Rendre les dépenses routières plus durables

Chaussée

Crédit : CC0 Domaine public

La part des dépenses fédérales consacrées aux infrastructures a atteint un niveau record, passant de 30 % en 1960 à seulement 12 % en 2018.

Alors que l’infrastructure en difficulté du pays nécessitera plus de financement pour atteindre son plein potentiel, une récente recherche du MIT révèle que des routes plus durables et plus performantes sont toujours possibles, même avec les budgets limités d’aujourd’hui.

La recherche, menée par une équipe de scientifiques actuels et anciens du MIT Concrete Sustainability Hub (MIT CSHub) et publiée dans Transportation Research D, révèle qu’un ensemble de stratégies de planification innovantes pourrait améliorer les résultats environnementaux et de performance du réseau de chaussées même si les budgets n’augmentent pas. .

L’article présente un nouvel outil d’allocation budgétaire et l’associe à trois stratégies innovantes de gestion des réseaux de chaussées : un mélange de matériaux de pavage, un mélange d’actions de pavage à court et à long terme et une longue période d’évaluation pour ces actions.

Cette nouvelle approche offre de nombreux avantages. Appliqué à une étude de cas de 30 ans du réseau Iowa US Route, le modèle et les stratégies de gestion du MIT CSHub ont réduit les émissions de 20 % tout en maintenant les niveaux actuels de qualité des routes. Pour y parvenir avec une approche de planification conventionnelle, l’État devrait dépenser 32 % de plus qu’aujourd’hui. La clé de son succès réside dans la prise en compte d’un aspect fondamental, mais chargé, de la gestion des chaussées : l’incertitude.

Prédire l’imprévisibilité

La route moyenne doit durer de nombreuses années et supporter le trafic de milliers, voire de millions de véhicules. Pendant ce temps, beaucoup de choses peuvent changer. Les prix des matériaux peuvent fluctuer, les budgets peuvent se resserrer et les niveaux de trafic peuvent s’intensifier. Le climat (et le changement climatique) peut également accélérer des réparations inattendues.

Gérer efficacement ces incertitudes, c’est regarder loin dans l’avenir et anticiper les évolutions possibles.

« Capturer les impacts de l’incertitude est essentiel pour prendre des décisions efficaces en matière de revêtement », explique Fengdi Guo, auteur principal de l’article et assistant de recherche CSHub partant.

« Pourtant, mesurer et relier ces incertitudes aux résultats est également gourmand en calculs et coûteux. Par conséquent, de nombreux DOT [departments of transportation] sont obligés de simplifier leur analyse pour planifier la maintenance, ce qui entraîne souvent des dépenses et des résultats sous-optimaux. »

Pour donner aux DOT des outils accessibles pour prendre en compte les incertitudes dans leur planification, les chercheurs du CSHub ont développé une approche de planification rationalisée. Elle offre une plus grande spécificité et est associée à plusieurs nouvelles stratégies de gestion des chaussées.

L’approche de planification, connue sous le nom de Probabilistic Treatment Path Dependence (PTPD), est basée sur l’apprentissage automatique et a été conçue par Guo.

« Notre modèle PTPD est composé de quatre étapes », explique-t-il. « Ces étapes sont, dans l’ordre, la prévision des dommages à la chaussée ; la prévision des coûts de traitement ; l’allocation budgétaire ; et l’évaluation de l’état du réseau de chaussées. »

Le modèle commence par étudier chaque segment d’un réseau de chaussées entier et prédit les possibilités futures de détérioration de la chaussée, de coût et de trafic.

« Nous [then] exécuter des milliers de simulations pour chaque segment du réseau afin de déterminer les résultats probables en termes de coûts et de performances pour chaque séquence initiale et suivante, ou « voie » des actions de traitement », explique Guo. « Les voies de traitement avec les meilleurs résultats en termes de coût et de performance sont sélectionné pour chaque segment, puis sur l’ensemble du réseau. »

Le modèle PTPD cherche non seulement à minimiser les coûts pour les agences mais aussi pour les utilisateurs, dans ce cas, les conducteurs. Ces coûts d’utilisation peuvent prendre principalement la forme d’une surconsommation de carburant due à la mauvaise qualité des routes.

« Une amélioration de notre analyse est l’incorporation de l’adoption des véhicules électriques dans nos prévisions de coûts et d’impact environnemental », Randolph Kirchain, chercheur principal au MIT CSHub et au MIT Materials Research Laboratory (MRL) et l’un des co-auteurs de l’article. « Étant donné que le parc de véhicules changera au cours des prochaines décennies en raison de l’adoption des véhicules électriques, nous nous sommes assurés de considérer l’impact de ces changements sur nos prévisions de consommation d’énergie excessive. »

Après avoir développé le modèle PTPD, Guo a voulu voir comment l’efficacité de diverses stratégies de gestion des chaussées pouvait différer. Pour ce faire, il a développé un modèle sophistiqué de prédiction de détérioration.

