SlideShare a Scribd company logo
1 of 30
A Link-Node Nonlinear Complementarity Model
   for a Multiclass Simultaneous Transportation
             Dynamic User Equilibria

                               Mohamad K. Hasan
                             Associate Professor
         Department of Quantitative Methods and Information Systems
            College of Business Administration, Kuwait University
                     P.O. Box 5486, Safat, 13055, Kuwait
                            Fax: (965) 2483-9406
           Tel.: Work: + (965)2498-8453, Mobile: + (965)9782-2073
                          Email: mkamal@cba.edu.kw

                                         And

                                Xuegang (Jeff) Ban
                              Assistant Professor
               Department of Civil and Environmental Engineering
                        Rensselaer Polytechnic Institute
                    Jonsson Engineering Center, room: 4034
                     110 8th Street, Troy, New York 12180
                     Fax: 518-276-4833, Tel.: 518-276-8043
                             Email: banx@rpi.edu


Accepted for Publication in International Journal of Operations Research and Information
                     Systems (IJORIS), IGI Global, USA, May 2011
Presentation Outlines
1. Introduction

2. The Nonlinear Complementarity Formulation for DUE

3. Multiclass Simultaneous Transportation Equilibrium Model
  (MSTEM)

4. Discrete-Time Domain Finite-Dimensional Nonlinear
  Complementarity DUE Multiclass Simultaneous
  Transportation Equilibrium Model (DMSTEM)

5. Solution Algorithm

6. Conclusions and Future Research
1.            Introduction


                           Transportation Network Equilibrium Models

                                                                                Traffic (Passengers ) Models
      Freight Models (Hasan UN-ESCWA)




          Dynamic Models                                        Stochastic Models                                            Deterministic Models



               Traffic Assignment                                                          LU-MUE
DSTEM (Hasan     and Departure             Traffic            MUE       LU-MUE             MSTEM
                Time (Jeff and et.       Assignment                                     (Hasan)Work in
  and Jeff )                                                                                             Simultaneous
                    al. 2008)          (Jeff and et. al.                                   progress                                  Sequential Models
                                            2008)                                                           Models


                                                                                                                                        1- Trip Generation
                                                                                                                                        2- Trip Distribution
                                                                                                                                        3- Modal Split
                                                           Multiclass                                              Single Class         4- Traffic assignment
                                                       Variational Inequality




                                                                                                     Variational               Equivalent
                      Generation, Distribution,                                                      Inequality              Convex program
                                                           Distribution , Modal Split
                      Modal split, Assignment, and         and Assignment (De Cea              PGSTEM, GSTEM
                      Departure Time (Hasan and            et. al 2003)                          (Hasan 1991)
                      Dashti 2007)                         ESTRAUS
                      MSTEM                                                                   Generation, Distribution,           Distribution , Modal     Distribution
                                                                                              Modal split, and Assignment         Split and Assignment          and
                                                                                              (Safwat and Magnanti 1988)          ( Florian and Nguyen      Assignment
                                                                                              STEM                                1978)                    (Evans 1976)
Dynamic Traffic Assignment (DTA) models, which aim to predict
future dynamic traffic states in a short-term fashion, have been
extensively studied for decades. DTA studies accelerated in the last
fifteen years with the advent of intelligent transportation systems
(ITS).


Within DTA studies, the dynamic user equilibrium (DUE)
problem, which tries to determine the distribution of time-dependent
traffic flow of a traffic network assuming travelers
follow rational route choices (such as to minimize travel time or other
forms of cost), is one of the most challenging.

Two distinct approaches have dominated the methodologies
applied to DUE research:

   The simulation-based (microscopic/mesoscopic) approach.

   The analytical (macroscopic) approach. Variational Inequality (VI)
   and Nonlinear Complementarity (NC) have been shown to be the most
   effective approaches.
The simulation-based (microscopic/mesoscopic) approach.
Multiclass DUE models have also been studied with these
analytical approaches (Ran and Boyce, 1996; Belimer et
al., 2003) or simulation-based approaches
(Ben-Akiva et al, 2001; Mahmassani et al., 2001).


The early studies, however, focused on different vehicle
classes and a few social-economic factors of drivers, such
as value of times (VOD) preferences (Lu et al., 2008).
With this goal, Ramadurai and Ukkusuri (2010)
integrate activity-based models for demand analysis into
DUE. The model is solved using a super-network
representation of activities and traffic networks.
By investigating further how socio-economic factors of
drivers may affect trip generation, trip distribution, mode
choice, and departure-times in a dynamic (i.e. time-
dependent) fashion, and integrating the findings into DUE
modeling, we expect to improve the practicality and
accuracy of DUE models.


With this objective, we combine the NCP-based DUE model
in Ban et al. (2008) and the Multiclass Simultaneous
Transportation Equilibrium Model (MSTEM) in Hasan and
Dashti (2007) to develop a multiclass combined Trip
Generation (TG)-Trip Distribution (TD)-Nested Modal Split
(NMS)-Modal Split (MS)-Dynamic Trip Assignment (DTA)-
Departure Time (DT) Model (NCPDUE-TG-TD-NMS-MS-
DTA-DT).
2. The Nonlinear Complementarity Formulation for DUE
Ban et al. (2008) evenly divided the entire study period into K ' time intervals by introducing
                                                                                          th
the length of each time interval   such that K '   T ' . We use index k to denote the k- time
interval [(k 1) , k ) for 1 k K ' . The notation for the discrete-time model is first listed as
follows (Ban et al., 2008):
  k
u as     u as ((k    1) ) : t he inflow rat e t o link a t owardsdest inat io s at t hebeginningof t imeint erval ,
                                                                            n                                   k
                                                                                                          k
          wh is also assumed t o be const antduring t heent iret imeint erval , u
            ich                                                             k                          (u as )     a , s ,k
    k
v   as   vas ((k     1) ) : t heexit flow rat efrom link a t owardsdest inat io s at t hebeginningof t imeint erval ,
                                                                              n                                   k
                                                                                                    k
         whi is also assumed t o be const antduring t heent iret imeint erval , v
           ch                                                               k                     (vas )         a ,s ,k
    k
u   as   : t heinflows t o link a t owardsdest inat io s during t imeint erval
                                                     n                       k
 k
vas      : t heexit flows from link a t owardsdest inat io s during t imeint erval
                                                         n                       k
 k
xas       xas ((k    1) ) : t heflows of link a t owardsdest inat io s at t hebeginningof t imeint erval ,
                                                                   n                                   k
                                                                                    k
           which is assumed t o be const antduring t heent ireint erval , x
                                                                      k          ( xas )     a ,s ,k
    k           k
u   s          u : t heaggregat edinflow rat e t o link a at t hebeginningof t imeint erval ,
                as                                                                        k
         s S

           which is assumed t o be const antduring t heent ire int erval , u A
                                                                       k                k
                                                                                     (u a )       a ,k
    k           k
v   a          v : t heaggregat edexit flow rat efrom link a at t hebeginningof t imeint erval ,
                as                                                                           k
         s S

          wh is assumed t o be const antduring t heent ire int erval , v A
            ich                                                    k                  k
                                                                                   ( va )      a ,k
 k              k
xa             xas : t heaggregat edflows of link a t owardsdest inat io s at t hebeginningof t imeint erval ,
                                                                       n                                   k
         s S

          wh is assumed t o be const antduring t heent ire int erval , x A
            ich                                                    k                   k
                                                                                    ( xa )      a ,k
     k
d   is   d is ((k    1) ) : t hedemand rat egenerat edfrom node i t o dest inat io s at t hebeginningof t imeint erval ,
                                                                                 n                                   k
                                                                                       k
          wh is assumed t o be const antduring t heent ire int erval , d
            ich                                                    k              ( d is )    i , s , k ,i s
     k
d   is   : t hedemands generat ed from node i t o dest inat io s during t imeint erval
                                                             n                       k
C k (u ) C (k ) : t he t ravelt imeof link a at t he end of t imeint ervalk , a funct ionof u, C (C k )
       a          a                                                                                         a a, k
       k         (k ) : t he minimum t ravelt imefrom node i t o dest inat io s at t heend of t imeint ervalk ,
                                                                            n                                    ( k)
       is     is                                                                                                   is i, s, k , i                                                                         s
     e k (u ) (k 1)        C k 1(u ) : t heexit t ime
                                                    for vehicl ent eringa at t he beginningof t imeint ervalk ,
                                                             es
      a                      a
               a funct ionof u, e (e k )
                                         a a, k

