poids lourds et sécurité routière - ifsttar
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Poids lourds et sécurité routièreRapport de l'opération de recherche TRUCKS (11K041)
2003 - 2007Programme infrastructures et sécurité routières
Sous la direction deVictor Dolcemascolo, Michel Gothié
Novembre 2008
Laboratoire central des ponts et chaussées58, boulevard Lefebvre, F 75732 Paris Cedex 15
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Contact : [email protected]
Animateurs de l'opération :Victor Dolcemascolo (LCPC, DESE)Michel Gothié (CETE de Lyon, ERA 12)
Contributeurs à l'opération :Jean-Marc Blosseville (LCPC/INRETS, LIVIC)Mohamed Bouteldja (LCPC, DESE)Véronique Cerezo (CETE de Lyon, ERA 12)Florence Conche (CETE Normandie Centre, DES)Hocine Imine (LCPC, DESE)Delphine Labry (LCPC, DESE)Saïd Mammar (Université d'Evry, LIVIC)Daniel Stanczyk (CETE Est)
et la participation de :Frédéric Romboni (LCPC, DESE)Thierry Saez et Victor da Silva (LREP)Didier Simon et David Gil (CETE Est)Olivier Claude et Fabien Zimmerman (LR Nancy)Sébastien Glaser (LIVIC)
Chefs de la DESE :Bernard Jacob (→ 2005)Michel Bry (2006 →)
Directeurs techniques pilotes du programme K et référents de l'opération :Pierre-Yves Texier (→ 2005)Bernard Jacob (2006-2007)
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© 2008 - LCPCISSN 1160-9761
ISBN 978-2-7208-2528-XDOI/Crossref 10.3829/erlpc.cr51-fr
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Table des matières
PRÉFACE................................................................................................................................. 7
RÉSUMÉ................................................................................................................................... 9
ABSTRACT ............................................................................................................................ 10
GLOSSAIRE........................................................................................................................... 11
INTRODUCTION.................................................................................................................. 13
CHAPITRE 1.......................................................................................................................... 19
ÉLÉMENTS D’ACCIDENTOLOGIE................................................................................. 19
1. LES ENJEUX................................................................................................................... 19 2. CARACTÉRISTIQUES ACCIDENTOGÈNES DE L'INFRASTRUCTURE..................................... 23 3. LES TYPOLOGIES D'ACCIDENTS...................................................................................... 30 4. CONCLUSION................................................................................................................. 36
CHAPITRE 2.......................................................................................................................... 37
INFLUENCE DE L’INFRASTRUCTURE SUR LE COMPORTEMENT D ES POIDS LOURDS ................................................................................................................................. 37
1. LE PROBLÈME................................................................................................................ 37 2. MÉTHODOLOGIE............................................................................................................ 39 3. PARAMÉTRAGE DES SIMULATIONS NUMÉRIQUES........................................................... 39 4. RÉSULTATS DES SIMULATIONS...................................................................................... 44 5. CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS......................................................................... 54
CHAPITRE 3.......................................................................................................................... 57
LA ROUTE AUTOMATISÉE POUR LES POIDS LOURDS, UN SCÉNARIO PROGRAMMÉ ...................................................................................................................... 57
1. INTRODUCTION.............................................................................................................. 57 2. QUELLE FORME POUR LA ROUTE AUTOMATISÉE POIDS LOURDS ? .................................. 59 3. LES SCÉNARIOS D’ÉTUDE............................................................................................... 60 4. CAPACITÉ ET SÉCURITÉ D’UNE ROUTE AUTOMATISÉE POIDS LOURDS ? ....................... 61 5. FIABILITÉ ET FONCTIONS CRITIQUES.............................................................................. 62 6. EXEMPLES DE SYSTÈMES PROCHES................................................................................ 64 7. RÉGULATION DES RÉSEAUX........................................................................................... 67 8. L’ÉCONOMIE DU PROJET................................................................................................ 70 9. ÉTUDE QUALITATIVE EXPLORATOIRE DES ATTITUDES DES CHAUFFEURS « GRANDS
ROUTIERS » ........................................................................................................................... 73
CHAPITRE 4.......................................................................................................................... 79
PRISE EN COMPTE DE L’INTERACTIVITÉ POIDS LOURD - IN FRASTRUCTURE DANS LES CONTRE MESURES........................................................................................ 79
1. INTRODUCTION.............................................................................................................. 79 2. MODÈLE DE POIDS LOURD ET PRÉVISION DU RENVERSEMENT........................................ 80 3. CONTRÔLE D’ACCÈS À L’ INFRASTRUCTURE................................................................... 93 4. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES................................................................................... 94
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CHAPITRE 5.......................................................................................................................... 97
LE PESAGE EN MARCHE DES POIDS LOURDS .......................................................... 97
1. INTRODUCTION.............................................................................................................. 97 2. LE PESAGE À BASSE VITESSE.......................................................................................... 98 3. LE PESAGE À VITESSE COURANTE................................................................................ 100 4. CONCLUSIONS............................................................................................................. 118
CHAPITRE 6........................................................................................................................ 121
CONCLUSIONS GÉNÉRALES, RECOMMANDATIONS ET PERSPECTI VES ...... 121
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES...........................................................................127
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Table des figures et tableaux Figure 1 - Répartition accidents par type de véhicules
Figure 2 - Diminution du nombre d’accidents impliquant un poids lourd par rapport à l’ensemble des accidents depuis 2001
Figure 3 - Décomposition des accidents se déroulant hors intersection
Figure 4 - Décomposition des accidents se déroulant en intersection
Figure 5 - Décomposition des accidents se déroulant en accès riverain
Figure 6 - Schéma descriptif de la méthodologie adoptée [Cerezo et al., 2007]
Figure 7 - Dévers positif
Figure 8 - Dévers négatif
Figure 9 - Positionnement du poids lourd sur une voie de largeur 3 m
Figure 10 – Vitesse maximale en virage à gauche pour un rayon de 100 m
Figure 11 - Vitesse maximale en fonction du rayon de courbure et du CFT (dévers 3%)
Figure 12 – Vitesse maximale en virage à droite pour un rayon de 120 m
Figure 13 – Accélération transversale maximale �t en virage à droite our un rayon de 120 m
Figure 14 - Accélérations transversales pour un poids lourd chargé et un poids lourd vide (virage de rayon 120 m à droite, dévers de 7%)
Figure 15 - Vitesses de déport pour un poids lourd chargé et un poids lourd vide virage de rayon 120 m à droite, dévers de 7%)
Figure 16 - Variation de la vitesse limite dans le carrefour giratoire selon le dévers et le CFT
Figure 17 - Angle de roulis maximal au niveau du centre de gravité du tracteur n fonction du CFT et du dévers
Figure 18 - Angle de roulis maximal au niveau du centre de gravité de la remorque n fonction du CFT et du dévers
Figure 19 - Vitesse de roulis maximale au niveau du centre de gravité du tracteur en fonction du CFT et du dévers
Figure 20 - Vitesse de roulis maximal au niveau du centre de gravité de la remorque en fonction du CFT et du dévers
Figure 21 -Évolution de la vitesse le long d’une rampe de 2 000 m précédée d’une ligne droite de 300 m
Figure 22 - Influence du chargement d’un semi-remorque sur le différentiel de vitesse entre le bas et le sommet de côte pour différentes pentes
Figure 23 – Proposition de tracé pour une route automatisée poids lourds
Figure 24 - Modèle de corps de véhicule de référence
Figure 25 - Représentation des forces appliquées sur le véhicule lourd
Figure 26 - Modèle du pneumatique
Figure 27 - Modèle simplifié de suspension pneumatique
Figure 28 - Comparaison de l’angle de lacet (à gauche) et de la vitesse de lacet (à droite)
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Figure 29 - Observateur et estimateur d’état
Figure 30 - Observateur et résultats d’observation [Bouteldja, 2005]
Figure 31 - Estimation des forces verticales [Imine & Dolcemascolo, 2006]
Figure 32 - Estimation de la hauteur du centre de gravité (CdG)
Figure 33 - Système de prévention de renversement
Figure 34 -Évaluation du risque
Figure 35 - Principe de génération d’alerte
Figure 36 - Angle de braquage, estimation des forces verticales et LTR
Figure 37a - Forces normales, essieu arrière gauche/droite, tracteur
Figure 37b - Transfert de charge du véhicule au centre de gravité
Figure 37c – Accélération latérale au centre de gravité
Figure 38 – Bascules de pesée dans la dalle béton (a) et pesée d’un poids lourd rigide à deux essieux (b)
Figure 39 – Réponse des capteurs piézocéramiques sollicités par une pression de 740 kN/m2 appliquée à différentes positions le long du barreau.
Figure 40 – Fenêtre de balayage sur l’uni de la RN4 (a) et écart type de l’uni (b) de la RN4 (fenêtre de largeur 237 m)
Figure 41 - Influence de la conception de la grille, Méthode A, algorithme Save
Figure 42 - Influence de la conception de la grille, Méthode B, algorithme SR
Figure 43 - Comparaison de la « méthode A » et la « méthode B » – Position de la grille x = 0 m - Algorithme Save
Figure 44 - Comparaison de la « méthode A » et la « méthode B » – Position de la grille x = 0m - Algorithme SR
Figure 45 – Comparaison des algorithmes SAve et SR - Méthode B – Position de la grille x = 0 m
Figure 46 - Principe du pesage par pont instrumenté
Figure 47 - Le principe de fonctionnement de SiWIM2
Figure 48 – Déformations enregistrées au passage d'un poids lourd à 3 essieux
Figure 49 – Localisation et vue du pont de Rozay-en-Brie, et de son instrumentation
Figure 50 – Localisation et vue du pont de Nogent-sur-Seine et de l’instrumentation
Figure 51 – Schémas de pose des extensomètres (à gauche : Rozay-en-Brie, à droite : Nogent-sur-Seine)
Figure 52 – Site de pesage statique de Nogent sur Seine
Tableau 1 - Répartition des accidents selon la catégorie de route (données 2005)
Tableau 2 - Distances intercapteurs optimisées et longueurs des grilles associées
Tableau 3 – Éléments mathématiques utilisés dans l’étude de la précision du SiWIM2
Tableau 4 – Résultats de précision du SiWIM2 sur chaque pont (selon COST323).
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Préface Bernard JACOB , Directeur technique
Le transport de marchandises est un élément vital de l’économie mondiale et de la vie des citoyens. La part du transport routier de marchandises est largement prépondérante en France et en Europe, avec environ 75% du tonnage. La situation est similaire dans la plupart des pays développés ou émergents. De plus, le taux de croissance du trafic routier de marchandises en France et en Europe a été de près de 3% par an depuis vingt ans, soit +80% entre 1980 et 2000, et est attendu autour de 1,7% par an dans les 20 ans à venir, soit une augmentation de 30 à 40% d’ici 15 à 20 ans. Cette croissance est supérieure à celle des autres modes de transport dont les parts ont tendance à stagner, voire à diminuer en valeur relative (cas du rail).
Les poids lourds occupent donc une place de plus en plus importante dans notre société, et posent des problèmes de plus en plus sérieux en termes de congestion, d’émission de CO2 et autres polluants, de consommation de produits pétroliers, de sécurité routière et d’endommagement des infrastructures. Les questions de tarification de l’usage des infrastructures routières et de taxation des poids lourds, d’internalisation des coûts externes et de contrôle des poids lourds sont de plus en plus prégnantes. L’acceptation des poids lourds par les autres usagers de la route et les citoyens, et leurs conditions de circulation sont aussi au cœur de débats animés. La mise en oeuvre de systèmes efficaces et dissuasifs de contrôle des surcharges fait partie des objectifs affichés du MEDDATT depuis une dizaine d’années, pour préserver une saine concurrence entre modes et sociétés de transport, améliorer la sécurité routière et préserver les infrastructures.
Le LCPC a pris en compte ces questions liées aux poids lourds dans son 4ème
programme quadriennal 2001-2004, en encourageant dès 2002 des actions visant à mieux connaître le trafic lourd et ses impacts sur la sécurité routière et les infrastructures. Le 5ème contrat quadriennal (2005-2008) a réaffirmé l’objectif :
« Le transport routier de marchandises, qui est amené à conserver une place importante, mérite une attention particulière, l’enjeu étant de réduire les impacts de ce mode de transport sur la sécurité et sur l’environnement. »
et son orientation prioritaire n°1 (Faire contribue r l’infrastructure à la sécurité routière) a précisé :
« Une meilleure connaissance de la dynamique des poids lourds et de leurs interactions avec les infrastructures permettra l’élaboration d'outils spécifiques d’identification et de gestion des impacts des poids lourds sur la circulation, leur sécurité et celles des autres usagers. »
En s’appuyant sur l’expérience acquise depuis le début des années 80 en matière de pesage en marche (projet national, action COST323 et projet européen WAVE), et d’effets du trafic lourd sur les ponts (travaux préparatoires à l’Eurocode sur les charges des ponts routiers et contrats européens sur la fatigues des ouvrages métalliques et mixtes sous chargement dynamique), puis au cours de la décennie 90 sur les interactions poids lourds infrastructures (projet OCDE/DIVINE), une équipe a été constituée à la division Exploitation Signalisation Eclairage, section Exploitation
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et Equipement de la Route, pour prendre en charge et animer l’activité poids lourds du réseau CETE-LRPC, notamment au CETE de l’Est et au CETE de Lyon (ERA12).
L’opération TRUCKS s’est attachée à répondre aux objectifs des deux contrats quadriennaux de la période 2001-2008 et aux questions évoquées ci-dessus. Elle a débuté dès 2003 (année de préparation) et officiellement en 2004 et s’est terminée en 2007, après une année de prolongation, justifiée par l’intégration en 2005 de l’activité sur le pesage en marche et du contrat en cours avec la DGMT, des projets VIF (PREDIT et pôle LUTB) et Heavyroute (6ème PCRD), et de l’organisation en 2008 d’une conférence internationale sur les poids lourds par le LCPC, largement préparée en 2007. Elle s’est organisée en quatre sujets :
1) Détection des défaillances et prévention des accidents : avec le thème 11 du projet PREDIT ARCOS 2004 et une étude de l’accidentologie des poids lourds et des causes liées à l’infrastructure, le développement d’un modèle dynamique de poids lourd en interaction avec la route, aisé d’emploi mais réaliste, et son application à la conception d’un système anti-renversement faisant appel à une instrumentation du véhicule, une connaissance du profil de la route et des estimateurs de certains paramètres du véhicule.
2) Interactivité des poids lourds avec l’infrastructure : dans le cadre des projets VIF et Heavyroute, la communication à courte distance entre le poids lourd et l’infrastructure équipée d’une station de pesage en marche vise à gérer finement les accès des véhicules lourds à certaines portions de l’infrastructure, à mettre au point des systèmes de guidance avancés, et des aides à la conduite pour adapter les interdistances et les vitesses aux conditions du trafic et des infrastructures.
3) Route automatisée poids lourds : un projet PREDIT impliquant le LIVIC, a étudié la faisabilité de scénarios visant à constituer et gérer des trains de poids lourds à très courtes distances et reliés par des attaches virtuelles sur voie dédiée, pour augmenter de façons significative la capacité d’écoulement des poids lourds.
4) Pesage en marche des poids lourds : les techniques du pesage en marche, à basse vitesse ou vitesse courante, multicapteur et par ponts instrumentés, ont été perfectionnées et expérimentées, et des outils opérationnels proposés à la DGMT du MEDDATT pour améliorer l’efficacité de la détection et du contrôle des surcharges des poids lourds.
Les travaux réalisés dans cette opération de recherche ont contribué à positionner le LCPC comme un acteur important dans le domaine des poids lourds et de leurs interactions avec les infrastructures et la sécurité routière. Il a ainsi été sollicité pour représenter la France dans un groupe OCDE/JTRC sur l’évolution des performances des poids lourds, leurs normes de performance et leur régulation, et dans le comité B4 (Transport routier de marchandises) de l’AIPCR pour la période 2008-2011. Le LCPC a également été retenu avec le SETRA dans le consortium chargé par la DG/TREN de la Commission européenne de l’étude d’impact d’une éventuelle révision de la directive EC96/53 sur les poids et dimensions des poids lourds. Enfin le forum international sur les technologies du transport routier (IFRTT) et l’association internationale pour le pesage en marche (ISWIM) ont confié au LCPC l’organisation de la conférence internationale sur les poids lourds HVParis2008 (HVTT10 + ICWIM5).
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Résumé
La part de la route dans le transport de marchandises est largement prépondérante en France et en Europe (75% du tonnage transporté). Le trafic des poids lourds est en forte augmentation ces dernières années (+12,1% en 5 ans), et on constate un accroissement inquiétant de la fréquence des surcharges, générant une distorsion de la concurrence, un accroissement de l’insécurité routière et la détérioration potentielle des infrastructures.
Le chapitre 1 de rapport présente des résultats sur l’accidentologie des poids lourds dans différentes études récentes.
Le chapitre 2 montre les relations entre ces accidents et les caractéristiques de l’infrastructure. et propose des seuils de sécurité (vitesse, rayon de courbure, dévers, l’adhérence et pente), à partir de simulations.
Le chapitre 3 traite de la route automatisée poids lourds comme un moyen potentiel d’accroître la capacité des infrastructures.
Le chapitre 4 présente un modèle dynamique original de poids lourd permettant de prédire le renversement d’un poids lourd et de fournir des alertes au chauffeur.
Le chapitre 5 donne les résultats obtenus sur les systèmes de pesage en marche à basse vitesse et haute vitesse, multicapteurs et par ponts instrumentés.
Des perspectives de recherche complémentaires sont proposées dans le domaine du transport routier de marchandises.
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Abstract
The road’s share of goods transport is widely predominant in France and in Europe (75 % of the carried tonnage). In addition, there has been a marked increase in heavy vehicle traffic over the last few years (+12,1% in 5 years). Lastly, a worrying increase in heavy vehicle overloading can be noted, leading to unfair competition, an increase in unsafe roads and the accelerated deterioration of infrastructures.
The first chapter of this report gives the main results obtained by different recent studies on heavy vehicle accidents.
A second chapter analyses the relationship between heavy vehicle accidents and the main infrastructure characteristics (radius, superelevation, skid-resistance, slope). Some thresholds are proposed, based on simulations.
Chapter 3 deals with the concept of automated heavy vehicle traffic lanes, to potentially increase the capacity of the infrastructure.
Chapter 4 describes an original dynamic model used to predict a heavy vehicle rollover and issue a warning to the driver
Chapter 5 describes the research and developments conducted in the field of weigh-in-motion (WIM) systems, low speed and high speed WIM, multiple sensors and bridge WIM.
Some research perspectives still necessary in this particular goods transport field are proposed.
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Glossaire
AIPCR : Association Internationale Permanente des Congrès de la Route
ARCOS : Actions de Recherche pour une COnduite Sécurisée
ARP :Aménagement des Routes Principales
BAAC : Bulletin d’Analyse des Accident Corporel
BAU : Bande d’Arrêt d’Urgence
BWIM : Bridge Weigh In Motion
CETE NC : CETE Normandie Centre
CETE : Centre d’Étude Technique de l’Équipement
CFT : Coefficient de Frottement Transversal
COST : European COoperation in the field of Scientific and Technical research (european community)
DG/TREN : Direction Générale Transport et Énergie (commission européenne)
DGMT : Direction Général de la Mer et des Transports
ERA : Équipe de Recherche Associée
HGV : High Gross Vehicle (poids lourd)
IFRTT : International Forum for Road Transport Technology
INRETS : Institut National de Recherche sur les Transports et leur Sécurité
ISWIM : International Society for Weigh-In-Motion
LCPC : Laboratoire Central des Ponts et Chaussée
LIVIC : Laboratoire des Interactions Véhicule Infrastructure Conducteur
LNE : Laboratoire National d’Essais
LR : Laboratoire Régional
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MEEDDAT : Ministère de l'Écologie, de l'Énergie du Développement durable et de l'Aménagement du territoire
OCDE/DIVINE : Organisation de Coopération et de Développement Economiques/ Dynamic Interaction between Vehicles and Infrastructure Experiment
OCDE/JTRC : Organisation de Coopération et de Développement Économique / Joint Transport Research Committee
OIML : Organisation Internationale de Métrologie Légale
ONISR : Observatoire National Interministériel de Sécurité Routière
PL : Poids Lourds
RD : Route Départementale
RN : Route Nationale
SCRIM : Sideway force Coefficient Routine Investigation Machine
VSVL : Voie Spécifique Véhicule Lent
WAVE : Weigh in motion of Axle and Vehicle for Europe
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Introduction
Le transport routier de marchandises représente 75% du tonnage transporté avec un taux de croissance très supérieur à celui des autres modes. Parallèlement, on constate un accroissement inquiétant des surcharges des poids lourds, tant par leur ampleur que par leur fréquence, notamment à cause de la décroissance du nombre de contrôles.
Les poids lourds ont des caractéristiques particulières au sein du parc automobile européen :
− les dimensions des ensembles routiers atteignent 18,4 m de long, 4,00 m de haut et 2,5 m de large,
− leur masse varie de 3,5 à 40 tonnes et peut atteindre 44 tonnes sous certaines conditions,
− leur vitesse de circulation est généralement inférieure à celle des véhicules légers (les différences de vitesse entre véhicules sont des facteurs d’insécurité),
− la puissance de leurs moteurs rapportée à la masse est plus faible que pour les véhicules et utilitaires légers, d’où une difficulté à gravir certaines pentes,
− leurs conducteurs ont un statut de professionnels,
− ils présentent un grande variété de silhouettes (porteur simple, porteur avec remorque, semi-remorque,…),
− leur dynamique particulière (poids lourd chargé ou non, hauteur du centre de gravité, type de charge, véhicules articulés,…) génère des distances de freinage variables et le plus souvent supérieures à celles de véhicules légers, mais aussi des problèmes de renversement dans certaines courbes.
Les éléments cités précédemment montrent que les poids lourds constituent une population de véhicules à risque, tant pour eux-mêmes que pour les autres véhicules.
La perception des véhicules lourds par les autres usagers de la route est d’ailleurs peu favorable. Un sondage réalisé en 2000 dans 5 pays européens, dont la France, est assez révélateur à ce sujet. Les principaux inconvénients liés au transport routier relevés par les Français sont :
− le risque d’accidents (47%),
− la pollution de l’air par les gaz d’échappement (37%),
− les difficultés de circulation (10%),
− le bruit (3%),
− la dégradation des routes (2%).
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Si les personnes sondées devaient limiter leur choix à deux inconvénients majeurs du transport routier, ils opteraient pour la pollution atmosphérique (76 %) et les risques d’accidents (73 %).
Face à la pollution et aux risques que génère à leurs yeux le transport routier, les Français plébiscitent les alternatives ferroviaires. A titre d’exemple, 93% des personnes interrogées se disent plutôt favorables à l’idée de développer fortement le transport des camions sur les trains dans les zones où les axes routiers sont encombrés.
Les études statistiques d’accidentologie1 permettent de constater une augmentation du risque mortel dans les accidents où un poids lourd est impliqué (taux de tué multiplié par un facteur de 2,6).
En plus des accidents graves ou mortels, les poids lourds sont impliqués dans des accidents moins graves mais induisant de fortes congestions aux conséquences économiques lourdes, comme les renversements ou les mises en portefeuille.
Les poids lourds induisent aussi des atteintes à l’environnement et aux infrastructures qui devront être réduites malgré l'augmentation du trafic. Celle-ci devra être absorbée par les infrastructures existantes, éventuellement améliorées et équipées de nouveaux systèmes d'exploitation, en tenant compte des contraintes environnementales et économiques.
Le contenu du programme de recherche du LCPC sur la sécurité des infrastructures a ainsi été complété par une opération nouvelle appelée « TRUCKS », traitant de manière plus spécifique des poids lourds et des questions de sécurité, d'exploitation et de congestion liées au trafic routier de marchandises. En effet, les études actuelles de sécurité routière portent pour la plupart sur les véhicules légers et celles relatives aux poids lourds sont essentiellement menées par les constructeurs. Une attention particulière a été portée aux contrôle des surcharges par les systèmes de pesage en marche.
L'opération « TRUCKS » a eu pour objectif principal d'étudier comment améliorer la sécurité du trafic vis-à-vis des risques liés aux poids lourds. Les liaisons entre les poids lourds et l'infrastructure ont été particulièrement étudiées :
− en termes d'accidentologie, pour identifier à partir de cas concrets les éléments de l'infrastructure qui contribuent à cette insécurité (chapitre 1). Cette identification a permis de proposer des actions pour faire évoluer certaines spécifications de l’infrastructure ; par exemple, le rayon de courbure et les dévers minimum et maximum associés, la liaison entre l’adhérence maximale et le couple dévers-rayon de courbure, les charges de calcul des ponts routiers ou des chaussées, etc... (chapitre 2),
− en termes d’identification des conséquences liées aux évolutions en cours et futures des caractéristiques des poids lourds pour limiter la congestion des réseaux, sur la durée de vie, la maintenance et la sécurité des ouvrages, et en examinant les dispositifs d'aide à la conduite et d'alerte qui pourraient faciliter la tâche de conduite des chauffeurs (chapitre 3),
1 Étude sectorielle « Sécurité des poids lourds en 1999 », réalisée par l'ONISR.
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− en termes de détection et de contrôle des charges des véhicules lourds actuels, avec des propositions d’actions sur les méthodes de contrôle des surcharges de poids lourds (chapitre 4).
Ces recherches ont donc porté sur la trajectographie, la cinématique et la dynamique des poids lourds, sur leurs interactions avec les infrastructures, leur interactivité avec l'environnement (au sens large : infra, autres véhicules, gestionnaires de flottes ou de réseaux…), et sur l'évolution de leurs conditions de circulation. Elles se sont appuyées sur la modélisation de ces interactions à partir des caractéristiques géométriques, dynamiques et cinématiques des véhicules, et de celles des infrastructures. La conception des poids lourds et leur acceptabilité par les infrastructures et les autres usagers ont été particulièrement étudiées. Le concept de route automatisée poids lourds a été examiné pour faire face à l'accroissement important de la demande de transport de marchandises.
Cette opération de recherche a été organisée en quatre sujets :
− Sujet 1 : Détection des défaillances et prévention des accidents (chapitre 1),
− Sujet 2 : Interactivité des poids lourds avec l’infrastructure (chapitres 2 et 4),
− Sujet 3 : Route automatisée poids lourds (chapitre 3),
− Sujet 4 : Pesage en marche des poids lourds (chapitre 5).
Divers projets de recherche nationaux et européens ont été intégrés à cette opération de recherche parmi lesquels on peut citer :
− ARCOS2004 (2002-2004), thème 11, sur l'élaboration d’alertes pour les poids lourds en situations accidentogènes, avec l’objectif de trouver des méthodes efficaces pour la détection précoce de certaines situations accidentogènes et la génération d’alertes informatives à destination du chauffeur, des véhicules suiveurs, des gestionnaires de flotte ou de l’infrastructure. Il s'agit de prévenir les accidents impliquant les poids lourds, et de réduire leurs conséquences lorsqu’ils se produisent.
− Contrat DRAST (2001-2004): "Étude de scénarios de route automatisée poids lourds", visant à identifier et évaluer des scénarios de déploiement du concept dans le cadre d’une automatisation de la conduite des poids lourds.
− Projet européen VERTEC (2002-2005), qui complète la recherche menée dans le projet européen VERT (1997-2000). Les objectifs de VERT étaient de définir des cahiers des charges pour des infrastructures, des véhicules légers et des pneumatiques plus sûrs. Deux facteurs importants manquaient dans cette première étude et ont fait l'objet de VERTEC : la problématique liée aux poids lourds et l'apport des dispositifs d'aide à la conduite aussi bien pour les conducteurs de véhicules légers ou lourds que pour les gestionnaires de réseaux.
− Convention LCPC-DTT (2004-2006) sur le pesage en marche des véhicules routiers, qui assure la continuité de la convention précédente (2000-2003). Les objectifs portaient sur le développement d’outils précis et automatiques pour l’estimation du poids statique des essieux de poids lourds, tels que les grilles multi-capteurs et les ponts instrumentés.
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− Projet européen REMOVE (2004-2005) du 6ème PCRD, qui visait à établir des recommandations (légales, techniques, opérationnelles) destinées à harmoniser le déploiement des systèmes de pesage en marche à travers l’Europe à des fins de contrôle de surcharges.
− Projet Euréka Footprint (2003-2008) : l’objectif de ce projet était la mise au point d’une station capable de mesurer l’influence du trafic sur l’environnement et sur l’infrastructure. Celle-ci permet la mesure de vibrations au sol, le pesage des trains et des poids lourds et la mesure du bruit. Le rôle du LCPC consiste à réaliser un transfert de connaissances, à aider à adapter les spécifications européennes de pesage des véhicules routiers COST 323 au pesage en marche des trains, et à fournir une expertise générale.
− Projet SAFEMAP (« Toward safer maps for a safer traffic » 2004-2007) Projet franco allemand visant à définir les éléments constitutifs d’une carte routière pour des applications de sécurité. Dans ce cadre, différentes applications embarquées ont été étudiées et testées. Ces applications, dont l’objectif est d’augmenter la sécurité offerte, seraient proposées aux conducteurs comme un complément de leurs systèmes de navigation. Elles seraient construites à partir de différents attributs routiers et devraient permettre au conducteur d’anticiper les points dangereux d’un itinéraire.
− Projet VIF (« Véhicule Interactif du Futur » 2005-2008) financé par la DGMT (MEDAD, Direction Générale de la Mer et des Transports). Compte tenu des progrès techniques réalisés ces dernières années, il est apparu opportun de se poser globalement la question des possibilités optimales d’exploitation des nouvelles technologies d’échanges d’information entre les poids lourds et l’infrastructure. L’objectif est d’accroître la sécurité routière et d’améliorer l’exploitation en partageant des informations liées à l’infrastructure et aux véhicules. La phase 1 concernait la faisabilité du projet. La phase 2 a démarré fin 2006 dans le cadre du pôle de compétitivité lyonnais « Urban Trucks and Buses 2015 » après acceptation de l’étude de faisabilité par la DGMT.
− Projet européen HEAVYROUTE (6ème PCRD, 2006-2009). Ce projet coordonné par le VTI (Suède) et soutenu par le FEHRL, concerne la mise au point de dispositifs de guidage des poids lourds sur les infrastructures et les itinéraires, en vue de réduire les impacts et dommages aux ouvrages (chaussées et ponts), d’accroître la sécurité routière tout en réduisant les congestions et les temps de parcours. Ces dispositifs utiliseront largement des moyens de communication infrastructures-véhicules et des algorithmes embarqués mettant en œuvre des stratégies de conduite et de routage à destination des conducteurs.
Les résultats de ces projets sont intégrés dans les différents chapitres de ce rapport.
Après avoir réalisé un bilan des connaissances et des produits de l’opération de recherche « TRUCKS », les auteurs proposent dans le dernier chapitre des orientations pour la suite des recherches à mener dans le domaine des poids lourds, ainsi que des thématiques à approfondir :
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− dans le cadre de la gestion des infrastructures, en utilisant les spécificités des poids lourds pour relever des caractéristiques de l’infrastructure auxquelles les véhicules légers n’ont pas accès compte tenu de leurs dimensions ou de leur niveau d’équipement. Ces données concernant l'infrastructure pourraient être recueillies par les poids lourds, puis transmises et utilisées par le gestionnaire de la route pour le suivi de l'état de service et de la sécurité de celle-ci,
− dans le cadre du guidage des poids lourds sur les infrastructures et les itinéraires pour réduire les dommages aux ouvrages (chaussées et ponts) accroître la sécurité routière tout en réduisant les congestions et les temps de parcours (fin des projets VIF et HEAVYROUTE),
− dans le cadre de conditions de circulation en situations atmosphériques dégradées pour résoudre par exemple des questions du genre : « Comment éviter qu’un seul poids lourd sur une faible pente enneigée ne bloque complètement le trafic ? ».
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Chapitre 1 Éléments d’accidentologie
Pour améliorer la sécurité routière, il est indispensable d’avoir une vision globale de l’accidentologie liée aux poids lourds afin de déterminer les points critiques sur lesquels il est possible d’agir. Les enjeux sont donc présentés à partir des données générales disponibles sur l'accidentologie des poids lourds. Les conditions de l'accident, et plus particulièrement les caractéristiques de l'infrastructure où ceux-ci se sont produits sont déterminées et analysées. Les typologies ou scenarii d’accidents sont proposés. Enfin, quelques conclusions concernant l’accidentologie sont données.
