Một đô thị lớn có thể có nhiều hệ thống tàu hỏa khác nhau, từ các tuyến liên tỉnh địa phương đến tàu hỏa đi lại đến các tuyến khu vực dài hơn. Khi thiết kế một hệ thống đường ray, nhà ga và lịch trình tàu hỏa trong mạng lưới này, các nhà khai thác đường sắt có nên cho rằng mỗi thực thể hoạt động độc lập, chỉ tìm cách tối đa hóa doanh thu của riêng mình không? Hay họ hợp tác hoàn toàn mọi lúc với một kế hoạch chung, gạt lợi ích riêng của mình sang một bên?
Khung thiết kế mạng tương tác, có giai đoạn không hợp tác cũng như giai đoạn hợp tác. Tín dụng: arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2409.19409
Trong thế giới thực, cả hai giả định trên đều không thực tế.
Các nhà nghiên cứu từ MIT và ETH Zurich đã phát triển một công cụ lập kế hoạch mới kết hợp cạnh tranh và hợp tác để giúp các nhà điều hành trong một mạng lưới phức tạp, đa vùng xác định chiến lược khi nào và làm thế nào họ nên làm việc cùng nhau. Nghiên cứu được công bố trên máy chủ bản thảo arXiv.
Khung của họ khác thường vì nó kết hợp các cơ chế đầu tư chung và chia sẻ lợi nhuận nhằm xác định các dự án cơ sở hạ tầng chung mà một bên liên quan nên đầu tư với các nhà khai thác khác để tối đa hóa lợi ích chung.
Công cụ này có thể giúp các bên liên quan trong lĩnh vực di chuyển, chẳng hạn như chính phủ, cơ quan vận tải và doanh nghiệp, xác định thời điểm phù hợp để hợp tác, số tiền họ nên đầu tư vào các dự án hợp tác, cách phân phối lợi nhuận và điều gì sẽ xảy ra nếu họ rút khỏi các cuộc đàm phán.
"Có vẻ như phản trực giác, nhưng đôi khi bạn muốn đầu tư vào đối thủ của mình để, tại một thời điểm nào đó, khoản đầu tư này sẽ quay trở lại với bạn. Nhờ lý thuyết trò chơi, người ta có thể chính thức hóa trực giác này để tạo ra một lớp vấn đề thú vị", Gioele Zardini, Trợ lý Giáo sư Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường Rudge và Nancy Allen tại MIT, một nhà nghiên cứu chính tại Phòng thí nghiệm Hệ thống Thông tin và Quyết định (LIDS), một khoa liên kết với Viện Dữ liệu, Hệ thống và Xã hội (IDSS) và là tác giả chính của một bài báo về khuôn khổ lập kế hoạch này cho biết.
Phân tích số cho thấy, bằng cách đầu tư một phần ngân sách vào một số dự án cơ sở hạ tầng chung, các nhà khai thác độc lập có thể kiếm được nhiều doanh thu hơn so với khi họ hoạt động hoàn toàn không hợp tác.
Trong ví dụ về các nhà điều hành đường sắt, các nhà nghiên cứu chứng minh rằng việc đồng đầu tư cũng có lợi cho người dùng bằng cách cải thiện dịch vụ tàu hỏa khu vực. Tình huống đôi bên cùng có lợi này khuyến khích nhiều người đi tàu hơn, tăng doanh thu cho các nhà điều hành và giảm lượng khí thải từ ô tô, Mingjia He, một sinh viên tốt nghiệp tại ETH Zurich và là tác giả chính cho biết.
"Điểm mấu chốt ở đây là thiết kế mạng lưới giao thông không phải là một trò chơi tổng bằng không. Lợi ích của một nhà khai thác không nhất thiết có nghĩa là mất mát của những người khác. Bằng cách chuyển nhận thức từ sự cô lập, tự tối ưu hóa sang tương tác chiến lược, sự hợp tác có thể tạo ra giá trị lớn hơn cho tất cả mọi người liên quan", bà nói.
Ngoài lĩnh vực vận tải, khuôn khổ quy hoạch này có thể giúp các công ty trong ngành công nghiệp đông đúc hoặc chính phủ các nước láng giềng thử nghiệm các chiến lược hợp tác đầu tư.
Ông và Zardini tham gia vào bài báo cùng với các nhà nghiên cứu Andrea Censi và Emilio Frazzoli của ETH Zurich. Nghiên cứu sẽ được trình bày tại Hội nghị Kiểm soát Hoa Kỳ (ACC) năm 2025 và bài báo đã được chọn là bài báo vào chung kết Giải thưởng Bài báo hay nhất của Sinh viên.
Kết hợp hợp tác và cạnh tranh
Xây dựng cơ sở hạ tầng giao thông trong mạng lưới đa vùng thường đòi hỏi đầu tư rất lớn về thời gian và nguồn lực. Các dự án cơ sở hạ tầng lớn có tác động quá lớn có thể vượt xa một vùng hoặc nhà khai thác.
Mỗi khu vực có những ưu tiên và người ra quyết định riêng, chẳng hạn như cơ quan giao thông địa phương, điều này thường dẫn đến việc không phối hợp tốt.
