Doctorat (h/f) réseau anthropique biomimétique pour l'optimisation des trajets

Dans la nature, les animaux, en particulier ceux vivant en colonies comme les fourmis, développent des réseaux complexes et revêtant une forme d’optimalité quant à leur fonction. Les individus de ces groupes communiquent directement ou indirectement par des phéromones. Ils constituent un réseau social élaboré, dont l’objectif est supérieur à l’intérêt individuel. D’un autre côté, l’homme construit aussi des réseaux de transport, d’énergie, de flux, d’échange d’informations. De forme variée, souvent centrée, ces réseaux supportent des flux, en particulier les mobilités des habitants des villes, adoptant des comportements individuels, solistes. L’objectif est de comparer ces réseaux biologiques vs anthropiques et de rechercher, dans une démarche inspirée de la nature, quelles caractéristiques structurelles et fonctionnelles des réseaux biologiques sont bénéfiques au déploiement de réseaux urbains efficaces, durables, résilients, frugaux, c’est à dire optimaux en termes de flux et de mobilités et peu émetteurs de polluants atmosphériques (grâce à l’optimisation des flux). Une question plus spécifique est de chercher à résoudre, par l’observation d’un dispositif analogique biomimétique de colonies de fourmis, la question ouverte (non résolue) des facteurs déclenchant le paradoxe de Braess, en lien avec l’équilibre de Wardrop (issue de la théorie des jeux de congestion) et la théorie des graphes appliqués à la géographie des transports.
Le biomimétisme, et, plus généralement, les approches inspirées de la nature, constituent une voie prometteuse pour l’innovation scientifique (Passino & Kevin, 2005 ; Benyus, 2011). En matière de mouvement, on cite souvent la bardane, plante dont le mode de dissémination des graines par zoochorie (accrochage dans le pelage des animaux par des crochets très efficaces) a permis d’inventer la solide bande Velcro ou le martin pêcheur dont l’analyse de la posture et de la position du bec en plein vol a contribué à l’amélioration substantielle de la pénétration dans l’air du train japonais à grande vitesse (le Shinkansen). En effet, à travers le temps long de l’évolution, les espèces se sont adaptées aux changements plus ou moins rapides de leur environnement physique et ont accumulé des « compétences » pour optimiser l’accès aux ressources et in fine, leur probabilité de survie. Ces compétences, lorsqu’elles touchent aux flux et aux réseaux, peuvent se traduire dans des formes spécifiques réticulaires qui revêtent, de par leur structure, des propriétés d’accessibilité optimale. Un exemple scientifique emblématique est la moisissure Physarum qui a été utilisée pour reconstituer virtuellement des réseaux de transport urbains, reliant des générateurs de flux (i.e. celui de Tokyo, Tero et al., 2007). Un autre exemple, sur lequel l’équipe proposant ce projet a travaillé et publié est celui des toiles d’araignées orbitèles (Josselin et al., 2015, 2016). Il a été notamment démontré par la théorie des graphes et l’élaboration d’un système multi-agents (SMA) que les propriétés topologiques de cette forme radio-circulaire ont été intégrées par l’araignée qui construit sa toile et dépose sa glu de manières optimales pour capturer ses proies et pour ne pas s’auto-engluer.
En 2013, l’axe de la rive gauche de la Seine à Paris a été fermé. On s’attendait à ce que les boulevards environnants soient plus encombrés, mais ce ne fut pas le cas. En 2012, le pont Mathilde de Rouen, traversant la Seine, a pris feu à la suite d’un accident impliquant un camion pétrolier. Supportant 80000 véhicules par jour, il a été fermé jusqu’à l’été 2014, puis reconstruit à l’identique. Pendant cette période, certains véhicules ont emprunté d’autres ponts, d’autres ont contourné la ville, sans jamais atteindre les flux initiaux ; certains véhicules avaient littéralement “disparu” (Razemon, 2016). Des événements similaires ont été constatés dans différentes agglomérations du monde (Bazzan & Klügl, 2005) : amélioration de la circulation urbaine, suite à la fermeture d’une autoroute du quartier de Cheonggyecheon à Séoul, de la 42è rue à New-York, aggravation de la congestion de la Via Aurelia après l’ajout d’un nouveau rond-point à Pise. Ces observations sont dues au paradoxe de Braess (2005). Celui-ci stipule que l’ajout d’une ou plusieurs route(s) à un réseau, au lieu de fluidifier le trafic, peut au contraire le ralentir. Il peut se produire dans certaines conditions, de façon assez incertaine. L’effet de l’aléa du trafic sur les retards dans les réseaux a été décrit en 1952 par Wardrop (1952), selon deux principes : (i) le chemin utilisé est au moins aussi performant que les autres (rationalité individuelle) (ii) le temps de déplacement moyen tend vers un minimum (rationalité collective ; les usagers des réseaux coopèrent en choisissant des chemins qui assureraient une utilisation optimale du réseau). Ces recherches, en mathématiques et économie, sont liées à l’équilibre de Nash et à la théorie des jeux de congestion (Acemoglu, 2018). Équilibres de Wardrop et paradoxe de Braess, problèmes constatés mais dont les tenants et aboutissants restent encore peu connus, déterminent la capacité des réseaux à répartir optimalement des flux. Nous faisons l’hypothèse que l’observation et la modélisation des comportements de fourmis en colonies (Dorigo, 2004), déployées dans des réseaux de forme et de taille maîtrisées peut nous aider à mieux comprendre les causalités des congestions urbaines dues aux déséquilibres des flux.
Une équipe interdisciplinaire (géographie, biologie animale, mathématiques, informatique) s’associe pour tenter de résoudre plusieurs verrous liés à l’occurrence du paradoxe de Braess dans les réseaux. Les résultats attendus sont les suivants :
• meilleure compréhension du fonctionnement des réseaux biologiques étudiés, via notamment les échanges entre les individus des colonies (phéromones) ;
• application et construction de métriques et de modèles mathématiques dédiés aux structures réticulaires, mettant en évidence l’importance de la topologie des réseaux dans l’explication des flux, dans le cadre plus large de la théorie des jeux (de congestion) ;
• recherche d’une optimalité globale des systèmes urbains, par l’intégration de moyens de régulation, au-delà des comportements individuels ;
• identification du degré de transfert utile de connaissances par l’analogie biomimétique, des réseaux biologiques aux réseaux anthropiques urbains ;
• modélisation explicite des comportements individuels et des régulateurs dans un Système Multi-Agents.
La thèse portera sur le sujet suivant, au coeur de la problématique : apport du biomimétisme pour la compréhension des équilibres de flux dans les réseaux viaires urbains et la résolution des congestions dues au paradoxe de Braess.
La thèse sera co-dirigée par au moins 2 membres de l’équipe (issus des différentes disciplines). Le profil de l’étudiant/étudiante sera ouvert et interdisciplinaire. La question du biomimétisme orientera le profil vers une des 2 disciplines des laboratoires CNRS impliqués, en fonction de la formation de l’étudiant recruté en thèse :
- géographie quantitative : focus sur l’application des modèles déduits de l’observation de fourmis sur les réseaux urbains, avec une dimension géomatique et analyse spatiale forte ; intégration de la théorie des graphes, et, dans une moindre mesure, de la théorie des jeux ;
- écologie : focus sur le dispositif biomimétique et la modélisation agents qui en découlera ; analyses éthologiques approfondies ; intégration de la théorie des jeux, et, dans une moindre mesure, de la théorie des graphes.


