Chapitre 3.Le Trans-Cultural Transport Simulator (TCTS)...131 Conclusion partie 2 : les fondements méthodologiques...164
Chapitre 1. Le cadre théorique
1.1 Le paradigme de la complexité
Dans le langage courant, les deux termes « complexe » et « compliqué » sont souvent utilisés sans réel distinction. Or, dans notre contexte, ils ont des acceptations différentes qu'il est bon de préciser.
« L'existence de très nombreux élément dans un ensemble n'est pas une condition suffisante à l'émergence d'une propriété complexe. Bien que la combinatoire puisse rapidement engendrer des assemblages compliqués, cette caractéristique peut parfois être maîtrisée par un dénombrement [...] Lorsque l'on ne peut plus totalement diviser un système en parties indépendantes, on glisse du compliqué vers le complexe : les comportements globaux résultants deviennent émergents et l'interdépendance des composants s'exprime dans un réseau d'interaction non linéaires qui est la source de la complexité » (Collard et al. 2013)
1.1.1 Qu'est-ce qu’un système complexe ?
Le mot complexité provient de la racine latine plexus (entrelacement), complexus (connexion) et perplexus (embrouillé) (Le Moigne 1999). Ces trois mots reflètent bien l'importance des relations lorsqu'on se place dans le paradigme de la complexité. Un système complexe est « un ensemble d'éléments en interaction, une totalité organisée, plus ou moins ouverte sur l'environnement » (Dauphiné 2003) ou encore « un ensemble d'éléments en interaction dynamique, organisé en fonction d'un but » (De Rosnay 1997). On dit généralement que le tout d'un système complexe est supérieur à la somme des parties. Autrement dit, le comportement du système dans son ensemble ne peut pas être déterminé « en le divisant et en comprenant le comportement de chacune des parties prises séparément, ce qui est la stratégie réductionniste classique des sciences physiques » (Amblard & Phan 2006).
La complexité résulte donc d'un grand nombre d'éléments en interactions. Nous considérons trois grands types d'interactions :
• les interactions internes, c'est-à-dire entre les différentes entités du système ;
• les interactions entre les composantes d'un système et ses conditions initiales. ces conditions peuvent être formalisées sous forme d'état, de quantité de ressources, etc. ; • les interactions entre un système et son environnement. L'environnement rassemble tous
les éléments qui englobent un système et qui influencent directement, ou indirectement, son évolution. Dans l'environnement peuvent d'ailleurs être inclus d'autres systèmes en interaction.
« La notion de complexité implique celle d'imprévisible possible, d'émergence plausible du nouveau et du sens au sein du phénomène que l'on tient pour complexe » (Le Moigne 1999). Il existe de nombreuses façons d'entrevoir les formes de complexité, les définitions varient quelque peu selon les disciplines et la complexité est une propriété difficilement quantifiable, notamment en sciences humaines et sociales (Ménard & Filotas 2004).
Elle repose sur la notion d'émergence, qui dépend elle-même de deux principes essentiels : • le temps : bien qu'à court et moyen termes le comportement de certains systèmes puisse
être déterministe, l'accumulation des interactions sur du long terme rend l'évolution d'un système complexe imprévisible ;
• les échelles : à partir d'un environnement donné, et avec des conditions initiales données, le fonctionnement d'un système complexe, connu à un niveau microscopique, peut s'observer à un niveau macroscopique. Les formes d'organisation observées diffèrent selon les niveaux d'observation. Elles résultent pourtant d'un même système défini à une certaine échelle.
