La route de demain sera-t-elle aussi électrifiée, automatisée et partagée ?

INTRODUCTION

Dans la plupart des régions du monde, la route demeure le principal vecteur de transport. En France, elle assure ainsi plus de 85 % de la mobilité des biens et des personnes tandis qu’au Québec, le réseau routier supérieur dessert à lui seul environ 87 % de la population et soutient plus de 91 % des emplois. En conséquence, les enjeux sociétaux relatifs aux transports concernent principalement la route : 

• Changement climatique et émissions de GES ;
• Transition écologique ;
• Transition énergétique et développement des énergies renouvelables ;
• Transition démographique et urbanisation ;
• Transition numérique.

En théorie, le véhicule électrique, autonome et partagé répond à ces enjeux de société, notamment en complétant l’offre de transports en commun, là où ces derniers sont inexistants ou peu rentables. C’est notamment le cas en milieu périurbain, où la densité de population est plus faible. Ce véhicule individuel d’un nouveau genre s’inscrira ainsi dans une nouvelle chaine de mobilité décarbonée et participera à l’amélioration de l’accessibilité urbaine. Malheureusement, ce véhicule a besoin d’infrastructures adaptées pour se déployer. Compte tenu des développements technologies rapides en cours, il reste difficile de savoir à quoi pourront ressembler les infrastructures routières de demain, ce qui n’est pas sans poser de questions aux gestionnaires de voirie. Parmi celles-ci, on peut citer les questions de transition, de déploiement, de sécurité, de congestion, de cybersécurité ou encore de maitrise de l’effet rebond.

Faisant le pari d’un système intégré entre les véhicules et l’infrastructure qui les supporte, cet article, illustré par quelques résultats du projet Route 5^e Génération (R5G), pose la question de savoir si l’infrastructure ne sera pas également électrique, automatisée et partagée.

DES ROUTES ÉLECTRIFIÉES ? 

Si la route peut désormais produire de l’énergie en se couvrant de panneaux solaires, elle peut également supporter le déploiement des véhicules électriques en transférant l’énergie nécessaire à leur fonctionnement. En effet, le développement des véhicules électriques se heurte à la capacité limitée des batteries et donc à une moindre autonomie des véhicules comparativement à leur équivalent thermique. Pour pallier cette difficulté, les points de recharge se multiplient, mais le temps de recharge peut s’avérer prohibitif pour les usagers. Les batteries s’améliorent, mais la ressource en matériaux pourrait s’avérer insuffisante si le véhicule à batterie se généralisait.  

À l’image du ferroviaire, la route peut s’électrifier et recharger les véhicules qui l’empruntent. Différentes technologies, à base d’induction électromagnétique, de conduction par caténaire ou par la chaussée, sont en cours d’expérimentation. Les premiers transports en commun rechargés de la sorte circulent en Corée et en Allemagne. Des tronçons de routes équipées de caténaires pour recharger les véhicules lourds de marchandise ont été inaugurés en Suède en 2016, tandis que différentes études tendent à prouver qu’il existe des modèles économiques raisonnables pour ces solutions[1].

Concernant la voiture électrique individuelle, il n’existe pas encore de modèle économique avéré, faute de maturité technologique suffisante, mais des pistes commencent à être évoquées (figure 1). Par exemple, certains estiment en effet qu’il est illusoire de vouloir développer des véhicules à l’autonomie élevée alors qu’au quotidien, celle-ci ne sera pas mobilisée. D’où l’idée de positionner des tronçons de recharge dynamique sur des sections clés. Les véhicules pourraient alors se contenter de batteries plus légères, avec des coûts de fabrication et d’usage réduits, ce qui facilitera d’autant leur adoption.

 

Figure 1. Le projet européen FABRIC[2] auquel VEDECOM participe avec le soutien de l’IFSTTAR a permis de réaliser un démonstrateur de recharge sans contact et en circulation (jusqu’à 100 km/h), des véhicules électriques individuels, sur le site d’essai de Versailles-Satory.

DES ROUTES AUTOMATISÉES ? 

Pour automatiser les routes et leur trafic, la route doit s’adapter pour communiquer avec ses usagers. On observe une convergence progressive entre deux familles de technologies.

Des routes d’ores et déjà connectées, bientôt coopératives

Avec ses capacités à capter des informations, à les analyser et à dialoguer à bon escient avec les usagers et les gestionnaires, la route devient de plus en plus intelligente. Les capteurs « traditionnels » servant à mesurer des paramètres de trafic sont progressivement remplacés par des capteurs fixes non intrusifs ou par des capteurs embarqués dans des parcs de véhicules (utilisation des capteurs des téléphones intelligents, comme illustré en figure 2). À la clé, une zone de mesure élargie, un plus grand volume de données, un gain en précision et une réduction des coûts d’instrumentation (à l’achat et en maintenance). Par ailleurs, s’agissant bien souvent de systèmes multicapteurs, la diversification des données enregistrées permet de répondre non plus à une mais à plusieurs applications en même temps (ex. : comptage, temps de parcours, profils de vitesse, qualité de confort au roulement, etc.).