"Nếu các hệ thống địa phương được thiết kế riêng biệt, việc đi lại trong khu vực có thể khó khăn hơn, khiến toàn bộ hệ thống kém hiệu quả hơn. Nhưng nếu các bên liên quan vì lợi ích riêng không được hưởng lợi từ sự phối hợp, họ sẽ ít có khả năng ủng hộ kế hoạch này", ông nói.
Để tìm ra sự kết hợp tốt nhất giữa hợp tác và cạnh tranh, các nhà nghiên cứu đã sử dụng lý thuyết trò chơi để xây dựng một khuôn khổ cho phép các nhà điều hành thống nhất lợi ích và cải thiện hợp tác khu vực theo cách có lợi cho tất cả mọi người.
Ví dụ, năm ngoái chính phủ Thụy Sĩ đã đồng ý đầu tư 50 triệu euro để điện khí hóa và mở rộng một phần mạng lưới đường sắt khu vực ở Đức, với mục tiêu tạo ra kết nối đường sắt nhanh hơn giữa ba thành phố của Thụy Sĩ.
Khung lập kế hoạch của các nhà nghiên cứu có thể giúp các thực thể độc lập, từ chính quyền khu vực đến các nhà điều hành đường sắt, xác định thời điểm và cách thức thực hiện các hoạt động hợp tác như vậy.
Bước đầu tiên bao gồm việc mô phỏng kết quả nếu các nhà điều hành không hợp tác. Sau đó, bằng cách sử dụng cơ chế chia sẻ lợi nhuận và đầu tư chung, người ra quyết định có thể khám phá các phương pháp tiếp cận hợp tác.
Để xác định một cách công bằng để chia doanh thu từ các dự án chung, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một cơ chế chia sẻ lợi nhuận dựa trên khái niệm lý thuyết trò chơi được gọi là giải pháp mặc cả Nash. Kỹ thuật này sẽ xác định mức lợi ích mà các nhà điều hành sẽ nhận được trong các kịch bản hợp tác khác nhau, có tính đến các lợi ích mà họ sẽ đạt được mà không cần hợp tác.
Lợi ích của việc đồng đầu tư
Sau khi thiết kế xong khuôn khổ quy hoạch, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm nó trên một mạng lưới giao thông mô phỏng với nhiều nhà khai thác đường sắt cạnh tranh. Họ đã đánh giá nhiều tỷ lệ đồng đầu tư khác nhau trong nhiều năm để xác định các quyết định tốt nhất cho các nhà khai thác.
Cuối cùng, họ thấy rằng cách tiếp cận bán hợp tác dẫn đến lợi nhuận cao nhất cho tất cả các bên liên quan. Ví dụ, trong một kịch bản, bằng cách cùng đầu tư 50% tổng ngân sách của họ vào các dự án cơ sở hạ tầng chung, tất cả các nhà khai thác đều tối đa hóa lợi nhuận của họ.
Trong một kịch bản khác, họ chỉ ra rằng chỉ cần đầu tư 3,3% tổng ngân sách vào năm đầu tiên của một dự án hợp tác kéo dài nhiều năm, các nhà điều hành có thể tăng kết quả lên 30% trên ba chỉ số: doanh thu, giảm chi phí cho khách hàng và giảm lượng khí thải.
"Điều này chứng minh rằng một khoản đầu tư nhỏ ban đầu có thể mang lại lợi ích đáng kể về lâu dài", ông nói.
Khi họ áp dụng khuôn khổ của mình vào các mạng lưới đa vùng thực tế hơn, trong đó không phải tất cả các vùng đều có cùng quy mô, thì cách tiếp cận bán hợp tác này đạt được kết quả thậm chí còn tốt hơn.
Tuy nhiên, phân tích của họ chỉ ra rằng lợi nhuận không tăng theo cách tuyến tính—đôi khi việc tăng tỷ lệ đồng đầu tư không làm tăng lợi ích cho nhà điều hành.
Ông giải thích rằng thành công là một vấn đề đa chiều phụ thuộc vào số tiền đầu tư của tất cả các nhà điều hành, dự án nào được lựa chọn, thời điểm đầu tư và cách phân bổ ngân sách theo thời gian.
"Những quyết định chiến lược này rất phức tạp, đó là lý do tại sao cần phải mô phỏng và tối ưu hóa để tìm ra chiến lược hợp tác và đàm phán tốt nhất. Khung của chúng tôi có thể giúp các nhà điều hành đưa ra những lựa chọn đầu tư thông minh hơn và hướng dẫn họ trong suốt quá trình đàm phán", bà nói.
Khung này cũng có thể được áp dụng cho các vấn đề thiết kế mạng phức tạp khác, chẳng hạn như trong truyền thông hoặc phân phối năng lượng.
Trong tương lai, các nhà nghiên cứu muốn xây dựng một giao diện thân thiện với người dùng cho phép các bên liên quan dễ dàng khám phá các tùy chọn hợp tác khác nhau. Họ cũng muốn xem xét các kịch bản phức tạp hơn, chẳng hạn như vai trò của chính sách trong các quyết định về cơ sở hạ tầng chung hoặc các chiến lược hợp tác mạnh mẽ xử lý rủi ro và sự không chắc chắn.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