La notion d'émergence est souvent discutée et critiquée au sein de la communauté scientifique, toutes disciplines confondues, et son statut épistémologique au sein des modèles paraît ambigu. La définition que nous considérons pour l'émergence s'accorde avec celle proposée par Denise Pumain :
« Dans le monde réel, que ce soit celui du vivant ou celui du social, de la nouveauté est produite, elle émerge véritablement, à partir de ce qui existe. Dans la transcription que nous en faisons dans les ordinateurs, les phénomènes d’émergence que nous savons simuler pour le moment, qui produisent un effet de surprise pour l’observateur, sont le plus souvent liés à la difficulté de celui-ci à concevoir le résultat du jeu des règles qu’il a lui-même introduites dans le modèle. Seule la rapidité de calcul de la machine, en permettant de dépasser les limitations de l’esprit humain, produit un effet de surprise, en réalisant une sorte de compression du temps. Mais la simulation de l’émergence d’une véritable nouveauté au moyen de modèles reste très difficile » (Pumain 2003).
Pourtant les systèmes qui nous entourent et que nous observons ne sont pas tous nécessairement complexes. « Le monde physique est rempli de systèmes qui sont linéaires ou approximativement linéaires. Ce qui signifie que les propriétés du tout sont une agrégation assez simple des parties » (Amblard & Phan 2006). A contrario, les systèmes linéaires sont relativement rares en Sciences Humaines et Sociales.
1.1.2 La complexité en Sciences Humaines et Sociales
Les sociétés humaines et leur territoire, objets d'étude privilégiés de la géographie, sont par nature extrêmement complexes, et ce, pour plusieurs raisons. Tout d'abord (i), le fonctionnement et l'évolution d'une société ne sont jamais détachés de son passé, de son histoire. Chaque individu possède une mémoire. Le savoir est transmis au fil des générations par l’intermédiaire de la pensée et par l'empreinte anthropique sur le terrain. Par définition, les territoires23 sont eux
aussi un lieu de mémoire (Piveteau 1995). Ces éléments historiques peuvent être d'ordre religieux, culturel, économique ou même technologique, ils jouent toujours un rôle important dans le fonctionnement et l'évolution d'un système sociétal. Une deuxième raison (ii) est que les individus ont plus ou moins la capacité d'identifier les propriétés émergentes d'une société et d'y répondre (Amblard & Phan 2006). Ils peuvent y répondre positivement, c'est-à-dire en
23 « Portion d’espace terrestre envisagée dans ses rapports avec des groupes humains qui l’occupent et l’aménagent en vue d’assurer la satisfaction de leurs besoins. » (Elissalde 2005)
accentuant le phénomène, ce qui peut mener à un changement de phase (basculement du système). Parmi les exemples marquants de l'année 2011, nous pouvons citer les révolutions populaires d'Afrique du Nord et du Moyen-Orient. Le courant de révolte lancé par quelques individus a été assimilé et accentué par un nombre croissant d'individus, qui ont fait émerger une révolution sociale à un niveau global, entraînant pour certains pays un basculement du régime (Guidère 2012). Mais ils peuvent aussi répondre négativement et donc contraster avec le phénomène émergent. Ce principe renvoie aux phénomènes d'auto-organisation, de régulation, de stabilité, etc., que nous verrons ci-dessous. (iii) La complexité des sociétés humaines provient aussi du fait que les entités du système (les individus) sont extrêmement dynamiques : ils se déplacent, communiquent, échangent de l'information et évoluent au cours de leur vie, en interagissant avec leur environnement. Même s'il est possible de repérer des invariances et des stabilités sur une courte période, une société est donc intrinsèquement un système complexe dynamique. Enfin (iv), n’oublions pas que les individus sont eux-mêmes de nature complexe. En effet, les Hommes sont caractérisés par des comportements plus ou moins rationnels et logiques, mais ils ne le sont jamais totalement. L'inconscient, la croyance et les sentiments jouent un rôle très important, ce qui rend la prédiction des comportements humains délicats sur le long terme.
En comparaison, les automates (robots) sont à l'inverse intrinsèquement déterministes. Ils sont conçus à partir de programmes plus ou moins sophistiqués. Connaissant le programme, il est parfaitement possible de prédire le fonctionnement d'un automate. Cependant, et c'est ce point qui nous intéresse particulièrement, le fonctionnement d'un nombre important d'automates en simultané dans un environnement peut faire émerger des phénomènes complexes observables à un niveau agrégé, cette fois-ci non déterministe. C'est exactement ce qui est réalisé en simulation multi-agents, comme nous allons le voir ci-après.