1. Les enjeux
1.1. Les données nationales [ONISR, 2006]
1.1.1. Victimes et gravité
En 2005, 4 410 accidents impliquant au moins un poids lourd ont engendré 727 tués (13,7% des tués), 2 115 blessés hospitalisés et 3 197 blessés légers. La gravité des accidents avec poids lourds est de 16,5 tués pour 100 accidents, ce qui est 2,6 fois supérieur à la gravité de l'ensemble des accidents.
Alors que les poids lourds couvrent 6,3% des kilomètres parcourus en France, ils représentent 3,3% des véhicules impliqués dans les accidents corporels et 13,4% des véhicules impliqués dans les accidents mortels. Par rapport à l'ensemble des véhicules, les poids lourds sont donc moins impliqués dans les accidents corporels mais ceux-ci sont plus graves.
1.1.2. Poids lourds impliqués
En 2005, 4730 poids lourds ont été impliqués dans un accident corporel. La répartition de ces accidents par type de véhicules est fournie à la figure 1.
Dans 14,6% des cas le poids lourd est le seul véhicule impliqué (9,8% des accidents impliquent un poids lourd seul et 4,8% des accidents impliquent un ou plusieurs piétons), dans 65,1% des cas l'accident a lieu entre le poids lourd et un autre véhicule (une voiture de tourisme dans la grande majorité des cas) et dans 20,3% des cas il s'agit d'un accident avec 3 véhicules et plus.
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Figure 1 : Répartition accidents par type de véhicules
1.1.3. Analyse spatiale
Parmi les accidents impliquant au moins un poids lourd en 2005, 82,3% se sont produits hors intersection. Les accidents de poids lourds ont tendance à se produire plus souvent hors intersection que l'ensemble des accidents (72,7%). La gravité est plus forte hors intersection (17,4 tués pour 100 accidents) qu'en intersection (12,2 tués pour 100 accidents).
En 2005, 61,5% des accidents corporels impliquant un ou plusieurs poids lourds se sont produits en rase campagne. Cette répartition est très différente de celle observée pour l'ensemble des accidents corporels avec 69,4% des accidents se produisant en milieu urbain. Les accidents de poids lourds sont donc beaucoup plus fréquents en rase campagne que l'ensemble des accidents. Cette différence est bien plus faible lorsqu'on s'intéresse uniquement aux accidents mortels. En revanche, les accidents de poids lourd en rase campagne sont 2,2 fois plus graves qu'en milieu urbain (20,8 tués pour 100 accidents contre 9,65).
Tableau 1 - Répartition des accidents selon la catégorie de route (données 2005)
Catégorie de route Accidents impliquant au moins un poids lourd
Ensemble des accidents
Autoroutes 21,0% 6,1%
Routes nationales 22,9% 12,5%
Routes départementales 28,0% 28,0%
Autres catégories de routes 28,0% 53,4%
Les accidents de poids lourds se répartissent de façon assez équilibrée sur les divers réseaux, tandis que l’essentiel du trafic est concentré sur les grands axes (autoroutes et routes nationales). Pour les véhicules légers, 4 fois plus nombreux sur routes que sur autoroutes, les proportions sont très différentes.
Tracteurs / semi-remorque
36%
PL avec remorque
23%
Tracteurs routiers
2%
Véhicules rigides mono-corps (>3,5t)
39%
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1.1.4. Analyse temporelle
Contrairement à l'ensemble des accidents, il n'y a pas de période de pointe pour les accidents de poids lourds. Ils se répartissent de manière quasi-uniforme entre 6 heures et 18 heures et suivent la courbe de trafic poids lourd2. Ce constat est également valable pour les accidents mortels.
Les accidents impliquant au moins un poids lourd se produisent principalement le jour (73,7%). Ce chiffre est supérieur à celui obtenu pour l'ensemble des accidents (68,1% le jour). La nuit reste cependant une période avec un fort risque puisque 26,3% des accidents s’y produisent alors que seuls 15% des poids lourds circulent.
La proportion d'accidents avec un poids lourd est plus importante du lundi au vendredi et les veilles de fête que les samedi, dimanche et jours de fête. Ceci s'explique par les restrictions de circulation imposées aux poids lourds, le nombre d'accidents étant pratiquement proportionnel au trafic.
Comme pour l'ensemble des accidents, les accidents impliquant un poids lourd sont plus nombreux en juin et pendant le dernier trimestre et moins nombreux en août. Les accidents avec poids lourd sont plus fréquents en hiver, en raison des conditions météorologiques dégradées et du trafic important.
1.1.5. Évolution depuis 2001
La diminution du nombre d’accidents impliquant un poids lourd par rapport à l’ensemble des accidents est détaillée à la figure 2. Globalement, cette baisse est moins importante pour les accidents impliquant au moins un poids lourd que pour l’ensemble des accidents.
Figure 2 : Diminution du nombre d’accidents impliquant un poids lourd par rapport à l’ensemble des accidents depuis 2001
De plus, la gravité des accidents impliquant au moins un poids lourd baisse plus rapidement que la gravité de l’ensemble des accidents : -1,3 points contre –0,78.
2 Les données de trafic utilisées dans cette partie sont issues de 2 sites normands équipés de stations Siredo.
27% 27,60% 27%29,80%
32,30%35,60%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
avec PL tousaccidents
avec PL tousaccidents
avec PL tousaccidents
accidents corporels accidents mortels nombre de tués
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Enfin, le nombre d'accidents corporels impliquant au moins un poids lourd en milieu urbain a diminué dans les mêmes proportions que l'ensemble des accidents (-25%), alors que leur gravité baisse plus rapidement par rapport à l'ensemble des accidents.
En rase campagne, la diminution du nombre d'accidents corporels impliquant au moins un poids lourd est moins importante que pour l'ensemble des accidents (-27,9% contre -34,5%), tout comme le nombre d'accidents mortels et le nombre de tués. Par contre, la gravité des accidents avec poids lourd a diminué plus vite.
1.2. Informations complémentaires Le fichier BAAC (Bulletin d'Analyse des Accidents Corporels, fiche remplie par les forces de l'ordre pour chaque accident corporel), utilisé par l'ONISR, n'est pas la seule source d'information disponible. D'autres bases de données gérées par différents organismes permettent des analyses spécifiques. Ces autres bases peuvent notamment contenir des données sur les accidents matériels, non inclus dans le fichier BAAC.
1.2.1. Les accidents de véhicules industriels
Une étude menée dans le cadre du projet ARCOS [Desfontaines, 2003] s'intéressait aux accidents de véhicules industriels à travers la base de données de Renault Trucks – CEESAR, contenant 581 accidents impliquant 616 poids lourds.
Le poids lourd était seul dans 33% des cas et la répartition par type d’accidents était la suivante : 20% de renversements, 11% de sorties de route et 2% de mises en portefeuille. Les accidents se produisaient généralement en rase campagne (76,5% des tués), hors intersection (81% des tués) et sur RN ou RD (40,5% et 36,5% des tués). Dans 88% des cas, les tués étaient des usagers externes au poids lourd.
Enfin, les 109 cas de renversements ont été spécifiquement étudiés : ils se produisaient principalement suite à une sortie de route (70), en courbe (54) et par temps normal (60). Le renversement a eu lieu en giratoire dans 19 cas. Dans 64 accidents, le poids lourd se renversait sur la chaussée et dans 35 cas sur l’accotement. Cette étude a ainsi mis en évidence le renversement comme type d’accident le plus fréquent pour un poids lourd seul.
1.2.2. Les accidents « marquants »
Une autre base de données constituée à partir des bulletins « faits marquants des dernières 24h » du premier semestre 2004, soit 838 accidents, a également été analysée. Ces bulletins sont adressés quotidiennement aux 3 directions Police, Gendarmerie et Transport et contiennent les accidents « marquants » (grand nombre de tués, circonstances particulières, ...).
L’analyse des résultats montre qu’un poids lourd était impliqué dans 56% des accidents de cette base et plus de la moitié des accidents de poids lourds étaient matériels. Dans 59% des accidents avec poids lourd, le poids lourd était seul. Parmi les accidents de poids lourd seul, le poids lourd se renversait, dans 31% des cas et
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se mettait en portefeuille dans 3% des cas. On notera que 25% des renversements ont occasionné une coupure de l'axe de plus de 5 heures.
Les poids lourds sont donc particulièrement impliqués dans les accidents occasionnant des perturbations importantes. Cette dimension n'est pas visible à partir des données issues du fichier BAAC puisque ces accidents sont essentiellement matériels.
Comme dans la base ARCOS, le renversement est la configuration d’accident la plus fréquente pour un véhicule lourd seul. Ce type d’accident présente donc un véritable enjeu en terme de sécurité routière et de gestion du trafic.
2. Caractéristiques accidentogènes de l'infrastruct ure
La détermination des caractéristiques accidentogènes de l’infrastructure s’est déroulée en deux temps. Dans un premier temps, une synthèse bibliographique des études de sécurité effectuées en Europe et en Amérique du Nord a été réalisée. Dans un second temps, les résultats d’études de sécurité réalisées en France sont présentés et comparés aux résultats étrangers.
2.1. Analyse bibliographique des études étrangères
2.1.1. Études réalisées au niveau européen
Dans le cadre du projet VERTEC, une base de données commune a été créée entre les pays partenaires : Finlande, France, Royaume-Uni et Italie [UNIFI, 2003]. Des données ont aussi été collectées aux États-Unis pour comparaison avec les pays européens. Les accidents avec poids lourds sont regroupés en scénarios basés sur le type de route (route à chaussées séparées en rase campagne, route à chaussées séparées en milieu urbain, route principale à chaussées non séparées, route secondaire à chaussées non séparées, bretelles) et la gravité (tous accidents, corporels, mortels).
Routes à chaussées séparées en rase campagne (21 619 accidents)
Pratiquement 40% des accidents se produisent dans une courbe de rayon compris entre 500 et 1000 m. Près d'un tiers des accidents ont lieu sur chaussée mouillée. Environ 20% des accidents se produisent près d’une bretelle ou d’une intersection.
Routes à chaussées séparées en milieu urbain (738 accidents)
44% des accidents se produisent dans des courbes de rayon inférieur à 500 m et 20% dans des courbes de rayon compris entre 500 et 1000 m. Les courbes de faible rayon semblent donc plus dangereuses en milieu urbain, ce qui peut être dû au fait que ce type de courbe est plus fréquent qu’en rase campagne. 28,5% des accidents se produisent sur chaussée humide, ce qui est comparable aux résultats obtenus en rase campagne. La moitié des accidents se produit près de bretelles ou d’intersections (52%), ce qui peut s’expliquer par la fréquence de ces zones en milieu urbain.
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Routes principales à chaussées non séparées (5 839 accidents)
Environ 45% des accidents corporels se produisent dans des courbes de rayon inférieur à 300 m et moins de 2% en alignements droits. Ceci peut être partiellement dû au fait que la longueur totale des alignements droits sur ce type de route est plus faible que pour les routes à chaussées séparées, mais il est quand même évident que les courbes de très faible rayon représentent une difficulté. En ce qui concerne les accidents mortels, 37% se produisent dans une courbe de grand rayon. Plus de 40% des accidents corporels ont lieu sur chaussée humide. Environ 47% des accidents corporels se produisent à proximité de zones critiques (bretelles, intersections).
Routes secondaires à chaussées non séparées (141 accidents)
La moitié des accidents se produisent en alignement droit et la majorité des accidents en courbe se produisent dans des courbes de grands rayons. Environ 10% des accidents se produisent sur chaussée humide.
2.1.2. Études réalisées en Amérique du Nord
État de la chaussée
Deux études menées aux États-Unis sur des routes à chaussées séparées montrent que les accidents sur chaussée mouillée sont moins fréquents pour les poids lourds que pour l'ensemble des véhicules [Golob et Reagan, 2004] [Agent et Pigman, 2002].
Pente
Il résulte d'une étude réalisée aux États-Unis que les accidents mortels impliquant un poids lourd sur route à chaussées séparées sont plus fréquents en pente que l'ensemble des accidents mortels sur ce même type de route [Agent et Pigman, 2002].
A titre de comparaison, une étude réalisée sur 3 rampes non équipées d'une voie spécialisée pour véhicules lents sur une autoroute française montre que le risque d'accident corporel pour un poids lourd sur ces sections est 16 fois plus important que sur l'ensemble du linéaire de l'autoroute [CETE NC, 2001].
Courbe
La proportion d'accidents en courbe sur route à chaussées séparées est plus faible pour les poids lourds que pour l'ensemble des véhicules selon une étude américaine [Agent et Pigman, 2002]. Une autre étude américaine portant uniquement sur les accidents mortels de poids lourds montre que les renversements sont 6 fois plus nombreux en courbe qu'en section rectiligne [Moonesinghe et al, 2003]. La problématique des renversements est également traitée dans une troisième étude américaine, mais uniquement sur routes à chaussées séparées [Cate et Richards, 2000] : sur le linéaire, les renversements sont plus fréquents en courbe à gauche et le risque de renversement augmente avec le « ball bank reading » (mesure combinée de la force centrifuge, du roulis du véhicule et du dévers, représentant les
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« forces de renversement »). Cette étude montre également que 20% des renversements sur routes à chaussées séparées se produisent dans une bretelle et ils sont plus fréquents en courbe à droite.
Courbe et pente
Selon une analyse réalisée au Canada, les accidents mortels impliquant un camion porteur seul se produisent sur une section droite et plate dans 68% des cas, droite et en pente dans 16% des cas, en courbe et plate dans 9% des cas et en courbe et en pente dans 8% des cas. Les proportions pour les accidents mortels impliquant un semi-remorque seul sont de 68% sur une section droite et plate, 20% sur une section en courbe et en pente, 15% sur une section droite et en pente et 12% sur une section en courbe et plate [Transports Canada, 2001].
2.2. Étude réalisée au niveau régional en France Cette étude a été réalisée sur la région Rhône-Alpes et la région Normandie entre 2000 et 2004. Son objectif est double : connaître plus précisément les conditions (en terme d'infrastructure) dans lesquelles se produisent les accidents impliquant des poids lourds et détecter des zones qui pourront faire l'objet d'études ultérieures.
2.2.1. Données / méthodologie
Une base de données a été créée à partir d'une liste d'accidents extraite du fichier BAAC à l'aide du logiciel Concerto3. Cette base a été analysée de manière globale puis certains types d'accidents ont été analysés plus finement. Enfin, des zones d'accumulation d'accidents ont été définies en Rhône-Alpes et en Normandie.
La base principale est constituée de 2 443 accidents survenus en Rhône-Alpes au cours de la période 2000-2004 et impliquant au moins un poids lourd (poids lourd seul de PTAC>7,5t, poids lourd avec remorque, tracteur routier seul ou avec semi-remorque).
2.2.2. Analyse des résultats obtenus sur la région Rhône-Alpes
Les véhicules impliqués
Sur l’ensemble des usagers, on dénombre 387 tués, 673 blessés graves et 2398 blessés légers. La gravité des accidents est de 16 tués pour 100 accidents et de 28 blessés graves pour 100 accidents. On recense 131 cas d’alcoolémie illégale (i.e. taux d’alcool dans le sang > 0,5 g/l), dont 26 parmi les conducteurs de poids lourds, soit 1,1% des conducteurs.
De plus, 80% de ces accidents impliquent au maximum deux véhicules.
3 Logiciel d’analyse statistique des données d’accidents enregistrées dans le fichier BAAC
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Sur l’ensemble des accidents, on comptabilise 2 579 poids lourds impliqués. La manœuvre principale avant l’accident est « sans changement de direction » (57% des cas). Les autres manœuvres sont très peu représentées (≈ 10% chacune).
Typologie des accidents
Le type de collision le plus représenté est la collision latérale (28%). On trouve ensuite à part égale les collisions frontales et les collisions par l’arrière. Sur les 431 accidents impliquant 3 véhicules et plus, on dénombre 259 collisions multiples et 132 collisions en chaîne, soit 90% des accidents avec 3 véhicules ou plus.
Localisation des accidents
On note que 71% des accidents se situent hors agglomération. En agglomération, les accidents se répartissent indépendamment du nombre d’habitants.
De plus, 79% des accidents se produisent hors intersection. En intersection, deux configurations géométriques se dégagent, à savoir les carrefours en T et ceux en Y. Ce fait pourrait s’expliquer par des problèmes de visibilité et de perception des autres usagers de la route. Les autres types d’intersection présentent des valeurs extrêmement faibles et peu utilisables pour une approche statistique globale. On note également que seulement 1% des accidents corporels se produisent dans des carrefours giratoires, confirmant ainsi la sûreté de cet aménagement.
L’analyse des résultats montre une répartition homogène des accidents se produisant sur les autoroutes, les RN et les RD (entre 27 et 28% chacun).
Enfin, 63% des accidents ont lieu sur des routes bidirectionnelles.
Conditions de l'accident
On observe que 90% des accidents ont lieu du lundi au vendredi. La répartition par jour est assez homogène.
De plus, 75% des accidents se déroulent en plein jour. La luminosité ne semble donc pas être à elle seule un élément déclenchant de l’accident.
Dans 79% des accidents, les conditions météorologiques sont normales. Les proportions pour les autres conditions sont négligeables, sauf dans le cas d’une pluie légère qui représente plus de 10% des accidents. On peut supposer qu’un conducteur ressent moins bien le danger en cas de faible pluie et n’adapte pas sa vitesse aux modifications des conditions d’adhérence de la route.
Caractéristiques de l'infrastructure
En analysant le tracé en plan, on note que 73% des accidents se produisent en ligne droite, alors que les véhicules sont peu sollicités par la dynamique transversale.
Les données montrent que 77% des accidents ont lieu sur le plat et 19% en pente.
Enfin, 76% des accidents ont lieu sur chaussée sèche et 20% sur chaussée mouillée. Ces chiffres diffèrent de ceux d'études réalisées dans les pays nordiques montrant une faible influence de l’adhérence sur les accidents de poids lourds.
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Accidents impliquant un PL seul hors autoroute, hors agglomération et hors intersection
Par rapport à l’ensemble des accidents, on constate que les accidents en virage et/ou en pente impliquant un poids lourd seul sont deux fois plus nombreux.
La moitié de ces accidents est un choc sur obstacle fixe (glissière ou fossé/talus/paroi rocheuse). Ces 75 accidents ont fait 10 tués, 54 blessés graves et 11 blessés légers, leur gravité est sensiblement égale à celle de l’ensemble des accidents, mais le nombre de blessés graves pour 100 accidents est plus élevé.
Accidents impliquant deux véhicules dont au moins un poids lourd hors autoroute, hors agglomération et hors intersection
Sur l’ensemble de ces accidents, 19 cas impliquent deux poids lourds et 398 impliquent un poids lourd contre un véhicule léger.
Les chiffres montrent que la géométrie influe de manière non négligeable sur le nombre d’accidents :
− il y a presque autant d’accidents en virage qu’en ligne droite (respectivement 42% et 57%) lorsque deux véhicules sont impliqués alors que le linéaire de lignes droites est nettement supérieur à celui des virages,
− le profil en long n’a pas plus d’influence sur les accidents impliquant deux véhicules que sur tous les autres types d’accidents.
En étudiant les manœuvres entreprises avant que l’accident ne se produise, on constate que :
− dans près de la moitié des cas, aucune manœuvre n’est entreprise avant l’accident,
− les manœuvres de déport à gauche sont plus importantes dans le cas des accidents impliquant deux véhicules.
Les accidents en courbe à droite représentent 25% des accidents impliquant deux véhicules (contre 15% dans l’ensemble des accidents). Si l’on combine ce type de virage avec le facteur pente et le facteur chaussée mouillée, on constate que les proportions sont identiques à celles de l’ensemble des accidents. L’augmentation du nombre d’accidents en courbe à droite est plutôt lié à des manœuvres telles que le déport à gauche. Les manœuvres de déport à gauche (tous véhicules) passent de 6% sur l’ensemble des accidents à 18% dans le cas des accidents en courbe à droite impliquant deux véhicules.
Concernant les victimes, on constate une gravité plus importante (24 tués pour 100 accidents contre 16 pour l’ensemble) et il y a un peu plus de blessés graves que dans l'ensemble des accidents. Le type de collision doit être lié à ces chiffres : sur l’ensemble des accidents, on dénombrait 15% de collisions frontales alors qu’elles représentent ici 42% des accidents.
Sur des routes bidirectionnelles (72% des accidents), on a 51% de collisions frontales (dont un tiers sur chaussées mouillées) et 27% de collisions latérales. Il y a autant d’accidents en virage qu’en ligne droite. La catégorie de route la plus touchée est la RD (56% contre 37% sur RN). Celles-ci sont moins adaptées au trafic poids lourds (géométrie, confort).
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Sur des routes à chaussées séparées (11% des accidents), il y a 49% de collisions latérales (dont 31% sur chaussée mouillée) et 41% de collisions par l’arrière. On note également une baisse du nombre d’accidents en virage. La moitié des accidents en pente ont lieu sur une surface mouillée.
Combinaison de facteurs accidentogènes
Une situation combinant un tracé en courbe et une chaussée mouillée présente un taux d’accidents deux fois plus élevé en considérant un poids lourd seul ou un accident impliquant deux véhicules dont un poids lourd par rapport à l’ensemble des accidents.
Les accidents se produisant dans des virages situés en pente ressortent largement : ils représentent 30% des accidents impliquant un poids lourd seul.
2.2.3. Prise en compte des données des années antérieures à 2004
Une étude des accidents impliquant au moins un poids lourd a été réalisée dans le cadre du projet VERTEC sur la période 1996-2000 dans la région Rhône-Alpes, ce qui permet d'établir une comparaison avec la période 2000-2004 [VERTEC, 2006].
En ce qui concerne l'ensemble des accidents impliquant au moins un poids lourd, on note une très légère diminution du pourcentage d'accidents survenus dans des zones présentant des configurations accidentogènes : le pourcentage d'accidents en courbe est passé de 26% dans la période 1996-2000 à 25% dans la période 2000-2004, celui en pente est passé de 21% à 19% et celui sur chaussée mouillée de 22% à 20%. Ces diminutions ne sont cependant pas statistiquement significatives. On peut considérer que la situation entre 2000 et 2004 est comparable à la situation entre 1996 et 2000.
2.2.4. Comparaison avec les résultats obtenus en Normandie
D’un point de vue global, l’étude de cette base de données n’a fait que confirmer les conclusions obtenues sur la région Rhône-Alpes. Les résultats obtenus sont du même ordre de grandeur.
On note cependant quelques différences. En Normandie, les accidents sur RD et sur routes bidirectionnelles sont plus nombreux tandis que ceux sur autoroute sont moins nombreux. Ceci s'explique en grande partie par la différence de linéaire des différents réseaux. Lorsqu'on regarde les accidents hors autoroutes, hors agglomération, hors intersection et avec au plus 2 véhicules, il n'y a pas plus d'accidents en virage qu'en ligne droite en Normandie. La proportion d'accidents sur chaussée mouillée est plus importante en Normandie (climat différent).
2.2.5. Conclusions
Les facteurs virage, pente et surface mouillée ressortent de manière prépondérante de l’étude du fichier BAAC, en particulier dans le cas des accidents impliquant un poids lourd seul. Pour les accidents impliquant deux véhicules, il ressort une augmentation des accidents en virage.
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2.3. Cas particulier des carrefours giratoires Par leur géométrie spécifique les carrefours giratoires méritent une attention particulière. Malgré leurs bons résultats en terme de nombre d’accidents corporels, ils sont fréquemment mis en cause dans les renversements de poids lourds. Une étude a été menée au CETE Normandie Centre à ce sujet [CETE NC, 97]. Elle a porté sur 39 accidents répartis sur 27 carrefours giratoires et a eu pour objectif d’analyser de manière plus précise les mécanismes d’accidents de poids lourds mis en causes
2.3.1. Description des accidents
Dans 95 % des cas, la position finale du poids lourd se situe à l’extérieur de la chaussée annulaire, l’ensemble routier étant couché sur son flanc droit. Le renversement sur l’anneau central est un événement rare où l’ensemble routier se couche alors sur son flanc gauche. Sur les giratoires situés en bas de longues descentes (longueur supérieure à 1000 m), on ne constate que des accidents où il y a rupture de freins (3 cas sur 39). Si l’on « découpe » le giratoire en quatre secteurs, on constate que plus de la moitié des renversements (54 %) se produisent dans le second quart et 28 % se produisent dans le troisième quart.
Les renversements de poids lourds, sont toujours des accidents spectaculaires. Par contre, dans leur grande majorité, ces accidents ont un faible niveau de gravité. Ils ne sont souvent que des accidents matériels.
Dans l'échantillon, les jeunes conducteurs semblent plus impliqués. Or, la méconnaissance du site n’est pas un facteur prépondérant dans le déroulement de l’accident, les usagers locaux étant majoritairement impliqués. Il semble donc que le manque d’expérience de conduite et la méconnaissance du poids lourd puissent expliquer ce sur-risque.
Dans 95 % des cas le véhicule impliqué est un camion semi-remorque articulé. Dans les renversements, on trouve tous les types de remorques. On remarque que les citernes, malgré leur vulnérabilité sont très peu impliquées (5 % des cas). Le type de chargement et le conditionnement des marchandises n’est pas sans influence sur le renversement du poids lourd. Les chargements en vrac transportés dans les bennes sont fréquemment rencontrés. Il en va de même pour les chargements qui n’occupent pas toute la largeur de la remorque et qui se déplacent dans les courbes. Les camions dont le centre de gravité est élevé sont également vulnérables.
2.3.2. Géométrie des giratoires
Tous les renversements ont été constatés sur des giratoires dont la chaussée annulaire est déversée vers l’extérieur, ce qui est la configuration générale en France.
Dans les carrefours giratoires où se produisent plusieurs accidents pour une même branche d’entrée, on constate que dans 70 % des cas, la voie d’entrée a une largeur supérieure à 4 mètres. Il existe vraisemblablement un sur-risque de renversement lorsque la voie d’entrée est large, bien que ce résultat ne soit pas significatif.
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Lorsqu’un poids lourd aborde un carrefour giratoire, compte tenu de son gabarit, il utilise au mieux l’espace qui lui est offert, notamment en optimisant le rayon d'entrée si les autres caractéristiques géométriques sont « confortables ». Les éléments prépondérants qui influent sur l’optimisation du rayon d’entrée sont l’élargissement de la voie d’entrée, l’augmentation de la largeur de la chaussée annulaire et la diminution du déport (cas des branches tangentielles). On peut penser que l’usager qui perçoit une entrée confortable est moins enclin à réduire sa vitesse. Il est très concevable qu’il soit en difficulté dans la partie de la chaussée annulaire où il passe dans l’anneau avec un rayon 4 ou 5 fois plus petit.
2.3.3. Conclusions
Il semble que la vitesse d'entrée (souvent favorisée par une infrastructure non contraignante en approche) et le chargement (chargement en vrac, non arrimé, mal réparti) soient des facteurs prépondérants dans la survenue de renversements en carrefours giratoires. Un aménagement permettant de « casser » ou contrôler la vitesse avant le giratoire et une attention particulière au chargement permettrait probablement de réduire le nombre de renversements en giratoire.
3. Les typologies d'accidents
3.1. Analyse bibliographique
3.1.1. Quelques recherches de l'INRETS
Réalisée à partie de 33 dossiers d'EDA (Étude Détaillée des Accidents), une décomposition en situations permet de mettre en évidence certains processus d'accidents, présentés sous forme d'hypothèses formulées sur le conducteur, le véhicule et l'infrastructure, sans toutefois permettre de quantifier leur importance en raison du faible nombre de cas et de leur non-représentativité de l'ensemble des accidents de poids lourds [Fleury et al., 1987].
Hypothèses formulées sur le conducteur
Les hypothèses liées au conducteur sont les suivantes : une attention amoindrie en fin de trajet, une charge mentale importante (tâche annexe ou tâche de conduite difficile), un retard ou une fin de journée entraînant une prise de risque, l'utilisation d'un itinéraire non adapté pour éviter une traversée d'agglomération ou gagner du temps, une prise d'information incomplète pour compenser le temps perdu dans une manœuvre longue, une mauvaise anticipation d'une manœuvre d'un véhicule léger.
Hypothèses formulées sur le véhicule
Les hypothèses liées au véhicule sont les suivantes : mise en portefeuille suite à un freinage d'urgence, une mauvaise tenue de route ne permettant pas une récupération, capacités de freinage et d'accélération réduites, différentiel de vitesse entre les poids lourds et les véhicules légers, manœuvre spécifique aux poids lourds incomprise par un autre usager, visibilité réduite depuis le poste de conduite, encombrement et masse du poids lourd.
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Hypothèses formulées sur l'infrastructure
Les hypothèses liées à l'infrastructure sont les suivantes : infrastructure favorisant une vitesse élevée et une attention faible, surprise due à la présence d'un usager lent ou à l'arrêt, incompréhension ou refus de la stratégie d'un autre usager, manque de possibilité de dépassement entraînant une prise de risques, approche à une vitesse élevée d'une zone de transition et non-perception de la difficulté, étroitesse de certaines infrastructures, infrastructure non adaptée à la manœuvre du poids lourd, mauvais uni ou adhérence, absence d'accotements praticables, absence de signalisation spécifique pour les poids lourds pour indiquer une difficulté.
3.1.2. Autres résultats
Projet VERTEC
Sur les routes à chaussées séparées en rase campagne, les chocs arrières sont les plus fréquents en Europe (33%), tandis qu’aux États-Unis les chocs latéraux prédominent.
Sur les routes à chaussées séparées en milieu urbain, 35% des accidents sont des chocs latéraux et 26% sont des chocs arrières. Sur les routes principales à chaussées non séparées, en Europe comme aux États-Unis, les chocs latéraux sont les plus fréquents. Ceci est vrai également sur les routes secondaires à chaussées non séparées. [VERTEC, 2006].
Études étrangères
En Finlande, les chocs frontaux sont les plus fréquents, ce qui est cohérent avec la prépondérance des routes bidirectionnelles à chaussées non séparées [Hakkanen et Summala, 2001]. Au Canada, les chocs frontaux sont également les plus fréquents, ils représentent 35% des accidents mortels [Transports Canada, 2001]. Dans 14% des accidents ils sont associés à la présence d'un virage à droite. Deux études américaines, l'une prenant en compte les accidents corporels [NCSA, 2004] et l'autre les accidents mortels [Moonesinghe et al., 2003] montrent que les chocs frontaux sont les plus fréquents parmi les accidents impliquant un poids lourd et un autre véhicule sur l'ensemble des États-Unis : 28% des accidents corporels et un tiers des accidents mortels. Selon une autre étude américaine réalisée dans l'état du New Jersey, les collisions dues à un déport sont les plus fréquentes et les collisions avec un véhicule arrêté représentent 20% des accidents sur le réseau des routes nationales [Daniel et al., 2001a], [Daniel et al., 2001b]. Des études ont également été réalisées à Taiwan [Tsai et Su, 2004].
3.2. Étude de 209 accidents de poids lourds en Normandie La majorité des accidents impliquant au moins un poids lourd se produit sur route bidirectionnelle hors agglomération. L’examen des typologies d’accidents s’est donc focalisé sur ce type de route.
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3.2.1. Données et méthodologie
À partir des fiches de lecture de procès verbaux réalisées lors d'études de sécurité du CETE Normandie Centre, une base de données de 209 accidents impliquant au moins un poids lourd en rase campagne a été constituée et analysée. La construction de l'échantillon n'a pas été faite sur une base statistique pour être représentatif des accidents de poids lourds en Normandie. Les accidents retenus sont ceux survenus sur des sections de routes ayant fait l'objet d'une étude de sécurité et donc en général plus accidentées que la moyenne. Sa taille permet néanmoins de supposer que les grandes typologies d'accidents seront représentées.
Un premier regroupement a été réalisé par type de lieu : hors intersection, en intersection, aux accès riverains. Les accidents ont ensuite été regroupés par familles et sous-familles, une famille ou sous-famille consistant en un groupe d'accidents ayant un déroulement similaire.
3.2.2. Accidents hors intersection
Parmi ces 133 accidents, 5 familles se distinguent (figure 3).
Un poids lourd perd le contrôle (47 cas)
La perte de contrôle a lieu principalement en section droite (24 cas). La moitié des cas s’explique par un endormissement (5), un problème mécanique (4) ou un perte d’adhérence sur verglas (3).
Dans les courbes à gauche (14 cas), une vitesse élevée ou inappropriée semble à l’origine de la défaillance. Lorsque le profil en long est renseigné (9 cas), l'accident se produit systématiquement en descente.
Dans les courbes à droite (9 cas), les causes sont plus diverses avec une vitesse élevée ou inappropriée (3), de la fatigue (2), de l’alcool (1) ou une cause indéterminée (3). Dans plus de la moitié des cas l'accident se produit en descente et dans 4 cas sur une chaussée mouillée.
