Olivier Bonin

Keywords: réseaux de transport, cartographie, données historiques, modélisation, analyse spatiale transport networks, cartography, historical data, modelling, spatial analysis

Analyse de la croissance de réseaux de transport sur le moyen terme à partir de sources cartographiques : comment utiliser la carte de Cassini comme source de données ?

Analysing the growth of transport network on the medium term with cartographic sources: how to turn the Cassini map into a data source?

Introduction

Les réseaux de transport sont des objets qui se développent au cours du temps, de manière à assurer une mobilité toujours plus grande et plus fluide des personnes et des marchandises. Ce développement ne se traduit pas nécessairement par une extension spatiale plus importante : la capacité, la vitesse, la fiabilité sont également des facteurs importants de la croissance des réseaux. De même, la multi-modalité est une caractéristique essentielle des déplacements sur ces réseaux : il est difficile d'envisager étudier le développement du réseau routier au XVIII e siècle sans prendre en compte les possibilités de circulation sur les voies navigables par exemple, ou un réseau de transport moderne sans chemin de fer (Dalché, 1986).

Les réseaux ont pris une place importante dans le monde d'aujourd'hui, sous des formes très différentes : réseaux de communication, réseaux de transport, réseaux d'eau, réseaux d'énergie, réseaux sociaux, etc. De manière générale, un réseau est un outil conceptuel permettant de décrire la mise en relation d'un ensemble d'entités par des connexions matérielles (comme un réseau d'eau) ou immatérielles (comme un réseau social). En mathématique, un réseau est associé à un graphe valué, c'est-à-dire un graphe dont les arêtes qui connectent les noeuds associés aux entités portent une valeur numérique caractérisant la relation entre les noeuds. Certaines caractéristiques de la croissance des réseaux peuvent être appréhendées par des indicateurs de la théorie des graphes, locaux ou globaux [START_REF] Kansky | Measures of Network Structure, Flux[END_REF], y compris dans le cadre de réseaux de rues ou de réseaux routiers. En effet, la croissance, ou la décroissance, d'un réseau peut passer par une évolution du nombre de noeuds, donc d'entités connectées au réseau, du nombre d'arêtes, donc du nombre de relations entre les noeuds, ou encore de la valuation des arêtes. Par exemple, Muraco, dans son étude sur Indianapolis [START_REF] Muraco | Intraurban Accessibility[END_REF] compare le réseau principal de la ville en 1954 et en 1975 à l'aide d'indicateurs d'accessibilité et de centralité pour traduire les impacts du développement d'une rocade, et caractériser le déséquilibre est-ouest du développement de cette ville.

L'analyse d'un réseau routier, que ce soit à la fin du XVIII e ou à d'autres époques plus récentes, ne saurait s'appuyer uniquement sur le tracé dudit réseau, et s'effectuer seulement avec des outils de la théorie des graphes. Le réseau routier servant au transport de personnes et de biens, il est indispensable d'introduire dans les analyses la question de la demande de mobilité, le réseau ne décrivant que l'offre de transport disponible, et encore imparfaitement. De même, si on se place dans une optique de mise en évidence de mécanismes de croissance, de facteurs explicatifs, il est indispensable d'introduire des informations sur l'histoire des territoires, la croissance démographique, les échanges commerciaux, etc. Cependant, dans cet article, nous nous plaçons dans l'optique d'étudier la croissance d'un réseau de manière descriptive et non explicative, et soulignons qu'un réseau de transport est associé à un type de graphe très particulier, car il possède une géométrie. Les noeuds ont des positions spatiales correspondant aux positions des entités qu'ils représentent : villes, carrefours, etc. Un réseau de transport possède même une géométrie à travers ses arêtes, lorsque ces arêtes sont des représentations cartographiques du tracé de ses voies.

En exploitant l'ensemble des informations topologiques et métriques, c'est-à-dire en étendant les approches de la théorie des graphes, l'analyse mathématique des réseaux, quoique réductrice, peut apporter une information pertinente. Pour la plupart des modes de transport, on assiste à une croissance sous la forme d'un accroissement du nombre d'arêtes, donc de la longueur totale du réseau, et d'un accroissement du nombre de noeuds, donc de sa connexité [START_REF] Lin | Le développement du réseau routier en Chine : inconséquences et inégalités[END_REF]. Gleyze (2007) propose une méthode pour faire la part des effets spatiaux et des effets réseaux dans de telles analyses. On peut également modéliser la croissance de certains réseaux de transport, notamment ceux où la métrique présente moins d'importance que la topologie, comme les réseaux de métro [START_REF] Roth | The "Good Continuation" Principle of Perceptual Organization applied to the Generalization of Road Networks[END_REF] ou les plans de ville [START_REF] Barthelemy | Self-organization versus top-down planning in the evolution of a city[END_REF].

L'approche que nous adoptons est celle du groupe geohistoricaldata i , dont l'un des fondateurs est un physicien co-auteur de deux des études précédemment citées. Nous considérons que la constitution de sources de données numériques à partir des fonds cartographiques existants (dont la carte de Cassini (Pelletier, 2013), la carte d'étatmajor [START_REF] Huguenin | Historique de la cartographie de la nouvelle carte de France[END_REF][START_REF] Dalché | La représentation de l'espace. De Jean de Mandeville à la carte de l'état-major[END_REF], la nouvelle carte topographique de la France, ainsi que les bases de données numériques qui se sont succédées jusqu'à aujourd'hui) est une étape nécessaire, mais non suffisante, à la production de données permettant des modélisations d'évolution des réseaux à l'échelle de la France, des analyses statistiques, et de l'analyse spatiale. L'équipe geohistoricaldata travaille actuellement à la vectorisation des routes, des villes, du réseau hydrographique et des diverses limites portées sur la carte de Cassini, de manière à constituer une base de données contenant dans la mesure du possible les informations de contextualisation qu'apporte une carte. Notons que cette approche modélisatrice est similaire à celle de l'équipe Morphocity ii (Douady et al., 2014), qui considère que le réseau des rues constitue un marqueur pertinent des villes, tout en étant consciente du côté réducteur de cette approche, et que l'évolution de ce réseau peut à la fois révéler des régularités, et apporter une contribution à l'étude de phénomènes urbains.

Le relatif petit nombre de cartes de France réalisées est à mettre en regard avec le fait que les réseaux de transport évoluent relativement lentement, et par à-coups. En effet, le développement des réseaux est souvent provoqué ou accéléré par des politiques d'aménagement du territoire, comme la création des Ponts et Chaussées par Colbert ou plus récemment le développement des autoroutes. Pour caractériser cette croissance, la question des sources de données est cruciale : il est nécessaire que les sources cartographiques soient aussi homogènes que possible dans leur spécifications sur l'ensemble du territoire couvert. Le problème majeur ne sera donc pas le peu de points disponibles dans le temps, mais l'hétérogénéité des différentes cartes, au sein d'une même carte, et d'une carte à l'autre.

Nous nous intéressons dans cet article de manière particulière à la carte de Cassini, puisqu'elle est la première carte détaillée relativement homogène réalisée sur le territoire français, et que son processus de vectorisation est quasiment achevé en ce qui concerne le réseau routier. Nous faisons l'hypothèse que les questions et éléments d'analyse que nous avançons dans cet article sont transposables pour la plupart à la carte d'Etat-Major qui lui a succédé, même si la plus grande homogénéisation de la carte au cours du temps rend moins importants certains des points abordés. Notons que le fait que l'exemplaire numérisé par l'EHESS et mis en ligne sur le géoportail, dit « exemplaire de Marie-Antoinette », ait été découpé et entoilé, indique que la carte de Cassini a effectivement été emportée lors de voyages. Le fait que Cassini ait reçu la protection de Trudaine (Pelletier, 2013), responsable des routes du royaume et par ailleurs ayant ordonné la réalisation d'un atlas routier du royaume (partiel) suggère que la carte de Cassini est pertinente pour l'étude du réseau routier.

Cependant, la numérisation du réseau routier tracé sur la carte de Cassini nous donnera un objet assez différent d'une base de données vectorielle moderne, dans le contenu sinon dans la forme. Ce point, tout en étant évident, est parfois négligé dans les analyses, le caractère numérique des données leur conférant une illusion de véracité. Il est également difficile de prendre en compte les particularités des donnés historiques dans un processus de modélisation. Nous allons donc analyser comment les concepts de réseau, d'infrastructure de transport et d'itinéraire se traduisent à la fois dans le réseau routier de la fin du XVIII e et dans la carte de Cassini, pour proposer une manière d'aborder la source de données qui exploite les hétérogénéités spatiales et temporelles pouvant être mises en évidence, et enfin des pistes pour aborder l'analyse spatiale de données cartographiques historiques. En conclusion, nous suggérons l'utilisation d'autres sources de données pour enrichir les données numériques produites à partir de la carte de Cassini.

Réseau, infrastructure, voirie : quels concepts et quelles représentations dans la carte de Cassini ?

Comme nous l'avons montré dans [START_REF] Bonin | La carte, modèle analogique et calcul spatial[END_REF], la carte peut être considérée comme une relation de modélisation, au sens de l'approche relationnelle de la modélisation de Rosen (Rosen, 1985), qui présente, du fait de son support graphique, la particularité de faire appel au calcul spatial pour sa lecture, soit l'utilisation des opérations de comparaison et d'analogie, sans passer par l'utilisation de scalaires ou de vecteurs.