1.1.3 La complexité dans les systèmes de mobilité
L'objet d'étude privilégié de cette thèse est le système de mobilité. Il convient donc de définir ici ce qu'est un système de mobilité, et d'expliquer pourquoi il doit être considéré comme complexe. Cela va nous permettre de justifier notre approche de modélisation basée sur l'agent.
Un système de mobilité est composé de plusieurs entités en interaction, plus ou moins organisées en fonction d'un but. Il fonctionne dans un environnement souvent bien délimité : le territoire de desserte, il est en constante interaction avec d'autres systèmes sociétaux comme le système politique, économique, social, etc. Ces systèmes connexes jouent un rôle relativement important et nous nous efforçons de ne pas négliger leur influence. Néanmoins, il est très difficile de prendre en compte tous les paramètres ayant une influence sur un système de mobilité. Ce n'est d'ailleurs pas l'objet de nos modélisations. Au cours de cette thèse, nous nous focalisons plutôt sur les différentes composantes du système de mobilité, que nous distinguons en trois sous-systèmes : la demande de mobilité, l'offre de transport et l'autorité organisatrice de transport, chacun d'entre eux étant plus ou moins complexe (cf. illustration 25). Nous détaillons chaque composante dans les paragraphes suivants.
La demande de mobilité (cf. (a) dans l'illustration 25)
La demande de mobilité regroupe tous les individus vivant sur un territoire et ayant des besoins de déplacement. Ces besoins vont être fonction des modes de vie, des comportements, des moyens financiers, etc. D'un point de vue technique, nous pouvons caractériser ces besoins de déplacement par trois variables essentielles : le point de départ (origine), le point d'arrivée (destination) et les contraintes décisionnelles des individus. Ces contraintes sont de nature variée. Pour simplifier, on peut considérer que les deux contraintes décisionnelles majeures, par exemple en France et au Sénégal sont de nature temporelle (horaires et temps de parcours) et financière (le coût potentiellement supporté pour le déplacement). Bien sûr, il ne faut pas négliger d'autres paramètres tels que le confort, la sécurité, l'impact environnemental, etc. Ils peuvent jouer un rôle important dans le processus décisionnel, mais cela est très variable d'un contexte sociétal à
l'autre. Le critère environnemental est par exemple de plus en plus pris en compte en France, alors qu'il reste quasi-inexistant pour l'instant au Sénégal.
La demande de mobilité est certainement le sous-système le plus complexe, car il fait intervenir un très grand nombre d'individus en interaction, eux-mêmes de nature complexe. C'est la composante la plus imprévisible du système, obligeant les sociétés à investir de plus en plus de temps et d'argent pour enquêter sur les caractéristiques et le comportement de leurs citoyens. Les enquêtes ménages déplacement (EMD) sont un bon exemple d'études mises en place par les collectivités pour mieux comprendre les besoins de déplacement sur un territoire. De plus en plus fréquentes et précises, ces enquêtes constituent un outil indispensable pour la planification des déplacements urbains (CERTU 2005). Cependant, malgré tous les moyens mis en œuvre, il nous est impossible de prédire avec précision les déplacements de tous les individus, notamment les plus spontanés. Ainsi, sont généralement différenciés les besoins de mobilités récurrents d'une part, qu'on assimile généralement aux déplacements pour le motif travail et les déplacements occasionnels, d'autre part, qu'on assimile souvent au motif loisir. Le développement important de l'automobile a entraîné une forte augmentation de ces derniers types de déplacements. Cela complexifie considérablement la planification du transport public, car les déplacements sont toujours plus éparpillés dans l'espace et toujours plus imprévisibles dans le temps.
