[論文レビュー] Bridging the user equilibrium and the system optimum in static traffic assignment: how the cooperation among drivers can solve the congestion problem in city networks

Valentina Morandi|arXiv (Cornell University)|May 11, 2021

Transportation Planning and Optimization被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ITSおよび自動運転車両技術を活用して、協調ルーティングを通じてユーザー均衡（公平性）とシステム最適（効率性）を統合するハイブリッド交通割り当てフレームワークを提案する。主な貢献は、インfra構築の拡張を要せず、価格の悪化を低減するスケーラブルで協調的なルーティングメカニズムの開発である。

ABSTRACT

Solving the road congestion problem is one of the most pressing issues in moderncities since it causes time wasting, pollution, higher industrial costs and huge roadmaintenance costs. Advances in ITS technologies and the advent of autonomousvehicles are changing mobility dramatically. They enable the implementation of acoordination mechanism, called coordinated traffic assignment, among the sat-navdevices aiming at assigning paths to drivers to eliminate congestion and to re-duce the total travel time in traffic networks. Among possible congestion avoidance methods, coordinated traffic assignment is a valuable choice since it does not involvehuge investments to expand the road network. Traffic assignments are traditionally devoted to two main perspectives on which the well-known Wardropian principlesare inspired: the user equilibrium and the system optimum. User equilibrium is a user-driven traffic assignment in which each user chooses the most convenientpath selfishly. It guarantees that fairness among users is respected since, whenthe equilibrium is reached, all users sharing the same origin and destination willexperience the same travel time. The main drawback in a user equilibrium is thatthe system total travel time is not minimized and, hence, the so-called Price ofAnarchy is paid. On the other hand, the system optimum is an efficient system-wide traffic assignment in which drivers are routed on the network in such a waythe total travel time is minimized but users might experience travel times that arehigher than the other users travelling from the same origin to the same destina-tion affecting the compliance. Thus, drawbacks in implementing one of the two assignments can be overcome by hybridizing the two approaches aiming at bridging users' fairness to system-wide efficiency. The survey reviews the state-of-the-art of these trade-off approaches

研究の動機と目的

• 自己中心的なルーティングがもたらす総所要時間の増加と「価格の悪化」を引き起こすユーザー均衡の非効率性を是正すること。
• 一部のユーザーがシステム全体の効率性は達成しているにもかかわらず、長時間の所要時間を経験するというシステム最適の公平性の欠如を是正すること。
• ユーザーの公平性を維持しながら、総システム所要時間を最小化するハイブリッド手法の開発。
• 既存のITS技術を活用して、実際の都市ネットワークにおける協調交通割り当ての実装を可能にすること。
• 新興の自動運転車両およびV2V通信の能力を活用して、スケーラブルかつリアルタイムの協調を可能にする。

提案手法

• 中央機関（リーダー）が一部のドライバーにルートを割り当てることで、システムをより効率的な状態に導く協調交通割り当てメカニズムを導入する。
• リーダーが残りのユーザー（フォロワー）の自己中心的な反応を予測することで、全体のネットワークパフォーマンスを最適化するスタックルベルクルーティング原理を適用する。
• 現実的なドライバー行動を反映するため、経路制約や電気自動車の走行可能範囲への不安（range anxiety）を含む、境界付き合理的ユーザー均衡モデルを統合する。
• リアルタイム交通データと車両間通信を活用して、経路割り当てを動的に調整し、混雑を低減する。
• 個々のインcentiveをシステム全体の効率性と一致させるために、混雑料金とインcentiveメカニズムを組み合わせる。
• 二段階最適化として問題を定式化する：リーダーはフォロワーの行動をユーザー均衡としてモデル化した上で、総所要時間を最小化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静的交通割り当てにおいて、ユーザーの公平性とシステム全体の効率性を同時に達成する方法は何か？
• RQ2 インfra構築の拡張なしに、協調ルーティングは都市ネットワークにおける価格の悪化をどの程度低減できるか？
• RQ3 ITS技術と自動運転車両の協調は、ハイブリッド交通割り当ての実用的実装をどのように可能にするか？
• RQ4 境界付き合理的性と行動仮定は、ハイブリッドルーティングモデルの安定性と効率性にどのように影響するか？
• RQ5 部分的遵守を伴うスタックルベルクルーティングは、実際の交通ネットワークにおいて近似的にシステム最適なパフォーマンスを達成できるか？

主な発見

• ハイブリッド手法により、一部のユーザーをシステム最適経路に誘導することで、価格の悪化が顕著に低減され、全体のネットワーク効率が向上する。
• 戦略的なリーダー・フォロワー割り当てによるスタックルベルクルーティングは、価格の悪化の上限を押さえるのに有効であることが証明されており、特にリーダーが交通の重要な割合を占めている場合に顕著である。
• 協調交通割り当ては、同じ出発地・到着地ペアを持つユーザー間の公平性を維持しながら、純粋なユーザー均衡よりも総所要時間を最小化する点で優れている。
• 境界付き合理的ユーザー均衡モデルの統合により、経路制約やドライバー行動を考慮した現実的で、モデルの頑健性が向上する。
• 動的メッセージング、混雑料金、V2V通信といった既存のITS技術は、実時間での提案された協調メカニズムの実装に十分である。
• この手法はスケーラブルであり、電気自動車や5G対応のリアルタイム協調といった新たなモビリティトレンドにも適応可能である。