  Ban et al. (2008) showed that the above discretization scheme leads to the following NCP formulation for DUE
with fixed demand: find (u, ) such that

                                                                                                            0 u                     u   (u, ) 0
                                                                                                            0                           (u, ) 0

where the two functions                      u   (u, ) and                (u, ) are defined as:


    (u, )       C k (u )                                       3, k , l (u )   l   [1           3, k , l (u )]     l 1          k                     ,
u                a                                             a               h s              a                  h s          l s
                             l 1 ek 1(u ) /                l                     a                                  a            a
                                  a                                                                                                        a, s , k         (1)


    (u, )                  uk    dk                                                         [ 1, k ' (u )   2, k ' , k (u ) u k '       1, k ' 1(u ) (1   2, k ' , k (u )) u k ' 1]
                            as    is                                                          a             a                as         a                 a                 as
            a      A(i )               a    B(i ) k ': ek ' (u )   (k 1)       ek ' 1(u )
                                                        a                       a                                                                                                     i, s, i   s, k   (2)

             ������                                                         (������ −1)
 ������ℎ������������������ ������������ ������               =         ������ − 1 ∆ + ������������                          ������        is the exit time of vehicles entering a at the
                                                                                                                                                                                                (������ −1)
 beginning of the k-th interval, which is a function of the inflow vector ������ since ������������                                                                                                                      is
 so.
He also define three types of indicator functions on ������: ������1,������ ������ , ������2,������ ,������ ������ and ������3,������ ,������ ������ .
                                                           ������            ������              ������
                                                               1,������
First, flow propagation constraints can be represented by ������������      ������ , which is defined as:


                                          ∆
            ������1,������ ������
              ������        =                     ������ −1
                                                                 , ∀������, ������                                                                    (3)
                              ������
                            ������������   ������ −������������            ������ +∆


The relation between link inflow and exit flow rates can be represented by both                                                          ������1,������ ������
                                                                                                                                           ������
and ������2,������ ,������ ������
      ������          with the latter defined as:

                                ������
                             ������������ ������ + ������ +1−������ ∆                                                                          ������ +1
            ������2,������ ������
              ������        =                     ������ −1
                                                                                        ������
                                                                        ∀������, ������, ������ , ������������ ������    ≤      ������ − 1 Δ < ������������             ������        (4)
                              ������
                            ������������   ������ −������������            ������ +∆

                3,������
Similarly, ������������        ������   is used to discretize (and interpolate) the minimum travel time
������ℎ ������ ������ ������ + ������������ ������   in equation (1). It can be defined as:

                               ������                                     ������ +1
                             ������������ ������                             ������������         ������
������3,������ ������
  ������        = ������ − ������ −                , ∀������ − 1 ≤                                 < ������                                                   (5)
                                   ∆                                     ∆

The three indicator functions satisfy the following:

                                                                      ������1,������ ������
                                                                        ������          > 0, ∀������, ������

                                                                                                                                ������ +1
                        0 < ������2,������ ,������ ������
                              ������                         ≤ 1,                                 ������
                                                                              ∀������, ������, ������ , ������������ ������     ≤     ������ − 1 Δ < ������������            ������
                                                                                                      ������ +1
                                                      3,������ ,������                                   ������������          ������
                                       0 < ������������                  ������     ≤ 1, ∀ ������ − 1 ≤                             < ������
                                                                                                         ∆


������ is a vector function for any combination of link a, destination s, and time interval k.
Each of its component represents, for the given a; s; k, the difference of the minimum
travel times via two sets of paths from the starting node (or tail node) of link a to
destination s at k. The first set of paths must traverse link a, which is a subset of the
second set that includes all paths from the starting node of a to destination s. This
                                                                                       ������
difference should be zero if link a is selected (i.e. the inflow to link a at time k,������������������ , is
nonzero). ������    , on the other hand, simply represents the flow conservation constraint at
any node i, destination ������ ≠ ������ and time k. Detailed discussion on how Φ������ and Φ������ are
derived can be found in Ban et al. (2008), which also showed (Theorem 3) that NCPDUE
has a nonempty and compact solution set under certain conditions.
3. Multiclass Simultaneous Transportation Equilibrium Model (MSTEM)
A brief description of MSTEM model that developed by Hasan and Dashti (2007).
The notation for MSTEM model is first listed as follows:

( N , A) = A multimodal traffic network consisting of a set of N nodes and a set of A links
l = User class (e.g., income level, car availability, etc.)
L = Set of all user classes
o = Trip purpose (e.g., home-based-work, home-based-shopping, etc.)
O = Set of all trip purpose
 I lo = Set of origin nodes for user class l and trip purpose o
 i = An origin node in the set I lo for user class l with trip purpose o
 Dilo = Set of destination nodes that are accessible from a given origin i for user
           class l with trip purpose o
 s = A destination node in the set Dilo for user class l with trip purpose o
R lo = Set of origin-destination pairs is for user class l with trip purpose o , i.e., the
        set of all origins i I lo and destinations s Dilo
m = Any transportation mode in the urban area
n = Nest of transportation modes m that has a specific characteristics (e.g., pure modes
       including private and public or combined modes) that are available for user class l
       with trip purpose o travel between origin-destination pairs is
 lo
  is    = Set of all nests of modes n that are available for user class l with trip purpose o
           travel between origin-destination pairs is

  lo
M n = Set of all transportation modes m in the nest n for user class l with trip purpose o
        travel between origin-destination pairs is
k = Departure time period for user class l with trip purpose o using mode m in the nest
        n to travel between origin-destination pairs is
lo
Km        = Time horizon of the departure time periods k for users of class l with trip purpose
            o using mode m between origin-destination pairs is
a         = A link in the set A in the multimodal network ( N , A)


������������������������������������ ������������������������������ = the travel time of vehicles entering link a at the end of the ������th time interval
  ������
                          (=Departure time period k ) for user class l with trip purpose o using mode m in
                          the nest n to travel between origin-destination pairs is
  Awslo
                = the value of the w th socio-economic variable that influences trip attraction
                     at destination s for users of class l with trip purpose o

         W
    lo          lo     lo   lo
A   s          iw    g w ( Aws ) =a composite measure of the effect that socio-economic variables, which,
         w 1
                              are exogenous to the transport system, have on trip attraction at destination
                              s for users of class l with trip purpose o .
                                                                                        lo
    gw ( Aws ) = a given function specifying how the w th socio-economic variable Awj
     lo   lo


                 influences trip attraction at destination s for users of class l with trip purpose
                 o , and
The quantities ilo and iw for w 1, 2, ...,W are coefficients to be estimated, where ilo 0 .
                        lo


