28.02.2025
В одном крупном мегаполисе может быть несколько разных железнодорожных систем: от местных междугородних линий до пригородных поездов и более длинных региональных линий. При проектировании системы железнодорожных путей, станций и расписаний в этой сети должны ли железнодорожные операторы исходить из того, что каждое подразделение работает независимо, стремясь лишь к максимизации собственной прибыли? Или же они постоянно сотрудничают, разрабатывая совместный план и отбрасывая собственные интересы?
В реальном мире ни одно из этих предположений не является очень реалистичным.
Исследователи из Массачусетского технологического института и ETH Zurich разработали новый инструмент планирования, сочетающий конкуренцию и сотрудничество, чтобы помочь операторам сложной многорегиональной сети стратегически определить, когда и как им следует работать вместе.
Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.
Их система необычна тем, что включает в себя механизмы совместного инвестирования и распределения прибыли, которые определяют, в какие совместные инфраструктурные проекты заинтересованная сторона должна инвестировать вместе с другими операторами, чтобы получить максимальную коллективную выгоду.
Этот инструмент может помочь заинтересованным сторонам в сфере мобильности, таким как правительства, транспортные агентства и компании, определить, когда лучше всего сотрудничать, сколько они должны инвестировать в совместные проекты, как следует распределять прибыль и что произойдёт, если они откажутся от переговоров.
«Это может показаться нелогичным, но иногда вы хотите инвестировать в своего оппонента, чтобы в какой-то момент эти инвестиции вернулись к вам. Благодаря теории игр можно формализовать эту интуитивную догадку и создать интересный класс задач», — говорит Джоэле Зардини, доцент кафедры гражданского и экологического строительства имени Раджа и Нэнси Аллен в Массачусетском технологическом институте, главный исследователь в Лаборатории информационных систем и систем принятия решений (LIDS), сотрудник Института данных, систем и общества (IDSS) и старший автор статьи об этой системе планирования.
Численный анализ показывает, что, инвестируя часть своего бюджета в некоторые проекты общей инфраструктуры, независимые операторы могут получать больше прибыли, чем если бы они работали в одиночку.
«На примере железнодорожных операторов исследователи демонстрируют, что совместное инвестирование также приносит пользу пользователям, улучшая региональное железнодорожное сообщение. Такая взаимовыгодная ситуация побуждает больше людей пользоваться поездами, увеличивая доходы операторов и сокращая выбросы от автомобилей, — говорит Минцзя Хэ, аспирант Цюрихского технического университета и ведущий автор исследования. – Ключевой момент здесь в том, что проектирование транспортной сети — это не игра с нулевой суммой. Выигрыш одного оператора не обязательно означает проигрыш других. Если мы изменим восприятие с изолированной самооптимизации на стратегическое взаимодействие, сотрудничество может создать большую ценность для всех участников».
Помимо транспорта, эта система планирования может помочь компаниям в конкурентной отрасли или правительствам соседних стран протестировать стратегии совместного инвестирования.
К нему и Зардини присоединились исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха Андреа Ченси и Эмилио Фраззоли. Исследование будет представлено на Американской конференции по управлению (ACC) в 2025 году, а статья стала финалистом премии за лучшую студенческую работу.
Сочетание сотрудничества и конкуренции
Создание транспортной инфраструктуры в межрегиональной сети, как правило, требует огромных затрат времени и ресурсов. Крупные инфраструктурные проекты оказывают значительное влияние, которое может выходить далеко за пределы одного региона или оператора.
В каждом регионе есть свои приоритеты и лица, принимающие решения, например, местные транспортные ведомства, что часто приводит к отсутствию координации.
«Если локальные системы разрабатываются отдельно, региональные поездки могут стать более сложными, что сделает всю систему менее эффективной. Но если заинтересованные стороны не получат выгоды от координации, они с меньшей вероятностью поддержат план», — говорит Минцзя Хэ.
Чтобы найти оптимальное сочетание сотрудничества и конкуренции, исследователи использовали теорию игр для создания системы, которая позволяет операторам согласовывать интересы и улучшать региональное сотрудничество таким образом, чтобы это приносило пользу всем.
Например, в прошлом году правительство Швейцарии согласилось инвестировать 50 миллионов евро в электрификацию и расширение части региональной железнодорожной сети в Германии с целью создания более быстрого железнодорожного сообщения между тремя швейцарскими городами.
Разработанная исследователями система планирования может помочь независимым организациям, от региональных правительств до железнодорожных операторов, определить, когда и как осуществлять такое сотрудничество.
Первый шаг — смоделировать результаты, если операторы не будут сотрудничать. Затем, используя механизмы совместного инвестирования и распределения прибыли, лицо, принимающее решения, может изучить подходы к сотрудничеству.
Чтобы найти справедливый способ распределения доходов от совместных проектов, исследователи разработали механизм распределения прибыли, основанный на концепции теории игр, известной как решение Нэша. Этот метод позволяет определить, какую прибыль получат операторы при различных сценариях сотрудничества, с учётом прибыли, которую они получили бы без сотрудничества.
Преимущества совместного инвестирования
Разработав систему планирования, исследователи протестировали её на смоделированной транспортной сети с несколькими конкурирующими железнодорожными операторами. Они оценивали различные соотношения совместных инвестиций в течение нескольких лет, чтобы определить наилучшие решения для операторов.
В итоге они обнаружили, что полукооперативный подход обеспечивает максимальную прибыль для всех заинтересованных сторон. Например, в одном из сценариев, инвестируя 50% своего общего бюджета в совместные инфраструктурные проекты, все операторы максимизировали свою прибыль.
В другом сценарии они показывают, что, инвестируя всего 3,3% от общего бюджета в первый год многолетнего совместного проекта, операторы могут повысить результаты на 30% по трём показателям: выручка, снижение затрат для клиентов и сокращение выбросов.
«Это доказывает, что небольшие первоначальные вложения могут привести к значительным долгосрочным преимуществам», — говорит Минцзя Хэ.
Когда они применили свою модель к более реалистичным многорегиональным сетям, в которых не все регионы были одинакового размера, этот полукооперативный подход показал ещё более высокие результаты. Однако их анализ показывает, что доходность не увеличивается линейно — иногда увеличение доли соинвестирования не повышает выгоду для операторов.
«Успех — это многогранная проблема, которая зависит от того, сколько инвестируют все операторы, какие проекты выбираются, когда происходят инвестиции и как распределяется бюджет с течением времени. Эти стратегические решения сложны, поэтому для поиска оптимальных стратегий сотрудничества и переговоров необходимы моделирование и оптимизация. Наша платформа может помочь операторам принимать более взвешенные инвестиционные решения и направлять их в процессе переговоров», — говорит Минцзя Хэ.
Эта структура также может быть применена для решения других сложных задач по проектированию сетей, например, в сфере коммуникаций или распределения энергии.
В будущем исследователи хотят создать удобный интерфейс, который позволит заинтересованным сторонам легко изучать различные варианты сотрудничества. Они также хотят рассмотреть более сложные сценарии, например, роль политики в принятии решений по общей инфраструктуре или надёжные стратегии сотрудничества, учитывающие риски и неопределённость.
Источник: TechXplore
