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Présentation générale

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Présentation au sujet: "Présentation générale"— Transcription de la présentation:

0 Thèse présentée par Laurent GÉLY.
Modélisation et Optimisation de la Gestion Opérationnelle du Trafic Ferroviaire en cas d’Aléas. Thèse présentée par Laurent GÉLY.

1 Présentation générale
Développer les solutions pour un outil d’aide à la décision dédié à la gestion du trafic ferroviaire en cas d’aléas. Collaboration (thèse CIFRE) Université Bordeaux I: Pierre PESNEAU, François VANDERBECK, SNCF DI&R: Gilles DESSAGNE.

2 Evolutions du système LIPARI. Conception du système EIFEL.
Plan Problématique, enjeux. Evolutions du système LIPARI. Conception du système EIFEL. Conclusion et Perspectives. Plan général

3 I. Problématique, enjeux
Définitions du problème et des enjeux. État de l’art, Présentation générale des travaux. Evolutions du système LIPARI. Conception du système EIFEL. Conclusion & Perspectives. Détail de la 1ere partie

4 Périmètre et définition du problème.
Aujourd’hui la production ferroviaire est divisée en plusieurs catégories de problèmes. La gestion temps réel des (mouvements des) circulations: (replanification + reroutage). Suite à un incident, les horaires (itinéraires) prévus ne sont plus réalisables. Solution: de nouveaux horaires (vitesses), itinéraires, et ordonnancements afin de limiter les conséquences. Respect des contraintes métiers (sécurité, organisation, …) conception de lignes, planification (conception des horaires), routage (affectation aux voies, quais), gestion des ressources matérielles, gestion des ressources humaines,

5 => Intérêt d’outils d’aide à la décision.
Enjeux industriels. Constat industriel: accroissement de la taille des zones de régulation, de la densité des trafics. Besoin d’une régulation plus globale pour optimiser l’utilisation de l’infrastructure (quantité & qualité). => Intérêt d’outils d’aide à la décision. Opportunité liée à la réorganisation de la régulation (C.C.R.): nouveau système d’information + nouveau formalisme, mise en place d’un nouveau système (intégration).

6 Missions de recherche. Trois phases «cœur de métier» :
Modélisation (formalisation, représentations) Formulation (modèles math., algorithmes) Implémentation (écriture logicielle optimisée, intégration) + un ensemble de problématiques industrielles connexes à considérer. Comment ? Au travers des 3 phases suivantes.

7 I. Problématique, enjeux: état de l’art.
Définitions du problème et des enjeux. État de l’art. Présentation générale des travaux. Evolutions du système LIPARI. Conception du système EIFEL. Conclusion & Perspectives. Détail de la 1ere partie

8 Etat de l’art (planification + replanification).
Des modèles métiers incomplets. Etudes manquants de réalisme industriel. De nombreuses méthodes de résolution. Pas de base de comparaison. Tornquist (PhD 2006) . Cas trop spécifiques (adaptés à d’autres contextes étrangers). Pas de modèle présentant un schéma d’intégration industriel.

9 Etat de l’art (autres travaux particulièrement intéressants).
(TU Delft): Pachl, Hansen (« bluebook » 2008): Démarche de formalisation, en particulier espacements « blocking time theory ». (TU Delft, Roma 3): D’Ariano (PhD 2008), Corman (PhD 2010), Réalisme des études (Roma): modélisation gare d’Utrecht. (ETH Zurich): Caimi (PhD 2009), Fuchsberger Problématiques des niveaux de description.

10 I. Problématiques, enjeux: les ambitions du projet.
Problématique, enjeux: Définitions du problème et des enjeux. État de l’art. Présentation générale des travaux. Evolutions du système LIPARI. Conception du système EIFEL. Conclusion & Perspectives.

11 Architecture cible en étude/opérationnel.
1 traitement des données: ecart => conflit, probleme 2 analyse et défiinition du problème: taille, zones importantes, … 3 traduction en pb math 4 resolution 5 retranscrire en commandes au niveau terrain.