Un véhicule léger perd le contrôle et heurte un poids lourd (38 cas)
Dans tous les cas, la défaillance est indépendante de la présence du poids lourd.
Un véhicule léger heurte un poids lourd pendant un dépassement (20 cas)
Dans la moitié des cas (11), le véhicule léger percute un poids lourds circulant en sens inverse malgré une manœuvre d’urgence (freinage, rabattement). Il faut noter que dans 7 cas, le véhicule dépasse un poids lourd dans des conditions d’adhérence dégradées (6 accidents sur chaussée mouillée et un sur chaussée verglacée).
Les autres concernent des collisions latérales lors de la manœuvre de dépassement. Dans 4 cas l'accident se produit sur chaussée mouillée. Dans 4 cas le dépassement a lieu sur une ligne continue ou en zone de rabattement.
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Un poids lourd percute un véhicule qui roule à faible vitesse devant lui (11 cas)
La fatigue (3) et le manque de visibilité causé par le brouillard (1) sont à l’origine d’un tiers de ces accidents. Les autres causes sont indéterminées (7).
Accidents divers (17 cas)
Ces accidents présentent des déroulements divers, qu’il n’a pas été possible de rattacher aux familles définies ci-dessus.
Figure 3 - Décomposition des accidents se déroulant hors intersection
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3.2.3. Accidents en intersection
Les 64 accidents en intersection sont répartis en 4 familles (figure 4).
Figure 4 - Décomposition des accidents se déroulant en intersection
Un poids lourd est surpris par un usager ralentissant devant lui (22 cas)
Généralement, le poids lourd est surpris par un véhicule en tourne-à-gauche devant lui (18 cas) : il percute le véhicule en tourne-à-gauche ou un véhicule intercalé (11), se met en portefeuille suite au freinage (3) ou se déporte puis heurte un véhicule (4).
Un véhicule arrivant de la voie secondaire percute le poids lourd sur la voie principale (21 cas)
Dans les cas de cisaillement 1er axe (15), deux scenarii prédominent. Soit le véhicule s'arrête mais démarre devant le poids lourd (7), soit il ne s'arrête pas (5). Dans les 6
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cas de cisaillement 2ème axe, le véhicule s'arrête mais ne voit pas le poids lourd (4) ou bien il ne s'arrête pas du tout (2).
Un poids lourd effectue un tourne-à-gauche (9 cas)
Autres accidents (12 cas)
3.2.4. Accidents aux accès riverains
12 accidents en accès riverains ont été considérés (figure 5).
Figure 5 - Décomposition des accidents se déroulant en accès riverain
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4. Conclusion
Les poids lourds sont moins impliqués que les autres véhicules dans les accidents corporels mais les accidents dans lesquels ils sont impliqués sont plus graves. Ils se produisent principalement en rase campagne, hors intersection et de jour. Mais les accidents corporels ne reflètent pas l'ensemble des accidents de poids lourds : les accidents matériels sont nombreux et souvent marquants, par leur type comme par exemple les renversements en carrefours giratoires ou par leurs conséquences sur la circulation.
Vis-à-vis de l'infrastructure, les courbes, les pentes et une chaussée mouillée ressortent comme des facteurs de risque sur les routes en rase campagne, notamment pour les accidents de poids lourd seul.
Dans les accidents impliquant un poids lourd et un autre véhicule, l'autre véhicule est plus fréquemment à l'origine de l'accident et le poids lourd, qui n'a que peu ou pas de temps pour réagir, de par sa masse, son encombrement ou ses capacités d'accélération ou de freinage, en aggrave les conséquences. C'est notamment le cas des accidents par perte de contrôle d'un autre véhicule (18%), de cisaillements (10%) ou lors de dépassements (4%).
Certaines caractéristiques de l'infrastructure jouent un rôle dans les accidents de poids lourds, notamment les pentes, les virages et l'état de la chaussée. Les carrefours giratoires présentent également une géométrie particulière et difficile pour les poids lourds. Ces thèmes sont étudiés dans le chapitre suivant.
Il est cependant très difficile d'avancer des seuils au-delà desquels le risque est plus important. En effet, on ne dispose pas toujours de données précises sur les rayons de courbure ou les pourcentages de pente dans lesquels ont lieu les accidents. Il faudrait pour cela étudier de manière plus fine chaque accident en allant sur le terrain pour le situer précisément et faire ainsi la correspondance avec les caractéristiques géométriques. C’est pourquoi l’utilisation de simulations numériques s’est avérée indispensable dans la suite de ce travail afin de définir des valeurs seuils au-delà desquelles le risque augmente. Le chapitre suivant décrit la démarche employée et les principaux résultats obtenus.
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Chapitre 2 Influence de l’infrastructure sur le comportement d es
poids lourds
1. Le problème
Le parc français de poids lourds comportait plus de 500 000 unités en 2005 pour un total de 27 milliards de kilomètres parcourus par an, auxquels il faut ajouter 8 milliards de kilomètres parcourus par des poids lourds immatriculés hors de France [ONSIR, 2006]. Le parcours annuel moyen d’un poids lourd est de 49 000 kilomètres tandis que celui d’un véhicule léger avoisine les 13 000 kilomètres.
La gravité des accidents impliquant au moins un poids lourd est supérieure à celle des accidents impliquant des véhicules légers et la baisse constatée depuis quelques années des accidents mortels et du nombre de tués en général est moins marquée pour les accidents avec poids lourd. En outre, les accidents impliquant des poids lourds génèrent des dommages à l’infrastructure plus importants que ceux impliquant uniquement des véhicules légers. En effet, le transfert d’énergie cinétique lors du choc entre un poids lourd et l’infrastructure est proportionnel à la masse du véhicule. Ils induisent également des encombrements car le dégagement des poids lourds accidentés nécessite la mise en œuvre de moyens importants.
Ce deuxième chapitre s’intéresse à quatre types d’objets routiers représentant des points critiques de l’infrastructure pour les poids lourds à savoir les virages, les bretelles de sortie de voies rapides, les carrefours giratoires et les rampes. Des simulations numériques permettent de comprendre l’influence des différents paramètres géométriques et d’adhérence sur le comportement dynamique du poids lourd et d’en déduire des valeurs seuils lorsque l’étude permet de conclure ou de proposer des pistes de recherches futures dans le cas contraire.
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Figure 6 - Schéma descriptif de la méthodologie adoptée [Cerezo et al., 2007]
Fichier BAAC accidents impliquant au moins 1 poids lourd
Base restreinte : hors agglomération, hors
intersection
Existence de PV relus par les DES ?
OUI
Lecture des PV par les DES possible ?
OUI
NON
Analyse du mécanisme d’accident pour identifier les causes (méthode INRETS)
NON
Accident est paramétrable dans un logiciel de simulation ?
OUI
NON L’accident est exclu de l’étude
Collecte des informations concernant : − La géométrie de la route, − L’adhérence, − Les caractéristiques du PL (suspension…), − Le chargement, − La vitesse.
OUI
Données manquantes ?
NON
Simulations pour évaluer les données manquantes
(comparaison avec la réalité)
Simulations pour vérifier la cohérence des données
(reconstitution de l’accident)
Valeurs seuils pour différents paramètres de l’infrastructure
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2. Méthodologie
La démarche générale résumée sur la figure 6 se décompose en deux phases :
− une analyse bibliographique des études réalisées au cours des dernières années par les départements d’études en sécurité routière du Ministère de l’équipement français permettant de recenser différentes configurations accidentogènes et une étude du fichier BAAC permettant de détecter des conjonctions de paramètres ayant conduit à des accidents corporels. Cette analyse est complétée par une analyse bibliographique des projets de recherche et travaux menés en Europe et aux États-Unis. Une cartographie des situations les plus dangereuses peut ainsi être proposée (cf. chapitre 1).
− l’utilisation d’un logiciel de simulation de la dynamique des poids lourds afin de déterminer les limites d’utilisation de l’infrastructure en fonction de ses paramètres géométriques. Le but est de déterminer la vitesse maximale à laquelle un poids lourd peut emprunter une zone spécifique de l’infrastructure (virage, carrefour giratoire, bretelle de sortie d’autoroute…) en fonction de ses caractéristiques géométriques (rayon de courbure du virage, dévers) et de surface (adhérence : valeurs de CFT4). En complément un minutieux travail de reconstitution d’accidents a permis de choisir un paramétrage optimal du modèle et de vérifier la pertinence des résultats numériques.
3. Paramétrage des simulations numériques
3.1. Véhicule Les simulations numériques ont été réalisées à l’aide du logiciel commercial PROSPER (PROgramme de SPEcification et de Recherche de composants), développé par la société française SERA-CD. Il permet de simuler le comportement dynamique de véhicules en trois dimensions (prise en compte de la dynamique longitudinale, latérale et verticale), en tenant compte des non-linéarités et des couplages entre les différents éléments constitutifs du poids lourd. Le logiciel permet de modéliser des véhicules constitués de 1 à 5 modules rigides, chaque module pouvant comporter de 1 à 10 essieux. Compte tenu des résultats des études d’accidents (chapitre 1), un modèle de tracteur avec semi-remorque (soit 2 modules avec 2 et 3 essieux) a été retenu. Ce modèle possède une centaine de degrés de liberté (mouvement de caisse – pompage, tangage et roulis, rotation des roues et du moteur, rayon sous charge des roues, etc…) et plus de 600 variables peuvent être considérées. La charge maximale du poids lourd est de 38 tonnes.
Le contact pneumatique / chaussée est représenté par un modèle de Pacejka, dont les constantes ont été déterminées par la société Michelin.
4 Coefficient de Frottement Transversal mesuré en continu par l’appareil SCRIM à 60 km/h avec un film d’eau de 0,5 mm d’épaisseur
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Le logiciel PROSPER a été validé en comparant les résultats des simulations numériques aux valeurs enregistrées par des capteurs positionnés sur un véhicule militaire Renault dans le cadre d’essais réalisés à l’ETAS [Delanne et al., 2003]. La comparaison a porté sur les accélérations latérales et longitudinales, vitesses et angles de roulis, de lacet et de tangage, ainsi que les débattements de suspension. Elle a montré que les résultats des simulations concordaient avec les mesures expérimentales et qu’il était même possible de simuler un début de renversement lors d’un passage trop rapide de chicane [Fleury et al., 1987].
Le poids lourd est modélisé comme un véhicule isolé car l’étude porte sur l’interaction entre véhicule et infrastructure et non sur l’interaction entre véhicules.
3.2. Caractéristiques de l’infrastructure L’infrastructure a été modélisée en considérant sa géométrie et ses caractéristiques de surface.
3.2.1. Géométrie
Les courbes sont modélisées par des virages à droite ou à gauche de 90°, précédés et suivis d’une ligne droite raccordée par une clothoïde de 67 m, respectant les recommandations de l’ARP5 [SETRA, 1994]. Les rayons considérés sont 100 m, 200 m, 300 m et 500 m. La ligne droite est caractérisée par un dévers à droite positif de 2,5% tandis que le dévers en virage varie entre 3% et 7% en valeur absolue. Le choix d’un dévers positif ou négatif dépend du sens du virage. Les cas de dévers inversés par rapport au sens du virage n’ont pas été traités au cours de l’étude.
La convention appliquée pour le signe du dévers est la suivante. Le dévers est compté positivement lorsqu’il permet un écoulement vers la droite de l’eau sur la chaussée par rapport au sens de circulation du véhicule, ce qui signifie que la trace droite du véhicule à une altitude plus faible que la trace gauche (figure 7).
Figure 7 - Dévers positif
Figure 8 - Dévers négatif
5 Aménagement des Routes Principales
Surface de la chaussée
Sens de circulation d
h d
h - ≈dévers
Surface de la chaussée
d
h
Sens de circulation d
h ≈dévers
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Le dévers est compté négativement lorsqu’il permet un écoulement vers la gauche de l’eau sur la chaussée dans le sens de circulation du véhicule (figure 8).
Afin de ne pas combiner trop de paramètres variant simultanément et influant sur le comportement dynamique du poids lourd, la pente longitudinale dans ces virages est prise nulle.
Ensuite, des bretelles de sortie de voie rapide ou d’autoroutes ont été étudiées. Elles ont été modélisées par des virages à droite de rayon 120 m, situés à l’extrémité d’une ligne droite. Chaque bretelle est précédée d’une clothoïde de 40 m dans laquelle le dévers varie de 2,5% (valeur en ligne droite) à la valeur du dévers de la courbe, lui-même compris entre 3% et 7% selon les simulations. Seule la voie de droite de largeur 3,0 m est modélisée.
Plusieurs carrefours giratoires présentant une accidentologie avérée ont été identifiés. Une seule configuration a été retenue pour les simulations. Il s’agit d’un carrefour giratoire à deux voies, de rayon intérieur de 20 m et de rayon extérieur de 28 m. Plusieurs cas de renversement ont été constatés au cours de la dernière décennie dans l’anneau de tels carrefours, en particulier à proximité d’autoroutes générant un trafic poids lourd intense. La pente longitudinale est nulle. Les valeurs de dévers sont définies comme suit. En entrée et en sortie de giratoire, le dévers est constant et égal à +2,5%. Dans l’anneau, le dévers est constant et sa valeur peut-être de –3%, +3% , +5% ou +7%. La transition entre la valeur des dévers en entrée et en sortie de carrefour giratoire et la valeur dans l’anneau se fait de manière continue à l’aide d’une fonction linéaire.
Enfin, des rampes ont été modélisées comme de longues lignes droites (2000 m) de pente longitudinale constante variant entre 3% et 7%. Le dévers est pris constant et égal à +2,5%.
3.2.2. Caractéristiques de surface
Les caractéristiques de surface (texture et adhérence) peuvent être représentées par trois grandeurs : la microtexture, la macrotexture et la mégatexture.
La microtexture d’un revêtement correspond au domaine de longueurs d’ondes de 1 µm à 0,5 mm avec des dénivellations de surface d’amplitude de 1 µm à 0,2 mm. Cette échelle de texture permet de caractériser une surface plus ou moins rugueuse, généralement trop petite pour être observée à l’œil nu. Cette rugosité est obtenue grâce aux caractéristiques de surface (arêtes vives) des gravillons ou particules du revêtement en contact direct avec la gomme des pneumatiques. Une bonne microtexture est importante pour favoriser la dislocation du film d’eau (quelques dixièmes de mm) se trouvant entre le pneumatique et la surface des aspérités de la chaussée.
La macrotexture d’un revêtement correspond au domaine de longueur d’onde compris entre 0,5 et 50 mm, avec une amplitude verticale comprise entre 2 et 10 mm. Cette échelle de texture a des longueurs d’ondes du même ordre de grandeur que celles des pavés de gomme de la bande de roulement des pneumatiques qui interviennent dans le contact pneumatique-route. Une macrotexture élevée permet d’obtenir un bon drainage de l’eau à l’interface pneumatique-chaussée. Elle joue un rôle prépondérant à haute vitesse.
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La mégatexture d’un revêtement correspond au domaine de longueur d’onde compris entre 50 et 500 mm, avec une amplitude verticale comprise entre 1 et 50 mm. Cette échelle de texture donne des longueurs d’ondes du même ordre de grandeur que la longueur d’empreinte des pneumatiques. Les défauts de planéité dans cette gamme provoquent des déformations locales des pneumatiques générant des vibrations, d’où un inconfort de conduite et du bruit.
Le logiciel PROSPER ne permet pas de tenir compte de la macrotexture. La mégatexture pourrait être représentée par le profil numérisé de la route (variation de hauteur), ce qui n’est pas le cas dans cette étude.
La microtexture est évaluée par mesure indirecte à l’aide de l’appareil SCRIM6 qui calcule un coefficient de frottement transversal (CFT) à faible vitesse de glissement. Il s’agit du rapport (mesuré) entre la réaction transversale engendrée par l’adhérence pneu-chaussée et la réaction verticale de la route sur le pneu. Le CFT correspond à la résistance au dérapage sur route mouillée. En effet, le contrôle de la trajectoire d’un véhicule est intimement lié aux forces de friction qui se développent à l’interface pneumatique / sol. Dans le cas d’un changement de direction, le véhicule subit l’effet d’une force centrifuge et c’est donc l’adhérence latérale qui intervient dans le maintien de la trajectoire du véhicule. Dans le cas d’une route sèche et de bonne qualité d’adhérence, le CFT présente une valeur supérieure à 0,80, valeur qui sera prise comme valeur de référence au cours de l’étude. Les valeurs de CFT varient de 0,40 à 0,80 lors des simulations.
3.3. Modèle de conducteur Les simulations ont été essentiellement réalisées en boucle fermée en utilisant un mode de pilotage « contrôlé ». Le conducteur agit sur les commandes du véhicule (braquage du volant, accélération et freinage) afin de ramener ce dernier sur la trajectoire de consigne. Le modèle de conducteur a été paramétré en modifiant son temps de réaction, fixé de façon à être représentatif d’un chauffeur moyen (i.e. ni débutant, ni trop expérimenté).
3.4. Trajectoire7 de consigne du véhicule Dans les bretelles et les virages, on suppose que le poids lourd circule au centre de sa voie. Un déport vers la droite ou vers la gauche est autorisé à condition que le véhicule n’empiète pas sur la voie située à côté. Dans le cas contraire, la situation est jugée dangereuse et ceci constitue un état limite associé à une vitesse maximale Vmax, les autres paramètres étant fixés.
Dans les carrefours giratoires, les hypothèses sont quelque peu différentes [CETE NC, 1999]. En effet, le chauffeur a tendance à minimiser l’accélération transversale qu’il subit en prenant des trajectoires de rayon maximal (au mieux une ligne droite). En partant de ce fait, on a considéré que le poids lourd empruntait la trajectoire la plus rectiligne possible tout en restant dans les voies de circulation (on n’a pas considéré dans cette étude les ronds-points dans lesquels on peut rouler sur 6 Sideway force Coefficient Routine Investigation Machine 7 La trajectoire correspond ici à la trace du véhicule (position X, Y)
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une partie du terre-plein central). Ainsi, les poids-lourds ont tendance à tangenter le bord de voie et à occuper la voie gauche de l’anneau enfreignant le code de la route. De plus, ils freinent de manière continue dans l’anneau du giratoire contrairement aux conducteurs de véhicule léger qui atteignent leur vitesse minimale en entrée de giratoire. Dans les simulations, la vitesse du poids lourd est prise constante même si ce profil de vitesse est irréaliste car le but est de déterminer la vitesse maximale que doit avoir le poids lourd dans le carrefour giratoire.
Figure 9 - Positionnement du poids lourd sur une voie de largeur 3 m
3.5. Critères d’arrêt de la simulation Deux critères d’arrêt des simulations ont été utilisés. Le premier critère est basé sur la position du véhicule par rapport à la voie. Lorsque le véhicule se déporte en dehors de sa voie de circulation, la situation est jugée dangereuse (risque de collision ou de sortie de route) et la vitesse limite est atteinte.
Le deuxième critère est un critère dynamique. Lorsque l’accélération transversale atteint une valeur de l’ordre de 5 m/s2, le risque de renversement devient très élevé [SETRA, 1984]. Ce deuxième critère permet de tenir compte du fait que seuls des chargements fixes peuvent être modélisés dans PROSPER. Or, le risque de renversement est directement lié à des mouvements de charges qui augmenteraient le roulis de la remorque.
3.6. Données étudiées L’analyse des résultats de simulation a porté sur :
− la vitesse longitudinale (détermination du Vmax),
− l’accélération transversale de la remorque et du tracteur (γt),
− l’angle de roulis8 au niveau du centre de gravité de la remorque et du tracteur,
− la vitesse de roulis9 au centre de gravité de la remorque et du tracteur. 8 Angle de rotation autour de l’axe (Ox), cet axe définissant la direction de déplacement du véhicule. 9 Vitesse de rotation autour de l’axe (Ox), exprimée en °/s.
0,30 m
2,10 m 3 m
0,45 m
0,45 m 0,30 m
Sens de circulation
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4. Résultats des simulations
L’étude a porté sur les quatre configurations citées précédemment et a nécessité plusieurs centaines de simulations. Seuls les principaux résultats sont présentés.
4.1. Les virages Dans un premier temps, des virages de faibles rayons (100 à 300 m) sur des routes bidirectionnelles de 7 m de large sont considérés. Les simulations montrent une dépendance forte entre Vmax et le dévers dans le cas de faible adhérence. Les accidents se produisent par sortie de route en milieu de virage. En revanche, le dévers n’a quasiment aucune influence sur la vitesse maximale lorsque le CFT devient supérieur à 0,60. Cependant, en analysant les accélérations transversales et les angles et vitesses de roulis, on note que les valeurs de CFT supérieures à 0,60 permettent de franchir la courbe à vitesse élevée mais le risque de renversement est alors important (figures 10 et 11).
Figure 10 – Vitesse maximale en virage à gauche pour un rayon de 100 m
Les simulations réalisées en virages de 200 et 300 m de rayon montrent le même type de comportement si ce n’est que les valeurs de Vmax sont plus élevées.
Enfin, la figure 11 montre l’influence simultanée de l’adhérence (via le CFT) et du rayon de courbure sur la valeur de Vmax. On observe une augmentation du Vmax en fonction du rayon de courbure de l’ordre de 35 km/h dans le cas d’une chaussée faiblement adhérente. Cet écart est un peu moins important lorsque l’adhérence croît.
3%5%
7%0,4
0,6
0,8
63
66
69
72
75
Vite
sse
max
imal
e (k
m/h
)
Dévers (%)
CFT
72-7569-7266-6963-66
- 45 -
Figure 11 - Vitesse maximale en fonction du rayon de courbure et du CFT (dévers 3%)
4.2. Les bretelles de sortie (courbes de rayon 120 m) Deux seuils d’accélération latérale (et de vitesse limite) ont été définis pour chaque bretelle :
− Accélération limite de début de dérapage,
− Accélération limite induisant un risque de collision avec un véhicule circulant sur l’autre voie.
L’analyse est faite à partir des accélérations transversales de la remorque. Ce choix est justifié par le fait que l’accélération transversale du tracteur est en général quasi-identique à celle de la remorque, sauf au moment où la situation devient vraiment critique (dérapage important, renversement, mise en portefeuille…). L’étude a porté sur deux paramètres : le dévers et le chargement. Les figures 12 à 15 sont extraites de [Briet et al., 2004].
4.2.1. Influence du dévers (figures 12 et 13)
L’influence du dévers est étudiée par comparaison entre les deux valeurs extrêmes rencontrées dans les bretelles à savoir 3 % et 7 %. Entre ces deux valeurs de dévers, le comportement du poids lourd sur la route semble évoluer et ne pas répondre aux même mécanismes d’accidents.
Lorsque le dévers est faible (3 %), les courbes donnant l’évolution de la vitesse et de l’accélération en fonction du CFT présentent trois zones. Sur les surfaces faiblement
100200
300400
500
0,4
0,6
0,8
0
20
40
60
80
100
120
Vite
sse
max
imal
e (k
m/h
)
Rayon de courbure (m)
CFT
100-12080-10060-80
- 46 -
adhérentes (CFT < 0,50), les limites de vitesse et d’accélération augmentent avec le CFT de la route. Le poids lourd complet (véhicule tracteur et remorque) a tendance à déraper assez rapidement dans les virages (vitesse limite de l’ordre de 60 km/h). Lorsque le CFT est compris entre 0,50 et 0,60 les courbes présentent un palier. La sortie de route se produit pour des vitesses identiques. On se situe à la frontière entre deux comportements du poids lourd et on retrouve la limite couramment admise en sécurité routière de CFT égal à 0,50. Lorsque le CFT dépasse 0,60 les limites de vitesse et d’accélération recommencent à augmenter avec l’adhérence de la route mais le comportement du poids lourd est différent car dans ce cas, la remorque dérape en premier entraînant le véhicule tracteur.
Pour des dévers élevés (7 %), les vitesses et accélérations croissent régulièrement avec le CFT de la route jusqu’à atteindre un palier pour des CFT > 0,70. Ces valeurs seuils sont identiques à celles obtenues pour un dévers de 3 %, ce qui tend à confirmer que l’on a atteint la limite supportable par le véhicule (et le conducteur) et que le dévers ne joue plus de rôle à ce niveau.
Il faut noter que la vitesse et l’accélération de déport sont respectivement supérieures à 60 km/h et à 2,5 m/s² quelle que soit l’adhérence. Elles dépassent donc les seuils de sécurité.
Globalement, les vitesses de déport ou de sortie de route sont logiquement plus élevées quand le dévers est grand. Il en va de même pour les accélérations avec toutefois une réserve en ce qui concerne les très fortes adhérences (CFT > 0,75) pour lesquelles, le dévers ne joue plus un rôle prépondérant.
De plus, il semble qu’à faible adhérence (CFT <= 0, 4), le dévers influe peu voire pas du tout sur les valeurs d’accélération limite. En effet, le poids lourd aura tendance à glisser dans le virage quel que soit la valeur du dévers.
Figure 12 – Vitesse maximale en virage à droite pour un rayon de 120 m
Enfin, on n’assiste à aucun renversement direct au cours des simulations. En effet, le logiciel ne tient pas compte des différents obstacles latéraux possibles, comme les fossés par exemple qui expliquent certains renversements. De plus, les chargements sont supposés fixes. Or, diverses études montrent que le mouvement des charges
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85CFT
Vite
sse
(km
/h)
sortie de route - dévers 7%sortie de route - dévers 3%dérapage - dévers 7%dérapage - dévers 3%
- 47 -
transportées est souvent à l’origine des renversements car il amplifie le roulis de la remorque.
Figure 13 – Accélération transversale maximale γt en virage à droite pour un rayon de 120 m
4.2.2. Influence du chargement
Une comparaison a été réalisée en considérant un poids lourd vide et un poids lourd chargé (charge maximale légale autorisée). Le poids lourd vide commence à se déporter à gauche pour une vitesse plus élevée et une accélération transversale plus élevée que celles du poids lourd chargé (figures 14 et 15).
Figure 14 - Accélérations transversales pour un poids lourd chargé et un poids lourd vide (virage de rayon 120 m à droite, dévers de 7%)
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85CFT
γγ γγt (m
.s-2
)
Sortie de route / PL videSortie de route / PL chargéDérapage / PL videDérapage / PL chargé
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85CFT
γγ γγt (m
/s²)
sortie de route / dévers = 7%sortie de route / dévers = 3%dérapage / dévers = 7%dérapage / dévers = 3%
- 48 -
Figure 15 - Vitesses de déport pour un poids lourd chargé et un poids lourd vide (virage de rayon 120 m à droite, dévers de 7%)
A grande vitesse et adhérence élevée, les accélérations de sortie de route sont équivalentes. En effet, le poids lourd atteint le seuil limite d’accélération transversale « humainement acceptable » de 6 m/s² au-delà duquel le chauffeur ne maintient plus son véhicule.
Pour des adhérences moyennes ou plus faibles, il semblerait que les accélérations limites du poids lourd vide soient plus élevées de 0,5 m/s². On remarque également qu’un poids lourd vide commence à déraper dans la courbe lorsque sa vitesse est plus élevée de 5 km/h environ par rapport à son homologue chargé. En revanche, l’écart entre les vitesses entraînant une sortie de route pour un poids lourd vide et un poids lourd chargé est inférieur à 5 km/h.
4.3. Les carrefours giratoires
4.3.1. Type d’accidents observés et influence du CFT
Dans un premier temps, les simulations sont réalisées avec un poids lourd chargé au maximum. Ceci est motivé par le fait que les limites admissibles en terme de vitesse et d’accélération sont plus importantes que dans le cas d’un poids lourd vide [Briet et al., 2004].
Trois niveaux de CFT ont été testés (CFT = 0,4 ; 0,6 et 0,8) et quatre valeurs de dévers allant de –3% à +7%. Pour chaque niveau, les simulations sont réalisées à vitesse constante. La valeur de la vitesse lors de l’étude a varié entre 23 et 37 km/h.
Lorsque le CFT vaut 0,4 presque toutes les simulations conduisent à des sorties de route par dérapage (le véhicule glisse en dehors de sa voie). Il faut maintenir une vitesse assez basse pour que le poids lourd soit en mesure de traverser le carrefour giratoire sans encombre (autour de 25 km/h).
Lorsque le CFT atteint 0,6 on observe une nette diminution des sorties de route. La vitesse critique moyenne passe de 25 à 31 km/h. Le mécanisme d’accident reste le
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85CFT
Vite
sse
(km
/h)
Sortie de route / PL chargéSortie de route / PL videDérapage / PL chargéDérapage / PL vide
- 49 -
même avec des dérapages de la remorque qui entraînent le véhicule en dehors de sa voie.
Lorsque le CFT atteint 0,8 on constate que la vitesse moyenne limite se situe autour de 36 km/h. Les accidents se produisent plutôt par renversement, en particulier lorsque le dévers est élevé.
Les figures 16 à 20 présentées ci-après sont extraits de [Cerezo et Gothié, 2006].
4.3.2. Influence du véhicule
L’angle de roulis de la remorque est inférieur à 1° quelles que soient les conditions de simulation imposées dans l’anneau (adhérence et dévers). Mais, l’angle de roulis du tracteur varie de 1 à 3,5° selon le niveau de CF T de la route. Cet écart important s’explique par la différence de raideur des suspensions. En effet, la raideur des suspensions du tracteur vaut la moitié de la raideur des suspensions de la remorque.
L’angle de roulis a tendance à augmenter lorsque le CFT croît. Ceci s’explique par le fait que le poids lourd a tendance à glisser dans le carrefour giratoire lorsque le CFT est faible. A l’inverse, un contact plus fort entre les pneumatiques et la route existe lorsque le CFT est élevé. Le poids lourd a donc une meilleure adhérence sur la route. Les forces centrifuges créent donc un phénomène de bascule du véhicule qui peut amener au renversement.
Enfin, la vitesse de roulis du tracteur varie entre 0,5°/s et 5°/s et celle de la remorque varie entre 0,2°/s et 1,5°/s. On retrouve l’influen ce de la raideur des suspensions comme pour l’angle de roulis. On peut observer sur les graphes que la vitesse de roulis est d’autant plus forte que le CFT est élevé (figures 16 et 17). Ceci s’explique par le fait que la vitesse pratiquée par le poids lourd augmente avec le niveau de CFT puisque pour chaque simulation la vitesse limite supportable par le poids lourd a été utilisée.
4.3.3. Influence du dévers
Le dévers semble peu influencer la vitesse limite de passage du carrefour giratoire sauf dans le cas d’un faible CFT. En effet, le niveau de CFT de 0,4 traduit une mauvaise microtexture du revêtement donc peu d’adhérence à basse vitesse (figure 14). Le véhicule a tendance à glisser dans le carrefour giratoire sous l’effet de la force centrifuge. Les fortes valeurs de dévers (+5% et +7%) amplifient cet effet, ce qui explique le saut observé sur la figure 16. En effet, dans l’anneau du carrefour giratoire, le dévers est orienté vers l’extérieur et son effet s’ajoute donc à celui de la force centrifuge.
L’accélération transversale subie par la remorque est plus élevée que celle subie par le tracteur. Les valeurs maximales d’accélération latérale supportées par le véhicule varient de 1,2 à 3,2 m/s2 pour le tracteur et de 4 à 8 m/s2 pour la remorque. Les valeurs obtenues pour le tracteur semblent réalistes. En revanche, les accélérations transversales de la remorque sont beaucoup trop élevées par rapport à la réalité. En effet, au-delà de 4 m/s2, le véhicule présente une instabilité avec un risque élevé de renversement. Le modèle surestime donc ces valeurs admissibles. L’explication vient
- 50 -
du fait que le modèle ne prend pas en compte la torsion de la caisse d’où l’écart entre théorie et réalité. Ceci constitue une des limites de ce travail.
Figure 16 - Variation de la vitesse limite dans le carrefour giratoire selon le dévers et le CFT
De plus, l’angle de roulis du tracteur augmente avec le dévers (figure 17). Or, le dévers positif dans l’anneau du giratoire correspond à un dévers orienté vers l’extérieur du carrefour giratoire. Donc, plus le dévers augmente et plus l’inclinaison du véhicule augmente d’où le roulis croissant.
Figure 17 - Angle de roulis maximal au niveau du centre de gravité du tracteur en fonction du CFT et du dévers
En revanche, l’angle de roulis de la remorque a une légère tendance à la décroissance lorsque le dévers augmente. Ce comportement s’explique par les raideurs de suspension importantes de la remorque (figure 18).
