In this paper we investigate the impact of path additions to transport networks with optimised traffic routing. In particular, we study the behaviour of total travel time, and consider both self-interested routing paradigms, such as User Equilibrium (UE) routing, as well as cooperative paradigms, such as classic Multi-Commodity (MC) network flow and System Optimal (SO) routing. We provide a formal framework for designing transport networks through iterative path additions, introducing the concepts of trip spanning tree and trip path graph. Using this formalisation, we prove multiple properties of the objective function for transport network design. Since the underlying routing problem is NP-Hard, we investigate properties that provide guarantees in approximate algorithm design. Firstly, while Braess' paradox has shown that total travel time is not monotonic non-increasing with respect to path additions under self-interested routing (UE), we prove that, instead, monotonicity holds for cooperative routing (MC and SO). This result has the important implication that cooperative agents make the best use of redundant infrastructure. Secondly, we prove via a counterexample that the intuitive statement `adding a path to a transport network always grants greater or equal benefit to users than adding it to a superset of that network' is false. In other words we prove that, for all the routing formulations studied, total travel time is not supermodular with respect to path additions. While this counter-intuitive result yields a hardness property for algorithm design, we provide particular instances where, instead, the property of supermodularity holds. Our study on monotonicity and supermodularity of total travel time with respect to path additions provides formal proofs and scenarios that constitute important insights for transport network designers.


翻译:在本文中,我们调查了交通网络路由增加路由以优化交通路由优化交通路由的方式对运输网络的影响。 特别是,我们研究了整个旅行时间的轨迹行为,并研究了自身感兴趣的路由模式,如用户 Equilibrium (UE) 路由模式,以及合作模式,如经典多商品网络(MC) 和系统优化路由模式。 我们提供了一个正式框架,通过迭代路程添加来设计运输网络,引入了跨树和行程路由图的概念。 使用这种正规化,我们证明了运输网络设计目标功能的多重属性。 由于基本的路由问题为NP-Hard,我们调查了在大致的算法设计中提供保障的属性。 首先,尽管布拉斯的悖论表明,总旅行时间不是单调的,而是在自感兴趣的路流(UE)下增加路径。 我们证明, 正式路由单调为合作的正轨(MC和SOO)提供了单一的特性。 这一结果意味着, 合作的代理机构会让多余的基础设施得到最好的使用。 其次,我们通过一个固定路段路由, 我们证明, 顺路由更有利于我们的运输。

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