La carte est une représentation abstraite du monde vu d'en haut, en projection orthogonale, au moyen de signes conventionnels que sont les figurés cartographiques. Elle a donc une fonction d'indice, plutôt que d'icône, dans la terminologie de Peirce [START_REF] Peirce | Écrits sur le signe, rassemblés traduits et commentés par G. Deledalle[END_REF], car la relation entre la carte et le monde est plus une relation d'analogie qu'une relation de ressemblance. Un trait figurant une route ne ressemble pas à une route sur le terrain, mais évoque, par le jeu de conventions cartographiques, cet objet. Il est donc nécessaire, pour comprendre une carte, de connaître sa légende, mais également ses spécifications, c'est-à-dire la manière dont les objets du monde réel sont transformés en abstractions et représentés (la légende ne traduisant que la représentation graphique de cette abstraction), et enfin, même si c'est implicite dans la plupart des cas, connaître la correspondance entre les termes employés dans les spécifications et les objets du monde réels à l'époque de la carte.

Nous n'allons pas nous étendre sur carte la carte de Cassini, qui a fait l'objet de nombreuses études, dont notamment (de [START_REF] De Dainville | La carte de France et son intérêt géographique[END_REF]Pelletier, 2013) et [START_REF] Drapeyron | La Vie et les travaux géographiques de Cassini de Thury[END_REF] pour une des premières études d'importance, sinon pour rappeler que cette carte, commencée sous Louis XV, est tout d'abord une grande innovation technique, car elle s'appuie sur un réseau géodésique de la France calculé par triangulation d'une grande qualité, si bien que précision géométrique du calage des objets est remarquable pour l'époque. Le travail des topographes se raccroche à un réseau de points connus avec une excellente précision. Il est ainsi possible de transformer les coordonnées des points de la carte, établie avec une projection d'époque, dans un système de projection moderne, et de rendre ainsi superposable la carte à des images aériennes ou des données géographiques actuelles (Figure 1).

Figure 1 : superposition de la base de données Route120 de l'IGN (gris) et de la carte de Cassini numérisée (noir). La carte de Cassini présente globalement un moindre niveau de détail sur cet extrait, mais se superpose très correctement à la base de données moderne.

L'assise de la cartographie sur un réseau géodésique répondait aux objectifs ambitieux de César-François Cassini de Thury, troisième de la lignée des Cassini, qui voulait « assurer (…) le positionnement exact des lieux », « déterminer le nombre innombrable de bourgs, villes et villages semés dans toute son étendue » et « représenter ce qui est immuable dans le paysage ». Notons également que le financement de la carte, assuré initialement par le roi, est vite devenu problématique, et qu'une grande souscription nationale a été lancée, introduisant sans doute des intérêts régionaux dans le processus de cartographique du territoire.

La carte de Cassini constitue ainsi une source cartographique de très grande qualité, compatible avec l'objectif de constituer une base de données géographique des réseaux de transport à plusieurs époques, de la fin du XVIII e jusqu'à nos jours. Cependant, la grande précision du positionnement des objets de doit pas faire oublier qu'elle est le résultat d'une relation de modélisation relationnelle du territoire. Une évolution de réseau entre deux dates dans une carte, comme par exemple l'apparition d'une liaison entre deux localités, peut tout aussi bien refléter une évolution des spécifications de la carte (quelles routes doit-on représenter en fonction de leur nature ?) qu'un changement plus profond du concept même de route, lorsque les cartes sont distantes de plusieurs dizaines, voire centaines d'années.

La difficulté principale à laquelle on est confronté lorsqu'on analyse les données de la carte de Cassini est qu'il est difficile de ne pas être influencé par notre conception moderne du réseau de transport. La carte de Cassini représente a priori un réseau routier, donc une infrastructure, mais la notion de réseau renvoie à la fois à des caractéristiques physiques de la voirie et à des concepts d'itinéraires.

Les spécifications de la carte de Cassini imposaient de ne faire figurer que le réseau routier principal, du fait du manque de stabilité et de l'état de qualité variable de ce réseau, et de sa faible importance économique. Précisons que ces « spécifications » ne sont pas à entendre sous la forme d'un document unique qui contiendrait, comme des spécifications modernes, le contenu et la représentation de la carte. Néanmoins, le fait que Cassini justifie l'absence du réseau routier secondaire en invoquant le manque de stabilité de cet élément fait partie des connaissances qui permettent de reconstruire, a posteriori, un certain nombre d'instructions formant l'équivalent des spécifications de la carte. De même, il existe une légende, mais cette dernière n'est pas connue explicitement et a été reconstituée d'après les cartes iii . Ce choix se comprend aisément dans un contexte où les déplacements pouvaient s'effectuer en suivant de nombreux itinéraires sillonnant la campagne, c'est-à-dire en dehors des routes pavées dessinées et entretenues par l'administration des Ponts et Chaussées. Dans notre rapport contemporain au réseau de transport, le réseau viaire est une condition nécessaire de réalisation d'un itinéraire. Un déplacement entre une origine et une destination, qu'on appelle un itinéraire, consiste à choisir un chemin optimal sur le réseau viaire reliant les deux points.

La notion d'itinéraire prend un tout autre sens à l'époque de la carte de Cassini. Un itinéraire est une liaison régulière entre deux localités, assurée facilement, par éventuellement un ou plusieurs cheminement sur le réseau, mais également hors du réseau viaire principal, qui peut évoluer au cours du temps, en fonction par exemple des exploitations agricoles, du niveau des cours d'eau, ou le l'insécurité des chemins. La notion de réseau principal prend alors un sens particulier lorsqu'il existe un itinéraire entre deux localités, mais que cet itinéraire peut emprunter différents chemins d'égale importance ou d'égal niveau d'entretien. La carte de Cassini représente alors un des cheminements possibles.

La carte de Cassini représente donc un réseau principal qui regroupe à la fois le réseau viaire de qualité, sous la forme de routes carrossables empierrées et parfois arborées, et des itinéraires importants sur la carte, pour rendre compte de la notion complexe de réseau principal. En outre, la modernisation du réseau routier français, impulsée par Colbert sous Louis XIV, et poursuivie sous Louis XV, était loin d'être achevée lors des levés de la carte de Cassini. Un symbole spécifique décrit d'ailleurs les routes en projet, mais non encore réalisées iv . La carte matérialiserait ainsi à la fois un réseau effectivement utilisé, et l'ossature du réseau en cours de constitution au moment de la rédaction de la carte. Nous verrons qu'on peut soupçonner que certaines routes cartographiées comme réalisées n'étaient en réalité qu'à l'état de projet à l'époque de la carte, ou n'avaient pas l'importance que suggère leur symbolisation.

Une autre difficulté dans l'appréhension du réseau vient de l'importance des facteurs limitant l'utilisation de ces réseaux. Le premier facteur est la vitesse : en l'absence de modes de transport mécanisés, il était impossible de parcourir de grandes distances dans la même journée. Les itinéraires se conçoivent donc avec des étapes, ce qui est plus rarement le cas pour les déplacements en France de nos jours. Un réseau ainsi structuré sur des courtes et moyennes distances n'obéit pas aux mêmes impératifs qu'un réseau pensé globalement. Notons d'ailleurs qu'on ne circulait probablement pas beaucoup plus rapidement sur une route pavée arborée que sur un itinéraire secondaire.

Le deuxième facteur est la présence d'infrastructures de transport associées au réseau viaire. Pour permettre de parcourir plus rapidement de grandes distances, il existait un réseau de relais de postes, où les coursiers pouvaient trouver des chevaux frais pour poursuivre leur voyage. Cependant, ce n'était pas un service public comparable aux réseaux de stations services aujourd'hui. A l'origine réservé au seul usage du roi, le service n'a été que progressivement ouvert aux voyageurs. Il est donc important, lorsqu'on analyse un réseau de transport tel que celui de la France de l'époque des Cassini, de se poser la question de savoir quels sont les personnes ou marchandises dont on analyse les conditions potentielles de mobilité par l'étude du réseau.

En outre, la libre circulation des voyageurs et des marchandises n'était pas aussi totale qu'elle peut l'être aujourd'hui. Ainsi, notre vision moderne nous fait appréhender les villes comme des noeuds de communication importants du réseau de transport. Dans un contexte de villes fortifiées, possédant des portes, et pratiquant éventuellement des taxations des marchandises, il faut sans doute penser différemment le rôle des villes dans le réseau de transport.

Enfin, les concepts modernes de multimodalité et d'intermodalité sont à aborder différemment dans le cas du réseau de la carte de Cassini. Par exemple, les franchissements de cours d'eau sont rarement associés à des ponts représentés sur la carte. La continuité des itinéraires pouvait être assurée par des gués ou des bacs, pas nécessairement situés dans le prolongement des routes représentées. Le réseau de la carte de Cassini présente donc un caractère d'apparente déconnexion du fait de l'utilisation nécessairement importante du transport par voie d'eau, ne serait-ce que pour ces franchissements.

Hétérogénéité spatiale et temporelle

S'intéresser à des questions d'évolution de réseaux à partir de sources cartographiques soulève la question de la temporalité propre de l'évolution d'un réseau de transport, que nous avons déjà évoquée, ainsi que celle de la temporalité propre de la réalisation de la carte.