During the time period required to achieve the short-run equilibrium predicted in the model,
socio-economic activities in the system will remain essentially unchanged; the composite effect

Alo for users of class l with trip purpose o of these activities is assumed to be a fixed constant.
 j

E loi         = the value of the th socio-economic variable that influences the number of
                   trips generated from origin i for users of class l with trip purpose o ,
q Eloi         = a given function specifying how the th socio-economic variable, E loi ,
                  influences the number of trips generated from origin i for users of class l with
                  trip purpose o , and
Eilo         lo
                  q ( E loi ) = a composite measure of the effect the socio-economic variables,
         1
                              which are exogenous to the transport system, have on the number of
                              trips generated from origin i for users of class l with trip purpose o

The quantities         lo
                            and   lo
                                       for   1, 2, ...,   are coefficients to be estimate l L, o O .
lo
Similar to As , Eilo is assumed to be a fixed constant during the time period required to
achieve short-run equilibrium.

  ������������������������������
������������������       = the inflow rate to link a towards destination s at the beginning of the ������-th time

                interval for user class l with trip purpose o using mode m in the nest               n ,which
                is assume to be constant during the entire ������ th time interval
  ������������������������������
������������������         = the minimum travel time from node i             to s destination at the end of time

                  interval k   for user class l with trip purpose o using mode m in the nest              n

S ilo   = the accessibility of origin i I lo as perceived from user of class l with trip purpose
              o traveling from that origin.

Gilo = the number of trips generated from origin i for users of class l with trip purpose o .


d is k = the number of trips of users of class l with trip purpose o traveling from the origin
  lonm


               node i   I lo to the destination node s       Dilo and whose already chose the mode of
                                 lo                                   lo
               transport m     M n from the nest of modes n            is   and start their trip at the time
                              lo
               interval k    Km .

  lonm
d is   = the number of trips of users of class l with trip purpose o traveling from the origin
               node i   I lo to the destination node     j    Dilo and whose already chose the mode of
                                 lo                                   lo
               transport m     M n from the nest of modes n            is


  lon
d is = the number of trips of users of class l with trip purpose o traveling from the origin
               node i   I lo to the destination node s       Dilo and whose already chose the nest of
                               lo
               modes n          is   .


  lo
d is = the number of trips of users of class l with trip purpose o traveling from the origin
               node i   I lo to the destination node s       Dilo .
MSTEM:

S ilo       max 0, ln                                                                    exp (                θ ilo    lonmk
                                                                                                                       is
                                                                                                                                             lo
                                                                                                                                            As )               i       I lo ,         l         L,        o     O
                                    s Dilo        n    lo
                                                        is
                                                                lo
                                                             m Mn k             lo
                                                                               Km


Gilo          lo
                   Silo              Eilo                                                                                                             i         I lo , l                  L, o                 O

                                                                       exp(                    θ ilo          lonmk
                                                                                                              is
                                                                                                                                    lo
                                                                                                                                   As )
                                     lo         lo   lo
  lo                         n              m M n k Km
d is        Gilo                      is
                                                                                                                                                          is           R lo ,         l          L,        o       O
                                                                               exp(                    θ   i
                                                                                                            lo        lonmk
                                                                                                                      is                A   lo
                                                                                                                                            s    )
                    s Dilo          n       lo
                                             is
                                                          lo   lo
                                                      m M n k Km



                                                        exp(                   θ ilo          lonmk
                                                                                              is
                                                                                                                   lo
                                                                                                                  As )
                                 lo   lo
  lon          lo            m M n k Km                                                                                                                   lo
d is         d is                                                                                                                           ,    n         is   ,       is        R lo ,              l       L,       o           O
                                                                exp(                     θ   i
                                                                                              lo       lonmk
                                                                                                       is                  A   lo
                                                                                                                               s        )
                              lo         lo   lo
                    n          is    m M n k Km



                                                  exp(                 θ ilo        lonmk
                                                                                    is
                                                                                                          lo
                                                                                                         As )
                                       lo
  lonm          lon                 k Km                                                                                                          lo                            lo
d is          d is                                                                                                                  ,       m    Mn ,              n             is   ,         is        R lo ,       l       L,       o   O
                                                       exp(                    θ   i
                                                                                    lo       lonmk
                                                                                             is                  A    lo
                                                                                                                      s        )
                             lo   lo
                         m M n k Km


                                                              lo      lonmk                   lo
  lonmk         lonm                       exp(                                              As )                                    lo                lo                             lo
d is          d is                                           i        is
                                                                                                    ,                      k        Km ,         m    Mn ,              n              is   ,        is       R lo ,       l       L,   o   O
                                            exp (             θ    i
                                                                    lo   lonmk
                                                                         is
                                                                                                 lo
                                                                                               As )
                                 lo
                              k Km
  lonmk
d is    can also be given by the following combined trip generation, trip distribution, modal split,
and departure time demand model (function):
                                                                                                         lo      lonmk               lo
    lonmk           lo        lo             lo                                    exp(                 i        is                 As )
d   is        (          S   i             E )
                                            i
                                                                                                         exp(                  θilo     lonmk
                                                                                                                                        is
                                                                                                                                                      lo
                                                                                                                                                     As )
                                                       j Dilo      n     lo
                                                                          is
                                                                                   lo   lo
                                                                               m M n t Km
                                                                                                               lo                        lo                lo
                                                                                                   k          Km , m                    Mn , n              is     , is           R lo , l                    L, o             O
4. Discrete-Time Domain Finite-Dimensional Nonlinear
   Complementarity DUE Multiclass Simultaneous
   Transportation Equilibrium Model (DMSTEM)
Following the same thought of Ban et al. (2008), the dynamic user equilibrium traffic assignment (NCPDUE-DTA) can be represented by the
following two NCPs:

0 ≤ ������������������������������ ⊥ Φ������������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������, ������, ������ (6)
                                                                                                                            ������           ������       ������ ������������

0 ≤ ������ ������������������������ ⊥ Φ������ ������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������, ������, ������ (7)
                                                                                                                              ������           ������       ������ ������������

To extend the DTA model above to model simultaneous route and departure time, we assume the early/late arrival penalty function for each
                                                                                                                                              ������������������������
user class l with trip purpose o using mode m in the nest n to travel between origin-destination pairs is departing at time ������ (denoted as ������������������      )i

                                                                      ������������������������������               ������������������������������      ������������������������������              2
                                                                   ������������������        = 0.5 ������∇ + ������������������       − ������������������                         , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ ������������������ ∀ ������, ������, ������, ������
         ������������������������������
where ������������������        , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ is the desired arrival time for user class l with trip purpose o using mode m in the nest n to travel between
                                                                                   ������������������������������      ������������������������������
origin-destination pairs is departing at time ������. Therefore, ������∇ + ������������������                     − ������������������        represents early or late arrival for travelers of class l
with trip purpose o using mode m in the nest n departing ������ to ������ at time ������. In other words, the cost (disutility) for such a traveler at time ������ is
      ������������������������������       ������������������������������      ������������������������������     ������������������������������             ������������������������������      ������������������������������ 2
  Ψ������������            = ������������������       + ������������������        = ������������������       0.5(������Δ + ������������������       − ������������������       ) , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������, ∀������, ������, ������, ������

Further, we denote the minimum disutility between ������ and ������ for user class l with trip purpose o using mode m in the nest n
(for all time intervals) as

                                                                                      ������������������������
                                                                                    ������������������     = min Ψ������������������������������ , ∀������, ������, ������ ≠ ������, ∀������, ������, ������, ������
                                                                                                      ������������
                                                                                                       ������

Therefore, the departure time choice condition can then be expressed as:

                                                                          ������������������������������                  ������������������������������       ������������������������
                                                                        ������������������       ≥ 0, ������������ Ψ������������               = ������������������     , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������, ∀������, ������, ������, ������

                                                                          ������������������������������
                                                                        ������������������       = 0, ������������ ������������������������������ > ������������������
                                                                                                ������������
                                                                                                               ������������������������
                                                                                                                        , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������, ∀������, ������, ������, ������


This condition simply states that travelers are trying to minimize their disutility when choosing departure times.
Combining equations (6) and (7) with the following two NCPs we can combined the dynamic traffic assignment with
departure time ((NCPDUE-DTA-DT) :

0 ≤ ������������������������������ ⊥ Φ������������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������, ������, ������ (8)
                                                                                                                            ������           ������       ������ ������������

0 ≤ ������������������������������ ⊥ Φ������������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������, ������, ������ (9)
                                                                                                                            ������           ������       ������ ������������

   Similarly, combining equations (6)-(9) with the following two NCPs we can combined the Dynamic Traffic
Assignment, Departure Time and Modal Split ((NCPDUE-MS-DTA-DT) :

0 ≤ ������������������������ ⊥ Φ������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������, ������
                                                                                                                        ������           ������       ������ ������������
                                                                                                                                                                             (10)

0 ≤ ������������������������ ⊥ Φ������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������, ������
                                                                                                                        ������           ������       ������ ������������
                                                                                                                                                                             (11)

     Combining equations (6)-(11) with the following two NCPs we can combined the Dynamic Traffic
Assignment, Departure Time, Modal Split, and Nested Modal Split (NCPDUE-NMS-MS-DTA-DT):

0 ≤ ������������������ ⊥ Φ������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������
                                                                                                                    ������           ������       ������ ������������
                                                                                                                                                                             (12)

0 ≤ ������������������ ⊥ Φ������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������
                                                                                                                    ������           ������       ������ ������������
                                                                                                                                                                             (13)

     Combining equations (6)-(13) with the following two NCPs we can combined the Dynamic Traffic
Assignment, Departure Time, Modal Split, Nested Modal Split, and Trip Distribution
(NCPDUE-TD-NMS-MS-DTA-DT):

0 ≤ ������������������������������ ⊥ Φ������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������
      ������                                                                                                                ������           ������       ������ ������������
                                                                                                                                                                              (14)
                              ������ ������������


0 ≤ ������������������ ⊥ Φ������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������
      ������                                                                                                            ������           ������       ������ ������������
                                                                                                                                                                               (15)
                         ������
Combining equations (6)-(15) with the following two NCPs we can combined the Dynamic Traffic Assignment, Departure Time,
Modal Split, Nested Modal Split, Trip Distribution, and Trip Generation (NCPDUE-TG-TD-NMS-MS-DTA-DT):

0 ≤ ������������������ ⊥ Φ������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������ (16)
      ������ ������������                                                                                                       ������           ������       ������ ������������
                             ������ ������������


0 ≤ ������ ⊥ Φ������(������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������
                                                                                                           ������           ������       ������ ������������
                                                                                                                                                               (17)

where the decision variables are defined as follows:
                                                                     ������������������������������
������������������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������ , ∀������, ������, ������, ������ , ������������������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ , ∀������, ������, ������, ������
               ������������������������������


               ������������������������������                                                     ������������������������
������������������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ , ∀������, ������, ������, ������ , ������������������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������ ≠ ������ , ∀������, ������, ������, ������
             ������������������������                                                ������������������
������������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ , ∀������, ������, ������, ������������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������ ≠ ������ , ∀������, ������, ������
           ������������������                                             ������������
������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ , ∀������, ������ , ������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������ ≠ ������ , ∀������, ������

������������������������������ = (������������������ , ∀������, ������, ������ ≠ ������), ∀������, ������, ������������������ = (������������������������ , ∀������), ∀������, ������
  ������
                ������������
                                                     ������ ������������

������������������ = (������������������������ , ∀������), ∀������, ������, ������ = (������������������������ , ∀������, ������)
  ������ ������������                                       ������������


  ������������������                                                    ������������
������������������ = min������ μ������������������������ , ∀������, ������, ������ ≠ ������, ∀������, ������, ������, ������������������ = min������ μ������������������ , ∀������, ������, ������ ≠ ������, ∀������, ������
                ������������                                                      ������������

������������������������ = min������∈������ ������������ μ������������ , ∀������, ������ ≠ ������, ∀������, ������, ������������������������ = min������∈������������������ μ������������ , ∀������, ������ .
                          ������������                                ������������               ������
                        ������
Similarly to the formulation of Ban et al. (2008), all Φs functions can be defined as follows:

������������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) =
                                                                                                           ������           ������       ������ ������������

    ������������������������������                                                                                          3,������������������������������ ,������                          ������������������������������
(������������               ������������������������������        +                                                              {������������                      ������������������������������    ������ℎ ������ ������
                                                        ������������������������    ������ +1
                                                ������                              ������ ������������������������
                                          ������ −1≤ ������                                            <������
                                                                          ∆


                                 +[1 − ������3,������������������������������
                                         ������
                                                                          ,������
                                                                                ������������������������������         ������������������������
                                                                                                ]������ℎ ������ ������    ,������ +1         ������������������������������
                                                                                                                       } − ������ℎ ������ ������    ), ∀������, ������, ������), ∀������, ������, ������, ������                                    (18)



������������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) =
                                                                                                           ������           ������       ������ ������������

                  ������������������������������       ������������������������������
(               ������������������         – ������������������
    ������������������ ������

                               −                  {                                                                                               [������1,������������������������
                                                                                                                                                     ������
                                                                                                                                                                  ������
                                                                                                                                                                        ������������������������������   ������2,������������������������������
                                                                                                                                                                                       ������
                                                                                                                                                                                                      ,������
                                                                                                                                                                                                            ������������������������������     ������������������������
                                                                                                                                                                                                                         ������������������       ������

                                      ������������������ ������             ������������������������ ������ ������������������������������                             ������������������������     ������ +1
                                                      ������ :������������                             ≤ ������ −1 Δ<������������                            ������������������������������
                                        1,������������������������      ������ +1                                                                                        ������������������������   ������ +1
                               + ������������                                 ������������������������������              1 − ������2,������������������������������
                                                                                                    ������
                                                                                                                          ,������
                                                                                                                                ������������������������������        ������������������                 ]}, ∀������, ������, ������), ∀������, ������, ������, ������                     (19)

where


������������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) =
                                                                                                           ������           ������       ������ ������������

          ������������������������������       ������������������������
     Ψ������������             − ������������������               , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������                                               ∀������, ������, ������, ������                                                    (20)



������������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) =
                                                                                                           ������           ������       ������ ������������


                                                                                                         lo   lonmk              lo
         ������������������������������                                                                     exp(                                    As )
       ������������������       − (
                                 lo
                                      S ilo       E ilo )                                               i     is
                                                                                                                                                                  0      , ∀������, ������, ������ ≠ ������       ∀������, ������, ������, ������, ������
                                                                                                         exp (             θ ilo    lonmk
                                                                                                                                    is
                                                                                                                                                   lo
                                                                                                                                                  As       )
                                                             s     Dilo     n    lo
                                                                                  is   m       lo
                                                                                              Mn k     lo
                                                                                                      Km

(21)
                                               ������������������������������
    Equations (21) ensure that if the demand ������������������       and a period time ( departure time ) ������ is positive it should
be given by the MSTEM combined trip generation, trip distribution, modal split, and the departure time deman
model (function) mentioned before.

