Dans de nombreuses situations de la vie quotidienne, une foule de piétons présente des capacités d’organisation tout à fait surprenantes. Dans les rues commerçantes des centres- villes, par exemple, le trafic piétonnier s’auto-organise spontanément: les personnes se déplaçant en sens opposés partagent l’espace disponible en constituant deux flux, chacun occupant une moitié de la rue (figure 1). Cette « autoroute de piétons » s’avère être une organisation collective particulièrement efficace qui améliore la fluidité du trafic, sans que les piétons n’en aient réellement conscience.

Figure 1. Structuration spontanée du trafic dans la rue Sainte Catherine à Bordeaux. Les personnes marchant dans le même sens se rangent du même côté de la rue.

Cette organisation apparaît de manière totalement décentralisée. Chaque piéton se comporte suivant ses propres motivations, mais tous sont influencés par leurs proches voisins. Et c’est à partir de ces interactions locales entre les individus que naît la dynamique globale de la foule. Mais parfois, ces processus d’amplification peuvent conduire à des comportements collectifs totalement inadaptés. C’est le cas de ces gigantesques bousculades collectives, appelées turbulences, qui apparaissent spontanément lorsqu’une densité critique de piétons est atteinte. Ces phénomènes incontrôlables furent observés à La Mecque en 2006 et plus récemment à Duisbourg au cours de la Love Parade en 2010.
Afin d’éviter ce genre de drame, ou tout simplement pour améliorer le confort de marche dans les villes, il est nécessaire de comprendre les mécanismes qui gouvernent ces comportements collectifs.
Les premières pistes de modélisation sont apparues au début des années 70. Le physicien Leroy Henderson proposa d’assimiler le mouvement d’une foule à celui d’une rivière et de le modéliser à l’aide de la mécanique des fluides. Cette idée suscita un certain intérêt chez une large communauté de physiciens: Serait-il possible de formaliser des comportements humains à l’aide d’outils de la physique ? C’est en poursuivant cette idée que le physicien Dirk Helbing formula en 1995 le modèle des forces sociales, qui reste encore aujourd’hui le plus utilisé dans la littérature. En assimilant le comportement du piéton à celui d’une particule dans un gaz, Helbing proposa de décrire le déplacement d’un piéton à l’aide d’un système de forces qui « attirent » le piéton vers sa destination et le « repoussent » des autres piétons. Malgré son apparente simplicité, cette approche a permis de prédire pour la première fois certains phénomènes collectifs, comme la structuration spontanée du trafic dans une rue.

Toutefois, les équations utilisées pour décrire ces forces sociales n’ont jamais été validées expérimentalement. Ainsi, l’objectif initial de mes travaux de thèse était de réaliser une série d’observations afin de déterminer précisément la nature de ces équations (figure 2). Mais les résultats ont mis en évidence des caractéristiques comportementales difficilement compatibles avec l’idée de « forces ». D’une part, nous avons découvert que le comportement des piétons était en partie régi par des conventions sociales. Ainsi, lorsque deux piétons se croisent, ils ne choisissent pas un coté au hasard : Dans 80% des cas, c’est le côté droit qui est choisi en France. Or ce biais comportemental n’est pas anodin car il s’amplifie dans un contexte collectif et joue un rôle fondamental dans la structuration du trafic.

Figure 2. L’analyse d’enregistrements vidéos en milieu urbain (A) et la réalisation d’expériences en laboratoire (B) a permis d’identifier des caractéristiques sociales et cognitives impliquées dans l’organisation collective des foules.

D’autre part, les piétons contrairement aux particules sont des êtres sociaux, et dans 70% de nos observations ils se déplacent en petits groupes de deux ou trois personnes. Or nos analyses montrent que ces interactions sociales affectent l’efficacité du trafic piétonnier de manière significative.

Décrire ce type de comportements à l’aide d’une combinaison de forces n’est pas impossible. Toutefois, cela nécessite la formulation d’équations de mouvements particulièrement complexes. Et une fois calibré sur nos observations, le modèle des forces sociales devient si sophistiqué qu’il en perd toute valeur explicative.

L’idée nous vint alors de construire une autre base de modélisation en élaborant un nouveau paradigme basé sur les processus cognitifs utilisés par un piéton. Que voit un piéton immergé dans une foule? Comment traite-t-il cette information visuelle pour adapter son comportement ? A partir d’une représentation de son champ visuel, nous avons montré que son comportement pouvait être décrit par deux règles très simples: Tout d’abord, il s’oriente en direction de l’espace libre où l’encombrement de son champ visuel est minimisé. Ensuite, il ajuste sa vitesse de manière à conserver une distance de sécurité par rapport aux obstacles qu’il perçoit. Et ces deux règles suffisent pour obtenir les mêmes prédictions que le modèle des forces sociales, mais de manière beaucoup plus simple. Conceptuellement, la différence est fondamentale : le piéton n’est plus considéré comme une particule passive soumise à un champ de répulsion mais comme un agent doué de capacités cognitives qui adapte son comportement en fonction des informations visuelles qu’il possède.

Pour autant, tirer un trait sur le rôle joué par la physique dans ces systèmes serait une erreur. En effet, à forte densité, les contacts physiques entre les piétons se multiplient et jouent un rôle significatif dans la dynamique collective. Or la meilleure façon de formaliser ces interactions physiques est de faire appel, à nouveau, à des forces de répulsion. Ainsi, c’est en superposant ces effets physiques aux règles comportementales que nous avons pu obtenir un modèle complet, permettant de reproduire les mouvements de turbulences observés à La Mecque.

Ces travaux montrent que l’étude du comportement des foules nécessite une approche interdisciplinaire par essence, intégrant des composantes physiques, sociales et cognitives. A l’avenir, ces recherches pourraient servir aux urbanistes pour aménager les espaces urbains et faciliter l’organisation des grands rassemblements.

 

 

Cet article à été publié dans le journal Le Monde, suite au prix LE MONDE, qui a récompensé mes travaux de thèse en 2011.

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