La carte de Cassini présente des levés terrain s'échelonnant en 1751 et 1785, pour une publication jusqu'à 1815, dans un contexte de fort développement du réseau routier, comme nous l'avons noté. Elle est découpée en 184 feuilles, ce qui implique le concours d'un grand nombre d'ingénieurs et de cartographes. Le registre tenu par Monsieur de Borda de 1757 à 1780 fait état de près de 70 ingénieurs et de 20 vérificateurs pour la réalisation de la carte. Il est donc inévitable, malgré le caractère scientifique de la carte et la présence de spécifications précises, que la carte dans son ensemble présente une variabilité spatiale et temporelle.

L'hétérogénéité spatiale peut être appréciée qualitativement, tout d'abord en analysant les raccords entre feuilles. La présence d'une route sur une feuille qui n'est pas reprise sur la feuille voisine peut traduire une évolution temporelle de cette route, mais plus probablement une interprétation différente du concept de réseau routier principal tel qu'énoncé par les Cassini. Il est ainsi possible de détecter visuellement, puis de quantifier dans un deuxième temps, des différences de densité manifestes des réseaux entre les feuilles. La feuille des Landes (Figure 2) présente un niveau de densité de réseau routier tout fait anormale par comparaison avec le reste du territoire. La carte de Cassini ne possédant pas de légende formelle, on peut même se demander si les objets qui apparaissent sur la carte avec des figurés identiques à celui des routes sont bien des routes et non pour partie des fossés de drainage.

Figure 2 : Carte de Cassini vectorisée en superposition avec Route 120 IGN sur la région des Landes. La feuille des Landes se détache visuellement très nettement, car elle présente une densité de réseau nettement plus importante que ses feuilles voisines. Le pendant de cette différence de densité est la présence de nombreuses routes non raccordées. La densité de la carte de Cassini sur cette feuille la rend comparable à Route 500 (en gris, trait fin).

De même, la feuille de Tréguier comporte une densité de réseau extrêmement élevée impossible à expliquer par une particularité régionale ou un levé plus tardif. Il est fort probable que la densité de réseau révèle la volonté des seigneurs du lieu, ou des souscripteurs de la carte, à mettre particulièrement en avant leur territoire.

A l'inverse, certaines cartes semblent extrêmement peu dotées en routes, laissant sans connexion des localités importantes représentées par un simple figuré. La comparaison avec la base de données de Route 120 de l'IGN laisse supposer une trop stricte application du principe de sélection du réseau routier principal, engendrant des déconnexions fortes du réseau et laissant des bourgs importants non desservis (Figure 3). Si les routes reliant ces localités n'avaient pas le statut de route principale pour la carte, il est difficile de les ignorer totalement dans nos analyses, sous peine de détecter une croissance locale forte du réseau dans des territoires qui n'étaient pas à l'évidence déconnectés du reste de la France.

Figure 3 : l'application stricte du critère de route principale a conduit les cartographes à ne pas en saisir dans le Tardenois et dans la Montagne de Reims (au SO et au S de Reims), produisant une déconnexion importante du réseau, dans une zone par ailleurs riche en localités.

La zone de la Montagne de Reims et du Tardenois de la figure 3 est typique d'une zone où les itinéraires secondaires n'étaient pas associés à des routes empierrées bordées d'arbre, mais plus probablement empruntaient les nombreux chemins qui s'appuyaient sur le relief, et n'étaient donc pas toujours carrossables en période de fortes pluies.

Les quelques illustrations présentées montrent que, dans l'esprit, la plupart des feuilles de la carte de Cassini sont comparables à la base de données Route 120 de l'IGN, qui représente les 120 000 km principaux du réseau routier français (Figure 4). Cependant, le niveau de densité de certaines feuilles la rend plus directement comparable par endroit à Route 500, qui représente les 500 000 km principaux du réseau. Or, l'analyse en aveugle de la comparaison de Route 120 et de Route 500 conduirait à supposer une croissance du réseau routier là où il s'agit simplement de spécifications de contenu différentes des bases de données.

Figure 4 : superposition de la carte de Cassini et de Route 120. On perçoit l'hétérogénéité de la densité du réseau de Cassini comparé à la relative homogénéité de celui de Route 120. Il est impossible de déterminer dans quelle mesure cette hétérogénéité est attribuable à un moindre développement du réseau principal dans certaines régions, et à une application différente des spécifications de contenu de la carte. Elle reflète cependant fort probablement des développements différenciés du réseau routier dans la France du début du XIX ème siècle. L'utilisation des villes et bourgs est très utile pour comprendre l'ossature de ce réseau principal : la carte de Cassini comprend de très nombreux toponymes (cf. Figure 5) décrivant les villages, les moulins, les pressoirs, etc. qui ne sont pas explicitement desservis par un réseau représenté mais l'étaient naturellement. Pour chaque feuille, l'analyse des villes et bourgs ayant une représentation cartographique, couplée à celle du réseau, permet de faire la part entre les différents niveaux d'interprétation de ce qu'était le réseau principal de l'époque.

Il est difficile d'imaginer, au-delà de la détection de particularités locales qui font suspecter des anomalies, comment aller vers une homogénéisation des données les rendant plus propres à la comparaison avec des données modernes. Toutefois, les méthodes de l'analyse spatiale peuvent constituer un apport pour analyser ces questions, ou tenter de corriger des anomalies locales lorsqu'elles ont été détectées.

Dans le cas de feuille très denses en réseau routier, comme celle des Landes ou celle de Tréguier, on peut utiliser des algorithmes développés pour la généralisation cartographique pour tenter de sélectionner le réseau principal d'une feuille. On peut notamment mettre en oeuvre des algorithmes procédant à une sélection de routes assurant une bonne continuité des axes majeurs [START_REF] Richardson | Integrating Thematic, Geometric and Topologic Information in the Generalization of Road Networks[END_REF][START_REF] Roth | The "Good Continuation" Principle of Perceptual Organization applied to the Generalization of Road Networks[END_REF]. Dans le cas de la carte de Cassini, ces axes majeurs peuvent être confirmés lorsqu'ils sont en continuité avec les feuilles voisines, ainsi que lorsqu'ils sont qualifiés par des toponymes. Cette méthode permettrait ainsi de traiter les feuilles globalement trop denses (c'est-à-dire celles dont la densité supérieure de réseau ne peut s'expliquer par des particularités locales indiscutables), mais bien entendu ne saurait constituer un traitement systématique sur l'ensemble de la France.

Dans le cas de réseau peu dense, comme celui de la Montagne de Reims et du Tardenois, on peut supposer que, hors obstacle majeur (cours d'eau, montagnes), des localités proches figurant sur la carte étaient probablement reliées par un itinéraire. Il est donc possible, dans ce cas, d'utiliser des méthodes d'analyse de réseau pour détecter les absences manifestes de continuité, et les rétablir avec des arcs virtuels, sur des critères de plus court chemin au réseau principal. Ainsi, sur l'exemple de la Figure 4, il est possible de rétablir la continuité entre Reims et le sud, de manière à rendre cette feuille plus comparable avec ses voisines ; il est certain de toute façon qu'un itinéraire régulier existait entre Reims et Sermiers, bien que, sur la carte, la route ne semble pas monter plus au nord. Cet exercice est bien sûr hautement périlleux : il ne s'agit pas de laisser à l'algorithme le choix des continuités à rétablir, mais simplement d'aider à saisir des liaisons lorsque l'absence de ces dernières résulte soit d'un arpentage de terrain incomplet, soit d'une application trop stricte de la définition d'une liaison principale.

Analyse spatiale sur des données historiques

L'analyse spatiale globale sur des données historiques constituées à partir de sources cartographiques présente des limites si on se contente d'utiliser un seul thème topographique : les processus de levé topographique produisent des données de géométrie souvent insuffisante pour calculer avec précision des longueurs, des angles et des alignements, qui sont nécessaires pour rentrer dans une description fine de la morphologie du réseau.

En revanche, des analyses locales croisant l'ensemble de l'information disponible sur la carte révèlent des évolutions caractéristiques qu'on ne peut expliquer simplement par des évolutions progressives des tracés ou par une densification du réseau à partir d'une armature existante. La figure 5 présente une région autour de la Ferté-Fresnel, dans l'Orne, où l'on constate que le réseau de Cassini, principalement orienté N-S, a cédé la place à un réseau assez différent dans Route 120, orienté NO-SE, reprenant très peu le réseau historique.

Figure 5 : extrait de la carte de Cassini (exemplaire de Marie-Antoinette aquarellé, mis en ligne sur le géoportail), avec en superposition Route 120 et le réseau routier vectorisé. Le réseau route 120 contemporain s'appuie très peu sur le réseau historique dans cette région de l'Orne.

Il apparaît clairement que l'orographie joue un rôle important dans le tracé du réseau routier. Sur l'exemple de la figure 5, les structures du relief principales sont figurées par des lignes bistres, et révèlent que le réseau est en grande partie aligné sur ces structures, tandis que le réseau moderne traverse le relief, sans doute grâce à un usage plus important de remblais et de déblais. L'étude de l'évolution du réseau routier nécessite donc, pour limiter les problèmes liés à la résolution spatiale des données et aux biais de sélection locaux des routes à représenter, d'introduire des éléments structurants. Il est ainsi utile de prendre en compte les villes et localités à relier entre elles, et les obstacles au tracé des routes, avec en premier lieu l'hydrographie et le relief. La vectorisation de ces éléments à partir de la carte de Cassini est d'ailleurs en cours.