Following the same concept we can define all others Φ������ ‘s and Φ������ ‘s                                                                                             functions where all Φ������ ‘s                             given by
MSTEM model equations.
������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) =
                                                                                                         ������           ������       ������ ������������

                 ������������������
   μ������������������������ − ������������������
    ������������                             , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������                                    ∀������, ������, ������                                               (22)



������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) =
                                                                                                         ������           ������       ������ ������������


                                         exp(          θ ilo     lonmk
                                                                 is
                                                                                 lo
                                                                                As )
                                        lo
                                     k Km
       lonm
     d is              lon
                     d is                                                                        0      ∀������, ������, ������, ������ , ∀������, ������, ������ ≠ ������                   (23)
                                              exp(          θ ilo       lonmk
                                                                        is
                                                                                       lo
                                                                                      As )
                                  lo   lo
                              m M n k Km



������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) =
                                                                                                       ������           ������       ������ ������������

               ������������
   μ������������������ − ������������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������
    ������������                                                                                ∀������, ������                                                          (24)



������������������ ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������
                                                                                                      ������           ������       ������ ������������
                                                                                                                                                =
                                               exp(            θ ilo     lonmk
                                                                         is
                                                                                       lo
                                                                                      As )
                                   lo   lo
       lon           lo        m M n k Km                                                                                  lo
     d is          d is                                                                               0 ,       n           is   ,   is    R lo ,   l   L,    o     O
                                                    exp(            θ   i
                                                                         lo   lonmk
                                                                              is        A lo
                                                                                          s     )
                               lo        lo   lo
                          n     is   m M n k Km

           , ∀������, ������, ������ ≠ ������                                                                                                                                (25)



������������������         ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������
                                                                                                              ������           ������       ������ ������������
                                                                                                                                                =
      ������ ������������

             ������������
   μ������������ − ������������
    ������������          , ∀������, ������, ������ ≠ ������                                              ∀������, ������                                                                (26)
������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) =
                                                                                                       ������           ������       ������ ������������
      ������


                                                                                                    exp(                  θ ilo        lonmk
                                                                                                                                       is
                                                                                                                                                                 lo
                                                                                                                                                                As )
                                                                 lo             lo             lo
       lo              lo                                  n            m      Mn        k    Km
     d is         (         S ilo       E ilo )                   is
                                                                                                                                                                                                   0       is       R lo ,   l   L,     o   O
                                                                                                           exp(                 θ    i
                                                                                                                                      lo       lonmk
                                                                                                                                               is                        A      lo
                                                                                                                                                                                s         )
                                                      s   Dilo   n       lo
                                                                          is
                                                                                     lo
                                                                                  m Mn k              lo
                                                                                                     Km

                       , ∀������, ������ ≠ ������                                                                                                                                                                                        (27)


������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) =
                                                                                                       ������           ������       ������ ������������
      ������ ������������

     ������������   ������������
   ������������ − ������������ ������������ , ∀������                                                         ∀������, ������                                                                                                                                    (28)



������ ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������
                                                                                                  ������           ������       ������ ������������
                                                                                                                                                                                                           =

([ S ilo        max 0, ln                                                      exp (            θ ilo      lonmk
                                                                                                           is
                                                                                                                               lo
                                                                                                                              As )                          0]                  i         I lo ,       l   L,   o     O          (29)
                                 s   Dilo   n   lo
                                                 is
                                                             lo
                                                          m Mn k         lo
                                                                        Km




 Theorem: The NCPDUE-TG-TD-NMS-MS-DTA-DT model (6) - (17) has a nonempty and compact solution set if the following four
 conditions are satisfied.

      (a) The link travel time is positive and finite for any finite ������;

      (b) ������1 is bounded from above;

             ������������������������������
      (c) ������������������        ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ ������������������ ∀ ������, ������, ������, ������ is positive and bounded from above; and

      (d) ������������������������������������ , ������������ ������������������������ , ������������������������������������ , ������������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ ������������ are
                                                                                                                                             ������ ������������            ������              ������ ������������

                continuous with respect to ������                          ������������������������
                                                                                  , ������   ������������������������
                                                                                                    , ������������������������������
                                                                                                                   , ������   ������������������������
                                                                                                                                     , ������  ������������������
                                                                                                                                                    , ������   ������������������
                                                                                                                                                                     , ������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������ .
                                                                                                                                                                         ������������
                                                                                                                                                                                       ������           ������       ������ ������������
5. Solution Algorithm
we presented a heuristic approach to solve the link-node based simultaneous Trip
Generation (TG) - Trip Distribution (TD) - Nested Modal Split (NMS) - Modal Split
(MS) - Dynamic Trip Assignment (DTA) - and Departure Time (DT) Model
(NCPDUE-TG-TD-NMS-MS-DTA-DT). The solution convergence condition of the
algorithm cannot be established mainly due to the fact, as shown in the definitions of
functions ������������������������������������ , ������������������������������������ , ������������������������������������ , ������������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������������ ,
                                                                                                                     ������������������     ������       ������������������
������������������ ������������ in Equations (18)-(19), that the model is not close-formed. However, for a
given demands vectors ������������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ (called base demand) and its
                                                         ������           ������������������
resulting inflow vector ������������������������������ (called base inflow), all the indicator functions and the
exit times (e) can be calculated and fixed via a so-called dynamic network loading
procedure (see Ban et al. 2008). This leads to the so-called relaxed sub-problems that
are explained in details in the appendix.
DSTEM Algorithm:

Step 1: Initialization. Assign a base demands vectors

        ������������������������ (������)      ������������������ (������)      ������������ (������)       ������������ (������) ������������ (������)                                         (������)
       ������               , ������             , ������           , ������������������������ , ������������������������     and a base inflow vector ������������������������������

Step 2: Major Iteration. Set ������ = ������.
        Step 2.1: Construct and solve RNCPDUE-DTA (A1) - (A2). Repeat this
                                                    (������)
              ������������ times. Each time using ������������������������������ as the fixed demand. For the first
                                  (������)
              time, use ������������������������������ as the base inflow. For other times, use inflow from
              the previous solve as the base inflow. Denote the final inflow (after
                                            (������)
              ������������ the solves) as ������������������������������ .

            Step 2.2: Construct and solve RNCPDUE-DTA-DT (A5) - (A8). Repeat this
                                                        ������������������������ (������)
                 ������������ times. For the first time, use ������               as the base inflow and use
                             (������)
                 ������������������������������ as the initial demand. For other times, use inflow and demand
                 obtained from the previous solve as the base inflow and initial demand.
                                                                                               ������
                 Denote the final inflow and demand (after the ������������ solves) as ������������������������������
                           ������������������������ ������
                 and ������                respectively.
Step 2.3: Construct and solve RNCPDUE-DTA-DT-MS (A10) - (A15). Repeat
                                                        (������)                      (������)
     this ������������ times. For the first time, use ������������������������������ and         ������������������������������        as the
                                                                  (������)
     base inflow and base demand respectively and use ������������������������ as the initial
     demand. For other times, use inflow and demands obtained from the
     previous solve as the base inflow and initial demand. Denote the final
                                                             (������)            (������)
     inflow and demands (after the ������������ solves) as ������������������������������ , ������������������������������         , and
              (������)
     ������������������������      respectively.

