie}\).

Quiz Intermédiaire 1 : Si la vitesse moyenne des usagers \(S\) diminuait (pour le même débit \(v_p\)), la densité \(D\) :

Augmenterait.
Diminuerait.
Resterait la même.
Deviendrait nulle.

Question 4 : Détermination du Niveau de Service (LOS)

Principe :

Le LOS est déterminé en comparant le débit ajusté \(v_p\) et/ou la densité \(D\) aux seuils définis dans les manuels de capacité (comme le HCM - Highway Capacity Manual). On utilise ici le rapport \(v/c\) (débit sur capacité) et la densité.

Données spécifiques :

\(v_p \approx 1636 \, \text{vpml/h/voie}\)
Capacité de base par voie \(c = 2300 \, \text{vpml/h/voie}\)
Densité calculée \(D \approx 18.18 \, \text{vpml/km/voie}\)

Tableau des LOS (rappel) :

LOS	Condition d'Écoulement	\(v/c\) Max	Densité Max (vpml/km/voie)
A	Écoulement libre	\(\le 0.30\)	\(\le 7\)
B	Stable, légères restrictions	\(\le 0.50\)	\(\le 11\)
C	Stable, restrictions notables	\(\le 0.70\)	\(\le 16\)
D	Approche de l'instabilité	\(\le 0.85\)	\(\le 22\)
E	Capacité, instable	\(\le 1.00\)	\(\le 28\)
F	Congestion, arrêts	\(> 1.00\)	\(> 28\)

Calcul du rapport \(v/c\) :

\begin{aligned} \frac{v_p}{c} &= \frac{1636}{2300} \\ &\approx 0.7113 \end{aligned}

Détermination du LOS :

Rapport \(v/c \approx 0.711\):

LOS A (\(\le 0.30\)) : Non
LOS B (\(\le 0.50\)) : Non
LOS C (\(\le 0.70\)) : Non (très proche, mais légèrement supérieur)
LOS D (\(\le 0.85\)) : Oui

Densité \(D \approx 18.18 \, \text{vpml/km/voie}\):

LOS A (\(\le 7\)) : Non
LOS B (\(\le 11\)) : Non
LOS C (\(\le 16\)) : Non
LOS D (\(\le 22\)) : Oui

Les deux critères (rapport \(v/c\) et densité) pointent vers un Niveau de Service D. Le rapport \(v/c\) de 0.711 est juste au-dessus du seuil de LOS C (0.70) et bien dans la plage du LOS D. La densité de 18.18 vpml/km/voie est également dans la plage du LOS D.

Résultat Question 4 : Le rapport \(v_p/c \approx 0.711\) et la densité \(D \approx 18.18 \, \text{vpml/km/voie}\). Selon le tableau fourni, cela correspond à un Niveau de Service D.

Question 5 : Autres facteurs influençant la capacité et le LOS

Facteurs :

Plusieurs autres facteurs, non explicitement quantifiés dans cet exercice simplifié, peuvent influencer la capacité réelle et le niveau de service d'une autoroute :

Caractéristiques géométriques plus détaillées :
- Pentes longitudinales (rampes et descentes) : Réduisent la vitesse des poids lourds et peuvent affecter la capacité.
- Rayons des courbes horizontales : Peuvent imposer des réductions de vitesse.
- Distance de visibilité : Peut limiter la vitesse de sécurité.
- Nombre et type d'échangeurs ou de points d'accès : Les zones de fusion, de déviation et d'entrecroisement de flux peuvent créer des turbulences et réduire la capacité locale.
Conditions de trafic :
- Composition du trafic plus détaillée : Présence de véhicules récréatifs, bus, etc., qui ont des comportements différents des voitures et des poids lourds standards.
- Variations de la demande au sein de l'heure de pointe : Le PHF est une moyenne ; des fluctuations plus courtes peuvent exister.
- Comportement des conducteurs : Agressivité, respect des distances de sécurité, choix de voie.
Conditions environnementales et de régulation :
- Météo : Pluie, neige, brouillard réduisent la visibilité et l'adhérence, diminuant la capacité et la vitesse.
- Incidents : Accidents, véhicules en panne réduisent drastiquement la capacité.
- Travaux routiers : Réductions de voies, limitations de vitesse.
- Régulation du trafic : Limitations de vitesse variables, gestion des accès par rampes.
Type de conducteurs (\(f_p\)) : Bien qu'un facteur ait été donné, une proportion élevée de conducteurs non familiers avec la route (touristes, par exemple) peut réduire la capacité par rapport à une population de conducteurs réguliers.

Résultat Question 5 : D'autres facteurs incluent les pentes, les courbes, la distance de visibilité, le type et la proximité des échangeurs, les conditions météorologiques, les incidents, les travaux, et la familiarité des conducteurs avec la route.

Glossaire

Capacité Routière: Débit maximal de véhicules qu'une section de route peut accommoder dans des conditions données.
Niveau de Service (LOS): Mesure qualitative des conditions d'écoulement du trafic (A à F).
Vitesse de Référence en Écoulement Libre (\(V_{\text{ref}}\) ou FFS): Vitesse moyenne des véhicules lorsque le débit est faible et que les conducteurs ne sont pas gênés par les autres véhicules.
Débit Horaire de Pointe (\(Q_h\)): Volume de trafic observé ou prévu pendant l'heure la plus chargée d'une période donnée (généralement une journée).
Facteur de Pointe Horaire (PHF): Rapport entre le volume de trafic pendant l'heure de pointe entière et le débit maximal observé pendant la période la plus chargée de 15 minutes au sein de cette heure (multiplié par 4). Il reflète l'uniformité du débit pendant l'heure de pointe.
Véhicule Passager Mixte Léger (vpml): Unité de mesure du débit qui convertit tous les types de véhicules (poids lourds, bus, etc.) en un nombre équivalent de véhicules de tourisme, en tenant compte de leur impact sur l'écoulement du trafic.
Facteur d'Équivalence Poids Lourd (\(E_T\)): Nombre de véhicules de tourisme équivalents à un poids lourd en termes d'occupation de la capacité, dépendant du type de terrain.
Débit de Service Ajusté (\(v_p\)): Débit horaire de pointe converti en vpml/h/voie, après application des facteurs d'ajustement (PHF, nombre de voies, poids lourds, conducteurs).
Densité du Trafic (\(D\)): Nombre de véhicules par unité de longueur de route (ex: vpml/km/voie).