Il nous semble donc qu'une façon d'aider à faire la part entre geste du cartographe et réelles évolutions sur le terrain, ainsi qu'à prendre en compte l'hétérogénéité spatiale des évolutions constatées entres différentes dates, consiste à introduire des éléments structurants du transport même, avec en premier lieu une caractérisation fine des lieux reliés par le réseau, et la prise en compte des contraintes au déploiement spatial du réseau, dont le relief et les cours d'eau.

Enfin, l'utilisation conjointe d'information sémantique déduites des toponymes et reconstruites à partir de la forme des objets peut aider à nourrir l'analyse. La figure 6 montre une route parfaitement rectiligne, nommée « chemin de Reims à Charleville », ce qui laisse supposer une liaison importante et structurante, qui aurait soit disparu au cours du temps, soit été classée par erreur dans la catégorie des liaisons principales ; elle correspondrait alors au tracé en trait fin qui serpente autour de ce chemin. La détection de ce type d'événement structurant peut facilement être automatisée à l'aide de méthode d'analyse spatiale. Les routes parfaitement rectilignes sur des très longues distances sont des candidats à la vérification ; lorsque de telles routes traversent des lignes orographiques, on peut soupçonner soit un problème de qualité du levé, soit qu'il s'agit d'une route toute récente, faisant partie du nouveau réseau réalisé par les Ponts et Chaussées, soit encore d'une route en projet. Une dernière hypothèse peut être avancée : celle de l'existence d'une ancienne voie romaine, structurante mais de faible importance. Cette hypothèse est tout à fait crédible dans le cas de cet exemple, comme semblent le suggérer des relevés de terrain v . Dans tous les cas, la géométrie de la route nous apprend quelque chose de sa nature. Nous avons confronté ce tracé qui pose question dans d'autres exemplaires disponibles vi : si le chemin de Reims à Charleville apparaît toujours, dans certains exemplaires il se distingue cette fois-ce nettement des deux autres chemins qui l'encadrent : il est en trait fin, et non arboré, indiquant par là qu'il s'agit d'une liaison matérialisée de manière peu importante sur le terrain. La version aquarellée utilisée pour la saisie de laisse pas apparaître aussi nettement la différence de catégorie (sans que l'on puisse savoir si c'est un effet de l'aquarellage ou une mise à jour ultérieure), et l'itinéraire plein nord depuis Reims, non arboré dans la version aquarellée devient arboré dans une version mise à jour.

Conclusion

L'étude de la croissance ou de la décroissance des réseaux de transport peut se faire pour partie à partir de bases de données géographiques, en mobilisant des méthodes d'analyse spatiale et de théorie des graphes. C'est en tout cas l'approche choisie par plusieurs groupes pluridisciplinaires associant physiciens, urbanistes, géographes et historiens. Dans le cas de données sur le passé, les cartes constituent des sources naturelles pour créer, par vectorisation, des bases de données historiques, qui serviront ensuite à estimer des modèles de morphogenèse. Dans cette optique, le réseau est analysé pour sa forme, et non sa fonction d'assurer la mobilité de biens et de personnes.

Cependant, la nature même des sources cartographiques employées lors de la constitution de bases de données historiques, ainsi que les évolutions des concepts et pratiques liées au transport, induisent des contraintes et particularités dans l'analyse spatiale qu'il est indispensable de prendre en compte. Nous avons montré comment l'analyse de la production cartographique donne des éléments pour aider à faire la part entre évolution réelle sur le terrain et évolution des pratiques des cartographes, et souligné l'évolution du concept de réseau de transport au cours des siècles, pour aider à comprendre la part de significativité dans les écarts mesurés entre deux bases de données distantes dans le temps. Nous défendons l'idée qu'il est indispensable d'introduire des éléments structurants extérieurs au problème et relativement invariants dans le temps, comme l'hydrographie et le relief, pour commencer à poser les bases d'une modélisation. Par ailleurs, les ressources de l'analyse spatiale dans d'autres domaines, comme celui de la généralisation cartographique, peuvent aider à rendre localement les données plus comparables lorsque des hétérogénéités ont été détectées.

Figure 6 :

 6 Figure 6 : extrait de la carte de Cassini dans la région de Reims, avec en superposition le réseau vectorisé, Route 120 et Route 500. Le chemin de Reims à Charleville, rectiligne et quittant Reims ver le NNE, n'est présent ni dans Route 120 ni directement dans Route 500. Il a disparu malgré son caractère rectiligne et son toponyme évoquant un rôle structurant ; il s'agit soit d'un projet, soit d'une représentation simplifiée de la route passant par Frêne (aujourd'hui Fresnes-lès-Reims) puis Boult (aujourd'hui Boult-sur-Suippe), probablement une ancienne voie romaine. Le fait que Reims, Rethel et Charleville-Mézières soient alignés de manière presque parfaite rend d'autant plus suspect ce chemin de Reims à Charleville, étant donné que le chemin de Rethel existe déjà et est représenté. Par ailleurs, si ce chemin se raccorde sur la feuille située au nord de la feuille de Reims, il se raccorde à un chemin nettement moins rectiligne qui s'arrête rapidement à Taizy.

La détection et l'analyse contextuelle des itinéraires importants, associés à des tracés rectilignes et généralement nommés, permettent aussi de faire la part entre ossature principale du réseau, projets en cours de réalisation et itinéraires d'importance historique. La carte de Cassini ayant été mise à jour, nous avons été en mesure dans certains cas de comparer entre les différentes versions le statut de certaines routes, levant ainsi des ambiguïtés de légende. L'analyse des raccords entre cartes, et des différences locales de densité de réseau, ainsi que des dates de réalisation de la carte, permet également d'éclairer un certain nombre de différences explicables par des facteurs politiques ou topographiques. Enfin, l'utilisation de données de contextualisation du réseau, et notamment de l'orographie, permet de poser des hypothèses sur la forme locale du réseau. L'Ecole des ponts a numérisé et mis en ligne un fonds historique très important, comportant de nombreuses sources sur les projets de transport vii , cartographiques et non cartographiques. Ces documents fournissent une source précieuse pour analyser au cas par cas des exemples litigieux, comportant dans de nombreux exemples des variantes de projets qui peuvent être confrontés à la carte de Cassini. C'est une perspective très importante de ce travail qui sera mise en oeuvre, de même que le dépouillement des très nombreuses minutes et documents conservés à la cartothèque de l'IGN et auxquels nous avons eu accès.Ajoutons enfin que d'autres sources de données, non cartographiques, peuvent être utilisées avec profit dans les analyses. Une de ces sources est les récits de voyage, ou la description de grands itinéraires, comme les chemins de Saint-Jacques de Compostelle. Le voyage d'Arthur Young(Young, 1792) fournit ainsi une bonne description de nombreux itinéraires et paysages à la fin du XVIII e siècle en France et en Italie. En repositionnant les voyages d'Arthur Young sur la carte de Cassini et en confrontant représentation cartographique et description des paysages, on est capable progressivement d'acquérir une connaissance sur l'apport de la source cartographique à la fois sur les itinéraires, et sur les paysages traversés. Ces sources sont en cours d'exploitation pour caractériser


Olivier Bonin Ifsttar -Umr T
email: olivier.bonin@ifsttar.fr

Lvmt

André Gessalin
email: gessalin@gmail.com

Evaluating the potential for energy consumption reduction through urban renewal: quantitative modelling from the French Census

Keywords: energy efficiency, modelling, urban renewal operations

Nous présentons un modèle de calcul des consommations énergétiques attendues à la suite d'une opération de renouvellement urbain. Ce modèle, qui utilise les données désagrégées du recensement de la population, estime les consommations attribuables au logement, à la mobilité domicile-travail, ainsi qu'aux autres mobilités. Il est désagrégé spatialement à la commune, et en partie à l'IRIS, qui est une division infracommunale, et prend en compte les caractéristiques socioéconomiques des futurs résidents attendus du projet. Il permet de comparer les futures consommations énergétiques du projet à celles de la commune, et d'évaluer les bénéfices éventuels d'un investissement plus important dans les transports en commun ou dans l'efficacité énergétique des bâtiments. L'application de notre modèle sur deux municipalités a priori similaires montre son intérêt pour aider à définir des projets efficaces sur le plan des consommations énergétiques.

1. INTRODUCTION -We present in this paper a method to evaluate the potential for energy consumption reduction in urban renewal projects. Our method integrates three major issues for energy consumption reduction: building, mobility and lifestyle. We believe that this integrated method could secure better decisions in urban renewal projects. It has been implemented in the IMPETUS model in the framework of a research project involving researchers, engineers, property developers and cities.