20
25
30
35
40
-3% -2% -1% 0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7%
Dévers (%)
Vite
sse
long
itudi
nale
(km
/h)
CFT = 0,8CFT = 0,6CFT = 0,4
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
-3% -1% 1% 3% 5% 7%Dévers (%)
Ang
le r
oulis
trac
teur
(°)
23 km/h et CFT = 0,4
31 km/h et CFT = 0,6
34 km/h et CFT = 0,8
- 51 -
Figure 18 - Angle de roulis maximal au niveau du centre de gravité de la remorque en fonction du CFT et du dévers
Enfin, on note que le dévers a peu d’influence sur l’angle de roulis lorsque le CFT est supérieur à 0,6. L’adhérence est suffisante pour contrebalancer l’effet du dévers. Dans le cas d’un faible CFT, on observe un saut de l’angle de roulis de la remorque entre 3% et 5% de dévers.
Les vitesses de roulis du tracteur comme de la remorque sont peu sensibles au dévers lorsque le CFT est inférieur ou égal à 0,6 (figures 19 et 20). A l’inverse, lorsque l’adhérence est bonne, la vitesse de roulis varie d’une manière plus visible. Il semble exister des seuils au-delà desquels le comportement global du poids lourd change. En effet, la vitesse de roulis de la remorque diminue lorsque le dévers varie entre -3% et +3%, puis elle augmente fortement au-delà de +3%. De même, la vitesse de roulis du tracteur diminue entre –3% et +6%, puis elle augmente brusquement au-delà de +6%.
Figure 19 - Vitesse de roulis maximale au niveau du centre de gravité du tracteur en fonction du CFT et du dévers
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
-3% -1% 1% 3% 5% 7%Dévers (%)
Ang
le r
oulis
rem
orqu
e (°)
23 km/h et CFT = 0,4
31 km/h et CFT = 0,6
34 km/h et CFT = 0,8
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
-3% -1% 1% 3% 5% 7%Dévers (%)
Vite
sse
roul
is tr
acte
ur (
°/s)
23 km/h et CFT = 0,4
31 km/h et CFT = 0,6
34 km/h et CFT = 0,8
- 52 -
Figure 20 - Vitesse de roulis maximal au niveau du centre de gravité de la remorque en fonction du CFT et du dévers
4.4. Les rampes Dans le cas de routes à deux fois deux voies (ou deux fois trois voies), la moitié des accidents sont des collisions latérales et un peu plus du tiers des collisions par l’arrière. Ces dernières s’expliquent par une mauvaise appréciation de la vitesse du véhicule rattrapé ou par une inattention du conducteur du véhicule rattrapant. Une étude réalisée par le CETE Normandie Centre sur trois sections autoroutières avait d’ailleurs mis en évidence le fait que la présence de rampes de longueur importante (> 1 500 m) générait des accidents [CETE NC, 2001]. En effet, la mesure de la vitesse des poids lourds le long de plusieurs rampes a révélé qu’au-delà de 1 500 à 2 000 m, la vitesse d’une partie des poids lourds baissait fortement (différentiel de vitesse supérieur à 20 km/h), ce qui met en présence sur la voie de droite deux populations, l’une roulant à vitesse normale (80 à 90 km/h) et l’autre roulant à vitesse lente (< 60 km/h).
Des simulations ont été réalisées dans des lignes droites avec une pente longitudinale de 3%, 5% et 7%. Les rampes étaient précédées et suivies de 300 m de ligne droite sans pente longitudinale.
Deux types de poids-lourds ont été utilisés pour les simulations : un tracteur semi-remorque dont le chargement variait de 0 à 23 000 kg et un poids lourd à deux essieux rigides dont la charge variait de 0 à 3 000 kg. Le paramétrage des véhicules a été choisi de façon à avoir des véhicules représentatifs du parc français.
Les simulations ont révélé des baisses de vitesse variant de 10 à 30 km/h selon la pente pour des véhicules non chargés et de 20 à plus de 50 km/h pour des véhicules type semi-remorques chargés. La présence d’une VSVL (Voie Spécifique pour les Véhicules Lents) semble donc indispensable dès qu’une montée de l’ordre de 2 000 m et de pente supérieure ou égale à 5% est construite.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
-3% -1% 1% 3% 5% 7%Dévers (%)
Vite
sse
roul
is tr
acte
ur (
°/s)
23 km/h et CFT = 0,4
31 km/h et CFT = 0,6
34 km/h et CFT = 0,8
- 53 -
Figure 21 - Évolution de la vitesse le long d’une rampe de 2 000 m précédée d’une ligne droite de 300 m
Figure 22 - Influence du chargement d’un semi-remorque sur le différentiel de vitesse entre le bas et le sommet de côte pour différentes pentes
Tracteur/ Semi-remorque chargé
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 500 1000 1500 2000 2500
Position le long de la montée (m)
Vite
sse
(km
/h)
Pente = 0%Pente = 3%Pente = 5%Pente = 7%
Vfinale - Vinitiale en fonction de la charge
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5000 10000 15000 20000 25000
Chargement (kg)
∆V (
km/h
)
Pente 7%
Pente 5%
Pente 3%
- 54 -
5. Conclusions et recommandations
Les simulations réalisées ont permis d’aboutir à quelques recommandations en terme de caractéristiques de l’infrastructure.
5.1. Les virages Les courbes de faible rayon (100 à 300 m) posent des difficultés de franchissement aux poids lourds compte tenu de leurs dimensions. Les simulations ont permis de mettre en évidence deux mécanismes d’accidents dépendant du niveau d’adhérence et du dévers. Dans les zones possédant simultanément un fort dévers (> 5%) et un bon niveau d’adhérence (CFT > 0,8), les paramètres dynamiques du véhicule (angle et vitesse de roulis, accélération transversale) atteignent des valeurs au-delà desquelles le risque de renversement est élevé. En effet, l’accélération transversale de la remorque dépasse les 5 m/s2 et la vitesse de roulis est supérieure à 3°/s avec un angle de roulis qui oscille entre -5° et 5°. En revanche, dans les zones à faible adhérence, les simulations montrent principalement des sorties de route. Le poids lourd dérape et le chauffeur perd le contrôle du véhicule.
Pour limiter le danger, deux actions sont possibles : agir sur l’infrastructure et/ou agir sur le comportement du conducteur. Une limitation du dévers à une valeur de 5% devrait permettre de limiter les renversements, en particulier dans le cas d’enrobés neufs présentant en général une forte adhérence (CFT > 0,8). De plus, une vitesse comprise entre 50 et 60 km/h semble être une valeur seuil de sécurité valable quel que soit le niveau d’adhérence. En effet, le niveau de microtexture (i.e. CFT) baisse rapidement dans les courbes sous l’effet du polissage dû au trafic.
Enfin, les simulations réalisées dans des courbes de rayon supérieur à 500 m n’ont pas révélé de situations susceptibles de mener à un accident dès lors que la vitesse reste dans les limites légales. Les éventuels accidents semblent donc plutôt imputables à des excès de vitesse et de mauvais comportements du conducteur en particulier dans les descentes.
5.2. Les bretelles de sortie Les simulations ont permis d’obtenir les valeurs limites suivantes d’accélération en considérant un poids lourd chargé et un dévers de 7% :
− dérapage : 3,5 m/s² sur sol sec (CFT > 0,80 et 70 km/h) et 3 m/s² sur sol glissant (CFT < 0,60 et 65 km/h),
− sortie de route : 6 m/s² sur sol sec (80-85 km/h) et 4 m/s² sur sol glissant (75 km/h),
− décollement de la première roue de la remorque : 5 m/s²,
− renversement : 5,7 m/s² environ, atteint uniquement pour CFT > 0,7.
Pour un poids lourd vide roulant sur une route d’adhérence moyenne ou faible (CFT < 0,60), les seuils d’accélération et de vitesse sont relevés respectivement de 0,5 m/s² et 5 km/h.
- 55 -
Le dévers a tendance à repousser le seuil de dérapage ou de sortie de route : plus il est important, plus il permet d’aborder le virage à une vitesse élevée (5 à 10 km/h de plus pour un dévers de 7% par rapport à un dévers de 3%) et plus les seuils d’accélération limites sont élevés. En effet, le dévers limite le glissement et maintient plus longtemps le niveau d’adhérence du virage. Toutefois, au-delà d’un certain seuil, il n’influe plus car les limites dynamiques admissibles par le véhicule sont atteintes.
Pour l’adhérence, la valeur de CFT de 0,50 peut être considérée comme un seuil particulièrement pertinent. En effet, en dessous de cette valeur, les risques de déport et de sortie de route sont considérablement augmentés. Cependant, notons que pour un CFT moyen ou faible (inférieur à 0,60) il est pratiquement impossible de renverser un poids lourd. En effet, cette étude indique que les cas de renversement se produisent lorsque l’on a un centre de gravité du chargement élevé combiné à une adhérence élevée.
Cependant, d’après les observations menées par le Laboratoire Régional de l’Ouest Parisien [Schaeffer et al., 2003a, b], un poids lourd semi-remorque chargé de manière homogène et sans surcharge n’a pratiquement aucun risque de se renverser, à condition bien sur qu’il ne pratique pas une vitesse inadaptée. La surcharge constituerait ainsi un troisième facteur de renversement, même si le renversement est plus dépendant de la hauteur du centre de gravité que de la surcharge.
Dans toutes les configurations, la vitesse dans les bretelles ne doit pas excéder 60 km/h pour limiter le risque de dérapage ou de renversement.
5.3. Les carrefours giratoires Les simulations réalisées dans les carrefours giratoires ont montré toute l’importance de conserver un niveau d’adhérence satisfaisant (i.e. CFT > 0,60) afin d’éviter les sorties de route par glissement transversal. Toutefois, il ne semble pas utile d’utiliser un revêtement hautes performances car un CFT trop élevé génère des angles et des vitesses de roulis trop importants, d’où un risque de renversement.
Concernant le dévers, il semble exister une valeur seuil autour de 3% ou 4%, au-delà de laquelle le comportement du poids lourd diffère. Il conviendrait donc de limiter le dévers dans l’anneau à ces valeurs.
Enfin, il n’a pas été possible de tester l’influence de la pente longitudinale sur le comportement des poids lourdS en giratoire. Ceci constitue une piste de travail intéressante pour des travaux futurs.
5.4. Les rampes Les pentes longitudinales supérieures à 5% sur de grandes longueurs s’avèrent dangereuses car elles génèrent des différentiels de vitesse supérieurs à 20 km/h entre les différents usagers de la route, augmentant ainsi les risques de collision en file. Il convient donc de mettre en place dans ce cas des VSVL lorsque cela est possible.
- 56 -
5.5. Limites de l’étude Les résultats obtenus dans le cadre de cette opération de recherche ont permis de mieux comprendre l’accidentologie des poids lourds et les mécanismes qui y sont liés. Cependant, cette étude présente des limites qui ouvrent des pistes d’améliorations pour les futures recherches consacrées aux poids lourds.
L’étude a été centrée sur le rôle de l’infrastructure. Un modèle de conducteur standard a donc été utilisé, ce dernier pouvant modifier les commandes de braquage et de freinage/accélération dans le but de suivre la trajectoire de consigne. L’interaction avec les autres usagers de la route ou des comportements tels que le freinage en virage lié à une mauvaise perception de la géométrie de l’infrastructure n’ont pas été pris en compte.
Ensuite, les paramètres d’adhérence sont assez limités et seul le CFT a été considéré en faisant l’hypothèse d’une valeur de référence dans le logiciel de l’ordre de 0,80. Une valeur moyenne de CFT sur un sol plan a été considérée sur l’ensemble des sections routières étudiées. De plus, la macrotexture et l’uni ne sont pas pris en compte dans les simulations.
Enfin, le chargement du poids-lourd est fixe dans toutes les simulations, ce qui limite les risques de renversement.
5.6. Perspectives Les recherches futures prendront en considération les limites évoquées ci-dessus de la manière suivante.
Tout d’abord, le niveau d’adhérence variera tout au long des simulations en se basant sur des profils de mesures réelles. Il sera ainsi pris en compte le fait que le CFT est généralement plus faible en virage qu’en ligne droite sous l’effet du polissage ou qu’il existe parfois des zones de brusques variations locales du CFT en courbe, qui peuvent induire des accidents.
Ensuite, le rôle de l’uni sera étudié de manière approfondie. En effet, les variations locales d’uni entraînent des délestages de roue qui peuvent s’avérer dangereux lorsque les poids lourds sont chargés par exemple.
Enfin, il n’est pas possible d’exclure le conducteur d’une étude de sécurité routière. Son comportement a autant d’importance dans le mécanisme d’accident que l’infrastructure ou le véhicule. Des profils réels de trajectoires (position, vitesse, accélération) seront mesurés à l’aide de véhicules instrumentés ou de capteurs bord de voie de façon à simuler un comportement plus proche de la réalité. Ainsi, les limites de l’infrastructure pourront être analysées en fonction de comportements de conduite réalistes et non plus en fonction d’un « conducteur idéal ».
- 57 -
Chapitre 3
La route automatisée pour les poids lourds, un scénario programmé
1. Introduction
L’avenir du système de transport pendant le XXIème siècle fait l’objet de deux interrogations majeures [Commission Européenne, 2001]. Sera-t-il capable de supporter de manière durable la croissance économique prévisible ? Son évolution pourra-t-elle devenir compatible avec les objectifs de développement durable désormais adoptés par la majeure partie de la communauté internationale ?
Un objectif de « découplage » entre la croissance économique et celle de la mobilité en général – et celle des marchandises en particulier – a été mis en avant par la Commission. Véritable défi, ce processus permettant de produire et consommer plus sans transporter plus, est encore largement à inventer et peut mettre relativement longtemps à produire des effets.
Il faut bien se résoudre par conséquent à mettre en œuvre un ensemble de stratégies permettant de contribuer de manière positive aux objectifs de développement durable.
Parmi ces stratégies, ce qu’on appelle traditionnellement des « stratégies d’offre10 », ont un rôle essentiel à moyen et long termes. Elles consistent à considérer qu’au-delà des variables d’action tarifaires (taxation…) et réglementaires, la modification du système de transport passe par une offre de transport nouvelle. Elles supposent généralement une augmentation de la capacité de transport, augmentation qui suppose généralement des infrastructures nouvelles. Quelles infrastructures construire, quelles normes édicter, quelles technologies et quels systèmes techniques développer… telles sont les questions centrales qui permettent de définir une stratégie d’offre.
Tout indique en effet que certains choix ont une incidence plus que séculaire. Il est clair par exemple que les normes dimensionnelles (comme la largeur des véhicules), les gabarits ferroviaires ou fluviaux, les systèmes de signalisation et d’exploitation, les modes d’électrification des réseaux ferroviaires ou encore la standardisation automobile, ont structuré durablement et structureront encore pendant de nombreuses années les conditions d’exploitation des transports. Et nous savons que 10 L’idée est qu’il faut agir sur l’offre – donc les infrastructures, les systèmes de transport et leurs caractéristiques – pour changer de manière significative l’organisation des transports.
- 58 -
les changements, comme la mise en œuvre de l’interopérabilité ferroviaire, l’unification des systèmes de navigation aérienne ou encore la modification des normes des unités de transport intermodales constituent des tâches longues, coûteuses et ardues. Elles reflètent le coût de la non-standardisation a priori ou celui d’absence de stratégie globale. Et les délais de transformation du système ne sont pas seulement inhérents à la transformation des systèmes techniques et des processus de production. Ils doivent également compter avec la sociologie du secteur, et les rapports entre les transports et leur environnement.
Une stratégie efficace doit donc largement anticiper ces différents mécanismes et prendre largement en compte les processus de mutation des systèmes de transport. Elle doit en outre tenter de construire d’emblée le maximum de cohérence.
L’hypothèse de travail sous-jacente à la présente réflexion est que la recherche peut aider à construire une telle cohérence en menant une approche « système ». Il ne s’agit pas (ou pas seulement) d’évaluer ici des innovations « incrémentales » qui permettraient d’améliorer les performances du système de transport, mais d’étudier de nouveaux concepts globaux qui peuvent changer de manière radicale la nature des modes de transport telle que nous la connaissons.
Le point de départ de notre réflexion est de constater que les technologies (maîtrisées ou maîtrisables à court terme) permettent de reconfigurer, de « reformater » la conception que l’on peut avoir des systèmes de transport existant et donc de l’offre qui en découle.
− L’un des premiers facteurs de changement tient à l’ensemble des outils de traitement de l’information. Il est possible de parler aujourd’hui de véhicule intelligent, en ce sens que ceux-ci sont dotés ou peuvent être dotés de capacités de calcul, d’optimisation, et de simulation. Il est également évident que les puissances de calcul disponibles permettent de gérer des situations de plus en plus complexes, les simuler, etc...
− Un second facteur tient à la disponibilité d’outils de communication fiables, et d’outils de positionnement et de communication satellitaires. Cela signifie que l’on sait positionner – donc suivre – des véhicules, et communiquer avec eux, c’est à dire avec leurs passagers, leurs ordinateurs, leurs cargaisons…
− Un troisième facteur tient à la disponibilité d’outils de détection fiables ou susceptibles de l’être permettant par exemple la détection d’obstacles.
L’intégration de ces potentialités permet de concevoir une évolution radicale des systèmes de transport. Elle doit permettre le développement d’automatismes et une modification radicale de la gestion des flux.
Un projet de recherche, nommé RAPL (Route Automatisée Poids Lourds), a donc été mené sur ce thème. Ce projet a rassemblé une équipe pluri-disciplinaires d’une douzaine de chercheurs de différents instituts. Une synthèse des travaux est donnée ci-dessous. Elle se divise en neufs points :
− Les formes possibles pour la Route automatisée poids lourds,
− Les scénarii d’étude,
− Les compromis en terme de capacité et sécurité,
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− Analyse a priori de la fiabilité du système,
− Exemple de systèmes proches,
− La régulation du système et la simulation dynamique des scénarios,
− L’économie du système,
− Les réactions des chauffeurs,
− Les recherches aux USA.
2. Quelle forme pour la route automatisée poids lou rds ?
Dans un premier, il convient de définir la forme que peut prendre une route automatisée pour poids lourds. Faut-il envisager l’aménagement de voies existantes ou prévoir un nouveau réseau dédié au concept ?
Dans ce cadre, trois formes de route automatisée pour poids lourds ont été identifiées [Blosseville, 1998], [Blosseville et al., 2001] :
− La réservation d’une voie existante associée à une modulation spatio-temporelle,
− L’adjonction au réseau existant d’une voie supplémentaire,
− La réalisation d’un nouveau réseau routier dédié au concept d’automatisation de la conduite.
Les avantages et inconvénients de chaque forme de routes automatisées poids lourds ont été inventoriés. Suite à cet exercice, la solution préconisée est la construction d’un réseau autoroutier indépendant et dédié à l’automatisation des poids lourds. Ceci permet de s’affranchir de plusieurs contraintes telles que la mixité du trafic (manuel / automatique) et des aménagements lourds aux entrées / sorties des autoroutes.
De surcroît, cette forme de route automatisée permet une introduction progressive des véhicules automatisés sur le réseau routier et représente un environnement de test idéal en vue de mettre en place et d’affiner des stratégies d’exploitation adaptées à l’automatisation des poids lourds (ex : contrôle d’accès,..).
A partir de la solution retenue, cette étude a abordé l’expression générale des besoins du point de vue du gestionnaire de la future infrastructure : les caractéristiques géométriques de la chaussée, la signalisation fixe, les dispositifs de sécurité et de détection d’incidents à prévoir, les mesures d’exploitation à mettre en œuvre.
L’automatisation devra reposer essentiellement sur l’intelligence embarquée des véhicules. L’infrastructure jouerait le rôle de relais et fournirait, comme pour les autoroutes actuelles, des informations en temps réel sur les conditions de circulation et les événements prévalant sur la totalité du réseau.
L’exploitant de la route automatisée continue à assurer les missions de gestion de trafic, de maintien de la viabilité et d’aide au déplacement des poids lourds
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automatisés. Cependant, l’infrastructure ne peut en aucun cas exercer une influence directe et continue sur le comportement de ces véhicules.
Dans cette analyse, des enjeux du point de vue de l’exploitant autoroutier, ont été identifiés :
− Une évolution du cadre législatif actuel (ex : contrat de concession) afin de tenir compte des spécificités liées au fonctionnement d’une route automatisée poids lourds,
− Une revue du Schéma Directeur de la Route en vue de l’ajout d’un nouveau niveau d’exploitation associé à cette infrastructure dédiée,
− L’engagement d’un exploitant d’une route automatisée poids lourds à mettre en œuvre tous les moyens en sa possession pour maintenir la continuité du trafic de poids lourds automatisés dans de bonnes conditions de sécurité.
Enfin, la présente étude a été ponctuée par une estimation du coût d’une nouvelle infrastructure dédiée aux poids lourds automatisés. Les hypothèses de cadrage s’appliquent à l’axe Calais – Perpignan faisant environ 1020 Km de longueur avec un profil en travers de 2 × 1 voie (3,5 m de largeur) et une bande d’arrêt d’urgence (3 m de largeur) pour chaque sens de circulation.
3. Les scénarios d’étude
L’infrastructure projetée est une autoroute dédiée au trafic poids lourd constituée de deux fois une voie de roulement de 3,50 m plus une BAU servant de voie de service et de voie en conduite manuelle dans le cas d’un mode dégradé. Les voies s’apparentent à une voirie conventionnelle pour une circulation de poids lourds.
L’autoroute poids lourds imaginée s’étend sur un millier de kilomètres depuis la frontière espagnole jusqu’à la frontière belge. Elle est dotée de 8 échangeurs qui la connectent avec les grands axes qui lui sont perpendiculaires. Ceux-ci permettant de collecter et de diffuser le trafic depuis et vers les grands centres de production et de consommation. Les véhicules y circulent à 110 km/h. Trois scénarii ont été considérés :
− Un scénario d’attelage électronique de poids lourds en statique : des convois de poids lourds sont formés sur des aires spécialisées. Un convoi est composé d’un premier poids lourd conduit manuellement, les autres sont en attelage électronique (conduite automatisée alignée sur le premier poids lourd). Ils peuvent ensuite s’insérer sur l’autoroute. Les convois sont indéformables en section courante. La règle de formation est la suivante : les poids lourds qui pénètrent l’aire d’attelage au fil de l’eau sont regroupés en convois pour les destinations qui concernent les sorties en aval. Pour l’étude les convois ont été limités à 4 poids lourds. Le temps d’attente est limité à quelques minutes. Au-delà du temps d’attente, les convois inférieurs à 4 poids lourds sont introduits sur l’autoroute. Pour se désolidariser, le convoi de poids lourds doit rejoindre l’aire spécialisée où se réalisera le désattelage.
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− Un scénario d’attelage électronique de poids lourds en dynamique : les poids lourds s’insèrent individuellement en conduite manuelle directement sur l’infrastructure. Les convois sont ensuite constitués dynamiquement sur l’autoroute à vitesse de croisière. Les poids lourds sont autorisés à pratiquer des différences de vitesse de 10 km/h de façon à autoriser le rattrapage et à former des convois. Le convoi obéit à la même définition que dans le scénario 1. On pourrait prévoir un système plus communiquant que dans le cas précédent qui favorise des « rendez-vous » entre poids lourds de manière à optimiser la composition des convois.
− Un scénario de route automatisée : les poids lourds s’insèrent individuellement sur l’autoroute automatisée. Les poids lourds circulent tous en mode automatisé à distance du poids lourd précédant et à vitesse décidée par le gestionnaire de l’autoroute. On ne circule pas en convoi mais plutôt en utilisant tout l’espace disponible (éloignement maximum entre poids lourds). Les automatismes prennent la main sur le chauffeur avant l’insertion du poids lourd sur l’infrastructure. Le système organise la génération de créneaux permettant aux véhicules entrants de s’insérer. Les systèmes embarqués pilotent l’insertion, la conduite puis la sortie des poids lourds de l’infrastructure.
Dans les trois cas, à degrés divers, le nouveau système permet d’augmenter le débit maximum de l’infrastructure, d’améliorer la sécurité et de dispenser pour tous (scénario 3) ou pour partie (scénarios 1 et 2) les chauffeurs de l’activité de conduite.
Concernant le déploiement dans le temps des divers scénarios, il est envisagé de n’accepter sur l’autoroute automatisée que les poids lourds équipés. Toutefois, les scénarios 1 et 2 pourraient tolérer des véhicules non équipés.
4. Capacité et sécurité d’une Route Automatisée Poi ds Lourds ?
L’apport de l’automatisation des flux de poids lourds au regard des critères de capacité et de sécurité a ensuite été examiné [Mammar et al., 2007]. Un modèle des circulations a été construit à partir des données techniques attendues sur les véhicules et leur cinématique comme le temps de réaction, la longueur du véhicule, le freinage maximal, la vitesse de mobilisation de la capacité de freinage, l’accélération maximale, la précision sur le freinage, la vitesse du poids lourd avant le freinage, la précision sur la mesure des vitesses ainsi que la distance d’arrêt entre les véhicules… Fondée sur ce modèle, différentes valeurs de compromis capacité-sécurité atteignables sont identifiées. Quatre grandes évolutions ou scénarii ont ainsi été étudiés.
4.1. Évolution des longueurs et charge des poids lourds L’étude de l’impact de l’évolution des poids lourds en terme de longueur et de charge sur la capacité et la consommation montre qu’il est possible d’atteindre des gains respectifs de l’ordre de 2,5% et 6% [Mammar et al., 2004].
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4.2. Voie dédiée pour les poids lourds en conduite manuelle : scénario de référence
A partir d’un scénario de référence, le modèle permet ainsi d’identifier l’influence des différents paramètres entrant en jeux (longueur des véhicules, temps de réaction, précision des vitesses, dispersion des capacités de freinage…) dans le calcul des gains en capacité.
On appelle ici scénario de référence un choix particulier de paramètres permettant de reproduire des valeurs de capacité proche de ce que serait une circulation en conduite manuelle une voie autoroutière qui serait spécialisée poids lourds. La capacité maximale obtenue est de 990 poids lourds/heure pour une vitesse de 90km/h.
4.3. Voie dédiée et mise en convois Dans le cas du scénario « convois en statique», nous avons montré que la capacité de 1 800 véhicules/heure à 110km/h satisfait la contrainte de sécurité maximale : seul le premier convoi (4 poids lourds) est impliqué dans une collision avec obstacle fixe. Au-delà de cette capacité, beaucoup plus de poids lourds seraient impliqués dans le cas d’un premier accident sur obstacle fixe (14 à 2 600 poids lourds/heure).
La mise en convoi des poids lourds permet un gain additionnel en consommation obtenu grâce à la réduction de la turbulence de l’écoulement d’air. Pour un convoi donné, ce gain est de l’ordre de 7% pour le véhicule de tête et de 17% pour les 3 poids lourds qui suivent. Le gain global est donc de 14,25%. Rappelons que ce gain en consommation vient s’ajouter au gain déjà obtenu du fait de l’évolution des poids lourds en termes de dimensions et de tonnages.
4.4. Voie dédiée, poids lourds automatisés autonomes Les résultats obtenus sont comparables à ceux du scénario précédent puisque le nombre de collisions est de 4 à la même capacité (1 800 v/h) et à la même vitesse. A la différence des scénarios « convois » pour lesquels un accident grave sacrifie un convoi (4 poids lourds), le nombre de poids lourds impliqués dans une collision avec un obstacle fixe pour des capacités légèrement inférieures à 1 800 v/h décroît rapidement de 4 vers 0.
5. Fiabilité et fonctions critiques
5.1. Étude préliminaire de sécurité de convois de camions L'étude préliminaire de sécurité vise d'une part à déterminer les objectifs de sécurité, en terme de fiabilité, que la conduite automatique intégrale d'un poids lourd sur autoroute française devra atteindre et, d'autre part, à déterminer les parties fonctionnelles critiques de ce système. Dans ce cadre, l'intervention du facteur humain pour la conduite automatique intégrale n'a pas été prise en compte.
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Les objectifs de sécurité selon le principe G.A.M.E. (Globalement Au Moins Équivalent) utilisé dans le domaine ferroviaire en France ont donc été appliqués. L'objectif minimal selon ce principe évalué pour 100 km de voie équipée est de 2,13. 10-3 collision/heure/100km soit 11,5 collision/an/100km de route automatisée. Cet objectif correspond exactement aux taux d’accidents et de victimes observés sur le réseau autoroutier actuel. Un objectif plus ambitieux consiste à réduire ce taux à 1.46. 10-4. de façon à le ramener proche des systèmes actuels de transport en commun.
L'architecture fonctionnelle a été réalisée en s'arrêtant à un niveau fonctionnel relativement haut afin de prévenir toute orientation vers une architecture matérielle qui est du ressort du concepteur. Sur la base de cette architecture fonctionnelle, l'analyse et l'évaluation des risques sous forme d'A.M.D.E.C. ont été construites.
Cette approche a permis de définir un besoin important de capteurs de longue portée qui préviendraient d'un obstacle arrêté sur la voie. Étant donné les possibilités technologiques actuelles, seuls les capteurs de type vision ont un prisme de détection capable d'atteindre les objectifs énoncés mais ont une portée de détection efficace moindre que la distance de freinage sur chaussée mouillée. Sans progrès significatif dans le domaine de la détection efficace à longue portée, il est recommandé que la vitesse maximale des poids lourds en conduite automatique sur chaussée mouillée soit diminuée.
Hormis, les fonctions liées à l'acquisition de l'environnement et à leur traitement qui reste à analyser, cette A.M.D.E.C. a fait ressortir clairement des besoins forts en sécurité pour tous les organes du poids lourd gérant la conduite. La solution en cas de danger détecté étant le freinage d'urgence, tous les traitements et équipements liés à la réalisation d'un freinage d'urgence devront être plus particulièrement sûrs de fonctionnement. Excepté le poids lourd, d'autres fonctions plus liées à l'infrastructure au sens général sont à prendre en compte au niveau de la sécurité comme les fonctions dédiées à aider le poids lourd à se localiser, à recevoir et à émettre des données vers les gestionnaires d'infrastructure et la gendarmerie.
5.2. Étude de l’interdistance comme exemple de fonction clé Quel que soit le scénario choisi pour la route automatisée poids lourds, la fonction de gestion de l'interdistance est essentielle à la sécurité. Que les véhicules soient en convoi ou en mode automatique, il est important de conserver une distance de sécurité entre les véhicules. L’objectif dans cette étude est de savoir si les mêmes conditions de sécurité que celles offertes sur la route actuelle peuvent être atteintes lorsque la gestion de l'interdistance (perception et contrôle) est réalisée par un système automatique. Partant du risque moyen de collisions sur les autoroutes actuelles, cette étude permet de proposer une architecture matérielle (utilisant des composants actuellement disponibles) susceptible de répondre à ces contraintes sécuritaires dans le cas où l'interdistance serait contrôlée par un système automatique.
La fonction "perception d'interdistance" inclut trois sous-systèmes :
− mesure de l'interdistance (à l'aide de capteurs passifs tels les caméras ou de capteurs actifs tels les radars),
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− mesure de la vitesse propre,
− signalisation du danger.
Pour privilégier l'aspect sécuritaire, un taux de défaillance (nombre de défaillances par heure) identique et égal à celui de l'élément le moins fiable (i.e. le capteur d'interdistance) a été considéré pour chacun des trois éléments.
Il est donc a priori possible d'atteindre du point de vue technologique l'objectif de fiabilité fixé, dans la mesure où il existe déjà sur le marché des capteurs d'interdistance (radar, lidar, …) répondant à des exigences encore plus fortes. Cependant, afin d'éviter les effets des défaillances "externes" (conditions climatiques par exemple), il est nécessaire d'avoir une redondance des moyens de mesure c'est à dire d'implanter plusieurs capteurs de technologies différentes qui ne sont pas sensibles aux même défaillances.
Dans la suite du chapitre, on considérera que la fiabilité du système d'asservissement de l'interdistance est fondée sur trois composants ne possédant pas de mode commun critique : la panne d'un seul composant peut conduire au désengagement automatique du système (avec une poursuite de la conduite en mode manuel) et seule la défaillance simultanée de deux composants conduit à une situation à risque avec un comportement dangereux du véhicule.
5.3. Système de prédiction de pannes de capteurs Les travaux présentés visent à augmenter la sécurité d’un système par l’ajout d’une connaissance qui permet de prédire les anomalies de ses capteurs. Le comportement d’un système est généralement observé par un ensemble d’instruments de mesure. L’information de prédiction sera calculée directement à partir d’un traitement temps-réel des signaux de mesure. Cette information de prédiction permet au système de commande de faire de l’anticipation pour l’application de procédures d’urgence afin que le système reste dans un état fonctionnel sûr. Pour élaborer cette information de prédiction, le principe que nous utilisons est basé sur une extrapolation dans le temps d’un modèle de tendance obtenu par une régression linéaire. Une approche par intervalles est utilisée pour l’estimation des coefficients de la régression. L’information de prédiction délivrée par cette approche représente la durée qui reste au système pour qu’il sorte de son état de fonctionnement nominal. Cette prédiction permet aussi d’évaluer les performances temporelles de la reconfiguration du système dans le cas où ses capacités temporelles de réaction sont connues.