 

Figure 2. Le démonstrateur MIRANDA, développé par l’IFSTTAR, est un système automatisé pour le diagnostic et le suivi régulier des caractéristiques de surface des chaussées en lien avec le confort au roulement. Les données sont captées au moyen de téléphones intelligents embarqués dans des parcs de véhicules traceurs.

De plus, les réseaux de capteurs, à travers le développement de protocoles peu gourmands en énergie (par exemple Sigfox ou Lora), permettent d’envisager des applications encore plus ambitieuses, tout en conservant une grande souplesse dans leur mise en œuvre. Couplée avec des nanocapteurs, cette technologie devient attractive sur le plan économique puisqu’elle offre de nouvelles perspectives dans le domaine de la maintenance prédictive des infrastructures.

Enfin, le développement des systèmes de transport intelligents (STI) dits coopératifs implique une communication bidirectionnelle entre l’infrastructure et les véhicules. Dans ce schéma, ces derniers peuvent à la fois émettre et recevoir des données ce qui nécessite de disposer d’équipements (ex. : unités bord de voie) et de définir des protocoles de communication rapides, fiables et sécurisés (protocole ITS G5). Ce protocole dérivé du wifi dont la fréquence de 5,9 GHz est réservée et gratuite sur l’ensemble de l’Union européenne (Directive ITS de 2010). Ainsi, depuis 2014, des projets de déploiement à grande échelle sont lancés à travers l’Europe, comme le projet SCOOP (figure 3). En parallèle se développe une nouvelle génération d’algorithmes de gestion coopérative du trafic permettant non seulement d’accroître la sécurité du trafic, mais également d’améliorer sa stabilité et, par là même, la capacité des infrastructures.

 

Figure 3. SCOOP[3] est un projet de déploiement pilote de systèmes de transport intelligents coopératifs. Il s’appuie sur cinq sites pilotes de déploiement caractérisés par des types de routes, des niveaux de trafic et des topographies différentes. L’IFSTTAR appuie les gestionnaires de voirie par son expertise en la matière.

Vers des routes hybrides, adaptées au véhicule autonome

La route est conçue, d’une part, pour supporter les charges roulantes qui l’empruntent et, d’autre part, pour permettre aux conducteurs de s’adapter aux conditions de circulation, notamment leur permettre de freiner en sécurité en cas d’obstacle. De la même façon, le véhicule autonome a besoin de connaitre les paramètres de la route qu’il emprunte pour circuler. Par exemple, pour franchir un virage, il doit connaitre sa géométrie, ainsi que le coefficient d’adhérence pneumatique-chaussée. Mais le véhicule autonome peut remettre potentiellement en cause ces différents paramètres de conception. Par exemple, des véhicules lourds circulant en peloton peuvent créer des ornières sur la chaussée s’ils circulent toujours au même endroit sur la voie, voire réduire la durée de vie d’un ouvrage d’art s’ils y circulent de manière trop rapprochée. Les équipements de la route sont également concernés. Par exemple, les marquages routiers, initialement conçus pour être visibles pour l’œil humain, seront utilisés par les véhicules autonomes afin de se localiser précisément sur leur voie de circulation. Ils attendront donc de la route que ses marquages soient visibles également par les caméras installées à leur bord.

En effet, ce sont les capteurs à bord des véhicules autonomes qui liront la route. S’ils ne peuvent pas la décoder, car hors de portée ou illisible, c’est alors la cartographie numérique à bord du véhicule qui se substituera aux capteurs pour apporter les informations manquantes. Ainsi, l’infrastructure physique deviendra peu à peu une infrastructure numérique. L’enjeu est alors de concevoir cette infrastructure numérique et de la maintenir à jour, ce qui pose des problèmes de standard. Mais cela soulève également des problématiques scientifiques. En effet, si la géométrie des routes évolue peu dans le temps (en dehors des zones de travaux), que penser de l’adhérence ou de la visibilité des marquages qui sont des paramètres lentement variables dans le temps mais hautement variables avec la météo. D’où l’intérêt d’une connectivité accrue de l’infrastructure qui devrait pouvoir s’appuyer sur les prochaines générations de standards téléphoniques offrant davantage de vitesse et une plus grande couverture géographique. Ainsi, l’infrastructure pour le véhicule autonome sera hybride, c’est-à-dire à la fois physique et numérique. On note ainsi une convergence progressive entre niveau de connectivité et niveau d’automatisation des infrastructures.

DES ROUTES PARTAGÉES ?

Les routes sont par définition un espace partagé entre véhicules légers, lourds et usagers vulnérables. Les nouvelles technologies, y compris véhiculaires, ouvrent de nouvelles opportunités pour le partage de l’espace routier. On peut distinguer trois niveaux de partage de la voirie.