Energy efficiency is a key objective for Europe because of the increasing cost of energy, the European dependence on fossil energy and the associated geopolitical risk. In 2008 the European Council adopted the climate and energy package that defines the 20-20-20 targets: by 2020, the 27 member states must implement policies to reduce by 20% the emissions of greenhouse gases (GES), increase by 20% the energy efficiency in Europe and reach 20% of renewable energy in energy consumption in Europe. Energy poverty (powerty) is also rising all over Europe . As in other European countries, French policies have failed in their attempts at decreasing energy consumption for various reasons. The energy bill for France went above overall French balance of payment deficit in 2012 at 70 Bn€ and more than 8 million French citizens fight against powerty (Devalière et al. 2011) Overlooking the specificities of the territories on which national regulations are implemented is probably the most prominent reason for this failure. Car dependency and the energy consumption related to car usage vary according to the spatial distribution of housings and jobs, as well as the spatial distribution of amenities such as schools, hospitals, sport facilities, shops, etc. Energy consumption varies also greatly with respect to the socioeconomic features of the population and its behaviour at home. Our method tries to capture spatial factors as well as socioeconomic factors when assessing energy consumption for urban renewal operations. This is critical for the energy bill and the climate and even more so since the financial crisis and the increasing number of climate disasters.

Urban renewal operations try to combine good energy efficiency, nice living environment and low ecological footprint (Marique and [START_REF] Reiter | Towards more sustainable neighborhoods : are good practices reproductable and extensible ? A review of a few existing "sustainable neighborhoods[END_REF]Souami, 2009;[START_REF] Beillan | Barriers and drivers to energy-efficient renovation in the residential sector. Empirical findings from five European countries[END_REF]. They are associated in France to the écoquartiers approach (ecodistricts), often including local energy production and/or renewable energy solutions. Urban renewal operations are a means to foster energy efficiency in a city with energy-efficient buildings and the development and promotion of public transit networks. Housing and mobility are responsible for a large part of the total energy consumption per household [START_REF]Residential Location and Household Expenditures on Transport and Housing: The Example of the Greater Paris Region[END_REF][START_REF] Raux | Habitat et déplacement dans les aires urbaines. Impacts énergétiques et environnementaux de la croissance périurbaine[END_REF]Traisnel 2007, Holden and[START_REF] Holden | Three Challenges for the Compact City as a Sustainable Urban Form: Household Consumption of Energy and Transport in Eight Residential Areas in the Greater Oslo Region[END_REF]. The aim of this paper is to offer a new methodology that precisely evaluates the potential for energy reduction in urban renewal operations. These operations encompass both building and transportation issues but also integrate energy consumption behaviour of expected inhabitants. This methodology, we believe, may be a breakthrough in the approach of consumption reduction problems for decision-makers and might lead, on the long run, to a shift in the urban socio-technical regime [START_REF] Geels | The multi-level perspective on sustainability transitions: Responses to seven criticisms[END_REF].

We used disaggregated data from the French Census to perform a territorial diagnosis of territorial energy consumptions attributed to housing and to transportation. By a specific filtering of these disaggregated data we were able to infer the profiles of the future inhabitants of an ecodistrict and their probable energy consumption. Depending on the specificities of each territory, we evaluated energy savings capabilities on housing and on transit. Then, we translated these data into costs. Owing to our methodology, the main stakeholders (city councils, the building industry and property owners) can eventually decide what fits most with their specific request or decide to redefine and improve their project.

The second section presents our methodology to evaluate energy consumption. The third section presents our two test cases. We will first describe the data and models we use for French municipalities. We will then illustrate our method based on two test cases of recent renewal projects located in the Paris region. These test cases illustrate the potential of our multi-step approach method allowing fine-tuning for energy efficiency on urban renewal project. We will eventually conclude in the last section by giving an illustration of the expected use of this methodology.

2. METHODOLOGY -Overall city energy consumption for housing, mobility, food and leisure among others increases with the number of inhabitants. French and European policies concentrate on housing and mobility. Each urban renewal is a unique opportunity to lower the average energy consumption per inhabitant based on these two sectors. Urban renewal also addresses lifestyle of inhabitants and its consequence on energy consumption related to mobility and housing. Understanding and assessing lifestyle habits has until now been a far more complicated issue to tackle [START_REF] Fink | Behavioural changes through consumer empowerment evidence from German case studies[END_REF].

Our objective is to enable the precise evaluation of the total energy consumption and expected savings at three levels. The first level is the thermic quality of the building. The second level is the location and proximity of a project to public transportation. The third level, which brings a new breakthrough both for research and operating work, is the future profile of inhabitants, their associated lifestyle and their associated energy consumption. These three aspects usually greatly differ from those of long-time inhabitants, especially those living in individual houses.

The French census from INSEE (Institut National de la Statistique et des Etudes Economiques) provides individual data that give detailed information on aspects such as household composition, age, level of education and occupation. It indicates where individuals work and their preferred means to commute. The census provides also information on housing, among which the number of rooms, type and comfort level of housing and the age of the building. These pieces of information are spread out across three different files: one pertaining to the commuting to work, one for housing and one for residential mobility. But since no unique identifier does link each individual in these different files, we had to define keys to link these files and extract the information required.

Our approach to assess energy consumption of the new urban project is the following. Based on socio-economic rules, future inhabitants of a new building share the same socioeconomic profile as those who settled in the past five years in similar and recent buildings (less that ten years old). With a computing filter we select among all individuals in the census those who have the same profile as those who will likely move to the new project. As for the population, we assume that the new project will leave the image and attraction of the city unchanged, and that people who will settle in the future building are the same as those who have settled in a recent past. This is quite a conservative approach to consider that an eco-district will have no impact on the inhabitants' behaviour. However, recent studies [START_REF] Schwanen | Rethinking habits and their role in behaviour change: the case of low-carbon mobility[END_REF], Sorrel, 2007;Bartiaux et Salmon, 2012;Garabuau-Moussaoui, 2007) show that energy gains tend to be absorbed by changes in behaviour, which is often called "rebound effect". This is why we also compute a scenario that encompasses an important though realistic change in transit use.

As said before, the watermark to assess energy efficiency is by determining if the new inhabitants will consume more or less energy than those already living in the city. New inhabitants might consume less energy for housing and benefit from the implementation of new techniques and new regulations for energy efficiency in the building sector. However, they might very well end up using their individual cars more often and commute farther than other inhabitants of the city, thus leading to higher total energy consumption. In such cases significant efforts must be made on public transport accessibility. Therefore, all our evaluations will be relative. We processed the average energy consumption figures of current inhabitants of the city and the average energy consumption of future inhabitants to evaluate the energy efficiency of the project. We first processed two absolute scenarii for energy efficiency, ranking objectives in terms of importance, before we evaluated the project more accurately.

The first scenario corresponds to a zero-energy consumption building case. The second scenario represents the optimal location of a project regarding public transportation possibilities. By comparing these two scenarii with the current situation, we will then decide if the emphasis must be put primarily on the thermic performance of the building or on the accessibility of the public transportation network.

Owing to our method based on evaluating average situations and comparing them, one can choose to include whatever criterion they see fit in the processing, provided that the hypothesis are clear enough.

As for housing, we chose to focus on the energy necessary for providing heating and sanitary hot water. To make calculation easier, we made the assumption that the other energy consumptions caused by lighting and domestic appliances (what is called specific energy) will be the same for all city inhabitants, wherever they live. We know that this assumption is unrealistic, since specific energy consumption probably depends on the income of households, but this would require huge and somehow imprecise additional work compared to a low energy saving potential. For existing buildings, the French census gives us information about the kind of heating system: individual and electrically powered, individual with natural gas, collective. This mainly makes a difference as far as the energy bill is concerned, because natural gas is much cheaper per kWh than electricity in France. All new projects we studied have individual and electrical heating systems.

As far as mobility is concerned, we know that a large part of energy consumption is due to middle and long distance trips. Again, this consumption is correlated to the income of households but we can't precisely evaluate this effect without further field research based on a very precise population. We include all the mobility other that commuting to work even if the new project has little impact on it because it helps to evaluate the order of magnitude of energy consumptions due to heating and to daily mobility.

We eventually converted energy consumptions into energy bills to evaluate if the increased energy efficiency is economically viable. We used the average price of electricity in France at 0.12€ per kWh and at 0.05€ for natural gas. The average price for liquid gas is 1.5€ per litre. We will see that this price has little effect on the final energy bill. We also indicated the rental price (or of the virtual rent that an owner would pay to himself) to illustrate that, due to the French national energy model on one side, and on the French urban model on the other side, the energy bill for individuals is still very low compared to expensive rents in the Paris region.

2.1 -Evaluation of energy consumption at the municipality scale -The evaluation of energy consumption at the municipality scale is quite straightforward. With INSEE data, we know who commutes by car and who commutes by public transport. We then convert the distances into energy consumption via classical ratios. We assume that an individual car for short distances has an average consumption of 8 litres of gas per 100 km. As 1 litre of gas corresponds to 9.63 kWh and 1 litre of gasoil to 10.74 kWh we may safely assume that 1 litre of fuel corresponds to an energy consumption of 10 kWh. As for public transport, the computation is similar for distances. We use the fact that the average fuel consumption per user is around 4 litres per 100 km to convert distances into energy consumption. This means fuel consumption covers the case of almost empty buses in sparsely populated areas as well as energy efficient metros and railways.

