Network optimization policies under mixed traffic environments and alternative C-ITS services: a bi-level algorithmic approach with multi-class traffic assignment techiques

Abstract

The objective of this thesis is to develop a framework for network optimization in mixed traffic environments, where conventional vehicles coexist with Connected Vehicles (CVs) equipped with Cooperative Intelligent Transport Services (C-ITS). The framework is based on game theory and bilevel optimization, to achieve optimal network performance in mixed traffic networks. The first part presents an extensive review of C-ITS, traffic management and control, transport theories, simulation tools, and traffic assignment methodologies. It also covers the theoretical background of game theory and bilevel optimization, with a particular focus on the Nash equilibrium. Game theory is used to represent the interactions between three different types of stakeholders in the network, each one of them representing different interests. Regarding the users of the network, conventional vehicles are governed by decentralized decision-making, while CVs, are governed by centralized decision-making. Unlike autonomous vehicles, CVs rely on drivers’ choices based on shared information. This differentiation in objectives and capabilities motivates the use of strategic games to model cooperation and competition among the different stakeholders. The framework is applied to the urban and peri-urban network of Thessaloniki. Experiments are performed under Nash equilibrium principles, considering four players. The outcomes highlight the potential of game-theoretic approaches to design effective network optimization measures for mixed traffic networks. The results provide valuable insights for policymakers and stakeholders, for the integration of C-ITS into real-life traffic networks. The thesis concludes with key findings, proposed optimization policies, and directions for future research.

Ο στόχος της διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός πλαισίου για τη βελτιστοποίηση δικτύων σε περιβάλλοντα μικτής κυκλοφορίας, όπου συμβατικά οχήματα συνυπάρχουν με συνδεδεμένα οχήματα εξοπλισμένα με υπηρεσίες Συνεργατικών Ευφυών Συστημάτων Μεταφορών. Το πλαίσιο βασίζεται στη θεωρία παιγνίων και στη βελτιστοποίηση δύο επιπέδων, με στόχο την επίτευξη της βέλτιστης απόδοσης του δικτύου σε μικτή κυκλοφορία. Το πρώτο μέρος παρουσιάζει μια εκτενή ανασκόπηση των Συνεργατικών Ευφυών Συστημάτων Μεταφορών, της διαχείρισης και ελέγχου της κυκλοφορίας, της θεωρίας μεταφορών, των εργαλείων προσομοίωσης και των μεθοδολογιών καταμερισμού κυκλοφορίας. Καλύπτει επίσης το θεωρητικό υπόβαθρο της θεωρίας παιγνίων και της βελτιστοποίησης δύο επιπέδων, με ιδιαίτερη έμφαση στην ισορροπία Nash. Η θεωρία παιγνίων χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τριών διαφορετικών φορέων στο δίκτυο, καθένας εκ των οποίων αντιπροσωπεύει διαφορετικά συμφέροντα. Σχετικά με τους χρήστες του δικτύου, τα συμβατικά οχήματα καθοδηγούνται από αποκεντρωμένη λήψη αποφάσεων, ενώ τα συνδεδεμένα οχήματα καθοδηγούνται από κεντρικοποιημένη λήψη αποφάσεων. Σε αντίθεση με τα αυτόνομα οχήματα, τα συνδεδεμένα οχήματα βασίζονται στις επιλογές των οδηγών με βάση τις πληροφορίες που τους κοινοποιούνται. Αυτή η διαφοροποίηση στους στόχους και στις δυνατότητες αιτιολογεί τη χρήση στρατηγικών παιγνίων για τη μοντελοποίηση της συνεργασίας και του ανταγωνισμού μεταξύ των διαφορετικών φορέων. Το μεθοδολογικό πλαίσιο εφαρμόζεται στο αστικό και ημιαστικό δίκτυο της Θεσσαλονίκης. Πραγματοποιούνται πειράματα σύμφωνα με τις αρχές της ισορροπίας Nash, λαμβάνοντας υπόψη τέσσερις παίκτες. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν τη δυναμική των προσεγγίσεων της θεωρίας παιγνίων για το σχεδιασμό αποτελεσματικών μέτρων βελτιστοποίησης σε δίκτυα μικτής κυκλοφορίας. Τα ευρήματα παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τους φορείς χάραξης πολιτικής και για την ενσωμάτωση των Συνεργατικών Ευφυών Συστημάτων Μεταφορών σε πραγματικά δίκτυα κυκλοφορίας. Η διατριβή καταλήγει σε βασικά συμπεράσματα, προτεινόμενες πολιτικές βελτιστοποίησης και κατευθύνσεις για μελλοντική έρευνα.