基于博弈理論的高速公路運營管理多目標決策研究

謝春燕 賴海燕

摘要：文章運用博弈理論對高速公路運營管理中公路逃費、收費擁堵交通流量控制及養(yǎng)護等重點問題進行了博弈分析。通過問題建模，得到通過博弈理論解決高速公路運營管理多目標問題的基本思路，并通過高速公路運營管理者與使用者的現(xiàn)有行為方式進行驗證，表明博弈理論可適用于高速公路運營管理多目標決策中，且具有實際效用。

關鍵詞：高速公路運營管理;博弈理論;目標決策

中圖分類號：U491 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.049

文章編號：1673-4874（2019）08-0179-04

0引言

隨著我國高速公路里程數(shù)激增，如何實現(xiàn)高速公路有效的運營管理是發(fā)揮高速公路效用的關鍵環(huán)節(jié)。在高速公路運營管理的相關研究中，許多問題需要借助博弈理論及方法在特定環(huán)境下做出決策最優(yōu)解的選擇。博弈理論研究本質(zhì)上指的是在特定的環(huán)境中，各類博弈活動參與者在利益相互沖突的條件下構(gòu)建策略矩陣，并基于自身利益最大化的原則作出行為決策以及行為決策可能導致的所有結(jié)果的利益均衡問題。

1高速公路運營管理問題概述

1.1高速公路運營管理問題及其描述

高速公路運營管理是以實現(xiàn)高速公路的經(jīng)濟效益和社會效益為目標，借助于現(xiàn)代管理方法和手段，突出管理學范疇的計劃、組織、協(xié)調(diào)和控制等管理職能的具體安排。

1.2高速公路運營管理多目標描述

1.2.1高速公路收費管理目標

我國高速公路大部分屬于收費高速公路，這就涉及到了高速公路收費管理活動。高速公路的收費管理活動是建立在高速公路的收費制度基礎上，根據(jù)一定的收費標準對高速公路使用者收取相應的費用，還包括提高通行效率與服務質(zhì)量，嚴格控制運營管理成本，加強運營主體服務監(jiān)督等方面的內(nèi)容。

1.2.2高速公路保暢通行管理目標

高速公路在運營管理過程中隨時可能發(fā)生收費站車流擁堵、服務區(qū)車流擁堵以及因交通運輸事故、危險品泄漏或爆炸等突發(fā)事件造成的擁堵現(xiàn)象。因突發(fā)事件所造成的擁堵現(xiàn)象是不可預知、不可控制的，而高速公路保暢通行管理，重點在于對收費站和服務區(qū)的交通車流進行有效的管理調(diào)控，以達到對車流及時疏導、通行有序的管理目標。

1.2.3高速公路優(yōu)化養(yǎng)護管理目標

高速公路的養(yǎng)護管理包括路基、路面、橋梁、隧道、交通安全設施以及綠化養(yǎng)護等六個方面的主要內(nèi)容。高速公路養(yǎng)護管理的目的在于實現(xiàn)公路全壽命周期養(yǎng)護成本最低、路況最佳的目標。

2基于博弈理論的高速公路運營管理行為分析

2.1高速公路收逃費的演化博弈分析

現(xiàn)階段，高速公路收費存在缺乏明確的管理法規(guī)和政策管理體系，導致一方面管理者存在收費稽查力度不夠，時常出現(xiàn)貪污受賄、挪用公款等情況;另一方面使用者存在車輛互相交換車牌、偽造車牌、偽造免費通行標志、強行沖卡等逃費現(xiàn)象，造成高速公路通行費用的損失。高速公路收逃費的博弈就是高速公路收費行為中的管理者、收費員和司機都根據(jù)自身的行為選擇能否得到利益以及利益的大小來決定是否參與收逃費過程。在高速公路收逃費的博弈活動中，博弈的任何一方都可以通過學習來積累經(jīng)驗，不斷調(diào)整自我行為策略，可以認為博弈行為存在演化趨勢。利用演化博弈對收逃費參與者的博弈關系進行分析，可以得出參與者在博弈過程中做出策略選擇的時間演化趨勢，以此為高速公路的運營管理提供相應的管理決策。

2.2高速公路收費擁堵交通流量控制的博弈分析

高速公路收費站口交通擁堵的博弈表現(xiàn)為高速公路出行者對收費站口的選擇以時間最短為目的，但實際上收費通道的交通運行狀況是根據(jù)出行者對通道選擇的結(jié)果而不斷變化的，這就在出行者與收費站口的具體情況之間形成了博弈。在這個博弈的過程中，出行者按基于自身經(jīng)驗及判斷所做出的策略選擇相應收費通道，以期實現(xiàn)排隊時間最短。出行者之間也構(gòu)成了一種博弈關系，而管理者也是根據(jù)這樣的相互博弈行為而做出相應的管理策略調(diào)整，導致博弈行為出現(xiàn)演化。因此，采用演化博弈對出行者選擇收費通道的行為進行分析，找出演化均衡點，可以幫助管理者有意識地誘導出行者合理選擇收費通道，以解決高速公路收費站口擁堵問題。