Energy consumption due to housing is more difficult to assess accurately. In the cases we studied, energy performance certificates are given at the local scale, so that we know the average consumptions of individual houses and apartments according to their size and time of construction. The detailed files of the census contain all this information, with one line per housing, so that the computation of the actual energy consumption due to heating and sanitary hot water can be precisely evaluated. When energy certificates are not available we use regional energy factor, based on energy source (electricity, natural gas, renewable…) to estimate the energy bill.

Finally, we use the National Travel Survey to evaluate the order of magnitude of the energy consumption due to mobility other than work commuting. This estimate is performed only for ten categories of cities, according to their size and regional importance. It depends only on the size of the household.

2.2 -Evaluation of energy consumption at the IRIS scale -The French census contains a sub-city level called IRIS. IRIS is a subdivision for cities with 10,000 inhabitants or more. Each IRIS contains at least 2,000 inhabitants. The INSEE database provides information about housing at the IRIS scale. Our diagnosis is performed at this scale for housing consumption when energy certificates are available at this territorial level. However, we only have information about the mode used to commute to work for the reference person of each household (the man in a classical family). We therefore provide very useful information for our study but not the perfect one.

2.3 -Evaluation of energy consumption of the future inhabitants -The same assessment of energy consumption at the municipality scale is carried out as the former. In the detailed files, we select the lines representing households that moved in the last five years in a recent housing to match our criterion. Regarding energy consumption of housings, we do not have energy certificates but we know the standard that the new building will match. In France, all new residential building must match the "A label", that is to say less than 50 kWh/m 2 /year. This figure of 50 kWh/m 2 /year is modulated according to the latitude (the north region are colder) and to the altitude of the location. The first experiments have shown that this standard is for the moment difficult to match, so we consider that the actual energy consumption will be the bound of the A label, so 65 (50 multiplied by the regional coefficient of 1.3 for the Paris region) in this application.

2.4 -Determination of bounds for energy savings -Generally we will observe a large improvement in energy consumption for new projects, mainly because new buildings are much more energy-efficient than the older ones. However, we might want to investigate whether increased energy efficiency could be obtained by better housing efficiency or by greater accessibility to the public transit and hence higher transit modal share. The case of a better energy efficiency for housings is settled by choosing a better energy consumption, from 0 (passive building) to anything less than 50. The case of heavier transit use is processed by selecting the IRIS in the municipality that has the greatest public transit modal share. We assume that this modal share could be the one observed for the future inhabitants if transport supply were raised to an optimum level.

We also assume that it would be impossible to exceed this modal share given the spatial distribution of jobs and amenities. Thus we take into account the transit supply in the municipality and are able to give a plausible bound. It can be then decided to develop the accessibility to the transit network to reach this modal share at the location of the project.

3. TEST CASES, DATA AND MODELS -We present two urban renewal projects located in Villiers-le-Bel and in Sarcelles but very close to each other, in the north of the Paris region. Villiers-le-Bel is a small city of 25,000 inhabitants, with a fast regional train station. Sarcelles is a medium-sized city of 50,000 inhabitants also with a fast regional train station. Both projects contain a little more than 100 housings for total superficies of 8500 to 9000 m 2 . Despite their similarities, these two projects yield different results that illustrate the interest of our diagnosis method. We first describe the data sources we use for the computation and then present the results of our model.

-

The French census -The French census is represented through four detailed files containing the information of roughly one fourth of the total French population. The entire population can be described using the same samples included in the files. We use three out of the four files: MOBPRO file to give information on commuting trips from home to work, including commuting mode and location of the workplace, LOGMT file to describe housings, including number of rooms, age of the building and type of housing and MIGCOM file to describe mobility of citizens.

We use MOBPRO to process home-workplace distances, by associating cities with their geographical coordinates and using straight-line distances. The coordinates of cities are extracted from a geographical layer provided by Institut Géographique National, or IGN, which is the French State Agency for mapping. We use either centroids of municipalities or the coordinates of the administrative centres with very little differences in the results.

We use LOGMT together with energy certificate on the Paris region to compute the energy consumption (heating and sanitary hot water) of housings. Housings are located at the IRIS scale in the LOGMT file, so that we can have an estimate at the sub-city scale.

MIGCOM helps us selecting the people who settled down the city over the last five years. However, there is no key to find similar people (or the same people) in MIGCOM and in MOBPRO. The French census is a statistical database, including roughly one fourth of household and not all households have been included in the survey. We construct a key by merging the variables that are the same in both files. We can match more than 80% of the individuals in MIGCOM in MOBPRO and can determine the location of work and commuting mode for more than 80% of the subpopulation that we have selected as being similar to the one that will actually settle in the new project. Our matching key is composed of the age, socio-professional category, level of education, employment, position in the household, type of household, number of persons of the household, gender, housing type, housing status (owner or rent) and cohabitation mode. Then we identify in MOBPRO the people we focus on allowing us to represent their home to work transportation modes and distances.

-Energy performance certificate from IAU-IDF -

The IAU-IDF is the urban agency in charge of the Paris region. The IAU-IDF has established energy certificates for housing at the IRIS scale by gathering and analysing energy bills, thermic surveys and models. These certificates for flats and individual houses vary mostly according to the age of the building and to the location. Fortunately for our study, IAU-IDF chose the same classes for ages for construction than the ones in the census, enabling a compliant computation of energetic footprints with LOGMT file.

4. TEST CASES -The fist project we introduce is Villiers-le-Bel. This project has 112 flats for 8,500m 2 , making an average of 76m 2 per flat compared to an average of only 67m 2 for the entire city. This illustrates the major size issue on housing that is twofold. Increasing the size of flats per inhabitant [START_REF] Raux | Habitat et déplacement dans les aires urbaines. Impacts énergétiques et environnementaux de la croissance périurbaine[END_REF] and the number of inhabitant per flat. In Villiers-le-Bel, both municipality and property developer choose to attract larger families.

Results are summed up in Table I. The overall project is by no doubt energy efficient for the city and for inhabitants. Housings of the new project are more than five times more energy efficient than the average housing of the city. There are 9900 housing facilities in Villiers-le-Bel, including 77% flats. Many buildings were constructed in the 60s, 70s and the 80s are very poorly insulated. However, this huge saving on energy for housing is partly lost because new inhabitants in Villiers-le-Bel are expected to commute more frequently by car than the existing inhabitants (Table II). Average consumption for commuting is slightly lower than the one of the population of the city. We finally conclude on more than 40% total energy consumption savings expectation on Villiers-le-Bel project: 13,093 kWh to be compared to 2,107 kWh. 2) the project is located in the IRIS with the highest transit modal share. Thus we can expect higher transit modal share for the project than what our computation reveals. There is no room for improvement as far as transit is concerned, as new inhabitants are prone to using transit and the project location is optimal.

One can wonder what would be the benefits of a higher transit modal share and this is the object of the third column of Table I, where we make the assumption that new inhabitants have the same modal share as the one of their IRIS. We obtain that energy consumption due to commuting to work could be decreased, which however yield only a slight reduction of the total energy consumption. The option of a passive building would be much more efficient, with a total consumption of 8,160 kWh to compare to the 13,093 kWh of the project.

Additional local policy, incentive or specific communication can be later decided to change behaviour of inhabitants. While energy consumption is scarcely perceived as critical information for inhabitants, communicating on energy bills might change their behaviour. We have computed the energy bills associated to the energy consumptions of Table I (Table III). We know that the commuting costs are hugely underestimated by commuters taking into account only the cost of energy of cars, which roughly represents 25% of the total cost. However, we see the order of magnitude of the financial gain that could be obtained with an increased use of transit, as well as the cost of new housings when compared to old ones (generally rents are 10 to 20% higher than the mean of similar housing), and the higher cost of passive building that is not compensated by energy savings in the short term.

We now turn to our second test case in Sarcelles. This test case gives a different diagnosis (Table IV). The new inhabitants use much more their car than those already in the municipality (Table V), and consume far more energy to commute: 1,879kWh instead of 1,347kWh. The ratio for housings is similar to the one we have observed for Villiers-le-Bel. However a close examination of Table V reveals that the very low public transit modal share is not only due to the fact that new inhabitants have probably higher income than the ones already living in the neighbourhood, but also that the project is located in an IRIS that has a poor accessibility to the transit network. Indeed, the rapid transit station is quite remote, so that the transit modal share of the IRIS is only 33.5%, lower than the mean of the city (51.1%) and very far from the modal share observed in the IRIS where the transit station is located (67.2%). This indicates that there is a clear path for improvement either by relocating the project closer to the transit station, or by adding a regular bus line to reach quickly the station. Table IV shows that a relocation of the project in such an optimal location could yield energy reduction of almost 500 kWh (11,413 kWh instead of 11,902 kWh). When we look at the costs for the inhabitants (Table VI) we see that using more the transit would be quite interesting financially, and that the new housings enable an energy bill reduction of approximately 600€ per year, which is less than the difference in rent at the beginning when the flats are new but will quickly be interesting as soon as the rent will reach the mean level of the municipality. However, the option of a passive building seems to be less interesting, as the cost augmentation is much higher than what can be saved on the energy bills for the heating and the sanitary hot water.

These two test cases illustrate the fact that indeed energy efficiency is obtained with new houses. Domestic energy consumption can be cut by almost four by better insulation of buildings. However, the effect on the energy bill is not large enough to justify, on the sole economic basis, to go beyond the A-label standard given the fact that a better energy efficiency for buildings necessarily impacts housing prices. The test cases also illustrate that, even in dense suburban cities well connected to the transit network, working on transit accessibility can be very helpful, especially when there is a conjunction of medium accessibility and evolution of the population towards profiles less prone to use the public transit network.

