Network Design for the Traffic Assignment Problem with Mixed-Integer Frank-Wolfe

数学优化 杠杆(统计) 整数规划 可微函数 计算机科学 整数(计算机科学) 流量网络 线性规划 分界 数学 人工智能 数学分析 程序设计语言
作者
Kartikey Sharma,Deborah Hendrych,Mathieu Besançon,Sebastian Pokutta
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2402.00166
摘要

We tackle the network design problem for centralized traffic assignment, which can be cast as a mixed-integer convex optimization (MICO) problem. For this task, we propose different formulations and solution methods in both a deterministic and a stochastic setting in which the demand is unknown in the design phase. We leverage the recently proposed Boscia framework, which can solve MICO problems when the main nonlinearity stems from a differentiable objective function. Boscia tackles these problems by branch-and-bound with continuous relaxations solved approximately with Frank-Wolfe algorithms. We compare different linear relaxations and the corresponding subproblems solved by Frank-Wolfe, and alternative problem formulations to identify the situations in which each performs best. Our experiments evaluate the different approaches on instances from the Transportation Networks library and highlight the suitability of the mixed-integer Frank-Wolfe algorithm for this problem. In particular, we find that the Boscia framework is particularly applicable to this problem and that a mixed-integer linear Frank-Wolfe subproblem performs well for the deterministic case, while a penalty-based approach, with decoupled feasible regions for the design and flow variables, dominates other approaches for stochastic instances with many scenarios.
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