2.3基于博弈論的高速公路養(yǎng)護博弈分析

高速公路養(yǎng)護管理主要是結(jié)合路面損壞情況、交通量等因素來確定采取養(yǎng)護措施的類型。在擬定養(yǎng)護方案過程中，需要將出行者作為一個效用因素加入到高速公路養(yǎng)護方案的決策中，以實現(xiàn)管理者和出行者雙方利益最大化。在高速公路養(yǎng)護管理的博弈中，交通出行者對道路的使用需求除了要求暢通之外，還存在安全、舒適的使用體驗需求。而從高速公路管理者方面來看，由于高速公路的養(yǎng)護管理涉及到路面建設的具體設計指標、詳細的造價成本和養(yǎng)護標準，因此在決策方案博弈的過程中需要建立起效用函數(shù)，以設計目標變量與造價優(yōu)化目標函數(shù)為總效用，各個參與主體的策略是獨立的，以此形成了各方博弈空間。

3博弈論解決高速公路運營管理多目標問題的基本思路

3.1問題描述與模型建立

傳統(tǒng)的博弈理論要求博弈雙方是完全理性的狀態(tài)，在決策時能做出對自身而言利益最大化的選擇嘲。對高速公路運營管理而言，收費中的逃費沖卡、交通擁堵、有效養(yǎng)護等問題的復雜性和困難度急劇增加。為確保高效的運營管理，采用傳統(tǒng)的確定性博弈模型難以有效解決運營管理多目標下的最優(yōu)控制問題?；诖?，應從提高高速公路運營管理的整體效益角度出發(fā)，加入不確定性信息的影響因素，并使用運籌管理學中的多目標優(yōu)化管理的基本原則，構(gòu)建包括高速公路的收費管理行為、道路管護的時效性以及交通疏導等內(nèi)容在內(nèi)的高速公路運營管理多目標優(yōu)化的分析模型。

3.2模型構(gòu)建

3.2.1基本假設

對上文提出的博弈情況進行建模，在博弈理論的設定上，管理者和使用者在進行博弈時均有兩種策略：一是自覺配合高速公路管理制度，即“配合”態(tài)度;二是對高速公路的運營管理采取不合作態(tài)度，即“不配合”態(tài)度。

（1）假設管理者與使用者并非完全理智的行為人，在進行博弈過程中會不斷的通過學習或模仿他人來調(diào)整自己的行為決策，最終達到均衡狀態(tài)。

（2）假設管理者與使用者在博弈過程中同時采用“配合”策略，才能保證管理者的運營管理行為達到理想狀態(tài)，而使用者能夠享受到更優(yōu)質(zhì)和快捷的體驗感受。若任何一方在博弈過程中采取了隨機策略則視為“不配合”狀態(tài)。

3.2.2模型構(gòu)建

（1）演化博弈的復制者動態(tài)模型構(gòu)建

根據(jù)演化博弈模型的演化穩(wěn)定策略，均衡結(jié)果較平均水平好的策略會被更多的參與者選擇，從而使得整個參與博弈的群體采用這種策略的比例增加，形成復制動態(tài)模型。首先構(gòu)建管理者與使用者的復制動態(tài)方程：

如果存在（a，β）屬于x且同時使F成立，（a，β）即可被視為最優(yōu)解，表示多目標決策下可以求得目標問題的區(qū)域解，即式（4）求出的5個均衡解。

（3）演化博弈的多目標決策模型分析

通過演化博弈模型的構(gòu)建，可以得出E1至E5五個均衡點，均可作為高速公路運營管理多目標決策的演化博弈路徑，如圖1所示。

在演化博弈路徑圖中，表現(xiàn)出了管理者與使用者之間進行演化博弈過程中的“路徑依賴”特性。由于E1、E3是兩個具有吸引性質(zhì)的因子，把演化博弈路徑分成了“配合”與“不配合”兩個決策方陣。在決策范圍從初始狀態(tài)（O，0）的均衡點經(jīng)過不斷的博弈、修正、演化并最終趨近于E1、E3，而E2-E5-E4是演化的臨界值。如果在高速公路運營管理的某項措施實施過程中，管理者與使用者進行博弈選擇的初始點是從“不配合”的決策區(qū)域出發(fā)，則隨著博弈行為的進一步演化，管理者和使用者的決策均會向E1（0，0）并無限趨近，也就表示了運營管理行為的失敗;相反的，如果決策初始點是從“配合”區(qū)域開始出發(fā)，那么隨著演化的進一步發(fā)生，決策的均衡值將會演化至E3（1，1）并無限趨近，也就表示該運營管理行為是有效的。經(jīng)過對演化博弈的判斷，可以預判處于“不配合”區(qū)域的高速公路運營管理行為需要做出進一步修正或調(diào)整。

4結(jié)語

在高速公路運營管理的過程中，運用演化博弈論的方法來決策管理活動要求實現(xiàn)的多目標決策是一種探索。本文通過構(gòu)建高速公路運營管理演化博弈模型，并得出以下結(jié)論：

（1）高速公路運營管理行為實施過程中，存在管理者與使用者多方博弈，包括收逃費博弈行為、收費站口對交通通道選擇的博弈以及道路使用需求與道路養(yǎng)護需求之間的博弈等。

（2）在演化博弈路徑圖中，博弈系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的“路徑依賴”特性，并且會對最終博弈雙方做出決策策略產(chǎn)生顯著影響。因此，要實現(xiàn)高速公路運營多目標管理，可以通過構(gòu)建演化博弈模型，得出目標方案收益值最大與Nash非合作解的判斷，對高速公路運營管理的行為做出管理者與使用者之間博弈結(jié)果的預先判斷，幫助管理者科學、合理地制定管理策略。