A Stackelberg congestion game (SCG) is a bilevel program in which a leader aims to maximize their own gain by anticipating and manipulating the equilibrium state at which followers settle by playing a congestion game. Large-scale SCGs are well known for their intractability and complexity. This study approaches SCGs through differentiable programming, which marries the latest developments in machine learning with conventional methodologies. The core idea centers on representing the lower-level equilibrium problem using an evolution path formed by the imitative logit dynamics. It enables the use of automatic differentiation over the evolution path towards equilibrium, leading to a double-loop gradient descent algorithm. We further show the fixation on the lower-level equilibrium may be a self-imposed computational obstacle. Instead, the leader may only look ahead along the followers' evolution path for a few steps, while updating their decisions in sync with the followers through a co-evolution process. The revelation gives rise to a single-loop algorithm that is more efficient in terms of both memory consumption and computation time. Through numerical experiments that cover a wide range of benchmark problems, we find the single-loop algorithm consistently strikes a good balance between solution quality and efficiency, outperforming not only the standard double-loop implementation but also other methods from the literature. Importantly, our results highlight both the wastefulness of "full anticipation" and the peril of "zero anticipation". If a quick-and-dirty heuristic is needed for solving a really large SCG, the proposed single-loop algorithm with a one-step look-ahead makes an ideal candidate.


翻译:Stakkelberg 拥堵游戏(SCG)是一个双级程序,其中领导者的目标是通过预测和操纵追随者通过玩拥堵游戏而稳定下来的平衡状态来最大限度地实现其自身收益。 大型的SCG以其易吸引性和复杂性而著称。 本研究通过不同的编程来对待SCG,它与机器学习与传统方法的最新发展相匹配。 核心思想中心是使用模拟逻辑动态所形成的演进路径代表较低水平平衡问题。 它使得领导人能够使用自动差别化的方式来实现自身收益最大化,从而导致双圈梯度梯度下降算法。 我们进一步展示了对低层平衡的固定状态可能是自制的计算障碍。 相反,领导者只能沿着追随者进化路径向前看几步,同时通过共同演进化进程更新他们的决定。 披露产生了一种单层平衡算法,在记忆消耗和计算时间两方面都更有效率。 通过涵盖一系列基准问题的数字实验,我们发现“ 单层螺旋梯梯梯级梯度计算法的固定性计算方法可能是一个自制的计算障碍。 相反,在追随者进取一个快速的预估测算方法之间“ ” 一种单一的预估结果, 。 一种标准质量和标准的预估结果是“ 。 标准的预估测算方法“ 标准的逻辑, 标准的精度, 标准的精度的精度的精度的精度的精度的精度, 。

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