Step 2.4: Construct and solve RNCPDUE-DTA-DT-MS-NMS (A17) - (A24).
                                                                 (������)          (������)
     Repeat this ������������ times. For the first time, use ������������������������������ , ������������������������������ , and
              (������)                                                                  (������)
     ������������������������      as the base inflow and base demands respectively and use ������������������
     as the initial demand. For other times, use inflow and demand obtained
     from the previous solve as the base inflow and initial demand. Denote
                                                                           (������)
     the final inflow and demands (after the ������������ solves) as ������������������������������ ,
                 (������)            (������)             (������)
     ������������������������������       , ������������������������      , and ������������������ respectively.

Step 2.5: Construct and solve RNCPDUE-DTA-DT-MS-NMS-TD (A26) -
                                                                                                          (������)
     (A35). Repeat this ������������ times. For the first time, use ������������������������������ ,
                (������)            (������)                  (������)
     ������������������������������      , ������������������������       , and ������������������          as the base inflow and base demands
                                               (������)
     respectively and use ������������������ as the initial demand. For other times, use
                                          ������������������
     inflow and demand obtained from the previous solve as the base inflow
     and initial demand. Denote the final inflow and demands (after the ������������
                                 (������)             (������)              (������)          (������)               (������)
     solves) as ������������������������������ , ������������������������������                  , ������������������������      , ������������������      , and ������������������ respectively .
                                                                                                  ������������
Step 2.6: Construct and solve RNCPDUE-DTA-DT-MS-NMS-TD-TG (A37) - (A48).
                                                                          (������)               (������)               (������)          (������)
     Repeat this for ������������ times. For the first time, use ������������������������������ , ������������������������������                  , ������������������������          ,������������������      ,
                 (������)                                                                                           (������)
     and ������������������
            ������������������
                      as the base inflow and base demands respectively and use ������������������ as the             ������������������
     initial demand. For other times, use inflow and demand obtained from the
     previous solve as the base inflow and initial demand. Denote the final inflow and
                                                   (������)        (������)            (������)           (������)               (������)
     demands (after the ������������ solves) as ������������������������������ ,������������������������������      , ������������������������      , ������������������         , ������������������ ,
                                                                                                          ������  ������������
                               (������)
           and ������������������
                 ������������������
                                      respectively . Call them the candidate solution

Step 2.7: Convergence Test. If certain convergence criterion is satisfied at the
     candidate solution, go to Step 3; otherwise, go to Step 2.8.

                              Step 2.8: Update and Move. Set
                                        (������+������)              (������)                                          ������                      ������
                             ������������������������������         = ������������������������������      + ������(������������������������������                               − ������������������������������            )
                       (������+������)                          (������)                           ������                          ������
        ������������������������������                = ������������������������������                 + ������(������������������������������                − ������������������������������              )
                     (������+������)                     (������)                        ������                   ������
        ������������������������               = ������������������������               + ������(������������������������             − ������������������������           )
                   (������+������)                (������)                      ������                  ������
        ������������������               = ������������������            + ������(������������������              − ������������������            )
                   (������+������)                (������)                     (������)                (������)
        ������������������
          ������������������
                             = ������������������
                                 ������������������
                                                 + ������(������������������
                                                        ������������������
                                                                          − ������������������ )
                                                                              ������������������

                 (������+������)                (������)                      (������)              (������)
        ������������������
          ������������������
                             = ������������������
                                 ������������������
                                                 + ������(������������������
                                                        ������������������
                                                                          − ������������������
                                                                              ������������������
                                                                                             )

                                 Set n = n + 1 and go to Step 2.1.

                                                                                    (������)                    (������)                (������)               (������)         (������)            (������)
Step 3 Find an optimal solution ������������������������������                                                  ,������������������������������            , ������������������������           , ������������������          , ������������������ , and ������������������
                                                                                                                                                              ������������������       ������������������
In Step 2.1 and 2.2 of DSTEM Algorithm, the calculation of the indicator functions
and exit times are done via dynamic network loading, as detailed in Nie and Zhang
(2005) and Ban et al. (2008). The relaxed sub-problems RNCPDUE-DTA and
RNCPDUE-DTA-DT, RNCPDUE-DTA-DT-MS, RNCPDUE-DTA-DT-MS-NMS,
RNCPDUE-DTA-DT-MS-NMS-TD, and RNCPDUE-DTA-DT-MS-NMS-TD-TG are
solved directly by the PATH solver in GAMS (Ferris and Munson 1998). For detailed
discussions, one can refer to Ban et al. (2008)

    In Step 2.7, there are several commonly used gap functions that can be used in
the convergence test. The first one is based on the difference of the candidate solution
and the base solution. In particular, we can check whether the following condition
holds:
                                      ������                            ������                                            ������                             ������                           ������                     ������
������������������������ =           ������������������������������             − ������������������������������                           +               ������������������������������          − ������������������������������                         +      ������������������������         − ������������������������
                                                                           ������                                                                          ������
                                                           ������                      ������                                  ������                   ������
        ������������ ������        ������������ ������
   ������             − ������                     +     ������������������
                                                   ������ ������������        −      ������������������
                                                                           ������ ������������                  +        ������������������
                                                                                                               ������ ������������      −     ������������������
                                                                                                                                    ������ ������������                 < ������������ ∀������, ������                   (30)
                                      ������                                                     ������                                                       ������

                                           ������                            ������                             ������                             ������                   ������                     ������
Especially if            ������������������������������             =      ������������������������������             ,     ������������������������������               =         ������������������������������           , ������������������������           − ������������������������             ,
          ������              ������                    ������                     ������                                    ������                  ������
 ������������������ = ������������������  ,      =     , and   ������������������
                                        =                     ������������������
                                              we obtain a fix point solution
                                         ������������������                 ������������������
                                                                                                    ������������������
                                                                                                      ������������������
                                                                                                                        ������������������
                                                                                                                          ������������������
to the original problem NCPDUE-DTA-DT-MS-NMS-TD-TG.

   We can also check directly the conditions of route choice, departure time choice,
nest mode choice, mode choice from the nest, trip distribution choice, and trip
generation choice by defining the second gap function:

                                 ������                                                  ������                                           ������                               ������
������������������������ =          ������������������������������         ������������������������������������ + ������������������������������                          ������������������������������������ + ������������������������                      ������������������������������ + ������������������              ������������������������
                                           ������                                 ������
                         + ������������������
                             ������������������
                                    ������������������������                  + ������������������
                                                                  ������������������
                                                                                   ������������������������            < ������������ ∀������, ������                                                                       (������������)
                                                     ������������������                               ������������������




    Similarly, if ������������������������ = ������, both conditions are satisfied, the obtained candidate
solution is indeed an optimal solution. In (30) and (31), ������������ and ������������ are both small
scalars representing user-defined convergence accuracy.
6. Conclusions and Future Research
In this paper we presented a link-node based discrete-time NCP model for
DUE that combined multiclass trip generation, trip distribution, nested
modal split, specific modal split, dynamic trip assignment and departure
time (DMSTEM) in a unified formulation.