12 Historique des réalisations:
Planification (DEMIURGE), puis deux projets de régulation: Evolution du système LIPARI: Réécriture, amélioration, formulation et réglages solver. Extension espacements fonction des vitesses. Nombreuses expérimentations métiers (variantes). Système collaboratif optim./simu . Deux niveaux de description. Des conditions expérimentales simplifiées. Conception du système EIFEL: Nouvelle représentation: modèle gérant différents niveaux. Formalisation complète du problème de régulation: modèles. Redévelopper la formulation complète déjà expérimentée. Autres formulations pour étendre les capacités de l’outil. Possibilités de couplage avec le modèle multiniveau. Spécification d’un schéma d’intégration (nouvel usage simu.).

13 II. Un premier projet, le système LIPARI.
Problématique, Enjeux. Evolutions du système LIPARI Architecture système LIPARI, Etudes réalisées, Conclusions, définition de nouveaux besoins. Conception du système EIFEL. Conclusion & Perspectives.

14 Architecture système LIPARI.
Ma place: Moteur d’optimisation: écriture des contraintes math., paramétrages Cplex, debugage métier/math Puis extension vitesses.

15 II. Un premier projet, le Système LIPARI.
Problématique, Enjeux. Evolutions du système LIPARI Architecture système LIPARI, Etudes réalisées, Conclusions, définition de nouveaux besoins. Conception du système EIFEL. Conclusion & Perspectives.

16 1ère catégorie d’études: gestion du trafic en situation perturbée.
Un terrain d’étude pour améliorer la formulation: Objectif: aider les experts dans leur prise de décision en leur proposant des solutions, suite à une perturbation. Cadre: gestion d’incidents mineurs à moyens. (ex.: plusieurs minutes au sein d’une zone à fort trafic) Protocole: Objectif: limiter les perturbations Leviers d’actions: horaires (vitesses), réordonnancement, routages. Temps de résolution: limite fixée à 5mn.

17 Campagnes d’études de problèmes métiers: Tours-Bordeaux, Éole, LN1 …
Etudes représentatives de problèmes métiers: Tours-Bordeaux IPCS (choix de voies) réordonnancements ÉOLE (projet de connexion entre les réseaux est et ouest de Paris) Jusqu’à 542 trains. 1 v 1 , 5 5 . 1

18 Tailles des problèmes mathématiques.
Variantes influençant la complexité: avec ou sans routage (IPCS), quantité de réordonnancements possibles, taille de l’étude (espace / temps), Temps de calcul = exp(taille/difficulté de l’étude) … DEMIURGE: offline avec reponse 5-10mn

19 2eme catégorie d’études: problème de fluidification du trafic.
Objectif: gérer une zone afin de prévenir les conflits, et ainsi optimiser la fluidité du trafic (maximiser le débit). Principe: « onde verte » Décisions: vitesses. Défi: la précision (des espacements, des consignes de vitesse). 1 5 , v . Space time First speed limitation (incident) With fluidification Without fluidification gain Signaling system Second speed limitation (consequence)

20 Le nœud ferroviaire de Rémilly – Baudrecourt.
Rayon = 50 km Trafic hétérogène, (fret international, trafic régional, TGV) Vitesses très différentes. => Modification du modèle math. 1 v 1 , 5 5 . 1

21 II. Un premier projet, le Système LIPARI.
Problématique, Enjeux. Evolutions du système LIPARI Architecture LIPARI, Etudes réalises, Conclusions, définition de nouveaux besoins. Conception du système EIFEL. Perspectives & Conclusion.