Un aspect nouveau de ce modèle de détérioration est son traitement simultané de plusieurs métriques de détérioration. À l’aide d’un réseau de neurones multi-sorties, un outil d’intelligence artificielle, le modèle peut prédire plusieurs formes de détérioration de la chaussée simultanément, rendant ainsi compte de leurs corrélations entre elles.

L’équipe du MIT a sélectionné deux paramètres clés pour comparer l’efficacité de diverses voies de traitement : la qualité de la chaussée et les émissions de gaz à effet de serre. Ces métriques ont ensuite été calculées pour tous les segments de chaussée du réseau de l’Iowa.

Amélioration par la variation

Le modèle MIT peut aider les DOT à prendre de meilleures décisions, mais cette prise de décision est finalement limitée par les options potentielles envisagées.

Guo et ses collègues ont donc cherché à élargir les paradigmes de prise de décision actuels en explorant un large éventail de stratégies de gestion de réseau et en les évaluant avec leur approche PTPD. Sur la base de cette évaluation, l’équipe a découvert que les réseaux avaient les meilleurs résultats lorsque la stratégie de gestion comprenait l’utilisation d’un mélange de matériaux de pavage, une variété d’actions de réparation de pavage à long et à court terme (traitements) et des périodes plus longues sur lesquelles se baser. paver les décisions.

Ils ont ensuite comparé cette approche proposée à une approche de gestion de référence qui reflète les pratiques courantes et répandues : l’utilisation de matériaux bitumineux uniquement, des traitements à court terme et une période de cinq ans pour évaluer les résultats des actions de pavage.

Une fois ces deux approches établies, l’équipe les a utilisées pour planifier 30 ans de maintenance sur le réseau Iowa US Route. Ils ont ensuite mesuré la qualité des routes et les émissions subséquentes.

Leur étude de cas a révélé que l’approche MIT offrait des avantages substantiels. Les émissions de gaz à effet de serre liées aux chaussées diminueraient d’environ 20 % sur l’ensemble du réseau sur l’ensemble de la période. Les performances de la chaussée se sont également améliorées. Pour atteindre le même niveau de qualité des routes que l’approche MIT, l’approche de base aurait besoin d’un budget supérieur de 32 pour cent.

« Il convient de noter », dit Guo, « que puisque les pratiques conventionnelles utilisent des outils d’allocation moins efficaces, la différence entre eux et l’approche CSHub devrait être encore plus grande dans la pratique. »

Une grande partie de l’amélioration provient de la précision du modèle de planification CSHub. Mais les trois stratégies de traitement jouent également un rôle clé.

« Nous avons constaté qu’un mélange de matériaux de pavage en asphalte et en béton permet non seulement aux DOT de trouver les matériaux les mieux adaptés à certains projets, mais atténue également le risque de volatilité des prix des matériaux au fil du temps », explique Kirchain.

C’est une histoire similaire avec un mélange d’actions de pavage. L’utilisation d’un mélange de correctifs à court et à long terme donne aux DOT la flexibilité de choisir la bonne action pour le bon projet.

La stratégie finale, une période d’évaluation à long terme, permet aux DOT de voir toute la portée de leurs choix. Si les ramifications d’une décision sont prévues sur seulement cinq ans, de nombreuses implications à long terme ne seront pas prises en compte. L’élargissement de la fenêtre de planification peut donc introduire des options bénéfiques à long terme.

Il n’est pas surprenant que les décisions de pavage soient intimidantes à prendre; leurs impacts sur l’environnement, la sécurité des conducteurs et les budgets sont durables. Mais plutôt que de simplifier ce processus lourd, la méthode CSHub vise à refléter sa complexité. Le résultat est une approche qui fournit aux DOT les outils pour faire plus avec moins.


Améliorer les réseaux de chaussées en prédisant l’avenir


Plus d’information:
Fengdi Guo et al, Évaluations environnementales et économiques des stratégies de traitement pour la planification basée sur les performances des réseaux de chaussées, Recherche sur les transports Partie D : Transports et environnement (2021). DOI : 10.1016/j.trd.2021.103016

Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Citation: Rendre les dépenses routières plus durables (2021, 28 septembre) extrait le 28 septembre 2021 de https://techxplore.com/news/2021-09-roadway-sustainable.html

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