L'offre de transport (cf. (b) dans l'illustration 25)
L'offre de transport regroupe tous les services et les opérateurs. Elle constitue tout simplement la réponse faite à la demande de mobilité. Un service de transport est composé de véhicules (automobiles, autobus, tramways, etc.), d'infrastructures (routes, voies réservées, rail, arrêts, stations, etc.) et de principes de fonctionnement qui vont être plus ou moins compliqués et stricts selon les types de service. En France, les autorités confient la gestion des services de transport à des opérateurs selon le principe de délégation de service public24. Chaque opérateur
est responsable du bon fonctionnement d'un ou plusieurs services. Ce sont généralement de grosses sociétés de transport qui gèrent l'ensemble du transport public sur une, voire plusieurs agglomérations. À l'inverse, au Sénégal on observe une multitude d'opérateurs, passant du simple chauffeur de taxi à la société mixte Dakar Dem Dikk. Lorsque plusieurs opérateurs privés cohabitent sur un même territoire, il peut arriver qu'il y ait une compétition entre les services. Néanmoins, les offres de transport sont généralement conçues pour être complémentaires. Au- delà de la complémentarité, les différents services peuvent aussi être plus ou moins bien connectés entre eux. On parle alors d'intermodalité. Par exemple, une ligne de bus desservant une gare TGV peut être synchronisée avec l'arrivée des trains permettant ainsi un changement de mode rapide et simplifié pour les voyageurs.
Les services de transport ne sont pas tous nécessairement complexes dans leur fonctionnement. C'est le cas du métro qui circule sur des lignes totalement fixes et est cadencé sur des horaires relativement précis. Ainsi, à condition qu'il n'y ait pas d'incident particulier sur une ligne et que les chauffeurs respectent bien les limitations de vitesse, il est possible de
24 Selon la Loi n° 2001-1168 du 11 décembre 2001, la délégation de service public est l'ensemble « des contrats par lesquels une personne morale de droit public confie la gestion d’un service public dont elle a la responsabilité à un délégataire public ou privé dont la rémunération est substantiellement liée au résultat d’exploitation du service » (http://www.legifrance.gouv.fr).
déterminer avec précision la localisation de chaque véhicule en fonction des horaires. Ce sont d'ailleurs les avantages d'un tel service.
À l'inverse, les transports flexibles sont généralement plus complexes, car davantage imprévisibles. Le fonctionnement des taxis par exemple est beaucoup plus difficile à anticiper. Dans une ville, nous pouvons connaître les endroits où il y a une forte probabilité de trouver un taxi, par exemple les gares, les aéroports, etc., mais il nous est impossible d'anticiper la localisation précise de chaque taxi au cours du temps. Même s'il apparaît une certaine irrégularité dans les trajets des taxis, les clients définissent spontanément des origines et des destinations très variables. De plus, le trajet des taxis résulte précisément du choix de son conducteur et non d'un tracé purement géométrique et déterministe (comme les métros). Ainsi, pour aller d'un point A à un point B le chauffeur peut choisir entre différents parcours (cf. illustration 26). Ce choix va se faire en fonction de nombreux facteurs comme la présence d'embouteillages, d'obstacles ou d'éventuels clients à prendre (pour les taxis collectifs). Le chauffeur se déplace aussi en fonction de son instinct, de ses habitudes et de ses préférences pour telle ou telle route.
Selon les territoires et les contextes sociétaux, l'offre de transport peut être relativement simpliste, comme particulièrement complexe. La présence de services artisanaux et/ou informels a tendance à largement complexifier le fonctionnement de ce sous-système. Son degré de complexité va donc dépendre des types de service déployés, mais aussi du nombre de services compris dans l'offre de transport et de l'intensité de leurs interactions.