22 Retour d’expérience (formulation « temps continu », base LIPARI).
Ces études ont montré: + des problèmes métiers de taille réelle sont traités, + avec précision: espacements fonction des vitesses, sensibilité aux données: de faibles variations peuvent causer problèmes (cf. fluidification), - disponibilité des données, - communication problématique entre niveaux de représentation. De plus, en « situation idéale » : niveaux de représentation (pertinents) fixés (1 macro. / 1 micro.), durée d’incident, taille de l’étude prédéfinis. 1 v 1 , 5 5 . 1

23 Conclusions et identification de nouveaux besoins
Conclusions et identification de nouveaux besoins (suite aux expériences sur base LIPARI) Problème de représentation (passage entre différents niveaux). Étendre le domaine de validité des outils: fluidification, situation perturbée, coordination d’axe. Besoin d’unification et formalisation. Intégration complètement réaliste dans un système de contrôle commande et un système logiciel. Opportunité de définir les besoins et aider à définir l’architecture nécessaire.

24 III. Le Projet EIFEL: formalisme.
Problématique, Enjeux. Evolutions du système LIPARI. Conception du système EIFEL: Un formalisme pour l’exploitation ferroviaire. Formulations mathématiques. Intégration système. Conclusion & Perspectives.

25 1. Modélisation. Consiste à formaliser la réalité du système ferroviaire en un modèle abstrait afin de le traduire ensuite en une formulation mathématique. Ce travail a permis: une formalisation complète du problème de régulation permettant de décrire tous les fonctionnements possibles du système ferroviaire, (cf. manuscrit) une nouvelle représentation de l’infrastructure.

26 La représentation classique:. du métier à l’abstrait, du micro
La représentation classique: du métier à l’abstrait, du micro. au macro. arcs = voies ou axes principaux. nœuds = bifurcations, jonctions ou gares.

27 Les limites de la représentation classique,
Les limites de la représentation classique, des agrégation incohérentes. graphe A: nœuds de natures différentes. graphe B: le nœud est un point virtuel, pas une ressource d’infra. graphe C: l’arc représentant la LGV agrège des nœuds et des arcs.

28 Nouvelle représentation: exemple d’agrégation.
un nœud représenterait une agrégation de ressources. => incohérence arcs = ressources nœuds=interconnexions Traduction (arcs => nœuds) , puis connexités. nœuds = ressources arcs = relation de connexité

29 Agrégation en parallèle: évolutions des propriétés des objets.
Évolution des propriétés: Capacité, débit, espacements de type succession, changement d’ordre possible…

30 Agrégation en série: évolutions des propriétés des objets.
Évolution des propriétés: Capacité, débit, espacements de type conflit, changement d’ordre impossible, …

31 Apports de la représentation multiniveau.
Fonctions d’agrégation et désagrégation automatisables (propriétés des objets) Permet de s’adapter à n’importe quel niveau de description: coopération entre éléments logiciels, description détaillée ou simplifiée selon le besoin, adapter la complexité du problème mathématique attenant (cf. couplage avec le choix de formulations). n.b.: principe peut s’appliquer à d’autres domaines. Informatique: grilles de calculs, archi. processeur, … Réseaux: télécom, routier, eau, gaz, électricité, … Systèmes complexes: médecine,…

32 III. EIFEL: formulations mathématiques
Problématique, Enjeux. Evolutions du système LIPARI. Conception du système EIFEL: Un formalisme pour l’exploitation ferroviaire. Formulations mathématiques. Intégration système. Conclusion & Perspectives.

33 2. Formulations. Nous avons développé:
formulation mathématique en temps continu exhaustif prenant en compte le problème des espacements liés aux vitesses, formulations en temps discret et mixte dont les propriétés peuvent être mises à profit, couplage avec le modèle multiniveau.

34 Formulation « en temps continu ».

35 Formulation « en temps continu » (1).
Evènement considérés: départs/arrivées des circulations qui se déplacent sur des ressources d’infrastructure. Contraintes: imposent des durées minimales entre différents évènements (ex. espacements de sécurité, occupation unitaire d’une ressource, etc.). Programmation linéaire mixte : Variables horaires réelles (secondes). ex.: contrainte de durée de parcours minimale

36 Formulation en temps continu (2).
Variables d’ordonnancement, routage, (suppression) binaires. Exemple de contrainte disjonctive (espacement de type conflit): Contraintes disjonctives modélisées avec des « M» qui affaiblissent la qualité de la formulation.