4. CONCLUSION -Energy consumption reduction is a key objective for Europe, for which all member state must implement policies towards the 20-20-20 objectives. However, these policies must be tuned at a local level to be really efficient. National standards and regulation have proved to be insufficient. We have presented in this paper a new methodology that precisely evaluates the potential for energy reduction in urban renewal operations and help impulse better decisions. We evaluate and enable the precise evaluation of the total energy consumption and expected savings at three levels.

The first level is the thermic quality of the building. The second level is the location and proximity of a project with public transportation. The third level and the most innovative describes the future inhabitants profile, their associated lifestyle and their associated energy consumption that usually greatly differ from the inhabitants living in the city for a long time, especially those living in individual houses.

This model is now the corner stone of the IMPETUS method that consists in organising round tables with all the stakeholders of a urban renewal operation: property developers, city councils, land planners, transportation authorities, etc. The IMPETUS method has been developed in a research program associating EGIS (an engineering group involved in transport systems and land planning), ICADE (a property developer), the City of Paris, EIVP (the school of Paris civil engineers), CSTB (Scientific and Technical Center for Building) and LVMT. Besides the energetic aspects presented in this paper, the IMPETUS model also computes financial reports for the main stakeholders enabling to evaluate the feasibility and the profitability of the operation.

Our model has been tested on four real test cases in round tables involving several stakeholders of the projects. The returns on experiment for the first test cases are quite positive. The IMPETUS model has been found to be helpful by stakeholders and the hypotheses have been well accepted by all the participants. Still, they have suggested two improvements:

• the use of the city as a reference for evaluation (which is imposed by the spatial resolution of the census) has been judged to be less pertinent than smaller urban divisions such as quartiers that gathers a few urban blocks; • an increase in accessibility to transit has positive effects on the whole vicinity.

This effect could probably be estimated and give a better insight on the choice between accessibility and building quality.

The IMPETUS method could also be turned in a near future in an optimisation model helping to define the characteristics and location of a project given an energy efficiency goal. This will be the object of future developments, as well as refinements on the way we select the socioeconomic profiles of future inhabitants given the nature of a project.

The IMPETUS method will probably be deployed by EGIS or ICADE in a near future. The profiling of the future inhabitants of the project improves standard computation The model solves also information asymmetry issue by giving each stakeholder the same level of information. This facilitates negotiation and helps the stockholders to decide on the project with the highest profitability for all of them and the highest energy efficiency.

Table I -

 I Average energy consumption per household (in kWh) for Villiers-le-Bel's

	project
		Project	Municipality Project	Project
				at the	with
				best	optimal
				location	housing
				for	efficiency
				transit
	Housing	4,933	15,915	4,933	0
	Commuting to work (car)	1,535	1,621	1,364	1,535
	Commuting to work (transit)	579	525	617	579
	Other mobility	6,046	6,046	6,046	6,046
	Total	13,093	24,107 12,960	8,160
	Source: authors' computation after the 2008 French Census from INSEE and energy
	certificates from IAU-IDF

Table II -

 II Car and transit modal share of the project (computed by our method), the city, and the best IRIS of the city as far as transit modal share is concerned in Villiers-le-Bel Source: authors' computation after the 2008 French Census from INSEE Table II reveals two features: 1) new inhabitants use the car to commute to work slightly more than the average of the city.

		Project	Municipality IRIS of	Best
				the	IRIS
				project
	Car modal share	49.0%	45.6%	33.7%	33.7%
	Mean distance (car)	8.9 km	10.8km	-	-
	Transit modal share	43.9%	45.9%	61.0%	61.0%
	Mean distance (transit)	15.0 km	13.9km	-	-

Table III -

 III Mean cost of energy per household (in € per year)

		Project	Municipality Project	Project
			at the	with
			best	optimal
			location	housing
			for		efficiency
			transit
	Housing	276	890	276	0
	Commuting to work (car)	461	503	397	461
	Commuting to work (transit)	-	-	-	-
	Rent	17,486	12,840 17,486	18,738
	Source: authors' computation after the 2008 French Census and energy certificates from
	IAU-IDF

Table IV

 IV

	-Mean energy consumption per household (in kWh) in Sarcelles
		Project	Municipality Project	Project
				at the	with
				best	optimal
				location	housing
				for	efficiency
				transit
	Housing	3,108	16,352	3,108	0
	Commuting to work (car)	1,879	1,347	1112	1,879
	Commuting to work (transit)	384	585	662	384
	Other mobility	6,531	6,531	6,531	6,531
	Total	11,902	24,815 11,413	8,794
	Source: authors' computation after the 2008 French Census from INSEE and energy
	certificates from IAU-IDF

Table V -

 V Car and transit modal share of the project (computed by our method), the city, and the best IRIS of the city as far as transit modal share is concerned in Sarcelles

		Project	Municipality IRIS of	Best
				the	IRIS
				project
	Car modal share	65.9%	37.1%	58.3%	28.2%
	Mean distance (car)	8.1 km	10.7km	-	-
	Transit modal share	31.2%	51.1%	33.5%	67,2%
	Mean distance (transit)	14.0 km	13.5km	-	-
	Source: authors' computation after the 2008 French Census from INSEE and energy
	certificates from IAU-IDF

Table VI

 VI

	-Mean cost of energy per household (in € per year) in Sarcelles
		Project	Municipality Project at	Project
				the best	with
				location for	optimal
				transit	housing
					efficiency
	Housing	174	915	174	0
	Commuting to work (car)	564	412	326	564
	Commuting to work (transit)	-	-	-	-
	Rent	18,783	16,978	18,783	29,722

Source: authors' computation after the 2008 French Census from INSEE and energy certificates from IAU-IDF

ACKNOWLEDGEMENTS -This work has been funded by the ANR grant "IMPETUS". Part of this work has been presented during the IV EUGEO Congress, Roma, Italy, 5-7 September 2014, in the special session entitled "Interdependencies between policies, energy consumption, and global environmental change: a geographic perspective" organised by Dr. Federico Martellozzo.


Frederic Pohl
email: frederic.pohl@dfki.de

Hans Dieter Schotten

Secure and Scalable Remote Access Tunnels for the IIoT: An Assessment of openVPN and IPsec Performance

Keywords: Industrial Internet of Things, Network Security, Remote Access, Virtual Private Networks, IPsec, openVPN

Nowadays, industrial production already benefits from an increased level of interconnection involving various heterogeneous production assets. Future development in the area is likely to lead to a scenario often referred to as the Industrial Internet of Things (IIoT), a promising factor in achieving unseen productivity goals. One of the key IIoT use cases is remote access, which can drastically reduce the requirement for on-site presence of technicians and thus eliminate a large cost factor. In this paper, we present a detailed examination of two widespread Virtual Private Network (VPN) remote access frameworks and analyse their suitability for IIoT remote access facilities. We introduce a cloud architecture that seamlessly integrates with existing highly segmented and firewalled industrial networks, yet providing secure connectivity through the use of openVPN and IPsec technology. With scalability being a key factor for a cloud architecture, we give an analysis of our favoured protocols in order to derive potential performance bottlenecks. We finally verify our assumptions by providing empirical performance measurements.

Introduction and Motivation

Complex industrial production processes, as of today, are highly computerized and involve a large number of interconnected devices. Yet, interconnection of production environments as a driver for highly optimized production processes is predicted to continue in the future, thus allowing for novel business models often summarized by the visionary term of a "fourth industrial revolution" [START_REF] Kagermann | Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0: securing the future of German manufacturing industry[END_REF].

Within this vision of heavily interconnected "smart factories" [START_REF] Sadeghi | Security and privacy challenges in industrial internet of things[END_REF], a key element is remote access to the interconnected components involved in production processes. A robust remote access framework not only allows to reduce costs by reducing on-site maintenance and incident durations but also is an enabler for various machine-to-machine interaction scenarios. Malicious use of remote access frameworks, however, must be prevented by enforcing secure authentication and encryption facilities, which should be flanked by an anomaly detection framework. IPsec [START_REF] Kent | Security architecture for the internet protocol[END_REF] and openVPN [1] are well-established solutions to achieve the first goal on the network layer; the second goal, despite being out of the scope of this work, can be achieved on the same cloud infrastructure by inspecting traffic that is forwarded by a centralized VPN endpoint between the involved entities.

This paper evaluates the suitability of the aforementioned VPN technologies for such a massive IIoT remote administration architecture and is organized as follows: Section 2 gives an overview of the related work. Section 3 describes our evaluation platform and compares involved IPsec and openVPN protocol properties. In Section 4 we present an empirical performance evaluation of the core cloud component for both protocols. Section 5 discusses the results we obtained and concludes this work.

State-of-the-Art and Related Work

The wide availability of Internet Protocol (IP) based packet switched networks, in conjunction with IP-based VPN protocols allowing to tunnel traffic to and from different private domains1 , allows for flexible remote access setups. Nowadays, there exists a variety of VPN protocols to tunnel network or data link layer traffic, yet many of them provide little to no security [START_REF] Khanvilkar | Virtual private networks: an overview with performance evaluation[END_REF]. With an increasing awareness of security requirements in the internet domain, the most widely used VPN technologies therefore either comply with the IPsec standard or use a Transport Layer Security (TLS) [START_REF] Dierks | The transport layer security (tls) protocol version 1.2. RFC 5246[END_REF] framework, as openVPN does.