6. Exemples de systèmes proches
Trois exemples de systèmes proches ont été examinés : Chauffeur2, Safe-Tunnel, ERTMS.
6.1. Chauffeur 2 Chauffeur2 est un projet européen (mené par Daimler-Chrysler) ayant pour objectif la mise en convoi de camions. Un convoi est composé d’un premier véhicule conduit
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manuellement (aidé par des assistances), les autres étant en attelage électronique dernière le véhicule de tête. Le projet a été terminé en 2003 en ayant fait la preuve de l’automatisation possible des camions.
La mise en convoi repose sur deux types de manœuvres : le couplage et le découplage de poids lourds. Celles-ci ont été étudiées en dynamique sur un convoi constitué de 3 véhicules.
− Couplage : la vitesse du véhicule de tête est supposée constante et inférieure à 50 km/h. Dès que le véhicule suiveur est suffisamment proche du véhicule placé en tête de file, on considère que le couplage est réalisé. Une fois que ce raccordement est établi, cette opération peut alors se reproduire avec le troisième véhicule jusqu’à obtention du convoi.
− Découplage : les manœuvres de découplage ont été étudiées à des vitesses inférieures à 90km/h.
La réalisation d’un convoi repose sur les fonctions suivantes :
− conservation d’une inter-distance mesurée par deux types de dispositifs : radar et système coopératif associant caméra placée dans le véhicule suiveur et LED infra-rouge placées à l’arrière du poids lourd suivi.
− communication entre les différents poids lourds : il est nécessaire que chaque véhicule couplé possède en temps réel des informations sur les véhicules suivis. En particulier, il est important de connaître, quasi instantanément, l’instant de freinage du véhicule de tête, ses angles de braquages, sa vitesse, son accélération et décélération, etc...
6.2. SAFE TUNNEL Ce projet de recherche avait pour but de sécuriser la traversée des poids lourds dans les tunnels notamment en évitant les défaillances mécaniques des véhicules (en particulier celles pouvant conduire à une situation d’incendie). Cinq systèmes ont été étudiés.
6.2.1. Contrôle des pneumatiques
Le produit, développé par Michelin et WABCO, est un système qui permet de mesurer en temps réel la pression des pneus pour différents types de véhicules utilitaires (tracteurs, poids-lourd, autocars, semi-remorque, …). Le système ITVM qui a pour but d’identifier les différentes fuites du pneumatique et avertir en temps utile le conducteur complète le dispositif. Dès qu’une valeur critique est atteinte, le conducteur en est instantanément informé grâce à un affichage sur le tableau de bord et une alerte sonore.
6.2.2. Les systèmes de freinage
Au sein de SAFETUNNEL, c’est l’EBS (Electronic Braking System) qui a été intégré dans le démonstrateur. L’EBS est un système de freinage qui réduit de manière significative les distances d’arrêt. : un poids lourd roulant à 90 km/h réduit sa
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distance d’arrêt de 2,5m comparativement à un poids lourd non équipé de ce système.
6.2.3. Les systèmes de suspension
ECAS (Electronically Controlled Air Suspension) a pour objectif de commander électroniquement les suspensions afin de maintenir la bonne assiette du véhicule.
6.2.4. Les systèmes de radar et d’ACC (Adaptive Cruise Control)
L’ACC permet de réguler automatiquement la vitesse du véhicule en agissant sur le moteur mais aussi sur le freinage. Grâce à ce système, le véhicule est alors capable d’adapter sa vitesse au véhicule précédent. D’un point de vue technologique, l’ACC repose sur un radar à micro-ondes. Pour réaliser cette fonction, le démonstrateur a été instrumenté avec le radar A.D.C. ARS100.
6.2.5. Communication véhicule-infrastructure
SAFETUNNEL a mis en œuvre un concept de communication bidirectionnelle du diagnostic de l’état du véhicule à l’infrastructure. SAFETUNNEL est capable d’identifier via l’infrastructure, les différents paramètres du véhicule présentant une quelconque anomalie. Une fois les données obtenues, le conducteur et le centre de commande sont informés du diagnostic : les véhicules potentiellement dangereux sont identifiés, les opérateurs de tunnels peuvent alors en refuser l’accès. En cas de détection d’une défaillance du véhicule à l’intérieur du tunnel, le conducteur en est immédiatement informé via une alerte. Celui-ci peut alors immobiliser son véhicule sur une aire de secours ou une aire de stationnement et attendre les informations du centre de commande qui connaît en temps réel la position du véhicule en difficulté.
Les dispositifs de mesure implantés sur l’infrastructure permettent en outre de fournir des éléments d’information sur l’état du trafic. Le conducteur est informé de la vitesse et de la distance de sécurité à respecter.
6.3. ERTMS Ce paragraphe présente les acquis dans le domaine ferroviaire et leurs éventuelles utilisations pour la gestion et la commande du trafic de la future autoroute automatisée poids lourds. Cette dernière pourrait s’inspirer de l’exploitation et de la gestion de la sécurité ferroviaires à l’échelle européenne. En effet la description du projet ERTMS, European Rail Traffic Management System, montre qu’il existe beaucoup de points communs, en terme de sécurité anticollision, entre l’exploitation ferroviaire et l’exploitation des camions ou convois de camions de la future autoroute automatique.
Dès la réalisation des premiers chemins de fer, il est apparu indispensable de réaliser un système de signalisation permettant la communication entre l’infrastructure et le matériel roulant. Ce système permettant de transmettre au conducteur à bord des trains, des autorisations de marche ou d’arrêt. Le système au sol a connaissance, en permanence, de la continuité et de la libération des voies,
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conditions essentielles pour assurer la sécurité des circulations. Cela conduit à réaliser certaines fonctions fondamentales à savoir :
− La localisation des trains,
− La protection des trains se suivant sur une même voie,
− La répétition à bord des trains des indications des signaux,
− La concentration de la commande des aiguilles d’une même zone d’appareils de voie et la réalisation des enclenchements, qui sont à la base des postes d’aiguillage.
Dans le concept le plus avancé, ces fonctions permettent :
− L’auto-localisation des trains par combinaison d’informations provenant de balises fixes communicantes disposées sur les voies
(i) radars embarqués donnant une mesure d’odométrie,
(ii) communications entre trains et centre de surveillance),
− L’auto-protection des trains se suivant sur une même voie réalisée sur la base :
(iii) informations de régulation provenant du centre de surveillance (du type : vitesse but de x km/h à distance but y),
(iv) indications de signalisation à bord des trains,
(v) Fonctions de surveillance des conducteurs au respect des consignes de régulation et reprise en automatique si nécessaire,
(vi) possibilité de déclencher un freinage d’urgence sur une fréquence de sécurité par communication inter-trains, ce déclenchement engendrant l’arrêt de tous les trains circulant sur la même voie.
7. Régulation des réseaux
7.1. Un point clé : l’insertion des véhicules sur la voie automatisée poids lourds
Cette étude préliminaire développe quelques éléments de réflexion concernant l’insertion de nouveaux véhicules sur une voie de circulation automatisée pour poids lourds. Il s’agit d’évaluer, en terme de coût (espace occupé) et de performance (capacité), l’insertion de véhicules dans un flot de véhicules automatisés, en respectant les impératifs de sécurité.
Assez généralement, on peut distinguer 5 phases au sein d’une procédure d’insertion d’un véhicule dans un flot [Ran et al., 1996] :
− manipulation du flot d’entrée en vue de l’insertion,
− communication entre véhicules,
− recherche d’un espace d’insertion,
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− manœuvres d’insertion,
− contrôle de la propagation des perturbations du trafic après insertion.
Plusieurs choix stratégiques interviennent, sur la préparation du flux de véhicules en amont, sur le contrôle du flot de véhicule à insérer, sur les manœuvres elles-mêmes de création d’espaces d’insertion, et ces choix sont évidemment tributaires d’informations précises en particulier sur le mode de coopération entre véhicules (véhicules autonomes, coopération faible (uniquement en cas d’urgence), coopération forte, coopération par convois et sur la circulation du flot principal (sa structure, son intensité, mais aussi si elle suit un régime de vitesse homogène, permanent ou quelconque).
Ces informations étant encore à l’heure actuelle largement en débat, quelques scénarii assez généraux sont proposés et discutés, en se basant sur des données relatives aux poids lourds.
Deux problèmes sont essentiellement abordés :
− L’aménagement d’espaces d’insertion dans le flot de véhicules sur la voie principale,
− Les règles ou lois de commande pouvant être appliquées au(x) véhicule(s) souhaitant s’insérer dans le trafic principal.
7.2. L’apport d’une simulation dynamique
Le travail a consisté à définir différents scénarii pour le trafic poids lourds et à écrire les simulateurs correspondants. Ces simulateurs sont écrits en Scilab et les paramètres principaux peuvent être choisis par l'utilisateur.
Ces scénarii vont du système actuel contrôlé à l'automatisation complète des poids lourds. La donnée commune pour les différentes situations est un site dédié : une autoroute à une voie avec bande d'arrêt d'urgence. Les vitesses sont de 90 km/h ou 110 km/h et les interdistances sont de 45 m, 50 m ou 60 m selon les scénarii.
Le but de ces scénarii est évidemment d'être utilisés avec des jeux de paramètres différents correspondant à des données réalistes, les résultats étant exploités par des constructeurs d'équipements, des économistes...
De ce point de vue l'intérêt de la simulation est de prendre en compte les phénomènes non stationnaires, les différentes non-linéarités (effet de seuil, retards,...), les erreurs de mesure. Avant cette utilisation le développement des simulateurs a apporté des indications sur les modes de trafic possibles et leur évolution progressive. L'écriture d'un simulateur nécessite en particulier de bien préciser les variables nécessaires et la manière de les obtenir en pratique (avec les erreurs possibles ou leur absence temporaire).
La situation actuelle améliorée et les 3 scénarii étudiés ont été simulés. Les conclusions résumées sont rapportées ci-dessous.
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7.2.1. Situation actuelle améliorée
La conduite reste manuelle et les véhicules indépendants avec la seule contrainte de respecter les interdistances. La simulation pose le problème de l'estimation de l'espace d'insertion sur la voie principale par le chauffeur entrant, ce qui nécessite de prendre des marges de sécurité très larges. Pour résoudre ce problème, la vitesse étant constante, on choisit de réguler les entrées par un système de contrôle des insertions. Un feu tricolore à chaque entrée du système autorise ou refuse l'entrée au poids lourd. Ceci signifie qu'un système de détection (portique ou balise) est installé en amont sur la voie de l'autoroute et le feu passe au vert si la distance entre 2 poids lourds est suffisante pour permettre l'insertion d'un véhicule. On propose également une aide à l'insertion avec un profil de trajectoire en vitesse pour avoir la bonne vitesse d'insertion en respectant les distances (rampe d'accès et interdistance). La simulation suggère également de rajouter un autre système de régulation des interdistances et de vitesse qui fournit au chauffeur une estimation de l'interdistance pratiquée en lui autorisant une petite modulation de vitesse, ce qui permet d'améliorer considérablement le débit et/ou la sécurité.
Les 3 ajouts techniquement très simples fournissent le premier mode de trafic sur un site dédié vers une automatisation plus complète.
7.2.2. Scénario 1 : plate-forme de concentration et convois statiques
Ce système sera utilisé pour les entrées dans le scénario suivant. On suppose que les camions arrivent avec un débit de l'ordre de 300 à 400 pl/h à une plate-forme ; si cette plate-forme est située à une entrée sortie d'autoroute, le débit peut atteindre 600 à 900 pl/h. Chaque camion se positionne dans une file d'attente en fonction de sa destination et/ou de son choix d'aire de repos. Ces files représentent donc des convois qui vont entrer sur la voie autoroutière réservée. Le départ sera déclenché lorsqu'un convoi aura atteint une taille donnée (4 poids lourds) ou lorsque le temps d'attente du premier arrivé dans une file a atteint une limite donnée. Ces convois roulent ensuite à 110 km/h. Dans le convoi la distance entre les véhicules est de 15 m.
Ce scénario pose des problèmes de réglage de paramètres lorsque le trafic d'entrée devient très faible ou lorsque les taux des demandes des destinations sont très différents.
On suppose que chaque entrée du système est alimentée par une plate-forme de concentration. Les convois sont séparés par une distance de 150 m. Le camion de tête du convoi est conduit manuellement et les suiveurs sont en automatique. Tous les camions d'un même convoi sortent ensemble.
Les systèmes de commande (feu de régulation, insertion pilotée et information sur les interdistances) du scénario 1 sont indispensables. Ce scénario présente 2 inconvénients : le problème des plates-formes de concentration en cas de trafic faible et un problème d'insertion en cas de trafic chargé. Le point le plus délicat concerne l'insertion d'un convoi qui peut atteindre 150 m de long, ce qui nécessite un espace libre très important et qui suggère la nécessité de gérer les distances entre convois.
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7.2.3. Scénario 2 : convois dynamiques
Le système est alimenté comme dans le scénario 1, en manuel avec régulation des entrées mais cette régulation pourra être plus compliquée si on le souhaite. On peut moduler les distances d'insertion suivant les situations : 200 m après un convoi complet sur la voie principale et 100 m si le convoi est incomplet (car il y a possibilité d'attelage). Les véhicules disposent d'informations sur ceux qui les précèdent. Si un véhicule suit un convoi incomplet et si sa distance avec leur prédécesseur est inférieure à une limite donnée, il peut augmenter sa vitesse, rattraper le véhicule précédent et se mettre en attelage virtuel automatique.
Ce scénario évite les inconvénients des 2 précédents ; c'est une solution très souple, quelle que soit la densité du trafic, qui est la suite logique du scénario 1. Les convois dynamiques peuvent coexister avec des poids lourds isolés non équipés pour l'attelage électronique mais satisfaisant simplement les conditions du scénario 1. Le seul point à régler est l'information de l'acceptation ou refus de l'attelage.
7.2.4. Scénario 3 : voie automatisée
Dans ce cas un véhicule arrivant à une entrée passe en mode automatique et devient totalement commandé par le système. L'entrée est contrôlée par un feu de trafic. Ce feu est généralement vert car les poids lourds entrant sont prioritaires. Ce feu passe au rouge lorsque le nombre de poids lourds en phase de freinage sur la voie principale atteint une valeur donnée ou bien lorsqu'un poids lourd atteint une vitesse minimale.
Ce scénario est donc une suite naturelle du précédent; son avantage essentiel est de maximiser la sécurité.
8. L’économie du projet
8.1. Une approche pluraliste L’étude économique a été menée par deux équipes qui ont proposé deux méthodologies distinctes [Darbéra et Marin, 2004], [Salini, 2004]. Ces deux approches reposent sur certaines hypothèses communes (relatives par exemple au coût des infrastructures, et le volume de trafic actuel concerné), mais diffèrent relativement dans le cheminement de l’analyse par les choix pratiques et théoriques opérés, mais aussi en fonction des outils utilisés pour projeter les trafics et la situation du marché. Les méthodes d’actualisation diffèrent également, le principe retenu est d’un côté l’actualisation au jour du début des travaux décrits dans [Darbéra et Marin, 2004], de l’autre une actualisation en valeur « 2004 » intégrant donc la période d’étude dans les calculs.
Pour autant, ces disparités permettent de confronter les résultats et de formuler un point de vue plus approfondi.
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8.2. L’horizon L’étude nécessite l’analyse d’un scénario à long terme (ici 2040 et au-delà) en raison même des délais nécessaires pour déployer une autoroute automatique poids lourds. Rappelons ici qu’il convient à la fois de prendre en compte le délai de conception de mise au point et de commercialisation de poids lourds « aptes à l’automatisme », et par ailleurs de construire un axe. Les deux études diffèrent sur le rythme de construction et d’ouverture des tronçons.
8.3. Comparer à des situations de référence La méthode consiste alors à comparer une situation « avec autoroute automatique poids lourds » (ou scénario RAPL) à une situation de référence d’ici à 2040. La pratique habituelle consiste ici à tester la sensibilité du résultat à différentes hypothèses de croissance économique ou de politique des transports. La base de cette comparaison repose donc sur ce qu ‘il est convenu d’appeler le trafic potentiel de l’autoroute automatique poids lourds, et surtout la sensibilité de ce potentiel à différentes hypothèses de politique de transport. Cette étude est essentielle à la détermination des conditions de rentabilité de la réalisation d’une infrastructure nouvelle.
8.4. Le tracé Le trafic potentiel dépend fondamentalement du tracé. Dans cette étude, l’axe Nord-Sud est considéré.
Figure 23 – Proposition de tracé pour une route automatisée poids lourds
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8.5. Détermination du trafic potentiel Le potentiel est fondé sur une analyse des trafics existants sur l’axe à la fin du XXème siècle (dit trafic de l’année de référence). Le calcul permet de déterminer un potentiel qui serait compris entre 68 [Salini et Karsky, 2003] et 77 [Darbéra et Marin, 2004] milliards de tonnes.km pour l’axe considéré.
Sur cet ensemble on estime que plus du quart des tonnes.km sont produites dans le cadre de parcours empruntant la totalité de l’axe. La ventilation des trafics met en évidence une répartition à peu près équilibrée entre le transport intérieur, le transit et le transport international, ce dernier devançant légèrement les deux autres catégories. Sur ce potentiel une grande part du trafic – grossièrement 50 % - est le fait de véhicules non immatriculés en France.
8.6. Évolution prévisible du potentiel Les deux études diffèrent sur quatre points :
− Les dates et le rythme de mise en service et de progression des trafics,
− Le mode même de calcul des trafics, [Darbéra et Marin, 2004] se fondant sur un calcul reprenant des prévisions faites par ailleurs, [Salini et Karsky, 2003] utilisant le modèle SimtransCo2 qui a été adapté pour les besoins de ce travail (SimtransRapl),
− Des niveaux de péage sensiblement différents (0,28 € pour [Darbéra et Marin, 2004] contre 0,25 € pour [Salini et Karsky, 2003]),
− En outre, [Salini et Karsky, 2003] propose le test d’une politique restrictive pour la route.
Un examen détaillé des hypothèses de travail fait ressortir enfin des divergences explicites ou implicites sur certains paramètres (prix du gazole, chargement moyen des véhicules, etc..)
Il faut être conscient du fait que les prévisions à un horizon aussi éloigné sont très discutables. La question de la persistance du « couplage » entre croissance économique et transport et mobilité étant posée. Les ruptures envisagées dans le présent exercice sont faibles (le découplage relatif intervient progressivement et tardivement).
8.7. Conclusions La construction d’une autoroute automatique dédiée aux poids lourds est rentabilisable financièrement à des niveaux de péage acceptables (Taux de Rentabilité Interne pour le concessionnaire de 9 à 10,6 %). Cette constatation est robuste. L’hypothèse de travail retenue est en effet celle d’une diffusion progressive de l’automatisme.
Ce résultat devient critique si le coût des infrastructures devait être sensiblement supérieur, et a fortiori si cette hypothèse intervenait dans le cadre d’un politique « restrictive » .
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Le surplus des opérateurs de transport clients est très significatif. La prise en compte du surplus des transporteurs majore suivant les hypothèses de quelques dixièmes de points à environ 5 % la rentabilité du projet (prise en compte des gains de temps).
Les avantages potentiels de l’autoroute automatique pour les usagers ont une valeur marchande en ce sens qu’elle pourrait supporter un sur-péage tout en fournissant aux usagers un avantage compétitif indéniable.
En ce qui concerne les compagnies autoroutières, il conviendrait de comparer – du point de vue des exploitants – les coûts et bénéfices de l’autoroute automatique et d’un accroissement de capacité du réseau existant pour faire face à la croissance des trafics automobiles et de poids lourds à l’horizon de 2040. Ce calcul n’a pas été fait.
L’analyse économique des effets externes tenant à la sécurité routière et à l’environnement fait ressortir un effet faible sur la pollution et l’émission de gaz à effet de serre, et un effet positif probablement faible mais difficilement évaluable sur la sécurité.
Les projets alternatifs ferroviaires à l’autoroute automatique poids lourds ne peuvent pas – pour des ordres de grandeur de coûts comparables – assurer une circulation de marchandises équivalente. Leur contribution à la lutte contre l’effet de serre, - au prix de la tonne de carbone habituellement retenu – ne semble pas compenser la moindre rentabilité économique de l’investissement.
L’utilisation plus rationnelle de la route et la modification des poids et dimensions des poids lourds permettrait d’augmenter à très faible coût – sans que cela soit d’ailleurs incompatible avec l’autoroute automatique – la capacité des autoroutes. Néanmoins cela n’élude pas la nécessité de faire des investissements de capacité sur l’axe nord-sud.
9. Étude qualitative exploratoire des attitudes des chauffeurs « grands routiers »
9.1. Le contexte La vision de l’avenir est globalement négative. Les appréhensions se focalisent sur :
− L’exacerbation de la concurrence, notamment avec la montée en puissance de la main-d’œuvre des pays de l’Est, qui ne « respectent pas » les mêmes réglementations,
− Un sentiment de perte d’autonomie et de déresponsabilisation qui va croissant,
− La montée en puissance des problèmes environnementaux, des problèmes de sécurité routière et la dégradation de l’image des routiers aux yeux du grand public,
− Les craintes d’une mise en place du ferroutage, qui peut être perçu comme une perspective inévitable à terme pour résoudre ces problèmes de circulation et de pollution, mais qui signifierait la fin du métier.
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9.2. Réactions à l’idée d’autoroute automatisée Malgré, là encore, les très vives réticences liées à la crainte d’une perte totale de liberté, ce scénario est celui qui présente le plus d’avantages potentiels. Parmi les éléments les plus importants de ce scénario on retiendra :
− La vitesse annoncée : cette vitesse représente un gain de temps appréciable à condition de faire confiance au système pour gérer la sécurité car elle offre donc la possibilité de travailler plus longtemps et de conduire plus loin. Cependant, après réflexion, elle génère de fortes inquiétudes. En cas de dysfonctionnement du système, cette vitesse ferait courir aux routiers de très grands dangers. Il est difficile voire impossible à la plupart des routiers d’imaginer faire confiance à un système automatisé gérant des poids lourds à une telle vitesse.
− La perception de la (non) conduite sur tout le parcours : en principe, il devrait être possible de dormir pour les chauffeurs les plus ouverts à l’idée, et tout du moins de se reposer pour les plus sceptiques. La capacité du système à prendre efficacement le relais du chauffeur –de façon à lui permettre de dormir -, serait intéressante, mais elle est fortement mise en doute par la majorité des personnes rencontrées.
Cependant, les routiers imaginent en se basant sur le descriptif qui leur est fourni, qu’ils ne pourront pas sortir de cette autoroute à leur gré, ni s’arrêter quand ils le veulent, chose impensable. L’image d’un parcours « fermé » perdure et rebute. L’idée de déléguer entièrement la conduite « au camion »/ au système, quelles que soient les circonstances, est également inacceptable. Chacun veut pouvoir le contrôle à tout moment
De plus, les chauffeurs estiment que pour un bon fonctionnement du système global, il faudrait que chaque chauffeur délègue de manière effective la conduite au système et que les distances de sécurité aient été parfaitement calculées et restent fixes.
Toutefois, une question récurrente apparaît difficile à résoudre : le système peut-il garantir la sécurité et permettre / inclure le recours au mode manuel pour laisser une liberté d’initiative au routier selon les circonstances ? L’automatisation peut-elle être compatible ou complémentaire avec les valeurs du « métier » ?
Dans les différents scénarii se pose ensuite la question de l’attelage qui peut-être dynamique ou statique.
L’attelage dit « statique » est une possibilité plus sécurisante que l’attelage dynamique, car le chauffeur ne dépend « que » de la machine, mais la passivité du chauffeur semble totale. Il renvoie fortement à la fin du « métier » tel qu’il existe à l’heure actuelle. Qu’il soit en tête ou pas, le chauffeur, une fois dans le convoi, n’est plus vraiment maître : ni du camion, ni de la route, ni du temps : « on devient des passagers ».
L’attelage dit « dynamique » dans lequel l’activité du chauffeur en interaction avec le système est plus importante, soulève énormément de réserves. Au-delà des points positifs associés à l’idée d’une autoroute dédiée aux camions, les chauffeurs critiquent la double dépendance : faire confiance à un autre que soi même et faire confiance à une machine, qui aboutira à la dévalorisation probable du temps de (non) conduite et au remplacement à terme de l’homme par la machine.
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Au final, quelque soit le scénario d’attelage considéré pour les convois, la compréhension et l’adhésion sont rendues particulièrement difficiles par la perception d’une contrainte forte par rapport à un trajet « fermé » (attelage statique > attelage dynamique) et /ou d’une interdépendance inquiétante entre tous les camions / tous les chauffeurs d’un convoi (attelage dynamique < attelage statique).
De plus, dans les deux cas, il y a un risque élevé de perte de temps ( attelage statique > attelage dynamique ). Aucune place n’est vraiment enviable dans le convoi, qu’il soit statique ou dynamique :
− Être pilote est perçu comme une (trop) lourde responsabilité que personne n’a envie d’assumer,
− Suivre génère un sentiment de (grand) danger permanent. Aucun des routiers ne peut s’imaginer pris entre deux poids lourds (« au milieu, je ne serais pas rassuré, je n’aime pas être pris entre deux camions, je serais tout le temps en train de regarder derrière »).
Enfin, la question du statut des heures de travail – pour ceux qui ne pilotent pas le convoi - et le calcul de leur rémunération soulève de nombreuses questions.
En conclusion, il semble que les bénéfices les plus évidents reposent sur l’idée d’une autoroute dédiée plus sûre, garantissant plus de régularité. Le scénario le plus acceptable, voire le plus intéressant, semble être celui de l’autoroute automatisée car il maintient une autonomie relative, les chauffeurs s’y sentant moins captifs, plus actifs que dans le cadre d’un convoi. Ils ne dépendent pas d’un autre chauffeur, mais d’un système supposé plus fiable et, dans ce cas, ils peuvent envisager de se reposer (« on ne conduit pas et on avance quand même »).
Mais pour que l’idée puisse faire son chemin dans les esprits, il semble indispensable de ménager des étapes. Ainsi, les routiers doivent être assurés de conserver la possibilité de reprendre la conduite en mode manuel lorsqu’ils le souhaitent, et en particulier face à un imprévu ou en situation de danger, de rentrer et sortir de l’autoroute en des points différents de ceux indiqués dès le départ (pas de « trajets fermés »), de faire des pauses à leur convenance.
D’autre part, il apparaît indispensable de leur apporter des garanties :
− Sur le statut des heures de "non-conduite" et sur leur paiement,
− Sur les capacités du système à gérer la complexité et l’imprévu lorsqu’ils se reposeront,
− Sur la capacité du système à gérer les distances de sécurité malgré la diversité des véhicules engagés (différents tonnages, caractéristiques, chargements…),
− Sur l’accès aux formations requises pour « conduire » dans un tel système.
Dans ces conditions, les bénéfices et les compensations liées à une autoroute « dédiée » et à une prise en charge au moins partielle de la conduite pourraient être mis en évidence, tels que :
− plus de sécurité,
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− la possibilité de se reposer sur les longs parcours.
9.3. Route automatisée aux USA Le concept d'automatisation des véhicules qui existe aux Etats-Unis depuis un certain temps, a pris de l'importance au début des années 90 avec l'évolution des systèmes de transport intelligent. La plupart des travaux consacrés à l'automatisation des véhicules aux USA portent sur les voitures de tourisme. Il y a beaucoup de différence entre le marché des voitures de tourisme et celui des véhicules commerciaux en termes de caractéristiques d'exploitation, de demande des consommateurs et d'exigences de l'usager au moment de la décision d'achat. Ce paragraphe porte un regard nouveau sur les perspectives d'automatisation des véhicules aux USA et se concentre sur le transport de marchandises poids lourds sur autoroute [Tsao, 2002].
Tout d’abord, l'automatisation des poids lourds pose divers problèmes, aussi bien pour les aspects commerciaux que pour le déploiement. Pour le transport de longue distance, il semble que le concept de voies à péage pour poids lourds soit assez largement soutenu par les gouvernements locaux de certains états, et au niveau politique – le modèle commercial proposé paraît viable et correspond aux préoccupations des industriels et du public pour le financement des nouvelles constructions des voies dédiées aux poids lourds. Pour le déploiement aux points sensibles (goulets d'étranglement), l'étude du CVHAS donne un excellent exemple de l'usage de l'exploitation des véhicules automatisés comme outil permettant de fonctionner dans des environnements très spécialisés [NAHSC, 1995].
Bien que l'une des approches de mise en oeuvre de l'automatisation des poids lourds consiste à construire de nouvelles routes sur de nouveaux itinéraires, aucune des initiatives actives aux USA n'a choisi cette option. Il existe plutôt un consensus en faveur de la construction de nouvelles voies dédiées aux poids lourds au milieu des autoroutes inter-états existantes, au moins dans les zones rurales inter-urbaines. Les routes de transit pour poids lourds sur de nouveaux alignements sont à l'étude pour les zones urbaines, ainsi que l'usage de priorités pour le transport ferroviaire. De plus le potentiel de l'usage des voies à forte occupation par les poids lourds aux des heures de pointe ou même de la conversion de ces voies en voies dédiées aux poids lourds à plein temps offre un autre choix aux zones urbaines.
Concernant la formation de convois de façon dynamique plutôt que statique hors réseau, la réponse devrait dépendre des cas spécifiques des routes et de l'environnement réglementaire. Le scénario le plus probable pour la formation hors réseau des convois concernerait les liaisons inter-urbaines longues, où circulent de longues combinaisons de véhicules qui ne sont pas autorisées à rouler sur les autoroutes classiques aux points de départ et d'arrivée. Dans d'autres cas, surtout pour les ensembles à remorque qui sont admis partout, on préfèrera probablement la formation dynamique de convois.
Aussi bien l'étude de l'Institut Reason que l'étude du couloir de transport de marchandises I-10 mentionnent le transport routier automatisé comme option future. Il faut mener une analyse approfondie pour comparer les avantages des camions exploités manuellement sur les voies poids lourds dédiées aux avantages supplémentaires qui peuvent être obtenus par l'automatisation de ces véhicules.
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Enfin, la réalisation de l'automatisation des poids lourds et des véhicules en général, demandera aux approches des systèmes d’éviter les “arrêts prolongés” de la technologie et/ou des investissements pour atteindre les premières exploitations. L’approche par étapes est absolument essentielle pour que les parties prenantes puissent bénéficier à chaque étape du développement, et constater pour eux-mêmes le potentiel des systèmes de véhicules automatisés. Notre société change rapidement et de manière imprévisible tout comme le développement de notre technologie. C’est pourquoi notre capacité à définir cette approche par étapes ne peut être valide que pour les premières étapes ; la voie vers le transport de marchandises basé sur l’exploitation de véhicules automatisés ne peut être actuellement définie de façon solide. Il faut évaluer les options à chaque étape du développement en termes de problèmes commerciaux, d’exploitations, de sécurité et de problèmes sociétaux, en progressant pas à pas vers une innovation sociétale presque inévitable et bénéfique pour tous.
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Chapitre 4
Prise en compte de l’interactivité poids lourd - infrastructure dans les contre mesure s
1. Introduction
L’interactivité consiste à partager des informations pertinentes entre le poids lourd, les infrastructures (voire le gestionnaire de l’infrastructure) et le conducteur afin de préserver la sécurité du poids lourd, des autres usagers et de l’infrastructure.
L’interactivité poids lourd/infrastructure peut fonctionner dans les deux sens. Soit le centre de décision se trouve dans le véhicule et utilise des informations produites par lui et d’autres recueillies par lui (il calcule par exemple une vitesse maximale limite de renversement envoyée au chauffeur à partir de l’état dynamique du poids lourd et d’informations complémentaires externes), soit il est implanté dans l’infrastructure et utilise des informations de celle-ci et d’autres envoyées pas les véhicules (par ex. une station de pesage calcule la vitesse maximale limite de renversement à partir des mesures réalisées au passage des poids lourds).
Les progrès techniques récents des technologies de l'informations et de la communications (TIC) permettent d’améliorer l’interactivité poids lourd/ infrastructure/conducteur.
Les résultats présentés dans ce chapitre ont été obtenus dans le cadre de deux projets :
− le projet ARCOS thème 11 « Élaboration d’alerte en situation accidento-gène », spécifique aux poids lourds (PREDIT),
− Le projet VIF « Véhicule Interactif du Futur » (PREDIT et pôle LUTB).
Le projet ARCOS [Dolcemascolo et al, 2005], [Bouteldja, 2005] visait à réduire l’accidentologie et améliorer la sécurité routière par une approche globale du système Véhicule-Infrastructure-Conducteur. Le thème 11 avait pour objectif la mise au point d’alertes pour les poids lourds en situations accidentogènes.