37 Synthèse formulation en temps continu.

38 Espacements en fonction des vitesses.
La valeur des espacements était calculée pour la vitesse théorique des circulations. Or, cette valeur dépend des vitesses effectives (dans la solution). Afin de prendre en compte cet aspect, on peut considérer les durées de parcours. De plus, l’accroissement de la durée d’espacement est linéairement proportionnel à l’allongement de la durée de parcours des circulations.

39 Avantages et inconvénients de la formulation à temps continu.
+ contraintes intuitives à formuler, + gère très efficacement les horaires (vitesses), + précision des solutions, - performance avec les contraintes disjonctives (décisions de ré-ordonnancement, routage, …). Mauvaises bornes duales, formulation faible / M

40 Formulation « en temps discret ».
Principe: le temps est discrétisé en périodes.

41 Formulation « en temps discret ».
Programmation linéaire entière (variables binaires): Variables binaires indiquent si l’évènement s’est déroulé pour chaque (fin de) période considérée. Variables binaires d’ordonnancement mais pas de routage. Var Ordo mais pas Var Routage

42 Formulation en temps discret (2).
Avec ce type de formulations, on n’a plus de problèmes avec les contraintes disjonctives! (mais attention au nombre de variables)

43 Synthèse modèle en temps discret

44 Avantages et inconvénients du modèle en temps discret.
Modèle à temps discret: + les contraintes disjonctives (routage) sont gérées efficacement, - contraintes difficiles à formuler et implémenter, - nécessite beaucoup de variables, - précision (période de temps).

45 Problématique liée au choix des modèles.
Complémentarité des deux formulations: propriétés, usage différent: micro. VS macro. , précision horaire VS quantité reroutage « coordination d’axe », Modèle mixte: pour chaque catégorie de contraintes métiers, la formulation de la contrainte mathématique la plus avantageuse. contraintes liantes entre les deux catégories de variables.

46 Formulation « temps mixte ».

47 Problématique liée au choix des modèles.
Couplage avec le modèle multiniveau: utiliser la formulation et la description les mieux adaptées pour chaque zone, utiliser deux formulations avec deux descriptions différentes sur une même zone, utiliser les combinaisons qui réduisent la complexité. Couples de circulations en conflit par couple de ressources: bcp de ctr, bcp de M VS agrégations en itinéraires incompatibles et ctr de capacité

48 Tailles des formulations
données d’étude extrapolées du modèle Lipari. un même niveau de description domaine pour chaque variable:1 heure, périodes de 30s, plage d’étude: 48h. correction partielle des données et des propriétés (ressources) espacements de type conflits 2 à 2 . Comparaison des tailles des problèmes mathématiques: Projet EIFEL ambitieu, son développement a pris du temps beaucoup de fonctionnalités ne sont toujours pas opérationnelles.

49 Comparaisons des bornes primales et duales.
(Attention: fonctions objectifs pas directement comparables.) Bornes primales (300s): De plus, pour 1h de calcul, la borne primale (discret): Bornes duales: 1. Heuristiques primales et paramétrage (Cplex): probablement mal adaptés pour le problème en temps discret, Et/ Ou taille du pb math. empechant de traiter beaucoup de nœuds dans le temps imparti. 2. Bornes de bonne qualité (primales continu & duales discret).

50 III. Le projet EIFEL: intégration système.
Problématique, Enjeux. Evolutions du système LIPARI. Conception du système EIFEL: Un formalisme pour l’exploitation ferroviaire, Modèles mathématiques, Intégration système. Conclusion & Perspectives.