Le covoiturage constitue un nouveau mode de partage de la route mais, en dehors des grandes distances, celui-ci peine à se développer. Un effort doit donc être fait pour le faciliter aussi bien sur routes que sur autoroutes. Pour le moment, des aires de covoiturage se développent dans les espaces périurbains pour faciliter les rendez-vous mais des moyens plus innovants, comme les stations de covoiturage dynamique, sont en cours d’expérimentation. La modulation tarifaire des péages ou la création de voies réservées font également partie des solutions classiquement évoquées. Reste à faire respecter la règle. Des capteurs automatisés de mesure du taux d’occupation des véhicules sont depuis longtemps expérimentés, mais leur précision laissait à désirer. Les progrès récents en matière d’apprentissage profond pourraient bientôt donner à ces capteurs la précision requise pour des mesures automatisées.

À un deuxième niveau, l’infrastructure peut se reconfigurer dynamiquement de manière à s’adapter à la demande. D’ores et déjà, des ponts sont équipés de voies allouées dynamiquement afin de s’adapter au trafic pendulaire (pont de Saint-Nazaire). Des voies d’autobus peuvent également être allouées dynamiquement, afin de ne pas réduire la capacité des boulevards tout en donnant la priorité aux transports en commun, comme cela est testé à Lyon (figure 4). Demain, il conviendra d’adapter dynamiquement l’infrastructure pour tenir compte du déploiement des véhicules autonomes. Celle-ci devra notamment supporter des véhicules avec différents niveaux d’autonomie et devra s’assurer que la cohabitation entre ces différents véhicules n’engendre pas de congestion supplémentaire ou de situation accidentogène, y compris avec les usagers vulnérables.

 

Figure 4. Allocation dynamique de voie d’autobus expérimentée début 2017[4] dans la ville de Lyon et inspirée par les travaux du projet de recherche ADVICe issu du pôle de compétitivité LUTB et impliquant l’IFSTTAR au premier chef.

Enfin, l’espace public pourra être partagé dynamiquement avec les véhicules autonomes, notamment les véhicules de niveau 5 (sans conducteurs). Différents projets en ce sens sont en cours, que ce soit à Londres dans le quartier de Greenwich (projet GATEway) ou à Paris sur l’esplanade de la Défense. Ces véhicules ne circulent plus sur les routes, mais bel et bien au milieu de la population. Cela pose inévitablement des questions de sécurité et d’acceptabilité sociale. Dans ce contexte, une signalisation dynamique pourrait permettre une cohabitation entre les différents modes en fonction de l’heure de la journée, voire de la saisonnalité. C’est le concept de « rue nue » promu par le groupe Eiffage.

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES : VERS LA ROUTE DE 5^e GÉNÉRATION

L’avènement de véhicules électriques, autonomes et partagés, adaptés aux enjeux de société aura une incidence sur l’infrastructure routière et plus généralement l’espace public qui les supporte et vice versa. En internalisant les externalités environnementales générées par le véhicule individuel thermique, la route de demain est à même d’être plus sûre, plus efficace et moins émissive. Cependant, dans un contexte de crise économique durable, les financements publics pour adapter les infrastructures sont difficiles à mobiliser. Il faut donc que cette adaptation ait les capacités de s’autofinancer.

Dans ce contexte, l’IFSTTAR a lancé, en 2010, le projet Route 5^e Génération, dont certains résultats ont été présentés au fil de l’article. Le postulat du projet est qu’une nouvelle hiérarchie des réseaux pourrait naitre de cette adaptation de la route aux nouvelles mobilités, à l’image de l’autoroute qui avait été conçue pour adapter la route à l’émergence des véhicules thermiques individuels.

En l’occurrence, si l’autoroute avait été conçue sur la base du triptyque Véhicule-Infrastructure-Conducteur (VIC), la route de demain sera, elle, conçue selon le modèle dit Véhicule-Information-Infrastructure-Énergie (VIIE) illustré en figure 5. Ainsi, si les différents paramètres du modèle permettent de réduire les externalités environnementales du transport routier, l’impact positif qu’il engendrera sur les infrastructures doit permettre de bâtir un modèle économique satisfaisant, particulièrement en milieu urbain. On peut d’ores et déjà citer comme paramètres possibles du modèle la production nette d’énergie renouvelable (route solaire par exemple), la captation des plus-values foncières ou encore l’optimisation de la maintenance. Reste à estimer les valeurs de ces paramètres. C’est tout l’enjeu des démonstrateurs en cours de réalisation sur le territoire français. 

 

Figure 5. Le modèle VIIE, qui sous-tend la Route de 5^e Génération, pourrait à terme supplanter le modèle VIC pour concevoir les routes. À la clé, un modèle économique potentiellement soutenable permettant d’adapter les routes actuelles aux véhicules électriques, autonomes et partagés.