La herramienta inspirada en la teoría de juegos promete decisiones de colaboración de infraestructura más inteligentes

Una gran metrópolis podría tener varios sistemas de trenes diferentes, desde líneas de interurbanos locales hasta trenes de cercanías y líneas regionales más largas. Al diseñar un sistema de vías, estaciones y horarios de trenes en esta red, ¿deberían los operadores ferroviarios asumir que cada entidad opera de forma independiente, buscando solo maximizar sus propios ingresos? ¿O que cooperan completamente todo el tiempo con un plan conjunto, dejando de lado su propio interés?

En el mundo real, ninguna de las suposiciones es muy realista.

Los investigadores de MIT y ETH Zurich han desarrollado una nueva herramienta de planificación que combina la competencia y la cooperación para ayudar a los operadores en una red compleja y multirregional a determinar estratégicamente cuándo y cómo deben trabajar juntos. La investigación es publicado en el arxiv servidor de preimpresión.

Su marco es inusual porque incorpora mecanismos de coinversión y intercambio de pagos que identifican en qué proyectos de infraestructura conjunta que debe invertir una parte interesada con otros operadores para maximizar los beneficios colectivos.

La herramienta puede ayudar a las partes interesadas de la movilidad, como los gobiernos, las agencias de transporte y las empresas, a determinar el momento adecuado para colaborar, cuánto deben invertir en proyectos cooperativos, cómo se deben distribuir las ganancias y qué sucedería si se retirarían de las negociaciones.

“Puede parecer contradictorio, pero a veces quieres invertir en tu oponente para que, en algún momento, esta inversión volverá a ti. Gracias a teoría de juegosuno puede formalizar esta intuición para dar lugar a una clase interesante de problemas “, dice Gioele Zardini, profesora asistente de Rudge y Nancy Allen de Ingeniería Civil y Ambiental en MIT, investigadora principal en el Laboratorio de Información y Sistemas de Decisión (LIDS), un profesorado afiliado del Instituto de Datos, Sistemas y Sociedad (IDS) y Autor Senior de un documento de planificación en un documento de planificación de un documento de planificación.

El análisis numérico muestra que, al invertir una parte de su presupuesto en algunos proyectos de infraestructura compartida, los operadores independientes pueden obtener más ingresos que si operaran completamente no cooperativamente.

En el ejemplo de los operadores ferroviarios, los investigadores demuestran que la coinversión también beneficia a los usuarios al mejorar el servicio de trenes regionales. Esta situación de ganar-ganar alienta a más personas a tomar el tren, aumentar los ingresos para los operadores y reducir las emisiones de los automóviles, dice Mingjia HE, una estudiante graduada de ETH Zurich y autora principal.

“El punto clave aquí es que el diseño de la red de transporte no es un juego de suma cero. La ganancia de un operador no tiene que significar la pérdida de los demás. Al cambiar la percepción de la autooptimización aislada a la interacción estratégica, la cooperación puede crear un mayor valor para todos los involucrados”, dice ella.

Más allá del transporte, este marco de planificación podría ayudar a las empresas en una industria abarrotada o gobiernos de los países vecinos a probar estrategias de coinversión.

A él y Zardini se unen en el periódico por los investigadores de Eth Zurich, Andrea Censi y Emilio Fazzoli. La investigación se presentará en la Conferencia de Control Americana (ACC) 2025, y el documento ha sido seleccionado como finalista del premio al mejor documento de Student.

Mezclar cooperación y competencia

Edificio infraestructura de transporte En una red multirregional, generalmente requiere una gran inversión de tiempo y recursos. Los principales proyectos de infraestructura tienen un impacto descomunal que puede extenderse mucho más allá de una región u operador.

Cada región tiene sus propias prioridades y tomadores de decisiones, como las autoridades de transporte local, lo que a menudo resulta en el fracaso de la coordinación.

“Si los sistemas locales se diseñan por separado, los viajes regionales pueden ser más difíciles, lo que hace que todo el sistema sea menos eficiente. Pero si las partes interesadas interesadas no se benefician de la coordinación, es menos probable que apoyen el plan”, dice.

Para encontrar la mejor combinación de cooperación y competencia, los investigadores utilizaron la teoría de juegos para construir un marco que permita a los operadores alinear los intereses y mejorar la cooperación regional de una manera que beneficie a todos.

Por ejemplo, el año pasado, el gobierno suizo acordó invertir 50 millones de euros para electrificar y expandir parte de una red ferroviaria regional en Alemania, con el objetivo de crear una conexión ferroviaria más rápida entre tres ciudades suizas.

El marco de planificación de los investigadores podría ayudar a entidades independientes, desde gobiernos regionales hasta operadores ferroviarios, identificar cuándo y cómo emprender tales colaboraciones.

El primer paso implica simular los resultados si los operadores no colaboran. Luego, utilizando los mecanismos de coinversión y compartir de pago, el tomador de decisiones puede explorar enfoques cooperativos.

Para identificar una forma justa de dividir los ingresos de proyectos compartidos, los investigadores diseñaron un mecanismo de intercambio de pagos basado en un concepto de teoría de juegos conocido como la solución de negociación NASH. Esta técnica determinará cuánto recibirían los operadores de beneficios en diferentes escenarios cooperativos, teniendo en cuenta los beneficios que lograrían sin colaboración.

Los beneficios de la coinversión

Una vez que habían diseñado el marco de planificación, los investigadores lo probaron en una red de transporte simulada con múltiples operadores ferroviarios competidores. Evaluaron varias relaciones de coinversión en varios años para identificar las mejores decisiones para los operadores.

Al final, descubrieron que un enfoque semicooperativo lleva a los mayores rendimientos para todos los interesados. Por ejemplo, en un escenario, al coinver la advertencia del 50% de sus presupuestos totales en proyectos de infraestructura compartida, todos los operadores maximizaron sus rendimientos.

En otro escenario, muestran que al invertir solo el 3.3% de su presupuesto total en el primer año de un proyecto cooperativo de varios años, los operadores pueden aumentar los resultados en un 30% en tres métricas: ingresos, costos reducidos para los clientes y emisiones más bajas.

“Esto demuestra que una pequeña inversión por adelantado puede conducir a importantes beneficios a largo plazo”, dice.

Cuando aplicaron su marco a redes multirregionales más realistas donde todas las regiones no eran del mismo tamaño, este enfoque semicooperativo logró resultados aún mejores.

Sin embargo, sus análisis indican que los rendimientos no aumentan de manera lineal; a veces aumentar la relación de coinversión no aumenta el beneficio para los operadores.

El éxito es un problema multifacético que depende de cuánto invierte todos los operadores, qué proyectos se eligen, cuándo ocurre la inversión y cómo se distribuye el presupuesto con el tiempo, explica.

“Estas decisiones estratégicas son complejas, por lo que las simulaciones y la optimización son necesarias para encontrar las mejores estrategias de cooperación y negociación. Nuestro marco puede ayudar a los operadores a tomar decisiones de inversión más inteligentes y guiarlas a través del proceso de negociación”, dice ella.

El marco también podría aplicarse a otros problemas complejos de diseño de red, como en comunicaciones o distribución de energía.

En el futuro, los investigadores quieren construir una interfaz fácil de usar que permita a un interesado explorar fácilmente diferentes opciones de colaboración. También quieren considerar escenarios más complejos, como el papel que juega la política en las decisiones de infraestructura compartida o las estrategias cooperativas sólidas que manejan los riesgos y la incertidumbre.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, la innovación y la enseñanza.