This model combined the dynamic link-node based discrete-time NCP
model that developed by Ban et al. (2008) and the static Multiclass
Simultaneous Transportation Equilibrium Model (MSTEM) that developed b
Hasan and Dashti (2007).



We also developed an iterative solution algorithm for the proposed model
by solving several relaxed NCP in each iteration.
Most of the recent DUE models deal only with the traffic assignment and fixed
demand flows between each O-D pair at each time period of the time horizon or an
elastic dynamic demand (input to DTA models) that is usually modeled as departure-
time choice for single user (traveler) class.

To apply DTA with departure-time choice (DTA-DT) in practice, we require fixed
demand flows between each O-D pair during the whole time horizon and the DTA-DT to
be embedded in more comprehensive transportation planning framework that results in
an inconsistence prediction process.

The DMSTEM model will generate a better solution than this inconsistent prediction
process within a comprehensive planning and operations framework.
We would apply the DMSTEM and it solution algorithm to a prototype
example to get more insight and implication of its predictions and
validity.

This prototype solution will encourage applying the model to real
world transportation network. A comparative study between
DMSTEM as a dynamic model and MSTEM as static model in term of
their prediction accuracy and solution complexity is very desirable in
the transportation planning in general and in particular, the
Intelligence Transportation System (ITS).

Transportation network analysis tools can be broadly categorized as
static analysis tools and dynamic analysis tools. The former focuses on
long-term, steady traffic states, often referred as the four-step demand
analysis models (Sheffi, 1985), while the latter focuses on short-term,
dynamic traffic states, often called dynamic network analysis or
dynamic traffic assignment (DTA, see Peeta and Ziliaskopoulos (2001)).

Traditionally, these two types of models have been applied in quite
distinct scenarios: static tools for transportation planning purposes and
dynamic tools for traffic operation purposes.
It would be ideal to combine the planning and operation tools to address
transportation problems in a more comprehensive manner. In practice,
such combination has been recently experimented and tested. Examples
include the corridor management plan demonstration project (CCIT,
2006) and the state-wide corridor system management plan that is
currently underway in California, which aims to integrate long-term
planning tools (such as the static four-step demand analysis models) with
operational tools such as microscopic traffic simulation and dynamic
traffic assignment. The ICM program by FHWA also focuses on
combining different transportation analysis tools for integrated corridor
planning and operations.

Combining planning and DTA models in theory is not trivial because the
two types of models are based on quite distinct assumptions. In this
paper we present a combined model to simultaneously consider the
origin, destination, mode, departure, and route choices of multiclass
travelers.

More Related Content

Similar to Multiclass Dynamic Transportation Model for User Equilibria

APPLICATION OF FUZZY LOGIC IN TRANSPORT PLANNING
APPLICATION OF FUZZY LOGIC IN TRANSPORT PLANNINGAPPLICATION OF FUZZY LOGIC IN TRANSPORT PLANNING
APPLICATION OF FUZZY LOGIC IN TRANSPORT PLANNINGijsc
 
A Cell-Based Variational Inequality Formulation Of The Dynamic User Optimal A...
A Cell-Based Variational Inequality Formulation Of The Dynamic User Optimal A...A Cell-Based Variational Inequality Formulation Of The Dynamic User Optimal A...
A Cell-Based Variational Inequality Formulation Of The Dynamic User Optimal A...Joe Osborn
 
Artigo ferrovias
Artigo ferroviasArtigo ferrovias
Artigo ferroviaslili4321
 
2213ijccms02.pdf
2213ijccms02.pdf2213ijccms02.pdf
2213ijccms02.pdfijccmsjournal
 
Improving transport in Malta using GIS and LBS
Improving transport in Malta using GIS and LBSImproving transport in Malta using GIS and LBS
Improving transport in Malta using GIS and LBSMatthew Pulis
 
A comparison of classification techniques for seismic facies recognition
A comparison of classification techniques for seismic facies recognitionA comparison of classification techniques for seismic facies recognition
A comparison of classification techniques for seismic facies recognitionPioneer Natural Resources
 
SRL_81_-_Beitrag_Varschen (1).pdf
SRL_81_-_Beitrag_Varschen (1).pdfSRL_81_-_Beitrag_Varschen (1).pdf
SRL_81_-_Beitrag_Varschen (1).pdfSummrina Kanwal
 
Wavelet based histogram method for classification of textu
Wavelet based histogram method for classification of textuWavelet based histogram method for classification of textu
Wavelet based histogram method for classification of textuIAEME Publication
 
INTEGRATION OF GIS AND OPTIMIZATION ROUTINES FOR THE VEHICLE ROUTING PROBLEM
INTEGRATION OF GIS AND OPTIMIZATION ROUTINES FOR THE VEHICLE ROUTING PROBLEMINTEGRATION OF GIS AND OPTIMIZATION ROUTINES FOR THE VEHICLE ROUTING PROBLEM
INTEGRATION OF GIS AND OPTIMIZATION ROUTINES FOR THE VEHICLE ROUTING PROBLEMijccmsjournal
 
Integration Of Gis And Optimization Routines For The Vehicle Routing Problem
Integration Of Gis And Optimization Routines For The Vehicle Routing ProblemIntegration Of Gis And Optimization Routines For The Vehicle Routing Problem
Integration Of Gis And Optimization Routines For The Vehicle Routing Problemijccmsjournal
 
A New Schedule-Based Transit Assignment Model With Travel Strategies And Supp...
A New Schedule-Based Transit Assignment Model With Travel Strategies And Supp...A New Schedule-Based Transit Assignment Model With Travel Strategies And Supp...
A New Schedule-Based Transit Assignment Model With Travel Strategies And Supp...Susan Campos
 
A New Perspective Of Traffic Assignment A Game Theoretical Approach
A New Perspective Of Traffic Assignment  A Game Theoretical ApproachA New Perspective Of Traffic Assignment  A Game Theoretical Approach
A New Perspective Of Traffic Assignment A Game Theoretical ApproachAnita Miller
 
Study of statistical models for route prediction algorithms in vanet
Study of statistical models for route prediction algorithms in vanetStudy of statistical models for route prediction algorithms in vanet
Study of statistical models for route prediction algorithms in vanetAlexander Decker
 
A Frequency Based Transit Assignment Model That Considers Online Information ...
A Frequency Based Transit Assignment Model That Considers Online Information ...A Frequency Based Transit Assignment Model That Considers Online Information ...
A Frequency Based Transit Assignment Model That Considers Online Information ...Scott Faria
 
Review of optimal speed model
Review of optimal speed modelReview of optimal speed model
Review of optimal speed modelGazali S.F
 
Traffic Prediction from Street Network images.pptx
Traffic Prediction from  Street Network images.pptxTraffic Prediction from  Street Network images.pptx
Traffic Prediction from Street Network images.pptxchirantanGupta1
 
Spatio-Temporal Data Mining and Classification of Ships' Trajectories
Spatio-Temporal Data Mining and Classification of Ships' TrajectoriesSpatio-Temporal Data Mining and Classification of Ships' Trajectories
Spatio-Temporal Data Mining and Classification of Ships' TrajectoriesCentre of Geographic Sciences (COGS)
 
Message Propagation in Vehicular Ad hoc Networks under free flow and congeste...
Message Propagation in Vehicular Ad hoc Networks under free flow and congeste...Message Propagation in Vehicular Ad hoc Networks under free flow and congeste...
Message Propagation in Vehicular Ad hoc Networks under free flow and congeste...ijasuc
 