51 3. Implémentation Mathématiques appliquées
= transcrire nos travaux en outil informatique performant. Conception logicielle optimisée (algorithmique, réglages, structures de données , ...). Intégration de l’outil dans une réalité industrielle. Nous avons conçu: un modèle de données (EIFEL) commun à tous les outils, un schéma d’intégration du système logiciel. -> Points déterminants pour les performances.

52 Un système logiciel, basé sur un même référentiel de données et composé de plusieurs modules.
Référentiel de données: une norme métier pour la description du système ferroviaire (l’abstraction): EIFEL. Une fois un modèle de données mis en place, on peut envisager de faire coopérer plusieurs modules logiciels. Le système logiciel ainsi mis en œuvre permet de prendre en compte les réalités industrielles du problème. Nous allons définir l’architecture et les interactions de ce système logiciel qui constituera in fine l’outil d’aide à la décision. Eifel: indispensable pour unifier tous les projets, profiter de l’expérience acquise (capitaliser les travaux effectués).

53 Du couplage entre simulation et optimisation.
Qu’apporte la simulation en temps réel? Une projection dans le futur de l’état du système: permet de détecter un conflit avant sa survenue, donne l’état initial du problème d’optimisation i.e. celui déjà prévu pour la fin du calcul (+ 5min), fournit sur la durée de la plage d’étude la solution initiale (sans intervention) du problème d’optimisation, assure la vérification précise des conséquences de nouvelles décisions (macro./micro.). Le schéma proposée s’appuie sur une collaboration entre moteur d’optimisation et moteur de simulation. Mais la simulation ne prends pas de décision…

54 Déroulement chronologique.
Contrôle permanent des informations provenant du terrain, Projection en temps réel de l’état du système ferroviaire par simulation, Détection Automatique d’Incident, Analyse et prévision: définition d’une zone et une plage horaire pertinentes via des outils statistiques, Définition du niveau (macro.) de description du problème (multiniveau), Traduction en problème mathématique (service EIFEL), Résolution (moteur d’optimisation), Interprétation de la solution au niveau microscopique (multiniveau), Vérification de la validité par simulation, Validation par l’opérateur, Diffusion automatique des commandes. , 1 5 5 1 1 v .

55 IV. Conclusion et Perspectives.
Problématique, enjeux. Evolutions du système LIPARI. Conception du système EIFEL. Conclusion & Perspectives.

56 Principales Contributions de cette thèse:
Formalisation complète du problème de régulation, Nouvelle représentation: modèle multiniveau (multiscale). Formulation complète en temps continu, Extension espacements fonction des vitesses, Élaboration des formulations en temps discret et mixte, Possibilités de couplage avec le modèle multiniveau. Spécification du modèle de données EIFEL, Développement du schéma de coopération avec la simulation, Spécification d’un schéma d’intégration.

57 Perspectives: Développer des algorithmes/méthodes de résolution spécifiques. Critère et fonction objectif: que doit on optimiser? Etudier la coordination entre zones. Intégrer les problèmes de la production ferroviaire.

58 Développer les algorithmes et méthodes de résolutions.
Sur les bases du travail que nous avons effectué: Développer des heuristiques et paramétrage spécifiques au modèle à temps discret (et mixte). Intégrer encore davantage le savoir faire métier (heuristiques ou méthodes générales de résolution, simulation, règles d’agrégation/désagrégation).

59 Critère, fonction objectif.
Que doit on optimiser ? « Limiter l’impact des incidents. » Multitude de variantes possibles. Nous avons développé un savoir faire traduit dans les valeurs de la fonction objectif et qui satisfait les utilisateurs (planification). Dans le cadre de la replanification: Réflexion lancée en interne, mais travail à continuer en liaison avec tous les acteurs.

60 Coordination entres différentes zones de régulation.
Ce projet se limite à la gestion d’une zone indépendante. Pourtant, les conséquences de l’incident (ou des décisions de régulation) peuvent se propager au delà. La coordination entre différentes zones impactées doit être étudiée. n.b.: un critère peut consister à « contenir » les perturbations … mais ceci peut s’avérer impossible.