Une étude d’accidentologie a permis d’identifier le type d’accident le plus fréquent parmi ceux impliquant un poids lourd isolé, à savoir le renversement de tracteur avec semi-remorque. Les systèmes actuels de prévision de renversement ne sont pas assez fiables car ils ne permettent pas de prédire au-delà d’une seconde un éventuel renversement.
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Le concept d’un système prédictif d’alerte au renversement, permettant une meilleure anticipation, a été mis au point et validé par simulations.
L’objectif du projet VIF était de proposer des solutions pour optimiser les coûts du transport, améliorer la sécurité routière et réduire la pollution et les encombrements [Dolcemascolo et al., 2007].
Pour répondre à ces objectifs, on a cherché à développer l’interactivité du poids lourd avec son environnement et en particulier l’infrastructure. Le système de transport considéré comprend le poids lourd, une station de pesage en marche et un centre de contrôle. Des informations pertinentes, issues du véhicule, de la station de pesage en marche située sur l’infrastructure et d’un centre de contrôle, sont échangées pour satisfaire les objectifs. Les fonctionnalités proposées concernent l’alerte au renversement, et la gestion d’accès à certaines infrastructures basée sur les poids et les dimensions du véhicule mesurés et des informations du centre de contrôle (conditions météo, état du trafic ou du véhicule).
2. Modèle de poids lourd et prévision du renverseme nt
L’analyse des données d’accidentologie a montré que le tracteur avec semi-remorque à 5 essieux (2+3), ensemble le plus fréquent, est aussi le plus impliqué dans les accidents de la route (chapitre 1). Le renversement et la mise en portefeuille sont les principaux types d’accidents impliquant ce type de poids lourd isolé. Nous nous sommes donc focalisés sur la détection et la prédiction des renversements.
Pour cela il faut disposer d’un modèle de véhicule lourd. Dans la littérature, plusieurs modèles sont proposés : [Cebon, 1993], [Chen et Tomizuka, 1995], [Ibrahim, 2004a et b]. Des modèles plus complexes sont intégrés dans des simulateurs [PROSPER, 1988], [ARCSIM, 1997], et des modèles simples utilisés pour des applications telles que le contrôle/commande.
Une modélisation simple du poids lourd a été développée, utilisée dans l'étude des systèmes de détection et de prédiction du risque. Ce modèle devait être représentatif du comportement du poids lourd dans les conditions normales de roulage jusqu'aux limites de conduite.
2.1. Modèle global développé Le modèle développé comporte 12 degrés de liberté pour les mouvements dynamiques d’un poids lourd [Bouteldja et al., 2004], [Bouteldja, 2005]. Il décrit de façon macroscopique le comportement d’un véhicule constitué de deux corps, tracteur à 2 essieux et semi-remorque à essieu tridem. La dynamique du véhicule permet d’accéder aux variables caractérisant les situations à risques.
2.1.1. Dynamique des caisses
Dans le modèle, les essieux du tridem sont représentés par un essieu équivalent (châssis rigide). Nous considérons les situations normales de conduite et allons jusqu'aux sollicitations pouvant entraîner un renversement. Dans ces situations, les
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sollicitations de la route et les transferts de charge en cas de freinage ou d'accélération n'engendrent que de très faibles mouvements de tangage du châssis. Ceci permet de faire les hypothèses explicitées ci-après.
Figure 24 - Modèle de corps de véhicule de référence
Les deux corps rigides (tracteur et semi-remorque) ont une représentation tri-dimensionnelle. Chaque essieu, incluant les organes de liaison, est représenté par un corps rigide en translation seule
La dynamique de la sellette, dispositif qui relie le châssis du tracteur et celui de la semi-remorque, est négligée. Toutefois, le mécanisme de la liaison est pris en compte. En effet, il permet le mouvement de lacet entre le tracteur et la semi-remorque et empêche le roulis différentiel. Le tracteur et la semi-remorque ont donc le même mouvement de roulis.
Pour les faibles sollicitations et pour les situations de conduite conduisant au renversement, le tangage est négligé.
Les essieux sont reliés au châssis par l'intermédiaire de liaisons élastiques (suspensions). La cinématique de la liaison essieu/châssis autorise les degrés de liberté des débattements des suspensions du tracteur et de la semi-remorque. Les suspensions mécaniques et pneumatiques sont modélisées de manière identique par un ensemble ressort/amortisseur.
Les roues sont considérées comme des corps rigides en rotation et reliées directement aux essieux.
La dynamique du système de direction est négligée et l'angle de braquage est considéré comme une entrée du modèle. Le braquage induit des roues est aussi négligé.
Pour simplifier la représentation du contact roue/sol et ne tenir compte que des facteurs dont l'influence dynamique est importante, nous supposerons que le contact pneumatique/chaussée est ponctuel et localisé dans le plan de symétrie de la roue à une distance du centre de la roue égale au rayon sous charge . On ne considère également qu’un seul point de contact pour les roues jumelées.
Le véhicule est composé d’un tracteur à deux essieux, et d’une semi-remorque à un essieu. Nous considérons le mouvement des deux masses suspendues dans un système fixe de coordonnées (XE, YE, ZE) (figure 24). (Xt, Yt, Zt) et (Xst, Yst, Zst) sont les
XE
YE
ZE
Zst
Yst
Xst
Zt
Yt
Xt Zu
Yu
Xu
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systèmes de coordonnées liés aux centres de gravité des corps suspendus respectivement du tracteur et de la semi-remorque. (Xu, Yu, Zu) est un repère lié à la masse non suspendue du tracteur, définie au centre du plan de l’essieu avant avec Zu parallèle à ZE.
Les mouvements relatifs sont les mouvements de translation du tracteur dans le plan horizontal (xE, yE) et son mouvement de lacet (ψ) autour de l’axe de ΖΕ. Le mouvement de roulis est considéré autour de l’axe de roulis du tracteur (ϕ). L’angle d’articulation entre le tracteur et la remorque (ψf) peut être décrit par le mouvement relatif entre les coordonnées des repères (Xt, Yt, Zt) et (Xst, Yst, Zst).
On considère dans la suite les coordonnées généralisées suivantes :
− xΕ : position longitudinale du centre de gravité du tracteur selon la direction X du repère fixe,
− yΕ : position latérale du centre de gravité du tracteur selon la direction Y du repère fixe,
− ζE: position verticale du centre de gravité du tracteur dans le repère fixe,
− ψ : angle de lacet du tracteur, ϕ : angle de roulis,ψf : angle entre le tracteur et la remorque,
− qi : débattements des suspensions du tracteur et de la semi-remorque (avec i = 1,..6).
Les hypothèses précédentes et ces variables permettent de calculer les caractéristiques des mouvements de translation et de rotation autour de leur centre de gravité de chaque corps. La cinématique fournit les équations du mouvement par le formalisme de Lagrange. Celles-ci sont résolues par un calcul symbolique et le logiciel Maple.
L’équation dynamique du modèle du véhicule est :
( ) ( ) ( ) FgqGqqqCqqM =++ &&&& , (1)
où
[ ]654321 ,,,,,,,,,,, qqqqqqzyxq fEEE ψψϕ= (2)
et qqq &&&,, sont les vecteurs des coordonnées généralisées en positions, vitesses et accélérations,
)(qM est la matrice d’inertie du système,
),( qqC & la matrice des forces de Coriolis et centrifuges, de la suspension et des effets des ressorts et des amortisseurs,
G le vecteur des forces de gravitation.
Le vecteur Fg représente les forces généralisées traduisant les efforts externes agissant sur les deux corps du véhicule. Ces forces s’appliquent à l’interface pneumatique-chaussées dans les directions verticales, longitudinales et latérales du pneumatique (figure 25).
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Figure 25 - Représentation des forces appliquées sur le véhicule lourd
2.1.2. Modèle de pneumatique
Les pneumatiques sont modélisés par un ressort et un amortisseur en parallèle [Legeay et al., 1994], [Imine, 2003], qui relient la masse non-suspendue à la chaussée et se déplacent (figure 26). Les forces exercées sur la chaussée sont calculées à partir de ce déplacement.
Figure 26 - Modèle du pneumatique
Les forces dans le pneumatique sont données par les équations suivantes :
=
=
xDF
xKF
pneud
pneuk
&*
* (3)
xu
wt
ψf
lt
ψwf
l
Fxt
Fxt
Fyt
Fyt
Fry
Frx
Fyf
Ffx
Fxf
Fry
Frx
yu
δ
xu
wt
ψf
lt
ψwf
l
Fxt
Fxt
Fyt
Fyt
Fry
Frx
Fyf
Ffx
Fxf
Fry
Frx
yu
δ
chaussée
Masse non-suspendue
Uni
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où Kpneu et Dpneu sont respectivement la raideur et le coefficient d’amortissement du pneumatique, x et x& correspondent au déplacement et la vitesse du point de contact. La somme de ces forces est la résultante appliquée par le pneu sur la chaussée.
2.1.3. Modèle de suspension
La chaussée sur laquelle circule le véhicule n’est pas parfaitement plate mais comporte des variations de profil. A cause de la vitesse du véhicule, celui-ci subit des accélérations verticales qui affectent le confort des passagers et la sécurité des marchandises transportées. Il est donc important d’amortir ces mouvements verticaux par des suspensions constituées de systèmes déformables et élastiques qui relient le corps du véhicule (maximum d’inertie) et les roues en contact avec le sol. Les deux types de suspension les plus utilisées sont les suspensions à lames et les suspensions pneumatiques. Les suspensions pneumatiques, souvent plus performantes, sont les plus fréquentes et considérées dans cette étude (figure 27).
Figure 27 - Modèle simplifié de suspension pneumatique
Les forces verticales agissant sur les masses non suspendues du véhicule sont les efforts de suspension [Bouteldja, 2005].
Pour un modèle de suspension linéaire, les forces de suspension s’écrivent :
2,1
,,,,0,,
,,,,0,,
,,,,0,,
=++=
++=++=
iavec
zDzKFF
zDzKFF
zDzKFF
ittittitits
iarariarariariars
iavaviavaviaviavs
&
&
&
(4)
où F0,i est la force statique, z est le débattement du ressort autour de sa position d’équilibre et z& la vitesse de débattement.
Ki et Di sont les paramètres de raideur et coefficient d’amortissement de la suspension.
Fs,g,x Fs,d,x
Fs,g,y Fs,d,y Fs,d,z Fs,g,z
Fy,g Fy,d Fx,g Fx,d Fz,g Fz,d
Z+rs,d,z
Ms,g Ms,d
φ
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2.1.4. Validation du modèle
La validation du modèle simplifié est réalisée en utilisant les masses et inerties ainsi que les paramètres de suspension du véhicule issus d’un autre simulateur [PROSPER, 1988] de la société SERA-CD. La validation se limite à une comparaison entre les résultats de simulation obtenus par notre modèle et ceux de PROSPER. Toutefois, pour compléter cette validation, un autre simulateur [ARCSIM, 1997] a été employé, en attendant les résultats d’essais réels.
Les commandes du véhicule (angle de braquage et couple moteur) et ses données de comportement (paramètres) servent d’entrée aux simulations par PROSPER. Les premières vérifications ont concerné la charge normale (force de suspension) et les débattements des roues. L’objectif est d’avoir une similitude entre les forces normales et les débattements calculés par les deux simulateurs afin de pouvoir ajuster certains paramètres du véhicule.
Figure 28 - Comparaison de l’angle de lacet (à gauche) et de la vitesse de lacet (à droite)
Ensuite, la simulation de passages en chicane permet de vérifier les performances du simulateur pour des manœuvres de braquage. Nous avons simulé le passage en chicane sur une chaussée lisse. La trajectoire du véhicule est à priori connue pour le passage de la chicane, réalisé à une vitesse constante de 60 km/h. La commande est l’angle volant qui gouverne l’angle de braquage.
La figure 28 présente les angles et vitesses de lacet en chicane obtenus par les trois simulateurs. L’allure des courbes reste la même mais de légères différences sont constatées, dues au nombre de degrés de liberté et de paramètres utilisés par chaque simulateur (12 ddl pour le modèle simplifié et plusieurs dizaines pour PROSPER et ARCSIM).
2.2. Capteurs, observateurs et estimateurs
2.2.1. Les capteurs
Des capteurs implantés sur le véhicule (accéléromètres, inclinomètres, jauges de déformation) mesurent des variables descriptives de son état dynamique. La qualité, la fiabilité et le bon positionnement de ces capteurs sont essentiels pour recueillir les données utiles. Toutefois, pour des raisons physiques et économiques, on ne mesure pas intégralement l’état dynamique du véhicule. On fait donc appel en
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complément à des observateurs et estimateurs qui permettent d’évaluer les données manquantes à partir de celles mesurées.
2.2.2. Observation et estimation
Dans la plupart des cas, lorsque nous appliquons un algorithme de prédiction de renversement par exemple, nous n’avons pas accès à certaines grandeurs physiques de l’état dynamique du véhicule. Il est donc nécessaire de reconstituer ces grandeurs physiques (variables d’état, paramètres inconnus) en temps réel et à chaque instant à l’aide d’outils tels que les estimateurs et observateurs. Le schéma de principe de l’observateur et estimateur est présenté sur la figure 29.
Figure 29 - Observateur et estimateur d’état
Observateurs
Un observateur d’un système dynamique, appelé aussi capteur logiciel parce qu’implanté sur un calculateur, reconstitue (en temps réel) l’état instantané du système (ici le véhicule), en combinant un modèle dynamique établi a priori et des mesures fournies par des capteurs embarqués.
Il permet de suivre l’évolution de l’état dynamique du système, et d’estimer les paramètres dynamiques dont le modèle dépend linéairement. Plusieurs méthodes permettent la construction d’observateurs [Johnson, 1975], [Utkin et Drakunov, 1995] [Levant, 1997], par interpolation, à grand gain et à modes glissants [Barbot et al., 1996], [Fridman et al., 2006].
Soit un système (S) tel que : ( ) ( )
=ℜ∈=
)()(
)(),()(:
txty
xavectutxftxS
n&
(5)
où u(t) est l’entrée du système (la commande), y(t) est la sortie mesurée.
Ce système associé à une connaissance a priori du modèle, fournira en sortie un état estimé )(ˆ tx , qui devra tendre vers l’état réel x(t).
L'efficacité des observateurs d'état dynamique dépend de la robustesse et des caractéristiques de ces observateurs, de la précision de la mesure des paramètres d’entrée, de la qualité des modèles et des capteurs utilisés. On utilise ici des observateurs dont les estimations convergent en temps réel et en temps fini. Ils
U(T) Y(T)
Estimateur
Modèle
Observateur )(ˆ tx
- 87 -
permettent une estimation des forces d’impact et la génération d’alertes [Bouteldja et al., 2006b] [Imine et al., 2006].
Estimateurs
Ils peuvent être élaborés à partir du modèle ou bien par une résolution directe des équations associées. Les estimations font appel à des capteurs de technologie avancée, puis à des données du BUS CAN du véhicule. Une attention particulière doit être portée sur la fiabilité des modèles utilisés, qui jouent un rôle fondamental sur la fiabilité des estimations. Il faut notamment vérifier leur adaptation à des conditions locales de circulation à partir de données de texture et d’état de la route (mouillage et hauteur d’eau). L’omission de facteurs locaux routiers est très pénalisante pour les méthodes actuellement proposées. Les méthodes d’estimations sont validées par comparaison à des références reconnues. Dans la suite, un estimateur basé sur la méthode des moindres carrés a été développé, afin d’identifier les différents paramètres inconnus du véhicule tel que la hauteur du centre de gravité [Bouteldja, 2005].
2.2.3. Résultats de simulation
Les résultats obtenus sont satisfaisants eu égard à la simplicité du modèle utilisé et aux erreurs paramétriques. L’estimation des vitesses se fait par étapes, utilisant les modes glissants. Les résultats de la simulation montrent l’efficacité de ces observateurs de l’état dynamique du véhicule.
Figure 30 - Observateur et résultats d’observation [Bouteldja, 2005]
Observateur d’état
Commande de conducteur
Traitement de données
1 2
4 3
- 88 -
Les résultats d’observation présentés à la figure 30 montrent :
− une bonne convergence de la vitesse latérale observée, − une bonne estimation de l’angle relatif de lacet, − une très bonne superposition des lacets observés et réels, − une restitution correcte de l’angle de roulis.
Cet observateur sert aussi à estimer les forces d’impact [Bouteldja, 2006b] [Imine et al., 2006], et les résultats pour un poids lourd roulant en ligne droite montrent la robustesse de l’approche proposée (figure 31). L’estimation des forces verticales est comparable à celle obtenue par le logiciel PROSPER.
Figure 31 - Estimation des forces verticales [Imine & Dolcemascolo, 2006]
Figure 32 - Estimation de la hauteur du centre de gravité (CdG)
L’observateur permet en outre d’identifier les paramètres inconnus du véhicule : l’estimation de la hauteur du centre de gravité du poids lourd est très proche de celle donnée par le simulateur PROSPER (figure 32).
- 89 -
2.2.4. Prédiction de renversement
Le risque de renversement doit être prédit suffisamment à l’avance pour permettre au chauffeur de réagir en corrigeant sa trajectoire. La connaissance du temps restant avant le renversement est primordiale mais difficile à prévoir. La détection et la prédiction d’une situation de renversement a fait l’objet de divers travaux [Chen et Peng, 1999], [Bouteldja et al., 2004] [Delanne et al., 2003]. Il faut d’abord reconstruire l’état dynamique du véhicule par estimation, puis bâtir un modèle de renversement, issu de la modélisation complète du poids lourd décrite précédemment. Cette modélisation doit être capable de représenter les principaux effets dynamiques intervenant sur le véhicule. Dans ce modèle, un observateur à mode glissant a été proposé, pour reconstruire les forces exercées par les pneumatiques sur la chaussée. Ces forces et l’estimation de la position du centre de gravité du véhicule permettent ainsi de détecter et de prédire une situation de renversement.
2.2.5. Modèle de renversement
Des systèmes prédictifs ont été proposés par [Allen et al., 1992] [Sanchez et al., 2004].
Usuellement, le risque de renversement est mesuré par un coefficient de transfert de charge LTR (Load Transfert Ratio), fonction des forces verticales, traduisant la différence de charge entre la roue gauche et droite d’un même essieu [Ackermann et Odenthal, 1999].
dzgz
dzgz
FF
FFLTR
,,
,,
+−
=
(6)
Quand Fz,g = 0 (resp. Fz,d = 0), la roue droite (resp. gauche) perd le contact avec le sol, et le ratio de transfert de charge est LTR = −1 (resp. LTR = 1). Le risque de renversement devient important. Dans le cas où le poids lourd roule sur une route plane en ligne droite, les forces verticales gauche et droite sont égales (Fz,g = Fz,d) et donc LTR vaut 0. Dans ce cas, le risque de renversement est nul.
Le risque de renversement augmente avec la valeur absolue du LTR et devient très important lorsqu’elle se rapproche de la valeur 1.
Une description comprenant des estimateurs de l’état et des forces appliquées par les pneumatiques a été choisie, pour un véhicule lourd constitué d’un tracteur et une semi-remorque. Elle suffit pour la prévision du comportement dynamique du poids lourd. Sur chaque roue est appliquée la résultante des efforts appliqués par les pneumatiques sur la chaussée. Le vecteur des forces généralisées Γ (équations du système) représente l'effet des forces externes (figure 25).
Nos modèles utilisent des équations différentielles non linéaires, dont les paramètres sont le plus souvent mal connus. Ces équations sont combinées pour permettre à la fois :
− de réduire la complexité des modèles,
- 90 -
− de permettre l’estimation des données manquantes en se basant sur des capteurs,
− d’utiliser ces mesures et ces observations pour estimer les forces de contacts exercées par les pneumatiques,
− de permettre des calculs en temps réel pour la prévision de renversement.
Les détails de ces modèles et des observateurs/estimateurs, ainsi que les preuves théoriques de leur convergence sont présentés dans le rapport final du thème 11 du projet ARCOS2004 [Dolcemascolo et al., 2005].
Nouveau concept
Le système de prévention de renversement de poids lourd (figure 33), développé dans le cadre du thème 11 d’ARCOS 2004, comporte trois éléments [Dolcemascolo et al., 2005] [Bouteldja, 2005]. Il utilise l’état dynamique instantané du poids lourd, ses caractéristiques géométriques et une anticipation des caractéristiques géométriques de la route pour adapter la commande conducteur lors de la prédiction. L’état dynamique prédit est ensuite analysé pour caractériser le risque de renversement.
Figure 33 - Système de prévention de renversement
Le premier élément comporte les capteurs intégrés dans le poids lourd pour obtenir les informations sur son état dynamique et les paramètres jugés critiques pour le bon fonctionnement du système.
L’élément suivant comprend les estimateurs des états manquants à partir des données fournies par les capteurs et les paramètres du poids lourd.
Le dernier élément utilise les informations précédentes pour évaluer le risque de renversement sur la trajectoire prédite. Un module d’alerte prend ensuite le relais, mais ce dernier n’est pas présenté ici.
route
PL réel
état capteurs
estimateurs
État estimé
Paramètres
évaluationrisque
alerte
route
PL réelPL réel
état capteurs
estimateurs
État estimé
Paramètres
évaluationrisque
alerte
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2.2.6. Évaluation du risque
L’évaluation du risque se fait à peu près comme par [Chen et Peng, 1999] par le calcul d’un indicateur de renversement le long d’une trajectoire prédite. Cependant, le projet ARCOS a permis d’affiner la phase de prédiction. En effet, connaissant les caractéristiques de la route à une distance de l’ordre de 300 m par exemple, soit une dizaine de secondes en avant du véhicule, il est possible d’anticiper la dynamique du véhicule et d’adapter la conduite pour éviter le renversement (figure 34). Le poids lourd est localisé en permanence par la cartographie numérique, et la commande de braquage adéquate est générée pour respecter la trajectoire visée. Si l’analyse du comportement dynamique du poids lourd révèle un début de renversement à l’horizon temporel utilisé (temps à renversement) une alerte peut être générée.
Figure 34 - Évaluation du risque
Évaluation du renversement
L’évaluation du risque de renversement est basée sur la valeur LTR sur la trajectoire prédite. Ce risque est important lorsque le LTR > 0,9. La prévision de l’instant du renversement est donnée par le TTR (Time to Rollover ou temps à renversement).
Cartographie numérique
Les informations de la cartographie numérique utiles pour prédire les renversements ont été explicitées. Elles comportent les courbures et dévers de la route que nous supposons donc ici accessibles dans le véhicule.
Résultats sur le risque de renversement
La figure 35 donne le schéma de la génération d’alerte composé des 4 éléments décrits précédemment. Un observateur estime l’état dynamique et le modèle prédit le renversement en fonction des caractéristiques de l’infrastructure fournies par la base de données cartographique.
Évaluation du risque
État dynamique
Paramètres dumodèle
Niveau de risque
Modèle dePL
Cartographienumérique
Suivi de trajectoire
Évaluation du critère de renversement
localisation
δ
Étatprédit
Évaluation du risque
État dynamique
Paramètres dumodèle
Niveau de risque
Modèle dePL
Cartographienumérique
Suivi de trajectoire
Évaluation du critère de renversement
localisation
δ
Étatprédit
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Figure 35 - Principe de génération d’alerte
Les alertes sont générées en fonction du risque de renversement, évalué à partir de l’accélération latérale du véhicule, de la hauteur du centre de gravité et de la charge sur les essieux.
Quelques résultats de LTR utilisant les forces verticales estimées sont présentés à la figure 36, pour les angles de braquage indiqués et une vitesse longitudinale de 85 km/h [Imine et al., 2006].
Sur l’intervalle de temps [0 ;10 s], les forces verticales gauche et droite sont proches de celles fournies par PROSPER. Le LTR est loin de 1 donc il n’y a pas de risque de renversement. A 10 s, on remarque que la force droite tend vers 0 et que le LTR augmente. A t = 11 s, la force droite tend vers zéro et le LTR tend vers 1 (valeur critique) donc le risque de renversement apparaît.
La prévision du risque de renversement a été faite ensuite pour le passage d’un poids lourd dans une chicane. Les figures 37a à 37c montrent les forces normales à l’interface pneumatique/chaussée pour les roues gauche et droite de l’essieu arrière du tracteur, le ratio de transfert de charge du véhicule et l’accélération latérale au centre de gravité. Le risque de renversement apparaît à l’instant t = 3,7 secondes (donc au milieu du premier virage).
La prédiction du risque de renversement utilise les forces, la vitesse et l‘accélération au centre de gravité [Bouteldja et al., 2004] [Bouteldja et al., 2006a].
PL réel
Observateur/Estimateur État dynamique du
véhicule
Base de données Caractéristiques de la
route
Modèle Commande
Critères de risques Alerte
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Figure 36 - Angle de braquage, estimation des forces verticales et LTR
3. Contrôle d’accès à l’infrastructure
Les travaux présenté dans cette section ont été réalisés dans le cadre du projet VIF (Véhicule interactif du futur). Une station de pesage en marche installée sur une section de route mesure le trafic et notamment les charges des essieux et le poids total des poids lourds, mais aussi son instant de passage et sa vitesse. Ces informations sont utilisées pour donner des consignes au conducteur (respect de limites de vitesse dans un virage, d’interdistance sur un pont ou dans un tunnel, interdiction d’accéder à une zone de l’infrastructure).
Les informations élaborées à partir des mesures de la station de pesage en marche sont transmises à courte distance au véhicule, par exemple en amont d’un virage ou
Figure 37a - Forces normales essieu arrière gauche/droite
tracteur
Figure 37b - Transfert de charge du véhicule au centre
de gravité
Figure 37c - Accélération latérale au centre de gravité
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d’un ouvrage d’art. Elles permettent de faciliter le passage dans les zones à risques ou de contrôler les accès à certaines zones de l’infrastructure.
3.1. Abord des zones à risques L'objectif est, pour des zones à risques connues, de limiter :
− les risques de renversement des poids lourds en virage,
− les risques de collision en file.
En fonction du type de poids du véhicule, de la hauteur de son centre de gravité, de la géométrie et de l’adhérence de la route, etc., une vitesse maximale et/ou interdistance minimale à respecter pour éviter le renversement et/ou la collision sont évaluées et transmises au chauffeur.
3.2. Contrôle d’accès à l’infrastructure L’objectif est de fournir au gestionnaire de l’infrastructure des outils pour la gestion de l’accès des poids lourds à l’infrastructure.
Des interdictions ou limitations d’accès sont prises en fonction des critères dimensionnels et de charge du véhicule (gabarit, longueur, poids, type de marchandise transportée, etc., de son état (pression des pneumatiques, réserve de carburant, température des freins, …), de critères événementiels (perturbation du trafic, chute de neige…) et de la réglementation.
Le véhicule communique donc à un centre de gestion son état et ses caractéristiques avant d’obtenir une autorisation d’accès à l’infrastructure.
Le chauffeur est alerté quand l’accès lui est interdit et un pictogramme s’affiche dans le véhicule pour expliciter les raisons de cette interdiction.
4. Conclusions et perspectives
Ce chapitre détaille comment l’interactivité infrastructure/conducteur peut aider les conducteurs et les gestionnaires des infrastructures à minimiser les risques d’insécurité. Pour cela, de nouveaux outils ont été développés capables d’envoyer des alertes aux chauffeurs afin qu’il modifie son comportement de conduite ou de fournir des informations aux gestionnaires sur l’état de l’infrastructure, lui permettant ainsi d’autoriser ou non l’accès d’un poids lourd. La génération des alertes est produite soit à partir du véhicule (le système est alors embarqué) soit à partir de l’infrastructure.
Le concept d’un système embarqué a été développé pour minimiser les risques de renversement lorsque le poids lourd emprunte un virage à une vitesse inappropriée. Des systèmes commerciaux existent sur le marché mais ils ont l’inconvénient de ne pas être prédictifs et donc souvent le chauffeur est prévenu d’un risque accru lorsqu’il est trop tard et qu’il n’est plus en mesure de modifier la trajectoire de son véhicule. C’est grâce à la connaissance anticipée des caractéristiques de
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l’infrastructure qu’il est possible de prédire la situation à risque. Pour valider le concept, un modèle de véhicule lourd à 12 ddl tenant compte des caractéristiques de l’infrastructure (uni, adhérence, pente) a été développé et validé à l'aide d’autres logiciels de dynamiques de véhicule. Ce modèle permet de calculer l’état dynamique du poids lourd de manière prédictive en tenant compte d’une base de données ‘Infrastructure’ embarquée dans le véhicule. Une technique avancée de traitement du signal (basée sur l’utilisation des observateurs à modes glissants) est proposée pour estimer les forces verticales appliquées par les pneumatiques sur la chaussée et c’est à partir de ces forces verticales que le risque de renversement est calculé. Lorsque le risque de renversement est important, une consigne de vitesse maximale est envoyée au conducteur.
Au niveau de l’infrastructure, l’utilisation d’une station de pesage en marche qui mesure des grandeurs telles que la vitesse, les charges par essieux, l’accélération longitudinale du véhicule permet de calculer le niveau de risque de collision ou de renversement en amont d’un virage. La connaissance des mesures issues de la station complétée par celle du gabarit du véhicule fournit au gestionnaire des critères pour autoriser ou non l’accès à son infrastructure. Ainsi, le gestionnaire est en mesure de limiter l’endommagement de l’infrastructure à cause de charges par essieux trop importantes ou d’interdire l’accès à un tunnel car sa hauteur est incompatible avec le gabarit du véhicule.
Une expérimentation est en cours pour valider les outils décrits ci dessus sur la piste de la Valbonne de Renault Trucks. Elle consistera à instrumenter la piste avec une station de pesage et un module de communication courte distance. En parallèle, une instrumentation est en cours de mise en œuvre sur un poids lourd à 2 essieux. Des essais préliminaires en laboratoire ont été effectués avec un essieu de véhicule léger pour valider la méthode d’estimation des forces d’impact. Ces essais ont été qualifiés de statique car lors des essais, les roues ne roulaient pas. En effet, les forces de référence sont injectées directement sur le pneumatique et calculées avec la méthode proposée dans ce chapitre. Dès que ces essais auront donné satisfaction après éventuellement des mises au point logiciel ou matérielle, l’instrumentation pourra être déployée sur le poids lourd pour procéder à des essais en dynamique.
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Chapitre 5 Le pesage en marche des poids lourds
1. Introduction
La détection et le contrôle des surcharges des poids lourds sont nécessaires car ces infractions contribuent à accroître l'insécurité, les dommages causés aux ponts et aux chaussées et à biaiser la concurrence entre modes de transports ou entre sociétés de transport routier.
Actuellement, les contrôles sont effectués à l’aide de systèmes de pesage statique sur des aires spécifiques par les contrôleurs des transports terrestres et les peseurs agréés. Mais face à l’accroissement du trafic lourd et à la baisse des effectifs des contrôleurs et des peseurs, ces contrôles ne sont plus dissuasifs, et l'on constate une augmentation inquiétante de la fréquence et de l'ampleur des surcharges.
Dès mars 1995, la Direction Générale de la Mer et des Transports (DGMT) a demandé au LCPC de trouver des solutions pour inverser la tendance et augmenter le nombre et l’efficacité des contrôles de surcharges. Le LCPC a alors proposé de développer deux types de systèmes automatisés de détection de surcharge, à deux échéances :
− à court terme (5 ans): le pesage à basse vitesse, sur aire dédiée, qui permet d’augmenter l’efficacité des contrôles de surcharges à l'aide de bascules de précision, mais comporte encore certains inconvénients du pesage statique ; un matériel de la société Captels de pesage statique et dont l'électronique a été adaptée pour fonctionner à basse vitesse (5 à 15 km/h) a été homologué suite à des essais en 2005.
− à moyen terme (10-15 ans): le pesage à vitesse courante en pleine voie, avec des précisions compatibles avec les exigences de la présélection ou du contrôle, repose sur l’utilisation de techniques multicapteurs, en multipliant les points de mesure pour éliminer autant que possible les effets dynamiques liés aux interactions véhicule/chaussée, ou de ponts instrumentés, en utilisant des mesures de déformations du pont au passage du poids lourd. L’avantage de ce dernier système est qu’il ne nécessite pas de coupure du trafic pour son installation ou sa maintenance. De plus, les capteurs sont déplaçables d’un pont à un autre et ne sont pas exposés aux actions directes des roues ou des intempéries, ce qui leur confère a priori une durée de vie importante.
