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Approche biomimétique dans la conception d'un réseau de transport : application à un système de transport cybernétique

Maiorano, Mélina (2013). Approche biomimétique dans la conception d'un réseau de transport : application à un système de transport cybernétique. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans les noyaux urbains denses, le volume élevé de l'activité humaine et la forte demande en mobilité induite par l’attractivité des centres créent un achalandage accru. L’utilisation dominante des véhicules privés en zone dense comme le centre-ville causent congestion, pollution et dégradation de la qualité de l’environnement urbain. L’implantation d’un système de transport rapide personnalisé (TRP) afin de répondre aux déplacements multiples et réduire l’utilisation de l’automobile est essentiel au développement des centres urbains. Afin d’assurer le succès et la mise en place d’un tel système de transport, le réseau sur lequel il se campe doit présenter une forte résilience afin de permettre la desserte de la zone malgré les fractures aléatoires, et ce, pour un coût avantageux par rapport à la distance totale de la configuration. La présente recherche se base sur l’organisme Physarum polycephalum (P.p.) afin d’obtenir différentes configurations efficientes. Cet organisme est une moisissure visqueuse qui produit des liens entre différentes sources de nourritures trouvées sur un substrat de manière à former un réseau.

La zone à l’étude est située au centre-ville de Montréal, couvre une aire de 2,8 km2 et est composée de 12 noeuds. Les lieux à desservir sont identifiés par rapport à l’intensité de l’activité économique, sociale et culturelle où le volume de déplacements est important. La carte produite est mise à l’échelle pour ensuite être transposée aux modèles utilisés. Les expériences en laboratoire et itérations effectuées à partir du modèle biologique et du modèle informatique respectivement, nous donnent une solution optimale pour la configuration d’un réseau avec les caractéristiques suivantes : faible degré de séparation, haute résilience, faible coût par rapport à la distance totale.

Les résultats démontrent que plus de 50% du total des échanges possibles sont maintenus lorsque 85% des noeuds du réseau expérimental d'inspiration biologique sont déconnectés, alors que moins de 20% des échanges totaux sont conservés pour les autres solutions communes d'optimisation combinatoire. Cette solution, inspirée du modèle biologique, est utilisée comme guide de référence pour la conception de réseau de TPR afin d’assurer un degré élevé d'efficience et de robustesse.

Titre traduit

Biomimetic approach to urbain personal rapid transit (PRT) network design

Résumé anglais

In the dense urban core, high volumes of human activity and variable transits yield the need for an efficient personal rapid transportation (PRT) network. Efficient network performance involves a trade-off between cost, transport efficiency, and fault tolerance. Biological networks have developed a high degree of efficiency through evolutionary cycles and may suggest an acceptable solution to this combinatorial optimization problem. We draw inspiration from Physarum polycephalum (P.p.) slime mold, which naturally produces networks with low average node separation, low average degree of separation and high resiliency. Necessary nodes in our urban transportation network are identified where high volumes of human transits occur within our predefined boundaries.

Such areas may consider academic and civic institutions, existing public transit hubs and commercial districts. This high activity downtown area of 2,8 km2, consisting of 12 exchange nodes, is scaled for use in laboratory testing with the Physarum polychepalum. Repeated experiments with the slime mold yield a solution to the network with the aforementioned characteristics. The solution’s average degree of separation, node separation and fault tolerance are analyzed and compared to those of other common combinatorial optimization solutions known as the Steiner minimal tree and the minimal spanning tree. Additionally, the solution is compared to a mathematical model of the P. polychepalum simulated in the CompuCell3D cellular potts environment.

The results demonstrate that over 50% of the total possible exchanges are maintained when 85% of the nodes of the biologically inspired experimental network are disconnected, while less than 20% of the total exchanges are preserved for the other common combinatorial optimization solutions. This biologically inspired network solution is used as a reference guide for the design and layout of paths and connections for the personal rapid transportation network to ensure a high degree of efficiency and robustness.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie, concentration en génie de l'environnement." Bibliographie : pages 77-81.
Mots-clés libres: Transports urbains. biomimétisme, cybernétique, réseau, résilience, TPR
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Glaus, Mathias
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 29 nov. 2013 17:23
Dernière modification: 25 juill. 2014 21:21
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1227

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