In the context of IIoT scenarios involving thousands of connected devices, the performance of VPN technology is very important. A comparison of maximally achievable bandwidths and response times using IPsec and openVPN was performed by Kotuliak, Rybár, and Truchly [START_REF] Kotuliak | Performance comparison of ipsec and tls based vpn technologies[END_REF] with IPsec outperforming open-VPN. Migault et al. analysed processor overheads of different IPsec and cipher suite operation modes and observed significant performance improvement upon activation of hardware acceleration for encryption [START_REF] Migault | Recommendations for ipsec configuration on homenet and m2m devices[END_REF].

Most related work however focuses on evaluating performance in bidirectional VPN setups and thus only partly applies for the remote access platform we will present in section 3. Our contribution consists in a performance evaluation of a remote access platform taking the role of a trusted intermediary in secure tunnelling scenarios for the IIoT.

Platform Architecture

Fig. 1 depicts our evaluation architecture for secure, session-based end-to-end tunnelling between entities located in disjoint private network zones A, B, each isolated by at least one firewall and/or Network Address Translation (NAT) [START_REF] Srisuresh | Traditional ip network address translator (traditional nat). RFC 3022[END_REF] layer. An entity in this context represents any IP addressable device. The architecture's core component is a cloud platform trusted by the operators of both private networks, which consists of:

a session database that contains all scheduled tunnelling events, a VPN endpoint that provides encryption and authentication facilities, a routing engine that forwards incoming packets to the respective recipient.

The cloud platform is located in zone C and must be reachable from the private zones. Tunnels are established by the entities in the private subnets, traffic within the remote access tunnel is therefore always directed to and originated from the platform's VPN endpoint, minimizing firewall configuration effort for operators of the respective private zones.

The platform is not limited to traffic forwarding tasks. An important architectural property lies within traffic being available in decrypted plain-text inside the platform, which we deem beneficially in the context of data aggregation and anomaly detection scenarios as described in [START_REF] Duque Antón | Highly scalable and flexible model for effective aggregation of context-based data in generic iiot scenarios[END_REF]. Other processing scenarios such as accounting and monitoring are conceivable. Note that the architecture does not break with application layer security entities may employ to prevent deep packet inspection within the platform. In the context of these remote access scenarios, we deem high relevance to the performance of the platform's VPN endpoint in high traffic load conditions and a large number of connection attempts. From a cryptographic point-of-view, there exist various optimizations [START_REF] Bogdanov | Aes-based authenticated encryption modes in parallel high-performance software[END_REF] which allow for fast cryptographic processing of VPN traffic. Nonetheless, different implementation approaches of IPsec and openVPN introduce overheads: openVPN encrypts and decrypts VPN traffic in user space and uses TUN/TAP interfaces to interact with system space routines responsible for actual traffic dispatching via physical network interfaces; session keys are exchanged using a TLS handshake [START_REF] Novickis | Protocol state fuzzing of an openvpn[END_REF]. IPsec traffic, in contrast, is processed by system space routines based on traffic selection and session key container structures called Security Associations (SA). SAs can be setup in the system space using the Internet Key Exchange (IKE) [START_REF] Kaufman | Internet key exchange protocol version 2 (ikev2). RFC 7296[END_REF] protocol that allows for session key exchange with a reduced number of messages comparison with the TLS handshake.

Given these considerations and due to the fact that switching from user to system space and vice versa introduces a context switching overhead, we expect IPsec to perform more efficiently under heavy traffic load conditions as it should not be subject to context switching overhead. Yet, both IPsec/IKE and openVPN should provide similar performance when confronted with a large number of key exchange requests.

Experimental Performance Evaluation

In order to verify our assumptions, we provide two separate evaluations of the performance of the central platform depicted by Fig. 1. The first measurement targets at the maximum achievable platform throughput that can be realized with openVPN and IPsec and compares the resulting CPU utilization. The second measurement evaluates the platform's CPU utilization for both VPN endpoints upon being confronted with a large number of key exchanges. While maximum throughput provides a good performance measure in a highly active network, key exchange performance is relevant in the context of massively interconnected IoT devices where connections are established and closed frequently.

We use an evaluation test-bed consisting of both virtual and physical entities in the private zones and a virtualized central platform. NAT/Firewall layers are also virtualized with the help of isolated kernel network namespaces. The virtual entities use the QEMU [START_REF]Qemu, the fast! processor emulator[END_REF] virtualization engine with each entity allocated a dedicated CPU core (Intel Core i7-6700K) and a Virtual/IO-Network device that provides link speeds in the range of the underlying system's PCI Bus, in our case 25 GBit/s. It should be noted however that, due to the architectural approach of routing all traffic within the platform, the maximum theoretically achievable end to end bandwidth is only half the link bandwidth, thus 12,5 GBit/s. Nonetheless, this setup allows us to efficiently stress the central platform without needing to deploy hundreds of IIoT devices.

openVPN as well as the strongSwan [START_REF]strongswan, opensource ipsec-based vpn solution[END_REF] IPsec suite were evaluated using the AES [START_REF]Fips pub 197[END_REF] symmetric cipher in Cipher Block Chaining (CBC) mode with 128-Bit key size in conjunction with HMAC-SHA256 [START_REF]Fips pub 180-2[END_REF] as PRF and for integrity checking. The AES algortihm was selected with respect to AES NI hardware acceleration available in the testbed. Nonetheless, with a measured maximum AES en-/decryption rate of 1.5 GB/s, we ensured that the CPU, not the link, formed the platform's bottleneck. All CPU and network metrics were recorded on the central platform and evaluated using the Performance Co-Pilot open source software suite [START_REF]Performance co-pilot[END_REF].

Maximum Throughput

Fig. 2 shows the maximum platform throughput achieved for openVPN and IPsec and highlights that IPsec clearly outperforms openVPN in this respect. The main reason can be recognized from Fig. 3a, which shows the CPU partly running in user, kernel irq. irq mode handles interrupt routines required when switching from user to kernel mode and vice-versa, but in Linux systems also performs IPsec packet processing. This is visualized in Fig. 3b, which highlights that IPsec processing does not trigger expensive context switches and confirms our previous implications.

Key Exchange

In order to compare the platform's key negotiation performance for openVPN and strongSwan, we repeatedly initiated tunnel initiation floods originating from a total of four entities towards the openVPN platform endpoint. After successful key exchange, tunnels were closed immediately. We determined a maximum frequency f max = 0.04s where all key exchanges were still successful. Fig. 4a shows a 60 seconds key exchange flood towards the platform's openVPN endpoint. Processing mostly occurs in user space, which is what we expected. However, one easily observes the remarkable portion of overall idle CPU time frames, which we can only suspect to be caused by openVPN implementing an internal key exchange rate limiter not known to us.

To provide better comparability, we flooded strongSwan using the same parameters. Fig. 4b shows that strongSwan deals more efficiently with the key exchange, despite often switching between user and kernel mode which most likely results from installing negotiated IKE and IPsec SAs in the respective kernel structures.

Conclusion and Outlook

In this paper, we presented a scalable architecture that is able to flexibly interconnect heterogeneous IIoT entities located within segmented and highly firewalled environments. We therefore focused on the widespread and well-known openVPN and IPsec tunnel protocols which not only provide good security mechanisms but also are able to carry legacy protocols, which is extremely important in industrial contexts. Our work gives abstract estimates on their packet processing and key exchange performance, which are widely confirmed by our empirical measurements. Both theoretical and empirical results strongly suggest that in case of a critical performance, either imposed by throughput or by key exchange rate requirements, IPsec is favourable over openVPN. A promising approach of an IKEv2 mediation server that mediates direct IPsec host-to-host connections has been proposed by [START_REF] Brunner | Ikev2 mediation extension[END_REF] and would even increase IPsec performance in similar architectures. These performance parameters however, do not denote all aspects of both protocols. Although openVPN suffers from weak performance, its very simple configuration by far outperforms IPsec complexity and possible resulting security issues on the other hand. The simple portability of openVPN additionally makes it more attractive in certain situations.

While in the future, remote assistance protocols might arise that integrate more specifically with the IoT and IIoT specifically, we have shown that state of the art VPN solutions can provide a scalable bridging technology that enables end-to-end tunnelling for legacy as well as novel devices.

Fig. 1 :

 1 Fig. 1: Platform and Test-bed Architecture

Fig. 2 :

 2 Fig. 2: Maximum Platform Throughput achieved by IPsec and openVPN

Fig. 3 :

 3 Fig. 3: Platform CPU Utilization during Throughput Measurement

Fig. 4 :

 4 Fig. 4: Platform CPU Utilization during Key Exchange flood at f max from four entities

employing private IPv4 address ranges according to[START_REF] Rekhter | Address allocation for private internets[END_REF]

Acknowledgement This work has been supported by the Federal Ministry of Education and Research of the Federal Republic of Germany (Förderkennzeichen KIS4ITS0001, IUNO). The authors alone are responsible for the content of the paper.