Contexte de travail

La personne recrutée réalisera une thèse en géographie à l'École Doctorale 537 d'Avignon Université et sera rattachée à l'UMR 7300 ESPACE.
Elle bénéficiera des infrastructures et services du site (équipement informatique, restauration sur place).
Elle devra être très intéressée par le biomimétisme, capable d'observer la nature et d'en transférer les fonctions/capacités sur un problème de transport/mobilité.
Titulaire d'un Master et disposant d'une expérience dans un sujet similaire, elle sera résolument ouverte à l'interdisciplinarité.
La personne recrutée sera co-encadrée par Didier JOSSELIN (géographie quantitative, géomatique - UMR ESPACE, CNRS INSHS) et Olivier Blight (écologue, spécialiste des fourmis - Institut Méditerranéen de Biodiversité et d'Ecologie marine et continentale (IMBE), CNRS INEE), intégrée dans une équipe interdisciplinaire et travaillera à l'interface des disciplines impliquées. Des échanges avec des laboratoires étrangers travaillant sur des thèmes similaires sont à envisager.
La thèse sera réalisée dans le cadre du projet BANJO (Réseau anthropique biomimétique pour l'optimisation des trajets) financé par la MITI (Mission Interdisciplinarité) du CNRS.


Contraintes et risques

Le travail doctoral implique de nombreuses heures face à l’écran.
Des déplacements professionnels sont également à prévoir, pour d'éventuelles missions de terrain ou des réunions de travail avec les membres du projet, voire des laboratoires étrangers.
Enfin, la personne recrutée participera à la vie de laboratoire de l’UMR ESPACE, et notamment aux animations scientifiques (séminaires, conférences, etc.).