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2. Le pesage à basse vitesse
Des travaux réalisés entre 1995 et 1998 [Dolcemascolo et al., 1998b] avaient montré que le système de pesée à basse vitesse de CAPTELS était en classe 10 de l’Organisation Internationale de Métrologie Légale (OIML) et en classe B+(7) des spécifications européennes COST 323 [COST 323, 1999], soit des erreurs maximales tolérées de ± 10% ou un intervalle de confiance à ± 7% pour environ 95% des mesures de poids total.
2.1. Système de pesage à basse vitesse amélioré Après ces expérimentations, la certification d’un système suite aux recommandations du LCPC a été demandée courant 2004 par le constructeur.
La procédure de certification inclut un examen de type réalisé par le Laboratoire National d’Essais (LNE). Le LCPC est intervenu pour réaliser un plan d’expérience conforme à la dernière version des recommandations OIML et aux restrictions demandées par le fabricant. Les essais ont été faits à Châlon-sur-Saône en décembre 2004 [Labry et al, 2005a, d].
2.1.1. Description du système
Le système de pesage à basse vitesse est composé de deux bascules (plateaux) de pesée de roues, instrumentées avec des cellules de charge, et d’une électronique d’acquisition.
Le domaine d’utilisation du système est compris entre 500 et 20 000 kg, avec une division d’échelle de 20 kg. Les températures doivent être comprises entre -10 et 40°C. Les vitesses doivent être comprises entre 1 et 12 km/h, et les accélérations entre -0.4 et 0.4 m/s². Le système délivre un message d’erreur lorsque le passage du poids lourd ne respecte pas le domaine d’utilisation.
Le système enregistre :
− la date et l’heure de passage,
− la silhouette du véhicule et sa longueur,
− le poids des essieux, le poids des groupes d’essieux et le poids total,
− la vitesse moyenne et la vitesse de chaque essieu,
− l’accélération moyenne et l’accélération de chaque essieu,
− le taux de surcharge (si les limites légales sont saisies).
2.1.2. Description du site d’essai de Châlon-sur-Saône
Le site d’essai est situé dans la zone portuaire de Châlon-sur-Saône, à proximité d’un pont bascule commercial. Une dalle en béton de 36 mètres de longueur et comportant deux fosses permet d’accueillir les bascules (figures 38a et 38b). La dalle est plane et homogène afin d’éviter toute excitation dynamique des poids lourds.
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Figure 38 – Bascules de pesée dans la dalle béton (a) et pesée d’un poids lourd rigide à deux essieux (b)
2.1.3. Résultats
Les essais ont été réalisés en utilisant des poids lourds dont les charges par essieux et les poids totaux ont été mesurés en statique puis à des vitesses de passages contrôlées.
Les valeurs obtenues pour chaque pesée à basse vitesse ont été comparées aux poids de référence statiques : poids total, essieux simples, groupes d’essieux. Les performances du système ont été évaluées selon les spécifications européennes COST323. Les erreurs maximales ont également été enregistrées pour chaque configuration de poids lourd et de charge, puis comparées aux tolérances de l’OIML.
Les poids totaux ont donné des erreurs inférieures à 3,5%, les essieux simples des erreurs inférieures à 5,5 %, et les groupes d’essieux des erreurs inférieures à 2 %.
Vis-à-vis des spécifications COST323, la précision du système de pesage à basse vitesse a été établie pour des vitesses maximales de passage de 9,5 et 12 km/h.
L’amélioration des performances pour une vitesse maximale de 9,5 km/h au lieu de 12 km/h est manifeste, particulièrement pour les poids totaux, où 95,5 % des erreurs sont comprises dans un intervalle de [-1% ; 1%] au lieu de [-1,8% ; 1,8%], ce qui correspond à une amélioration de 44%, et pour les essieux simples avec 96% des erreurs comprises dans l’intervalle [-1,6% ; 1,6%] au lieu de [-2,2% ; 2,2%], c’est-à-dire une amélioration de 27%.
La classe A(3) des spécifications COST323 est atteinte pour une vitesse maximale de 12 km/h, et la classe A(2) pour une vitesse maximale de 9,5 km/h.
Le LNE et le service de métrologie légale ont certifié le système en classe OIML(5) en 2005.
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3. Le pesage à vitesse courante
Les principaux résultats obtenus avec les techniques de pesage à vitesse courante font suite aux travaux réalisés dans l’action COST323 [Jacob et al., 2002] et dans le projet WAVE [Jacob, 1999] [Jacob, 2002]. Ils concernent le pesage en marche par grille multicapteurs et par pont instrumenté. Des améliorations de ces techniques sont proposées ci après.
3.1. Comportement des barreaux piézocéramiques Une étude concernant une meilleure compréhension du comportement des barreaux piézocéramiques utilisés pour le pesage en marche a été menée avec le service Métrologie Instrumentation du LCPC [Labry et al, 2005b]. Elle permet de prendre en compte les limites d’utilisation du barreau et ainsi d’améliorer la précision du capteur. Deux barreaux ont été testés. Ils utilisent le même câble coaxial piézocéramique (®Vibracoax), fabriqué par Thermocoax.
Le premier barreau est composé de couches de fibres de verre noyées dans de la résine époxy, afin de filtrer les sollicitations non verticales. Ce capteur sera dénommé ‘Capteur I’ par la suite.
Le second barreau est fabriqué par la société ECM (Electronique Contrôle Mesure), sous licence LCPC (Etat français - MULT/LCPC, Procédé de mesure des charges dynamiques appliquées à une chaussée par le trafic routier, Brevet d'invention n°85/00101 du 4/1/1985). Il comporte un U métalliqu e incorporé dans du sable-époxy mélangé avec de la mousse dans le but de filtrer les efforts non verticaux. Ce capteur sera dénommé ‘Capteur II’ par la suite.
Une expérimentation a été réalisée afin de tester et comparer la réponse des capteurs I et II pour différentes positions transversales.
Les réponses électriques des Capteurs I et II ont été enregistrées avec un amplificateur de charge, pour des points d’application de la force compris entre 0 et 1,65 m par rapport au bord des capteurs. La figure 38 montre les résultats obtenus pour une pression de 740 kN/m², qui est proche de la pression produite par un pneumatique de poids lourds. La réponse a été normalisée par rapport à la valeur maximale, atteinte au milieu du barreau. Le tracé de la figure 39 est basé sur l’hypothèse d’un comportement symétrique des barreaux.
Comme l’indiquent la modélisation par éléments finis et les essais en laboratoire, les deux types de barreaux piézocéramiques ne répondent pas seulement aux forces verticales directement appliquées par les roues, mais aussi aux sollicitations en flexion. Entre la zone centrale et les parties situées à 50 cm des extrémités, approximativement 20% de la sollicitation est perdue, avec une décroissance linéaire pour le Capteur II, et avec des variations aléatoires pour le Capteur I. Dans la zone centrale des capteurs, la réponse augmente légèrement (de 10%) pour atteindre sa valeur maximale au centre du barreau. Ce phénomène s’explique par l’effet de flexion globale, superposé aux effets de poinçonnement. Ceci explique certains problèmes rencontrés par des utilisateurs de systèmes de pesage en marche ces dix dernières années, c’est-à-dire une perte de sensibilité près des extrémités du
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barreau qui affecte la précision du système, et éventuellement l’étalonnage automatique.
Figure 39 – Réponse des capteurs piézocéramiques sollicités par une pression de 740 kN/m2 appliquée à différentes positions le long du
barreau.
Un test sur site a été mené et a confirmé la majorité des résultats obtenus en laboratoire. La courbe de troncature proposée a permis de réduire l’écart type de 33% pour tous les critères. Une loi de correction en fonction de la position transversale des roues a été proposée, qui a permit une amélioration sensible de la précision des mesures. Cette correction permet d’utiliser le capteur sur presque toute sa longueur. Une ‘zone morte’ doit être néanmoins considérée aux deux extrémités du capteur, et les camions, dont une roue passe dans cette zone, doivent être identifiés et leur pesée rejetée. En conclusion, il est recommandé d’associer un système de localisation transversale des roues à tout système de pesage en marche constitué de capteurs piezoélectriques, afin de corriger les mesures individuelles en fonction de la position des passages des roues et d’améliorer ainsi la précision du système. La longueur des capteurs et leur position dans la voie doivent être choisies en fonction des résultats présentés en 3.2, et dans le cas où les passages de roues de poids lourds se feraient trop fréquemment en dehors de la zone active des capteurs, le site ne doit pas être retenu.
3.2. Pesage multicapteur Le concept du pesage multicapteur consiste à multiplier les points de mesure des charges d’essieux le long d’une section de route pour éliminer autant que possible les effets dynamiques [Cebon and Winkler, 1991] liés aux interactions véhicule/ chaussée, et estimer au mieux le poids statique des essieux et véhicules
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[Dolcemascolo et Jacob, 1998a]. L’objectif est d’atteindre un niveau de précision et de fiabilité compatible avec les exigences du contrôle et de la verbalisation des surcharges. Dans une première étape, ces systèmes permettront d’affiner la présélection et la prévention. Le pesage multicapteurs se fait donc à vitesse courante et en pleine voie, à l’aide de ‘grilles de pesage’, constituées d’une série de capteurs qui mesurent individuellement les forces d’impact (charges) des essieux des poids lourds du trafic. Les technologies des barreaux de pesage actuellement sur le marché sont : piézocéramiques, piézoquartz, piézopolymères, ou fibres optiques.
Pour améliorer la précision du pesage en marche multicapteur, trois voies sont possibles :
− accroître la précision de la mesure individuelle des forces d’impact réalisée par chaque capteur : les travaux menés par le LCPC et présentés au § 3.1 ont permis de progresser en ce qui concerne les barreaux piézocéramiques,
− optimiser la conception des grilles de capteurs : détermination du nombre optimal de capteurs, de leur interdistance et de la position de la grille le long de la chaussée. Des résultats ont été obtenus par simulations.
− améliorer les algorithmes d’estimation du poids statique à partir des forces d’impact individuelles, notamment ceux proposés dans le projet WAVE [Jacob, 2002], et les valider par des simulations et des mesures réelles sur site.
3.2.1. Optimisation des grilles multicapteurs
Pour optimiser la conception de grilles multicapteurs, que nous considérons ‘uniformes‘, donc avec des capteurs équidistants selon les recommandations du projet WAVE, il faut travailler sur trois paramètres : le nombre et l’interdistance des capteurs, et la position absolue du premier capteur de la grille. Compte tenu du coût et des difficultés à installer de telles grilles sur route, nous avons commencé par mener une étude par simulation, permettant de considérer une grande variété de profils de chaussées, de types de véhicules, de conditions de trafic et de grilles de pesage [Labry et al, 2005c]. Des mesures d’uni d’une section de la RN4 dans la Meuse ont été réalisées et utilisées comme profils de route. Le logiciel Prosper a été utilisé pour générer les forces d’impact des essieux de plusieurs poids lourds circulant à différentes charges et vitesses sur ces profils. A partir de ces historiques de forces d’impact le long de sections de route, et pour chaque grille considérée et définie par la position du premier capteur et le nombre et interdistance des capteurs, nous avons constitué des échantillons de mesures virtuelles de pesage multicapteur, à savoir les forces d’impact des essieux au droit des capteurs.
Le profil de la chaussée mesuré avec l’Analyseur de Profil en Long (APL) est caractérisé par les variations de l’altimétrie de la surface de la chaussée sous chaque trace de roue. Il a été mesuré sur un kilomètre de long. Nous recherchons ensuite la zone de variance (d’altimétrie) minimale, qui est optimale pour l’installation de la grille, puisque générant le moins de variations de forces d’impact par excitation dynamique des poids lourds.
Pour cela nous balayons le signal d’uni avec une fenêtre glissante de longeur w, égale à la somme de la longueur maximale de la grille (estimée à 40 m), et de la
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longueur dite d’influence. Cette longueur d’influence est la distance sur laquelle s’amortissent les oscillations dynamiques d’un poids lourd engendrées par un défaut d’uni ponctuel, soit 10 à 12 longueurs d’onde. Pour des fréquences propres basses de l’ordre de 1,5 Hz et une vitesse de 24 m/s, la longueur d’onde est de 16 m, et donc la longueur d’influence est d’un peu moins de 200 m (valeur retenue). On a donc pris w=240 m (figure 37a).
(a)
Fenêtre debalayage
Zone optimale
Longueur grille
Longueurd’influence
(b)
Figure 40 – Fenêtre de balayage sur l’uni de la RN4 (a) et écart type de l’uni (b) de la RN4 (fenêtre de largeur 237 m)
La figure 40b montre les variations de l’écart type de l’uni en fonction de l’abscisse du premier capteur de la grille. On observe trois minima presque identiques pour chaque trace de roue droite et gauche. Pour des raisons opérationnelles, la position optimale choisie est à x = 195 m.
Pour un nombre n de capteurs uniformément répartis, la formule de Cebon [Cebon and Winkler, 1991] propose une distance inter-capteur optimale d, qui suppose la force d’impact sinusoïdale et affectée d’un bruit aléatoire, et dépend de la vitesse moyenne du trafic V (en m/s) et de la fréquence moyenne du mouvement de pompage des poids lourds f (en Hz ) :
2.
).1.(2
nf
Vnd
−= (7)
Les poids statiques sont ensuite estimés par la moyenne des forces d’impact fournies par chaque capteur de la grille. Cette méthode sera nommée « Méthode A » par la suite. Cette approche ne tient pas compte de l’uni de la chaussée et fait des hypothèses très simplistes sur la dynamique des poids lourds. Concernant ce deuxième point, une formule étendue à un signal à deux sinus a été proposée par [Stergioulas et al., 1998].
Si les forces d’impacts des roues des poids lourds varient en fonction de nombreux paramètres, donc les caractéristiques propres au véhicule, l’uni de la chaussée est
- 104 -
lui identique pour tous les véhicules. Ceci est à l’origine du phénomène dit de ‘répétabilité spatiale’ des forces d’impact [Cebon, 1999] et de ‘répétabilité spatiale statistique’ [Jacob et Dolcemascolo, 1997 & 1998].
Afin de prendre en compte ce phénomène de répétabilité spatiale pour l’échantillonnage des forces d’impact, la position des capteurs est choisie de telle sorte que l’erreur liée à cet échantillonnage soit minimale. Pour une entité donnée, poids total, d’essieu simple ou de groupe, et une mesure Wd, l’erreur relative par rapport à la valeur statique de référence Ws est donnée par :
100*s
sd
W
WWIF
−= (8)
où IF représente aussi le facteur d’impact relatif, Wd =F/g avec F la force d’impact en Newton, g la gravité (g= 9,81 m.s-2) et Ws le poids statique en kg.
Pour la recherche de la distance intercapteur optimale, nous avons moyenné les facteurs d’impact par entité pour un ensemble de poids lourds de référence, par capteur, donc en considérant les forces d’impact à l’abscisse correspondante à la localisation de chaque capteur. Les moyennes m et écart-type s de ces facteurs d’impact ont ensuite été calculés sur l’ensemble des capteurs de la grille.
Le critère d’optimisation choisi est : m2+s2, à minimiser pour trouver un compromis entre le biais et la dispersion des mesures. L’interdistance entre capteurs est donc la valeur d qui fournit ce minimum, et la méthode associée sera nommée « Méthode B » par la suite [Dolcemascolo et al., 2002].
Pour chaque entité, on trouve une interdistance optimale, et l’on a constaté qu’elles étaient toutes voisines, avec un léger écart pour les essieux de groupe.
Le tableau 2 compare les distances intercapteurs optimales obtenues par les méthodes A et B, et pour cette dernière pour deux positions du premier capteur, x=0 et x=195 m (optimum précédent). La méthode B donne des distances entre capteurs et donc des longueursde grille plus grandes que la méthode A et surtout qui ne décroissent pas lorsqeu le nombre de capteurs augmente, contrairement à ce que propose la formule de Cebon.
Tableau 2 - Distances intercapteurs optimisées et longueurs des grilles associées
Distance inter-capteur (m) Longueur totale de la grille (m) Nombre de
capteurs Méthode A Méthode B
x=0m Méthode B x=195m
Méthode A Méthode B x=0m
Méthode B x=195m
4 2,37 3,2 2,37 7,12 9,60 7,11
5 2,12 2,76 2,42 8,49 11,04 9,68
6 1,95 2,23 2,05 9,76 11,15 10,25
8 1,74 2,75 2,25 12,19 19,25 15,75
10 1,62 2,76 2,25 14,54 24,84 20,25
13 1,50 2,75 2,54 17,99 33,00 30,48
16 1,43 2,41 2,55 21,39 36,15 38,25
- 105 -
3.2.2. Validation des algorithmes de pesage multicapteur
La méthode proposée pour le dimensionnement des grilles multicapteurs, tenant compte de la répétabilité spatiale [Dolcemascolo et al., 2002], a été testée pour différents nombres de capteurs et deux algorithmes d’estimation du poids statique. Cette méthode a été comparée à celle développée par Stergioulas.
Aucune influence significative de la position de la grille sur une zone optimale de l’uni n’a pu être observée, et les algorithmes ont prouvé leur indépendance vis-à-vis du profil de la chaussée. Cette conclusion n’est valable que parce que la chaussée ne présente aucun creux ou bosse d’amplitude importante dans la zone d’influence.
Les deux algorithmes ont été comparés en utilisant les forces d’impact d’essieux simulées avec le logiciel Prosper, pour deux types de poids lourds, différentes vitesse, charges et caractéristiques de suspensions représentatives des conditions réelles [Dolcemascolo et Jacob, 1998a].
Le premier algorithme estime les poids statiques par la moyenne simple des forces d’impact mesurées par chaque capteur, puisque la moyenne spatiale des forces d’impact est égale au poids statique. Cette méthode est notée ‘SAve’ (Simple Average).
Le second algorithme utilise la méthode de reconstruction du signal (SR) développée au LCPC [Sainte-Marie et al, 1998] dans le cadre du projet européen WAVE [Jacob, 1999]. Cette méthode déterministe consiste à reconstruire le signal dynamique continu de la force d’impact, à partir de l’échantillonnage des mesures de la grille. Le poids statique est ensuite estimé en moyennant le signal reconstruit sur une longueur L, qui dépend des fréquences de pompage et de battement d’essieu du poids lourd, estimées par un filtrage de Kalman étendu.
Les figures 41 et 42 donnent les résultats de précision selon les spécifications COST323, exprimée en δmin pour chaque critère (tolérance pour le niveau de confiance minimal requis) pour des grilles de 4 à 16 capteurs, disposées à partir de deux positions initiales différentes (x=0 et 195m), et pour l’algorithme SAve et la méthode A de conception de la grille, et pour l’algorithme SR et la méthode B de conception de la grille. L’uni de la RN4 a été utilisé. L’algorithme d’estimation est un paramètre prépondérant sur la méthode de dimensionnement pour la précision.
La position de la grille a une légère influence sur la précision avec la méthode SAve, puisque la moyenne des forces d’impact mesurée dépend de l’échantillonnage qui doit fournir des valeurs sans biais moyen par rapport au poids statique Le nombre de capteurs semble avoir une influence limitée sur la précision, surtout lorsque la position de la grille est optimale.
Comme prévu par la théorie, la position de la grille a peu d’influence sur la précision avec l’algorithme SR, mais cette précision s’améliore avec le nombre de capteurs jusqu’à 10 ou 12.
- 106 -
Figure 41 - Influence de la conception de la grille, Méthode A, algorithme SAve
Figure 42 - Influence de la conception de la grille, Méthode B, algorithme SR
Dans la suite, la position du premier capteur de la grille sera fixée à x = 0 m.
Les figures 43 et 44 comparent les méthodes A et B de dimensionnement de grille pour divers nombres de capteurs et chaque algorithme.
La méthode B, donne des résultats un peu meilleurs pour les poids totaux et les essieux simples, pas toujours pour les essieux de groupe et groupes d’essieux ; ceci s’explique par le fait que les fréquences propres des groupes d’essieux sont plus élevées que celles de pompage de caisse, et donc les longueurs d’ondes associées plus courtes. Les grilles à plus courtes interdistances semblent donc parfois mieux adaptées.
Figure 43 - Comparaison de la « méthode A » et la « méthode B » – Position de la grille
x = 0 m - Algorithme Save
Figure 44 - Comparaison de la « méthode A » et la « méthode B » – Position de la
grille x = 0m - Algorithme SR
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La figure 45 compare les algorithmes d’estimation du poids statique avec des grilles conçues selon la « méthode B ».
Jusqu’à 5 capteurs, l’algorithme SAve fournit la meilleure précision, quel que soit le critère. Entre 5 et 8 capteurs, l ‘algorithme SR est meilleur pour le critère des essieux isolés. Au-delà de 8 capteurs, l’algorithme SR reste meilleur pour les essieux isolés mais les résultats sont équivalents pour les autres critères.
L’algorithme SR est sensible au nombre de capteurs composant la grille, avec une précision qui s’améliore rapidement jusqu’à 8 ou 10 capteurs. Le compromis entre coût et précision se situe donc autour de 8 à 12 capteurs.
L’algorithme SAve est beaucoup moins sensible au nombre de capteurs à partir de 4 ou 5, mais la précision dépend de la conception et de la position de la grille. La méthode proposée pour le choix des distances inter-capteur et de la position absolue de la grille par rapport à l’uni a permis d’obtenir d’assez bonnes précisions avec 4 ou 5 capteurs.
Figure 45 – Comparaison des algorithmes SAve et SR - Méthode B - Position de la grille x = 0 m
L’algorithme SR, comme prévu par la théorie, est peu sensible à la conception de la grille en dehors du nombre de capteurs. Il n’est efficace que pour un nombre de capteurs supérieur à 8.
En conclusion et à ce stade de l’étude, donc sans mesures sur site, il apparaît que :
- pour un faible nombre de capteurs, jusqu’à 6 ou 8 (grille économiques), l’algorithme naturel de la moyenne simple soit le plus adapté ; il est important de bien positionner les capteurs vis à vis de l’uni, et les interdistances n’étant pas très différentes selon les méthodes A ou B, le choix de leur méthode de calcul n’est pas critique ;
- à partir de 8 capteurs la méthode SR est un plus performante mais surtout plus robuste vis à vis de la conception de la grille, ce qui pourrait améliorer la fiabilité des résultats, plus que leur précision.
- 108 -
3.3. Le pesage par pont instrumenté Aux États-Unis une méthode a été proposée, comme alternative aux systèmes de pesage en marche usuels, qui consiste à instrumenter les ponts et à les utiliser comme des bascules [Moses, 1979], dite ‘B-WIM’ pour ‘Bridge Weight In Motion’. En Australie, cette méthode s’est développée par l'instrumentation de buses et de ponceaux (ponts de très courtes portées) [Peters, 1986]. Dans les années 1990, la technique du pesage en marche par pont instrumenté a été introduite puis développée en Slovénie, [Znidaric, 1999a] [Znidaric, 1999b] puis en Irlande [Dempsey, 1997] et en France. Elle a fait l’objet d’essais dans l'action COST 323 [Jacob et al., 2002] et d’améliorations dans le projet WAVE [Jacob, 1999 & 2002]. Ces améliorations ont permis d’augmenter la précision des mesures, d’étendre l'applicabilité du système à une gamme plus vaste de types de ponts (ponts cadre, ponts métalliques à dalle orthotrope, ...), et de développer le système FAD (Free of Axle Detector) qui ne nécessite plus de capteur sur la chaussée pour la détection des essieux et le calcul de la vitesse.
En France, des travaux sur le B-WIM ont été menés dans le cadre du contrat LCPC/DGMT (sujet 4 de l’opération de recherche Trucks). Le LCPC a acquis un système SiWIM2 commercialisé par la société slovène CESTEL et développé en partenariat avec la ZAG. L’objectif est d'évaluer ses performances sur différents types de ponts, de les améliorer si nécessaire, et de proposer à la DGMT les conditions de son utilisation pour la détection et le contrôle des surcharges de poids lourds Ce système n'a pas d'équivalent connu à ce jour dans le monde.
Le premier ouvrage instrumenté en France est un pont cadre sur la RN4, en Seine et Marne à proximité de Rozay-en-Brie [Bouteldja et al, 2006c]. Les performances du système ont été évaluées lors d'une expérimentation menée du 4 au 7 juillet 2005. La précision obtenue lors de cette première expérimentation était en classe C(15) selon les spécifications COST323. En configuration idéale, c'est-à-dire lors de passages centrés dans la voie de poids lourds d'essai, sans présence d’autres poids lourds sur le pont, et en condition de reproductibilité limitée, le système a atteint la classe A(5) sur la voie rapide, et B+(7) sur la voie lente. En reproductibilité générale, c'est à dire avec des poids lourds du trafic courant, le système a atteint la classe C(15).
3.3.1. Rappel de la méthode de pesage par pont instrumenté
Principe de pesage par pont instrumenté
Le principe de cette technique de pesage consiste à instrumenter une ou plusieurs sections d'une travée de pont à l'aide de jauges ou d’extensomètres, mesurant les déformations locales au passage des poids lourds sur l'ouvrage, en considérant que leur vitesse reste constante (figure 46).
On utilise les lignes d'influence (fonction de transfert entre les charges appliquées et les déformations induites), soit mesurées à l’aide de charges connues, soit calculées, pour calculer les charges inconnues du trafic à partir des déformation mesurées (résolution d’un problème inverse).
- 109 -
Les avantages de cette technique sont multiples. Le système est non détectable par les chauffeurs de poids lourds et protégé du vandalisme. Il est impossible de perturber la mesure ou d'échapper au contrôle en passant "à côté" du capteur. L'installation et la maintenance du système ne nécessitent ni coupure de voie, ni interruption du trafic, ni travaux de génie civil. Le coût du système est comparable à celui des autres systèmes de pesage en marche, et sa durabilité devrait être meilleure qu'avec des capteurs fixés dans la chaussée, exposés directement au trafic et aux intempéries, et qui doivent être remplacés à chaque renforcement de chaussée ou travaux de génie civil sur site. Toutefois cette technique ne remplace pas les techniques traditionnelles, mais les complète en offrant une alternative intéressante pour certains sites.
Figure 46 - Principe du pesage par pont instrumenté
La précision du système dépend de plusieurs facteurs :
− Longueur de la travée instrumentée : plus elle est grande et plus le nombre d'essieux présents simultanément augmente, ce qui dégrade la précision. En particulier, les essieux de groupe sont difficiles à détecter sur des travées de longue portée. En outre lorsque plusieurs véhicules passent simultanément, la pesée est perturbée. Il est donc recommandé de choisir des ponts (travées) de portées inférieures à 20 m pour éviter le risque d’avoir plus d’un véhicule à la fois sur la même voie. Pour des ponts de plus grandes portées, il est recommandé d’instrumenter des détails sensibles à des effets locaux ou semi-locaux, donc avec des longueur d’influence de moins de 5 à 20 m. L'influence du biais est peu significative (jusqu'à 45°), sauf pour les portées inférieures à la largeur de la travée.
− Ligne d'influence : elle est utilisée dans le calcul des poids et son choix est primordial. La ligne d'influence d’un effet (sollicitation ou déformation) en une section précise de l’ouvrage, donne en chaque point d’abscisse x le long du pont, la valeur de cet effet pour une charge unitaire appliquée en x. Plus la ligne d’influence théorique est proche de la ligne d'influence réelle de l’ouvrage, plus les pesées sont précises. En pratique, on utilise des lignes d’influence théoriques recalées à l’aide de mesures expérimentales.
- 110 -
− Vitesse des poids lourds : elle est utilisée pour ajuster les déformations mesurées sur les déformations théoriques en un point. Une erreur d'estimation de la vitesse induit des erreurs significatives dans l'estimation des poids, surtout pour les ponts courts ou les essieux simples pour les ponts longs. Il est donc primordial de mesurer précisément les vitesses, en utilisant des effets à très courte longueur d’influence (lignes d’influence à pic marqué), comme par exemple des efforts tranchants mesurés en deux sections à distance connue.
− Interaction dynamique poids lourd/pont : l’effet de la dynamique du véhicule ou du pont lui-même est généralement du second ordre sauf dans le cas d’un défaut local important de l’uni (bosse/trou, ou joint de chaussée à seuil), car les signaux de déformation sont filtrés par le pont et les variations dynamiques moyennées pendant le temps de séjour de l’essieu ou du poids lourd sur la travée instrumentée. Ceci peut être mis en défaut en cas de résonance entre une fréquence propre du pont et une du poids lourd. L’influence de la dynamique est donc plus importante pour les courtes portées. Des algorithmes avancés ont été proposés pour tenir compte de cette dynamique [Dempsey, 1997], [Dempsey et al., 1999a], [Gonzalez et O’Brien, 1998 & 2002].
− Étalonnage avec des poids lourds pré-pesés : l’étalonnage du système consiste essentiellement à caler la ligne d’influence théorique initiale sur la ligne réelle (inconnue) en ajustant les résultats de mesures réalisées avec des poids lourds d’essai de pois statiques connus. Il est important de s’assurer de la linéarité des déformations vis-à-vis des charges.
Théorie du pesage par pont instrumenté
La base théorique de cette technique a été établie par [Moses, 1979], et n'est que brièvement rappelée ici. Si G capteurs de déformation sont installés transversalement sous la superstructure du pont, le moment de flexion dans la section M, induit par un véhicule à l'instant t, peut être calculé par :
∑∑∑===
⋅=⋅==G
iiiii
G
ii
G
ii SESMM
111
εσ (9)
avec Mi le moment de flexion dans l'élément longitudinal comportant le ième capteur,
Ei et Si sont respectivement le module d'Young et la section du ième élément.
Ils sont supposés constants pour tous les éléments et leur produit représente un facteur d'étalonnage. σi, εi sont respectivement la contrainte et la déformation du ième élément.
Le pesage en marche par pont instrumenté (utilisant ici la flexion générale d’une travée ou d’une poutre de travée) consiste à résoudre un problème inverse : on mesure la déformation induite par le moment de flexion et on calcule les charges qui l'ont induite. En théorie, le nombre d'inconnues est égal, pour chaque véhicule, à celui des essieux, N. Il faut donc pour calculer ces inconnues, au minimum N moments de flexion différents (mesures de déformations) enregistrés pour N positions différentes du camion le long du pont. Le système d’équations requis est obtenu en utilisant la ligne d'influence du moment I(x). Pour un véhicule à N essieux,
- 111 -
avec des distances inter-essieux L1 à LN-1, et des charges d'essieux A1 à AN, le moment de flexion peut être calculé pour une position x du premier essieu :
( ) ∑ ∑=
−
=
−⋅⋅=
N
i
i
jji LxIAxM
1
1
1
(10)
Si le calcul de la ligne d'influence prend en compte le temps, et en supposant que la vitesse du véhicule est constante, le moment de flexion total ME(t) en fonction du temps t s'écrit :
( ) ( )∑=
⋅=N
iiiE xIAxM
1
(11) où I i(t) est l'ordonnée de la ligne d'influence du moment de flexion à l'emplacement du capteur, induit par l'essieu i au temps t.
En réalité on exploite les mesures réalisées pendant tout le temps de passage du camion sur la travée, avec un pas d’échantillonnage donné et donc beaucoup plu de N mesures en général, et on minimise l’erreur quadratique les moments mesurés MM et les moments théoriques ME. On obtient finalement :
MAF =⋅ (12)
[ ] ( ) ( )
[ ] ( ) ( )∑
∑
=
=
⋅==
⋅==
T
kkjkMij
T
kkjkiij
tItMMM
tItIFF
1
1 (13)
où F est la matrice des lignes d'influence des moments de flexion,
A le vecteur des poids d'essieux inconnus,
M le vecteur des moments mesurés,
T le nombre d'incréments de temps utilisés dans le calcul.
La vitesse du véhicule est supposée constante pendant la traversée de l’ouvrage.
Remarque : comme évoqué précédemment, cette théorie a donné des précisions médiocres sur certains types de pont dans le cas d'une interaction dynamique forte véhicule/pont. Des algorithmes dynamiques ont été proposés par [Dempsey, 1997], [Dempsey et al., 1999a]. Les réponses dynamiques théoriques et mesurées de la structure ont été comparées en tenant compte des fréquences propres des essieux, des caisses de poids lourds et du pont, ainsi que des amortissements. Ces algorithmes nécessitent une connaissance des paramètres de la dynamique du pont, acquis généralement par des mesures, et qui sont en cours d’intégration dans le système SiWIM2.
Description du système SiWIM
Il se compose d’un ensemble d’extensomètres (jusqu’à 16 en version standard), des câbles de liaison, de cartes d’acquisition (amplification, numérisation et filtrage des signaux) et d’un micro-ordinateur équipé du logiciel SiWIM2 pour le traitement et le stockage des données.
