Thèse Année : 2024

Dynamics and games for information-aware routing in traffic networks

Dynamique et jeux pour le routage informé dans les réseaux de mobilité

Résumé

Urban congestion is a growing concern, fueled by city expansion and population growth. In response, various mobility services emerged, promising smoother commutes through real-time traffic data and route optimization. Navigation apps and ride-hailing services are prime examples. While initially met with optimism, widespread adoption has not yielded the expected traffic flow improvements. In fact, unexpected phenomena have arisen.This thesis contributes to the analysis of the impact of information-aware routing on traffic efficiency through the lens of traffic network models and game theory, to uncover both potential drawbacks and benefits.The first part of the thesis studies the impact of users of navigation applications who follow shortest travel time recommendations. We begin by defining and analyzing a non-atomic routing game that incorporates road capacity constraints mechanisms. Our analysis reveals that routing based on recommendations that minimize travel times can lead to sub-optimal traffic configurations characterized by partial demand transfer, where only a portion of the traffic demand can be accommodated by the network.We then extend this analysis to a dynamic network flow model, explicitly accounting for both users who benefit from real-time navigation app recommendations and those who do not. The stability analysis of this model allows us to establish a link between the presence of users informed by the application and the emergence of partial demand transfer. Specifically, we show that as the number of informed users and overall traffic demand increases, the likelihood of this phenomenon occurring also increases.In this dynamical framework, we also study how delays affecting the application's routing recommendations can impact network efficiency. We link delay, network traffic demand and informed user penetration rate, and its effect on traffic system stability. The results show that when traffic demand and the penetration rate of informed users are high, sufficiently large delays can lead to partial transfer of demand, compromising efficiency.The second part of the thesis examines the impact of coordinated fleets of vehicles exploiting real-time traffic information to optimize their operations (e.g. ride-hailing services) on the overall network traffic efficiency. We analyze a mixed-behavior routing game, involving two distinct user classes. The first class represents individual users who minimize their own travel time, while the second class consists of vehicles that coordinate their routeing to minimize the average travel time of the fleet. Our results show that while a small coordinated fleet has minimal impact on overall traffic distribution, a large fleet can improve efficiency, suggesting that coordinated routing can be a valuable tool in strategies traffic control.
La congestion urbaine est une préoccupation croissante, alimentée par l'expansion des villes et la croissance de la population. En réponse, divers services de mobilité ont vu le jour, promettant des trajets plus fluides grâce à des données de trafic en temps réel et à l'optimisation des itinéraires. Les applications de navigation et les services de covoiturage en sont de parfaits exemples. Bien qu'initialement accueillie avec optimisme, l'adoption généralisée de ces services n'a pas apporté les améliorations attendues en matière de circulation. En fait, des phénomènes inattendus sont apparus.Cette thèse contribue à l'analyse de l'impact de cette technologies sur l'efficacité du trafic à travers l'objectif des modèles de réseaux de trafic et de la théorie des jeux, pour découvrir à la fois les inconvénients et les avantages potentiels.La première partie de la thèse étudie l'impact des utilisateurs d'applications de navigation qui suivent les recommandations sur le temps de trajet le plus court. Nous commençons par définir et analyser un jeu de routage non atomique qui incorpore des mécanismes des contraintes de capacité routière. Notre analyse révèle que le routage basé sur des recommandations qui minimisent temps de trajet peut conduire à des configurations de trafic sous-optimaux caractérisés par transfert partiel de la demande, où seule une partie de la demande de trafic peut être prise en charge par le réseau.Nous étendons ensuite cette analyse à un modèle de flux de réseau dynamique qui prend explicitement en compte à la fois les utilisateurs bénéficiant de recommandations d'applications de navigation en temps réel et ceux qui n'en bénéficient pas. Ce modèle nous permet d'établir un lien entre la présence d'utilisateurs informés par l'application et l'émergence d'un transfert partiel de la demande. Plus précisément, nous montrons qu'à mesure que le nombre d'utilisateurs informés et la demande globale de trafic augmentent, la probabilité que ce phénomène se produise augmente également.En outre, nous étudions également la manière dont les retards affectant les recommandations de routage de l'application peuvent avoir un impact sur l'efficacité du réseau. Nous établissons un lien entre le retard, la demande de trafic du réseau et le taux de pénétration des utilisateurs informés, et son effet sur la stabilité du système de trafic. Les résultats montrent que lorsque la demande de trafic et le taux de pénétration des utilisateurs d'applications sont élevés, des retards suffisamment importants peuvent conduire au transfert partiel de la demande, en compromettant l'efficacité.La deuxième partie de la thèse examine l'impact de la coordination des flottes de véhicules sur l'efficacité globale du réseau de circulation. Nous modélisons ce scénario comme un jeu de routage à comportement mixte, impliquant deux classes d'utilisateurs distinctes. La première classe représente les utilisateurs individuels qui minimisent leur propre temps de trajet, tandis que la seconde classe se compose de véhicules qui coordonnent leurs itinéraires afin de minimiser le temps de trajet moyen de la flotte. Nos résultats montrent que si une petite flotte coordonnée a un impact minime, une flotte importante peut améliorer de manière significative l'efficacité sur les réseaux parallèles, en suggèrent que le routage coordonné peut être un outil précieux dans les stratégies de contrôle du trafic.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04920907 , version 1 (30-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04920907 , version 1

Citer

Tommaso Toso. Dynamics and games for information-aware routing in traffic networks. Automatic. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2024. English. ⟨NNT : 2024GRALT070⟩. ⟨tel-04920907⟩
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