61 Intégration des problématiques de la production ferroviaire.
Nous avons vu qu’il existe différentes catégories de problèmes: gestion des ressources matérielles, gestion des ressources humaines, (…) gestion temps réel des circulations. Ces problèmes ne sont pas indépendants! => L’intégration de ces problèmes est un axe à développer. Chaîne horaire // matériel et humain

62 Conclusion. Du point de vue universitaire: un défi industriel passionnant à modéliser, la possibilité d’apporter des solutions réalistes au problème métier. Du point de vue industriel: un besoin évident, une opportunité pour la mise en œuvre d’outils d’aide à la décision et des gains d’efficacité. « L’avenir, tu n’as point à le prévoir mais à le permettre. » Citadelle, Antoine de Saint-Exupéry.

63 Merci de votre attention.
Et merci à toutes celles et ceux qui ont rendu ce travail possible: sur le plan de universitaire, industriel, administratif et humain !

64 annexes

65 Intégration S.I. statique/dynamique, C.K.
Système d’Information temps réel État du réseau État des circulations Régulation *validation, modification Système d’Information Simulation, t réel Système de contrôle-commande Consignes de vitesses Ordonnancements Ré-affectation des voies Coordination d’axe Infrastructure Plan de transport Exemple d’intégration des outils de régulation du futur dans les CCR. Les différents outils s’intègrent de manière générique. noter l’importance des I/O nécessaires Replanification Fluidification

66 Translation Macro -> micro
Now the rescheduling process expects a precise solution: Macro -> micro This translation is not unique Here could take place a second optimization (without backtracking) E.g. of a 2nd objective: robustness, energy efficiency, … , 1 5 5 1 1 v .

67 3- Problème de reroutage ou de « coordination d’axe ».
Before optimization After optimization Cadre: incident majeur (ex.: un axe important est rendu inutilisable) Principe: les trains doivent être insérés dans un planing existant, selon des routes prédéfinies. Description simplifiée du réseau (macroscopique). Original Schedule Trains to be inserted Original Schedule Inserted Trains Cancelled Trains

68 3- Exemple d’étude: Lyon – Paris (LGV 1)
Incident: 230 km de “LGV ” rendus inutilisables Détournement par Dijon. Exemple: Fenêtre d’étude: 16h-24h 80 trains 30 nœuds 1380 nœuds=trains 1 v 1 , 5 5 . 1

69 Retour d’expérience (coordination d’axe).
Remarques: Approche semblable “outil de gestion de capacité” (i.e. outil basique de planification) La description macroscopique rend nécessaire une deuxième passe (pour raffiner la solution macro.). Problèmes: La suppression de trains dans un trafic hétérogène est un problème délicat (enjeux concernant plusieurs opérateurs). Les développements pratiques pour l’optimisation concernent plutôt le trafic (homogène) urbain ou régional (un seul opérateur).

70 Outils statistiques de prévision:
Outils statistiques de prévision: de la durée d’incident et de la taille de l’étude. Actuellement, on constate l’apparition d’un incident … puis sa fin. Mais on ne sait pas à priori combien de temps il va durer. Comment faire pour commencer l’étude dès la détection (identification) de l’incident? De même, on ignore la taille d’étude réellement nécessaire à priori. « Taille » = dimension espace * plage temps ( = #ressources * #circulations ) Comment définir une bonne taille d’étude à considérer pour un « retour à la normale »? Intérêt d’outils de traitement statistiques des données sur les incidents passés (et de la simulation).

71 Robustesse, optimalité et incertain.
Comment définir une solution « optimale », si le déroulement de celle-ci est fortement incertain? Le concept de robustesse est une notion intéressante à étudier: la solution proposée doit être « peu » impactée par l’aléa subsistant (bruit de fond, système contrôle-commande,…) L’étude de l’optimisation stochastique pourrait se révéler intéressante, pour la construction d’horaires en premier lieu.


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