- 112 -
Figure 47 - Le principe de fonctionnement de SiWIM2
Les signaux provenant de chaque extensomètre (en général 8 capteurs par voie de circulation pour un ouvrage à deux voies, figure 47) sont amplifiés et numérisés par les cartes d’acquisition. Les données numérisées sont stockées dans un fichier et utilisés pour le calcul de la vitesse, de l'espacement entre essieux, des charges d'essieu, et du poids total du véhicule. Les extensomètres sont corrigés en température.
La détection des essieux est assurée par deux extensomètres par voie de circulation, positionnés de part et d’autre de la section centrale de la travée (figure 47), et les signaux correspondants permettent un premier calcul de la vitesse et des distances inter-essieux, donc d’identifier le type du véhicule. Le système est donc FAD, puisqu’il ne nécessite pas la présence de détecteur d'essieux sur la chaussée.. La figure 48 montre la réponse d’un extensomètre de la section à mi-travée d’un pont cadre au passage d'un poids lourd à 3 essieux, dont un tandem à l’arrière.
Figure 48 – Déformations enregistrées au passage d'un poids lourd à 3 essieux
0
-10
0.4 0.6 0.8 1
temps (s)
PL à trois essieux
0 0.2
-20
Micro déform
ation
0
-10
0.4 0.6 0.8 1
temps (s)
PL à trois essieuxPL à trois essieux
0 0.2
-20
Micro déform
ation
Déformation Signal
Instrumented span
Strain
Déformation Signal
Déformation Signal
Instrumented span
Strain
Instrumented span Instrumented span Instrumented span
Strain
- 113 -
Dans le cas présenté ici, les essieux y compris du tandem se distinguent nettement dans le signal. Mais il y a des cas où les pics ne permettent pas d’identifier correctement le nombre d'essieux. Ceci se produit notamment en cas d'essieux faiblement chargés ou très rapprochés. Dans ce cas, [Dempsey et al., 1999b] a proposé une procédure originale pour exploiter néanmoins les données. On choisit un camion à 6 essieux par défaut (nombre maximum courant d'essieux), avec une silhouette standard (T3R3) pour initialiser les paramètres et démarrer l'algorithme. On effectue ensuite l'optimisation (minimisation de l’erreur quadratique moyenne) sur les poids d'essieux et les distances entre essieux, en regroupant les essieux dont la distance est inférieure à 0,50 m, et ceux de poids inférieur à 3 kN (avec l'essieu le plus proche). L'expérience a montré que cette procédure permettait d’identifier correctement les poids lourds.
L'évaluation de la précision a été réalisée pour deux ponts cadres dans le cadre de cette opération et du contrat LCPC/DGMT 2004-2007, et est en cours pour d'autres types de ponts, notamment métalliques à dalle orthotrope. Il a été mis en évidence que la précision du système dépend :
− de la procédure d'installation des capteurs, du type de pont, de la sélection de la ligne d'influence,
− des irrégularités de la chaussée,
− de la précision du pesage statique qui fournit les valeurs de référence des poids d'essieux.
3.3.2. Instrumentation et résultats expérimentaux sur ponts cadres
Deux ponts cadres ont été instrumentés, l'un sur la route nationale RN4, près de Rozay-en-Brie, et l'autre sur la route nationale RN19, près de Nogent-Sur-Seine.
Choix et description des ouvrages
Des ponts-cadres de courte portée (5 à 10 m) ont été retenus, très courants sur le réseau routier et autoroutier, généralement faciles d'accès et aisés à instrumenter. Le Laboratoire Régional de l’Est Parisien (LREP) et le Laboratoire Régional de Nancy (LR de Nancy) ont procédé à la recherche de ces ouvrages sur routes nationales, en fonction des critères suivants :
(i) accès facile aux réseaux électrique et téléphonique,
(ii) accessibilité en-dessous des ponts,
(iii) faibles pentes longitudinales et latérales (< 2 - 3%),
(iv) section de route rectiligne ou à grand rayon de courbure (> 1 000 m),
(v) pas de croisement ou d'entrée/sortie à proximité de l’ouvrage.
La condition (v) n'a pas été remplie pour le pont de Nogent-sur-Seine, avec une sortie avant le pont, ce qui n’est pas gênant du fait que la pesée statique se fait après l’ouvrage.
Le pont de Rozay-en-Brie (RN4) porte deux voies de circulation dans la direction ouest-est. L'aire de pesée statique est située à 2 km en amont (figure 49). La travée
- 114 -
a 8 m de longueur et 13 m de largeur. Le biais du pont est de 10,6°. La dalle de béton a 60 cm d'épaisseur. Le profil de la route avant et sur le pont est bon. Le trafic lourd est de 2 000 camions par jour.
Figure 49 – Localisation et vue du pont de Rozay-en-Brie, et de son instrumentation
Le pont de Nogent-sur-Seine (RN19) porte une voie dans chaque sens de circulation. Sa dalle de béton a 60 cm d'épaisseur, 10 m de longueur et 11 m de largeur (figure 50). Le trafic lourd est d'environ de 1 500 poids lourds par jour. Le pesage statique se fait à 3 km en aval. L'uni de la RN19 avant et sur le pont est de bonne qualité dans le sens Paris-Province mais il y a une irrégularité de surface d’amplitude significative dans les courtes longueurs d’onde (comprise entre 0,7 et 2,4 m) dans le sens Province-Paris, ce qui engendre des mouvements de débattement de suspension significatifs. Cette bosse excite la dynamique des poids lourds et perturbe la pesée.
Figure 50 – Localisation et vue du pont de Nogent-sur-Seine et de l’instrumentation
Ouvrage à instrumentéOuvrage à instrumentéOuvrage à instrumentéOuvrage à instrumenté
- 115 -
3.3.3. Instrumentation des ponts cadres
Les deux ponts ont été instrumentés en 2005, en juillet pour Rozay-en-Brie et en septembre pour Nogent-sur-Seine. 16 extensomètres étaient fixés sous le tablier du pont. 12 de ces 16 extensomètres sont destinés à la pesée et sont disposés sur la ligne médiane des ouvrages. Les 4 capteurs supplémentaires sont destinés à la détection des essieux pour le calcul de la vitesse des véhicules. Ces capteurs de détection d'essieux sont numérotés 1, 8, 9 et 16. Ils sont théoriquement disposés à ¼ et ¾ de la travée (figure 51).
Figure 51 – Schémas de pose des extensomètres (à gauche : Rozay-en-Brie, à droite : Nogent-sur-Seine)
Les signaux des capteurs 8 et 16 sont principalement négatifs, et donc inefficaces pour la détection des essieux. Les capteurs utilisés comme détecteurs d'essieux sont donc finalement : 1 et 3 sur la voie 1, 9 et 13 sur la voie 2.
3.3.4. Plan d’expérience
Dans un premier temps les mesures ont servi à étalonner le système en utilisant deux camions pré-pesés. Puis le système a été évalué avec des camions du trafic pré- ou post-pesés en statique.
L’étalonnage a été réalisé avec un camion rigide à 2 essieux (Déflectomètre) et un tracteur à 2 essieux avec une semi-remorque à essieux tridem. Ces camions ont réalisé des passages répétés en conditions contrôlées (vitesse, position latérale, pas de présence d’autre camion sur l’ouvrage), et à deux charges différentes : pleine charge et mi-charge.
8m
0.7m
4m
Spider
Spider
10.6°
5.7°
ParisProv ince
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1.25m
2.5m
3.6m
3.6m
1.25m
0.75m
7.45m
5.7m
Glissière2m
Voie lente (1)
Voie rapide (2)
Bande d’ arrêt d’ urgence
8m
0.7m
4m
Spider
Spider
10.6°
5.7°
ParisProv ince
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Figure 52 – Site de pesage statique de Nogent sur Seine
Le nombre de poids lourds du trafic courant utilisés pour l’évaluation du système sur chaque site est de 33 à Rozay-en-Brie et 29 à Nogent-sur-Seine. Ces camions ont été interceptés par les forces de l’ordre, pesés en statique lors d’un contrôle, puis ont repris leur route. Seuls 27 et 11 de ces poids lourds ont été utilisés pour l'évaluation du système. Les autres n'ont pas été identifiés par le système ou par les observateurs, ou se sont trouvés sur l’ouvrage en même temps qu’un autre poids lourd sur la voie adjacente (présence multiple). À Nogent-sur-Seine, plusieurs camions pré-pesés issus du trafic courant ont quitté la RN19 en utilisant la sortie en amont du pont.
3.3.5. Résultats
L'évaluation de la précision du système SiWIM sur chaque pont a été faite avec l'échantillon des camions pré-pesés du trafic courant, en conditions de reproductibilité générale (R2) et de répétabilité environnementale (I), selon les spécifications COST323. Le tableau 3 décrit les éléments mathématiques utilisés pour apprécier les classes de précision et le tableau 4 présente les résultats obtenus.
Tableau 3 – Éléments mathématiques utilisés dans l’étude de la précision du SiWIM2
Nombre : Nombre de mesures retenues pour chaque critère
Moyenne : Moyenne des erreurs relatives entre le poids mesuré et le poids statique
Écart-type : Écart-type des erreurs relatives entre le poids mesuré et le poids statique
π0 : Niveau de confiance minimum requis, fixé par les conditions de l'essai (nombre de mesures, répétabilité / reproductibilité, etc…)
δ : Borne de l'intervalle de confiance centré [- δ, + δ] nécessaire à l'acceptation dans la classe de précision associée, pour chaque critère
δmin : Borne de l'intervalle de confiance [- δmin, + δmin ] associé au niveau de confiance π0
π : Niveau de confiance associé à l'intervalle de confiance [-δ, +δ]
Classe : Classe de précision obtenue pour chaque critère selon les spécifications européennes du pesage en marche (Action COST 323)
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Comme prévu pour un système de pesage par pont instrumenté, les essieux de groupe sont moins bien pesés, en classe C(15), que les autres entités. Les spécifications COST323 recommandent d’ailleurs de ne pas prendre en compte ce critère pour l’évaluation de la précision.
Tableau 4 – Résultats de précision du SiWIM2 sur chaque pont (selon COST323).
Rozay-en-Brie Nombre Moyenne Écart type ππππo Classe δδδδ δδδδmin ππππ Entités (%) (%) (%) (%) (%) (%)
Classe acceptée
Poids totaux 27 -0,29 3,66 89,2 B(10) 10 7,6 97,2
Groupes d’essieux 24 4,27 6,09 88,6 C(15) 18 14,6 95,8
Essieux isolés 55 -3,20 6,65 91,6 B(10) 15 14,7 92,2
Essieux de groupe 68 4,81 9,00 92,1 C(15) 25 20,3 97,4
C(15)
Nogent-S/Seine Nombre Moyenne Écart type ππππo Class δδδδ δδδδmin ππππ
Entités (%) (%) (%) (%) (%) (%)
Classe acceptée
Poids totaux 11 -0,03 3,1 81,9 B+(7) 7 6,7 84,6
Groupes d’essieux 12 -1,5 3,9 83 B+(7) 10 8,7 89,8
Essieux isolés 21 1,9 6,4 87,8 B(10) 15 13,7 91,5
Essieux de groupe 33 -0,7 11,9 90 C(15) 25 24,5 90,8
B(10)
Le tableau 4 se lit de la manière suivante. Sur le site de Rosay-en-Bry, on a :
− 89,2 % des erreurs relatives sur les poids totaux sont comprises entre [-7,6 ; +7,6%]
− Pour les groupes d’essieux, 88,6% des erreurs relatives sont comprises entre [-14,6 ; +14,6%]
− Pour les essieux isolés, 91,6% des erreurs relatives sont comprises entre [-14,7 ; +14,7%]. Pour les essieux de groupe, 92.1% des erreurs relatives sont comprises entre [-20.3 ; +20.3%].
Sur le site de Nogent Sur Seine, on constate que :
− 81,9 % des erreurs relatives sur les poids totaux sont comprises entre [-6,7 ; +6,7%]
− Pour les groupes d’essieux, 83% des erreurs relatives sont comprises entre [-8,7 ; +8.,7%]
− Pour les essieux isolés, 87,8% des erreurs relatives sont comprises entre [-13,7 ; +13,7%]
− Pour les essieux de groupe, 90% des erreurs relatives sont comprises entre [-24,5 ; +24,5%]
Les classes de précision pour les trois autres entités (poids totaux, groupes d’essieux et essieux isolés) sont assez homogènes, en classes B(10) à C(15) à Rozay-en-Brie où l’uni était mauvais et B(10) à B+(7) à Nogent-sur-Seine où l’uni était bon. Dans les deux cas, l’étalonnage, réalisé le jour précédent les essais, a donné d’excellents résultats, avec des biais moyens pour les poids totaux de -0,29% et –0,03%. Cependant, à Rozay-en-Brie, il y a des biais assez importants pour les
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essieux isolés (-3,2%) et les groupes d’essieux (+4,3%), indiquant un report de charge de l’avant vers l’arrière des poids lourds, sans doute du à l’effet des irrégularités de la chaussée.
4. Conclusions
Les essais réalisés avec un système français de pesage à basse vitesse ont permis ‘en évaluer la précision et de réaliser son agrément de modèle avec la métrologie légale. Cette technique donne des résultats de la même précision que le pesage statique traditionnel essieu par essieu, à condition d’utiliser des bascules encastrées dans la chaussée. Et pour des véhicules à vitesse stabilisée. Presque entièrement automatisée, la technique est aussi plus fiable que les pesées statiques, et a un rendement près de dix fois supérieur, ce qui permet de limiter le temps perdu par les chauffeurs et les poids lourds, et le personnel sur site. Les essais ont montré que la classe A(3) des spécifications COST323 est atteinte pour une vitesse maximale de 12km/h, et la classe A(2) pour une vitesse maximale de 9,5 km/h. Le Laboratoire National des Essais (LNE) et le Service de Métrologie Légale (SDM) ont étudié les résultats de terrain et les performances du système obtenues en laboratoire, et ont procédé à la certification du système proposé.
Comme prédit par la modélisation par éléments finis, les barreaux piézocéramiques des deux types fabriqués en France, type LCPC avec U métallique et bandes de mousse latérales, ou type Transfibre avec stratifié de résine et fibres de verre, ne répondent pas seulement aux sollicitations normales (verticales) de poinçonnement, mais également aux sollicitations en flexion, comme l’a montré un essai en laboratoire. L’essai a en outre permis de quantifier la réponse du capteur en fonction de la position du point d’application de la force le long du barreau. Les deux types de capteurs ont des réponses différentes. Une loi de correction en fonction de la position transversale de l’essieu (donc du point d’application de la force sur le barreau) a été proposée pour le barreau de type 1 (Transfibre), ce qui permet une amélioration sensible de la précision de mesure sur site. Sous réserve de validation avec des mesures sur route, cette correction permettrait d’utiliser le barreau sur toute sa longueur. Pour le barreau de type 2 (LCPC), une ‘zone morte’ doit être considérée aux deux extrémités, et les camions dont une roue passe dans cette zone doivent être identifiés par un capteur ‘off-scale’, et rejetés. En conclusion, il est nécessaire d’associer un système de localisation transversale des passages de roues au système de pesage en marche utilisant des barreaux piézocéramiques, pour corriger les mesures affectées par des passages de roues près des extrémités de ces barreaux.
Une nouvelle méthode a été proposée pour la conception des grilles pesage en marche multicapteurs, tenant compte de la répétabilité spatiale des forces d’impact d’essieux et donc indirectement de l’uni et du profil de la chaussée, et a été testée par simulation pour des grilles à nombre variable de capteurs. Deux algorithmes d’estimation du poids statique ont été utilisés. Cette méthode de conception a été comparée la méthode (formule de) Cebon, qui ne tient pas compte des caractéristiques de la chaussée. Outre l’interdistance optimale entre barreaux en fonction de leur nombre, cette méthode propose une position optimale du premier barreau de la grille, donc un positionnement absolu de celle-ci. Les performances de
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l’algorithme d’estimation SAve (moyenne simple) semblent peu influencées par le nombre de capteurs (entre 4 et 16), mais sensibles à la conception (distances intercapteurs et position absolue) de la grille. Les grilles optimisées à 4 ou 5 capteurs donnent une précision équivalente à celles de grilles conçues par la formule de Cebon et comportant un plus grand nombre de capteurs. L’algorithme SR (reconstruction du signal), comme prévu par la théorie, est peu sensible à la conception de la grille, mais le nombre de capteurs doit être au moins égal à 8.
Le système slovène de pesage par pont instrumenté SiWIM2 a également été évalué dans le cadre de ce travail. Outre l’estimation de sa précision et de ses conditions d’emploi, des agents ont été formés à l’installation du système, à sa mise en œuvre, et à l’utilisation du logiciel. Parmi les avantages de cette méthode: portabilité et facilité d’implantation des capteurs, maintenance aisée, précision satisfaisante La classe de précision obtenue sur deux ponts cadres est C(15) en conditions moyennes et B(10) dans des conditions excellentes. Quelques limites du système et des voies d’amélioration ont été trouvées, et des recommandations formulées.
Le choix du site est primordial : il ne faut pas de pente transversale ni longitudinale importante (inférieure à 3%) pour éviter les accélérations ou les décélérations des poids lourds sur le pont. Les entrées et sorties en amont ou en aval du pont doivent être éloignées pour éviter les gradients de vitesses. Enfin, il faut éviter les bosses et les creux et toute irrégularité importante de la chaussée en amont du pont pour limiter les effets dynamiques.
Des essais réalisés sur un pont à dalle orthotrope n’ont pas donné de résultats satisfaisants. Après un problème de fixation des extensomètres maintenant résolu, il s’avère que le système ne prend pas en compte convenablement le fonctionnement de ce type de pont, très sensible à la position transversale des roues. Contrairement aux ponts cadres en béton, la ligne d’influence n’est plus suffisante et il faut considérer une surface d’influence bi-dimensionnelle. Le SiWIM doit être modifié pour cela. Il doit mesurer les positions transversales des roues droite et gauche du véhicule sur le pont et leurs associer les lignes d’influence correspondantes, fonction de ces positions transversales. Des recommandations ont été formulées en ce sens au fabricant du système.
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Chapitre 6
Conclusions générales, recommandations et perspectives
L’opération de recherche TRUCKS a permis de mettre en lumière les problèmes posés par le trafic des poids lourds :
− sur la sécurité routière,
− sur la congestion des réseaux,
− sur la gestion du patrimoine des infrastructures.
Les études d’accidentologie ont révélé que la présence d’un poids lourd dans un accident multiplie par 2,6 le risque d’avoir un tué. Parmi les accidents impliquant un poids lourd et un autre véhicule, c'est plus fréquemment l'autre véhicule qui est à l'origine de l'accident et le poids lourd, qui n'a que peu ou pas de temps pour réagir de par sa masse, son encombrement ou ses capacités d'accélération ou de freinage, en aggrave les conséquences. C'est notamment le cas des accidents par perte de contrôle d'un autre véhicule, de collisions en intersection ou lors de dépassements. Dans la plupart des accidents mortels avec un poids lourd, les tués sont des usagers externes au poids lourd, toutefois ramenés au kilométrage parcouru, les poids lourds sont moins impliqués dans les accidents corporels mais ceux-ci sont plus graves. Les accidents de poids lourds se produisent le plus souvent hors intersection et en rase campagne, où ils sont deux fois plus graves qu’en milieu urbain. Il ressort de ce rapport que certaines caractéristiques de l'infrastructure jouent un rôle dans les accidents corporels où un poids lourd est impliqué, notamment les pentes, les virages et l'état de la chaussée (mouillée notamment). Les giratoires présentent également une géométrie particulière et difficile à négocier pour les poids lourds. Quelques valeurs seuils ont pu être déterminées par simulations. Dans les courbes de faible rayon, il faut limiter la vitesse des poids lourds à 55 km/h, le dévers à 5%, et maintenir une adhérence comprise entre 0,50 et 0,65 (CFT). Dans les giratoires, il serait souhaitable de limiter le dévers vers l’extérieur à 3%. Enfin, il serait préférable d’éviter les rampes de grande longueur de pente supérieure à 5%. Ces premiers résultats sont bien corrélés avec les études bibliographiques.
L’analyse des conséquences d’un accident de poids lourd sur les conditions de trafic montre l’acuité de ce problème. Un poids lourd renversé dans un rond point, ou en travers d’une route à cause de la neige sur une faible pente peut paralyser tout le trafic d’un grand axe. 25% des renversements occasionnent une coupure de l’axe de
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plus de 5 heures, et ce type d’accident est le plus fréquent pour les poids lourds isolés. Le chauffeur du poids lourd est généralement responsable des problèmes relevés : excès de vitesse en entrée d’un giratoire, souvent associé à un défaut de stabilité de la charge (mauvais arrimage, position sur la longueur de la remorque, hauteur du centre de gravité,…), ou poursuite du voyage alors que les conditions météorologiques devraient imposer l’arrêt immédiat. Les conséquences de ces congestions sont plus économiques qu’humaines, car consécutives à des accidents le plus souvent matériels. La modélisation des poids lourds de type T2R3 (tracteur à 2 essieux et semi-remorque à essieux tridem), les plus sensibles aux renversements, a permis d’améliorer la compréhension des causes de l’accident. Le modèle dynamique développé, assez simple mais réaliste, et permettant de prendre en compte les profils en long et en travers et les caractéristiques d’adhérence de la route, a été ensuite associé à un algorithme de prédiction de renversement, utilisant le critère du ratio de transfert de charge (Load Transfer Ratio, LTR), un ensemble de capteurs (accéléromètres et capteurs de déplacements) et une méthode d’estimation des paramètres non mesurés de la dynamique du poids lourd à l’aide d’observateurs à modes glissants. L’ensemble a permis de développer un système de prévision et d’alerte anti-renversement original qui anticipe les caractéristiques de la route à venir. Ce système va permettre d’avertir les chauffeurs qui se trouveraient dans une situation proche du renversement, assez tôt pour qu’ils puissent réagir. Le modèle dynamique du poids lourd en interaction avec la route a été validé par comparaison avec le logiciel de référence PROSPER. Pour valider les résultats théoriques et numériques de l’étude, une expérimentation sera réalisée à l’aide d’un poids lourd instrumenté dans le cadre du projet VIF pour mesurer en temps réel les forces verticales sous chaque roue. En outre, un système de communication entre l’infrastructure équipée d’une station de pesage et le poids lourd est en cours de développement dans ce même projet VIF. Il permettra de transmettre au poids lourd des autorisations d’accès à certaines portions de l’infrastructures, une vitesse limite dans les virages, ou une distance de sécurité.
Les outils de détection et de contrôle des surcharges utilisant les diverses techniques du pesage en marche ont fait l’objet de deux contrats d’étude entre la DGMT et le LCPC. Les surcharges constituent un élément de concurrence déloyale entre transporteurs, entre modes de transports, et de fraude fiscale, en sus des risques accrus d’endommagement des infrastructures et d’accidents, avec des conséquences majorées. L’opération et le premier contrat (2001-2004) ont permis de finaliser la qualification d’un matériel de pesage à basse vitesse et de ses conditions de mise en œuvre, et un essai réalisé conjointement avec le Laboratoire National d’Essais et le fabricant ont contribué à l’obtention d’un agrément de modèle par le Service de Métrologie Légale. Ce système peut donc à présent être utilisé de façon opérationnelle pour les contrôles de surcharge, avec un rendement nettement supérieur à celui des pesées statiques traditionnelles. Le premier système a été installé sur une aire de contrôle de la RN4 dans la Meuse, et mis en service il y a un an.
Pour améliorer la détection des poids lourds en surcharge dans le trafic courant, les techniques de pesage en marche à pleine vitesse ont également été utilisées. Suite aux expérimentations réalisées dans l’action COST323 (1993-1998) avec divers systèmes existants, et des essais complémentaires menées par le CETE de l’Est avec deux systèmes combinant la vidéo et le pesage en marche pour la détection
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des poids lourds en surcharge, la DGMT a lancé un marché pour équiper le réseau routier national et autoroutier concédé, de 10 à 40 systèmes de présélection de surcharges, et améliorer ainsi l’efficacité du contrôle. Ces équipements permettent également de contrôler la vitesse moyenne des poids lourds sur quelques dizaines de mètres et de détecter des excès révélant des fraudes au limiteur de vitesse. Le système complet comporte donc trois modules communiquant entre eux : un équipement de pesage en marche (EPM), un module de réception basé sur l’aire de pesage statique (MRPS) et un module de vitesses moyennes (MVM). Le LCPC et le CETE de l’Est ont été chargés d’identifier et d’expertiser les premiers sites destinés à accueillir ces équipements. Une vingtaine de sites ont ainsi été retenus plusieurs régions. Depuis 2007 la DGMT a lancé l’installation et la mise en service de ces systèmes par la société Sterela, titulaire du marché, et en concertation avec les DRE et les sociétés d’autoroute concernées. Une dizaine de sites sont déjà équipés et en service ou en cours d’installation.
Enfin, en vue d’accroître la précision des pesées en pleine voie, et donc d’affiner la présélection des surcharges, deux techniques déjà développées et perfectionnées dans le projet WAVE (1996-1999), ont été approfondies :
− le pesage multicapteurs, utilisant des grilles de barreaux de pesage,
− le pesage par ponts instrumentés.
Au delà des algorithmes de pesage multicapteur développés dans le projet WAVE, une méthode d’optimisation de la conception de grille multicapteur a été proposée, pour choisir les distances entre capteurs en fonction de leur nombre et leur position absolue sur la chaussée en fonction de l’uni. Cette méthode tient compte du phénomène dit de répétabilité spatiale statistique mis en évidence dans le projet DIVINE de l’OCDE (1993-1997), et des interactions dynamiques entre les poids lourds et la route. Elle a été validée par des simulations numériques utilisant des forces d’impact d’essieux générées par le logiciel PROSPER. Une expérimentation à grande échelle a démarré en fin de période de l’opération.
Des essais sur deux ponts cadres ont été réalisés avec le système de pesage par pont instrumenté slovène SiWIM acquis par le LCPC. Ils ont permis de qualifier le système en classe de précision (COST323) C(15) à B(10) selon les conditions de l’uni de la chaussée, donc des performances équivalentes aux bons systèmes de pesage utilisant des barreaux en chaussées. Des recommandations sur le choix des ponts et leur instrumentation, ainsi que pour l’étalonnage du système ont été proposées, et des personnels des laboratoires régionaux de l’est parisien et de Nancy formés. Ce type de système présente des avantages opérationnels importants, comme d’éviter toute coupure de voie et de trafic pour l’installation et la maintenance, le fait de ne pas être détectable ni évitable par les chauffeurs, et de pouvoir être déplacé d’un ouvrage à un autre. La DGMT pourra donc l’intégrer dans le prochain appel d’offre de systèmes de présélection. D’ici là quelques systèmes pourront être installé et mis en œuvre hors marché.
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A l’issue des travaux de cette opération de recherche, sont formulées les recommandations suivantes :
− approfondir le rôle des caractéristiques de l’infrastructure sur les accidents de poids lourds en utilisant des modélisations et simulations plus fines des paramètres d’entrée liés à l’infrastructure (uni, adhérence) et au véhicule (type, chargement, vitesse,…),
− poursuivre la validation expérimentale du système anti-renversement,
− développer les communications entre l’infrastructure et les véhicules lourds pour la sécurité routière et des infrastructures,
− poursuivre l’amélioration des systèmes de pesage en marche à vitesse courante, notamment en visant une meilleure fiabilité des mesures au cours du temps, et l’obtention d’une précision de l’estimation des poids statiques compatible avec les exigences du contrôle automatisé.
Dans son livre blanc « La politique européenne des transports à l’horizon 2010 : l’heure des choix », la Commission européenne place le développement des transports propres et intelligents au cœur des priorités. La notion de « transports intelligents » recouvre les applications des technologies de l’information et de la communication (TIC) au domaine des transports. Ces technologies ont un rôle essentiel à jouer pour améliorer la sécurité et la sûreté et pour optimiser l’utilisation des infrastructures ; elles jouent également un rôle important pour limiter les consommations d’énergie, les pollutions et les nuisances. Ajoutons à ces objectifs initiaux, un avantage secondaire mais de taille : la mise en œuvre des technologies de l’information et de la communication facilitera une approche intermodale pour créer de nouveaux services aux usagers et pour favoriser l’évolution des comportements vers des transports plus respectueux de l’environnement et plus sûrs.
Par ailleurs, le développement du transport de marchandises pose des problèmes de maîtrise générale des flux, de sécurité et de congestion sur les principaux corridors européens et les grandes agglomérations. Face à ce problème, il faudra trouver des méthodes d’exploitation et de régulation plus efficaces comme l’assistance à la conduite, l’information des conducteurs dans une perspective d’amélioration de la sécurité routière, les contrôles réglementaires des poids et dimensions, et développer l’intermodalité. Il est nécessaire que l’ensemble des acteurs trouvent des réponses à leurs besoins. Ces réponses doivent être apportées par les constructeurs de matériels, les éditeurs de logiciels et les fournisseurs de services externalisés.
Si les entreprises de transport attendent des solutions peu coûteuses et fiables, les organismes publics ont besoin d’interopérabilité et de pérennité dans les échanges d’informations avec les professionnels. Les transporteurs peuvent aujourd’hui équiper leurs camions de systèmes de localisation et d’outils de communication embarqués. Les constructeurs équipent progressivement leurs véhicules de systèmes électroniques qui permettent de savoir comment ils ont été utilisés et maintenus. Les infrastructures routières se dotent de capteurs spécifiques et de systèmes de communication avec les usagers, les véhicules et les gestionnaires. Devant le nombre et la variété des progrès réalisés, les constructeurs de camions,
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les concepteurs et les gestionnaires d’infrastructures, les fabricants de pneumatiques, les logisticiens tout autant que les transporteurs eux-mêmes sont conduits à se poser les questions suivantes :
− Quelles sont les possibilités optimales d’exploitation des technologies d’échanges d’information ?
− Comment concevoir un système de transport routier faisant communiquer l’ensemble des parties prenantes ?
− Comment mieux utiliser les systèmes embarqués dans les véhicules pour améliorer la sécurité et gérer les flux : gestion des carrefours, détection des piétons, localisation d’autres véhicules, communication avec l’infrastructure, dispositifs de mesure de la vigilance du conducteur… ?
− Comment s’assurer de la conformité des poids lourds qui circulent sur les infrastructures, et de leurs charges en particulier ?
− Enfin comment participer au développement durable en réduisant les émissions polluantes des poids lourds en particulier ?
Pour répondre à toutes ces questions relatives aux poids lourds, il semble important de poursuivre la recherche avec comme objectif d’améliorer la sécurité du trafic et des infrastructures vis-à-vis des risques liés aux poids lourds, de limiter les impacts du transport routier de marchandises sur les infrastructures et l'environnement en s’appuyant fortement sur ces nouvelles possibilités de communication. Pour ce faire il conviendra de travailler sur les points suivants :
− étudier et maîtriser les risques de perte de contrôle des poids lourds en contrôlant leurs trajectoires (dispositifs embarqués, alertes…), en adaptant la conduite en fonction des caractéristiques de l’infrastructure et des conditions d’environnement (trafic, météo, visibilité, etc.), en identifiant les zones à risques et les améliorations qui pourraient être apportées à l’infrastructure. Des propositions pourraient également être faites aux constructeurs de ces véhicules pour améliorer leur stabilité et leur motricité,
− évaluer et maîtriser les impacts des poids lourds sur l’infrastructure, en mettant en évidence les risques pour les chaussées et les ouvrages d’art face à l’accroissement de leurs poids et dimensions, de leur fréquence et des évolutions de la réglementation européenne. Des stratégies de gestion des poids lourds sur les infrastructures devraient être proposées pour limiter l’endommagement, les coûts de maintenance et garantir la durabilité de ces dernières,
− permettre un contrôle plus automatisé des surcharges en développant de nouveaux outils de pesage en marche, notamment en poursuivant la mise au point et l’expérimentation des systèmes de pesage multicapteurs, en développant et en généralisant le pesage en marche par ponts instrumentés (y compris le cas échéant par mesure de réactions d’appui) et son intégration dans le réseau national de pré-sélection des surcharges ; en développant un système économique et fiable de pesage embarqué dans les poids lourds,
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− réaliser une évaluation technico-économique des impacts du trafic lourd sur l’environnement et proposer des outils pour la tarification routière ; en étudiant la réduction de consommation et d’émission de polluants par le routage et la gestion des vitesses en fonction du profil de la route, des frottements et effets aérodynamiques ; en définissant des éléments technico-économiques pour des outils de tarification routière des poids lourds, notamment péage en fonction des poids ou des dommages et impacts induits.
Une nouvelle opération de recherche englobant ces thématiques devra naturellement se dérouler en liaison avec d’autres opérations traitant des questions de sécurité et de circulation des poids lourds en conditions météo dégradées.
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Document publié par le LCPC sous le N° C1502528Impression JOUVE
Dépôt légal 4e trimestre 2008