L'autorité organisatrice de transport (cf. (c) dans l'illustration 25)
L'autorité organisatrice de transport prend les grandes décisions en matière de planification du transport public, de tarification et de son financement. Elle relève très souvent des pouvoirs publics, que ce soit en France ou au Sénégal, c'est-à-dire de l’État, des régions, des départements, ou des collectivités. Concrètement, ce sous-système a pour mission d'organiser le transport public de manière à ce qu'il réponde au mieux à la demande de mobilité sur un territoire donné. Pour ce faire, l'autorité dispose de financements qui peuvent être très variables selon les contextes sociétaux. Elle fait généralement appel à des experts de la mobilité et à des aménageurs, qui par l’intermédiaire de bureaux d'études, ont pour but de conseiller et d'aider à la prise de décision. Toutes les décisions sont prises au niveau des élus. Ils constituent le niveau hiérarchique le plus élevé du système. Toutes les cellules organisationnelles travaillent en interaction, mais encore une fois cela varie beaucoup d'un cas à l'autre. Néanmoins, les décideurs doivent être avertis et informés des besoins de leurs concitoyens. Ils doivent trouver la réponse la plus juste possible en fonction de leurs contraintes économiques, politiques, sociales, juridiques, etc. Le fonctionnement d'une AOT peut alors être très complexe. Son niveau de responsabilité va aussi dépendre du nombre d'habitants et de la taille du territoire. On comprend bien que les enjeux ne sont pas les mêmes selon que l'on travaille à l'échelle d'une métropole ou d'une petite commune de quelques milliers d'habitants.
Sauts d'échelle et interaction entre les trois sous-systèmes
Les trois sous-systèmes que nous venons de décrire ne doivent pas être considérés sur le même plan. Il est nécessaire de distinguer les trois niveaux d'organisations. La demande de mobilité constitue le premier niveau. C'est le niveau le plus désagrégé puisque nous raisonnons à l'échelle de l'individu. L'offre de transport se situe à un niveau supérieur, puisque l'objectif des services déployés est de regrouper les individus au sein des véhicules. Autrement dit, il n'y a pas un service de transport par personne, mais bien quelques services qui permettent de répondre à un ensemble d'individus. C'est le principe même du transport en commun. Enfin, le dernier niveau correspond à l'AOT qui comme nous venons de l'expliquer tente d'organiser et de contrôler les deux niveaux inférieurs. C'est le niveau décisionnel du système.
Pour résumer, un système de mobilité est composé d'une autorité organisatrice de transport, qui va mettre en place un ensemble de services de transports, permettant lui-même de répondre au besoin de déplacement d'une multitude de personnes (cf. illustration 25). C'est une logique pyramidale qui correspond parfaitement au paradigme multi-agents. Nous verrons que grâce à nos modélisations à base d'agents, il est possible d'analyser le fonctionnement d'un système de mobilité à un niveau agrégé. Ce dernier émerge du fonctionnement simultané d'un nombre important d'individus (les agents) à un niveau désagrégé.
Bien évidemment, ces trois niveaux sont interconnectés et nous proposons pour finir de caractériser ces trois types d'interactions.
(1) Pour que l'offre de transport soit efficace, il est nécessaire qu'il y ait un système de correspondance entre les services et les individus. Les utilisateurs doivent avoir une bonne connaissance des services disponibles (fonctionnement, horaire de desserte, tarification, etc.). Pour ce faire, des systèmes de communication sont déployés (plan du réseau, site internet, consultation téléphonique, etc.). Des infrastructures comme les arrêts de bus, les stations, ont aussi pour objectif de garantir une bonne accessibilité aux services. Mais les interactions entre services de transport et individus ne se font pas dans un seul sens : ils peuvent être dynamiques. Comme nous l'avons vu dans la première partie, les services flexibles français et sénégalais sont dépendants de la demande des clients. Une personne peut héler un véhicule spontanément (par exemple avec les taxis) ou elle peut déclencher un service grâce à un système de réservation (par exemple avec les TAD). Comme nous le verrons dans le chapitre 3, toutes les simulations que nous proposons dans cette thèse sont basées sur ce principe d'interaction entre services de transport et demande de mobilité.
(2) Les interactions entre services de transport et l'AOT sont beaucoup moins dynamiques. Par exemple, la mise en place d'un nouveau système de transport sur un territoire prend généralement beaucoup de temps, plusieurs années parfois dans le cadre de délégation de service. C'est aussi une opération relativement coûteuse qui se doit d'être durable. En général, on