Někdy spolupráce konkurentů prospěje všem

Představte si velkoměsto s několika různými vlakovými systémy – místní příměstské linky, vlaky pro dojíždějící a delší regionální linky. Při navrhování systému kolejí, stanic a jízdních řádů v této síti by si měli železniční dopravci klást otázku: Mají předpokládat, že každá entita působí nezávisle a snaží se maximalizovat pouze vlastní výnosy? Nebo že budou neustále plně spolupracovat na společném plánu a odloží vlastní zájmy stranou?

Ve skutečném světě není ani jeden z těchto předpokladů příliš realistický.

Výzkumníci z MIT a ETH Zurich vyvinuli nový plánovací nástroj, který kombinuje konkurenci a spolupráci, aby pomohl provozovatelům v komplexní multiregionální síti strategicky určit, kdy a jak by měli spolupracovat.

Tento rámec je neobvyklý, protože zahrnuje mechanismy společných investic a sdílení zisků, které identifikují, do kterých společných infrastrukturních projektů by se zúčastněná strana měla investovat s jinými provozovateli, aby maximalizovala kolektivní výhody. Nástroj může pomoci subjektům v oblasti mobility, jako jsou vlády, dopravní agentury a firmy, určit správný čas pro spolupráci, kolik by měly investovat do kooperativních projektů, jak by měly být rozděleny zisky a co by se stalo, kdyby se stáhly z jednání.

„Může se to zdát protiintuitivní, ale někdy se chcete investovat do svého soupeře, aby se tato investice v určitém okamžiku vrátila vám. Díky teorii her je možné tuto intuici formalizovat a dát vzniknout zajímavé třídě problémů,“ říká Gioele Zardini, docentka občanského a environmentálního inženýrství na MIT, hlavní řešitelka v Laboratoři pro informační a rozhodovací systémy (LIDS), přidružená fakulta Institutu pro data, systémy a společnost (IDSS) a hlavní autorka článku o tomto plánovacím rámci.

Numerická analýza ukazuje, že investováním části svého rozpočtu do některých společných infrastrukturních projektů mohou nezávislí operátoři dosáhnout vyšších výnosů, než kdyby pracovali zcela nekoperativně.

Na příkladu železničních dopravců výzkumníci ukazují, že společné investice také prospívají uživatelům zlepšením regionálních železničních služeb. Tato výherní situace pro všechny podněcuje více lidí k využívání vlaku, zvyšuje výnosy pro dopravce a snižuje emise z automobilů, říká Mingjia He, absolventka ETH Zurich a hlavní autorka.

„Klíčovým bodem je, že návrh dopravní sítě není hrou s nulovým součtem. Zisk jednoho operátora nemusí znamenat ztrátu ostatních. Posunem vnímání z izolované, soběstačné optimalizace ke strategické interakci může spolupráce vytvořit větší hodnotu pro všechny zúčastněné,“ říká.

Kromě dopravy by tento plánovací rámec mohl pomoci společnostem v přeplněném odvětví nebo vládám sousedních zemí testovat strategie společných investic.

He a Zardini se v článku připojují k výzkumníkům z ETH Zurich Andrei Censi a Emilio Frazzoli. Výzkum bude prezentován na Americké kontrolní konferenci 2025 (ACC) a článek byl vybrán jako finalista ceny Student Best Paper Award.

Smíchání spolupráce a konkurence

Vytvoření dopravní infrastruktury v multiregionální síti obvykle vyžaduje obrovskou investici času a zdrojů. Velké infrastrukturní projekty mají mimořádný dopad, který se může rozšiřovat daleko za jeden region nebo operátora.

Každý region má své vlastní priority a rozhodovatele, jako jsou místní dopravní úřady, což často vede k selhání koordinace.

„Pokud jsou místní systémy navrženy odděleně, regionální cestování může být obtížnější, což snižuje efektivitu celého systému. Pokud však z koordinace neprofitují zainteresované strany, je méně pravděpodobné, že plán podpoří,“ říká He.

Aby našli nejlepší kombinaci spolupráce a konkurence, výzkumníci použili teorii her k vytvoření rámce, který umožňuje operátorům sladit zájmy a zlepšit regionální spolupráci způsobem, který prospěje všem.

Například loni se švýcarská vláda dohodla na investování 50 milionů eur na elektrifikaci a rozšíření části regionální železniční sítě v Německu s cílem vytvořit rychlejší železniční spojení mezi třemi švýcarskými městy.

Plánovací rámec výzkumníků by mohl pomoci nezávislým subjektům, od regionálních vlád po železniční dopravce, určit, kdy a jak takovou spolupráci realizovat.

Prvním krokem je simulace výsledků, pokud operátoři nespolupracují. Poté, s využitím mechanismů společných investic a sdílení výnosů, může rozhodovatel prozkoumat kooperativní přístupy.

Aby identifikovali spravedlivý způsob rozdělení výnosů ze společných projektů, výzkumníci navrhli mechanismus sdílení výnosů založený na konceptu teorie her známém jako Nash bargaining solution. Tato technika určí, kolik výhod by operátoři získali v různých kooperativních scénářích, s přihlédnutím k výhodám, kterých by dosáhli bez spolupráce.

Výhody společných investic

Jakmile výzkumníci navrhli plánovací rámec, otestovali jej na simulované dopravní síti s několika konkurenčními železničními dopravci. Posoudili různé poměry společných investic v průběhu několika let, aby identifikovali nejlepší rozhodnutí pro operátory.

Nakonec zjistili, že semikooperativní přístup vede k nejvyšším výnosům pro všechny zúčastněné strany. Například v jednom scénáři maximalizovali všichni operátoři své výnosy společnou investicí 50 procent svých celkových rozpočtů do společných infrastrukturních projektů.

V dalším scénáři ukazují, že investicí pouhých 3,3 % celkového rozpočtu v prvním roce víceletého kooperativního projektu mohou operátoři zvýšit výsledky o 30 % napříč třemi metriky: výnosy, snížené náklady pro zákazníky a nižší emise.

„To dokazuje, že malá počáteční investice může vést k významným dlouhodobým výhodám,“ říká He.

Když aplikovali svůj rámec na realističtější multiregionální sítě, kde nebyly všechny regiony stejné velikosti, tento semikooperativní přístup dosáhl ještě lepších výsledků.

Nicméně jejich analýzy ukazují, že výnosy se nezvyšují lineárně – někdy zvýšení poměru společných investic nezvyšuje výhodu pro operátory.

Úspěch je mnohostranná záležitost, která závisí na tom, kolik investují všichni operátoři, které projekty jsou vybrány, kdy k investici dojde a jak je rozpočet rozdělen v čase, vysvětluje He.

„Tato strategická rozhodnutí jsou složitá, a proto jsou simulace a optimalizace nezbytné k nalezení nejlepších strategií spolupráce a jednání. Náš rámec může operátorům pomoci činit chytřejší investiční rozhodnutí a vést je procesem vyjednávání,“ říká.

Rámec by mohl být aplikován i na jiné komplexní problémy s návrhem sítě, například v komunikacích nebo distribuci energie.

V budoucnu chtějí výzkumníci vytvořit uživatelsky přívětivé rozhraní, které umožní zúčastněné straně snadno prozkoumat různé možnosti spolupráce. Také chtějí zvážit komplexnější scénáře, jako je úloha politiky v rozhodnutích o sdílené infrastruktuře nebo robustní kooperativní strategie, které zvládají rizika a nejistotu.

Tato práce byla částečně podpořena iniciativou ETH Zurich Mobility Initiative a nadací ETH Zurich Foundation.