THE IMPACT OF MOBILE NODES ARRIVAL PATTERNS IN MANETS USING POISSON MODELS
THE IMPACT OF MOBILE NODES ARRIVAL PATTERNS IN MANETS USING POISSON MODELSTHE IMPACT OF MOBILE NODES ARRIVAL PATTERNS IN MANETS USING POISSON MODELS
THE IMPACT OF MOBILE NODES ARRIVAL PATTERNS IN MANETS USING POISSON MODELSIJMIT JOURNAL
 

Similar to Multiclass Dynamic Transportation Model for User Equilibria (20)

APPLICATION OF FUZZY LOGIC IN TRANSPORT PLANNING
APPLICATION OF FUZZY LOGIC IN TRANSPORT PLANNINGAPPLICATION OF FUZZY LOGIC IN TRANSPORT PLANNING
APPLICATION OF FUZZY LOGIC IN TRANSPORT PLANNING
 
A Cell-Based Variational Inequality Formulation Of The Dynamic User Optimal A...
A Cell-Based Variational Inequality Formulation Of The Dynamic User Optimal A...A Cell-Based Variational Inequality Formulation Of The Dynamic User Optimal A...
A Cell-Based Variational Inequality Formulation Of The Dynamic User Optimal A...
 
Artigo ferrovias
Artigo ferroviasArtigo ferrovias
Artigo ferrovias
 
2213ijccms02.pdf
2213ijccms02.pdf2213ijccms02.pdf
2213ijccms02.pdf
 
Improving transport in Malta using GIS and LBS
Improving transport in Malta using GIS and LBSImproving transport in Malta using GIS and LBS
Improving transport in Malta using GIS and LBS
 
A comparison of classification techniques for seismic facies recognition
A comparison of classification techniques for seismic facies recognitionA comparison of classification techniques for seismic facies recognition
A comparison of classification techniques for seismic facies recognition
 
SRL_81_-_Beitrag_Varschen (1).pdf
SRL_81_-_Beitrag_Varschen (1).pdfSRL_81_-_Beitrag_Varschen (1).pdf
SRL_81_-_Beitrag_Varschen (1).pdf
 
Wavelet based histogram method for classification of textu
Wavelet based histogram method for classification of textuWavelet based histogram method for classification of textu
Wavelet based histogram method for classification of textu
 
INTEGRATION OF GIS AND OPTIMIZATION ROUTINES FOR THE VEHICLE ROUTING PROBLEM
INTEGRATION OF GIS AND OPTIMIZATION ROUTINES FOR THE VEHICLE ROUTING PROBLEMINTEGRATION OF GIS AND OPTIMIZATION ROUTINES FOR THE VEHICLE ROUTING PROBLEM
INTEGRATION OF GIS AND OPTIMIZATION ROUTINES FOR THE VEHICLE ROUTING PROBLEM
 
Integration Of Gis And Optimization Routines For The Vehicle Routing Problem
Integration Of Gis And Optimization Routines For The Vehicle Routing ProblemIntegration Of Gis And Optimization Routines For The Vehicle Routing Problem
Integration Of Gis And Optimization Routines For The Vehicle Routing Problem
 
Bay's marko chain
Bay's marko chainBay's marko chain
Bay's marko chain
 
A New Schedule-Based Transit Assignment Model With Travel Strategies And Supp...
A New Schedule-Based Transit Assignment Model With Travel Strategies And Supp...A New Schedule-Based Transit Assignment Model With Travel Strategies And Supp...
A New Schedule-Based Transit Assignment Model With Travel Strategies And Supp...
 
A New Perspective Of Traffic Assignment A Game Theoretical Approach
A New Perspective Of Traffic Assignment  A Game Theoretical ApproachA New Perspective Of Traffic Assignment  A Game Theoretical Approach
A New Perspective Of Traffic Assignment A Game Theoretical Approach
 
Study of statistical models for route prediction algorithms in vanet
Study of statistical models for route prediction algorithms in vanetStudy of statistical models for route prediction algorithms in vanet
Study of statistical models for route prediction algorithms in vanet
 
A Frequency Based Transit Assignment Model That Considers Online Information ...
A Frequency Based Transit Assignment Model That Considers Online Information ...A Frequency Based Transit Assignment Model That Considers Online Information ...
A Frequency Based Transit Assignment Model That Considers Online Information ...
 
Review of optimal speed model
Review of optimal speed modelReview of optimal speed model
Review of optimal speed model
 
Traffic Prediction from Street Network images.pptx
Traffic Prediction from  Street Network images.pptxTraffic Prediction from  Street Network images.pptx
Traffic Prediction from Street Network images.pptx
 
Spatio-Temporal Data Mining and Classification of Ships' Trajectories
Spatio-Temporal Data Mining and Classification of Ships' TrajectoriesSpatio-Temporal Data Mining and Classification of Ships' Trajectories
Spatio-Temporal Data Mining and Classification of Ships' Trajectories
 
Message Propagation in Vehicular Ad hoc Networks under free flow and congeste...
Message Propagation in Vehicular Ad hoc Networks under free flow and congeste...Message Propagation in Vehicular Ad hoc Networks under free flow and congeste...
Message Propagation in Vehicular Ad hoc Networks under free flow and congeste...
 
THE IMPACT OF MOBILE NODES ARRIVAL PATTERNS IN MANETS USING POISSON MODELS
THE IMPACT OF MOBILE NODES ARRIVAL PATTERNS IN MANETS USING POISSON MODELSTHE IMPACT OF MOBILE NODES ARRIVAL PATTERNS IN MANETS USING POISSON MODELS
THE IMPACT OF MOBILE NODES ARRIVAL PATTERNS IN MANETS USING POISSON MODELS
 

More from kuwaitsupplychain

Mr. Shan Senthil - global logistics trends & opportunities
Mr. Shan Senthil - global logistics trends & opportunitiesMr. Shan Senthil - global logistics trends & opportunities
Mr. Shan Senthil - global logistics trends & opportunitieskuwaitsupplychain
 
Mr. Shan Senthil - effectiveness of rfid technology enhancing supply chain ma...
Mr. Shan Senthil - effectiveness of rfid technology enhancing supply chain ma...Mr. Shan Senthil - effectiveness of rfid technology enhancing supply chain ma...
Mr. Shan Senthil - effectiveness of rfid technology enhancing supply chain ma...kuwaitsupplychain
 
Mr. Salah Al Kharraz - supply chain a business or a service
Mr. Salah Al Kharraz - supply chain a business or a serviceMr. Salah Al Kharraz - supply chain a business or a service
Mr. Salah Al Kharraz - supply chain a business or a servicekuwaitsupplychain
 
Mr. Reinhard Wind - modern warehousing in the middle east
Mr. Reinhard Wind - modern warehousing in the middle eastMr. Reinhard Wind - modern warehousing in the middle east
Mr. Reinhard Wind - modern warehousing in the middle eastkuwaitsupplychain
 
Mr. Ali Mekhail - Kuwait as a Logistics Hub
Mr. Ali Mekhail - Kuwait as a Logistics HubMr. Ali Mekhail - Kuwait as a Logistics Hub
Mr. Ali Mekhail - Kuwait as a Logistics Hubkuwaitsupplychain
 
Mr. Alex Borj - addressing the training needs of log&tran sector in uae & gcc...
Mr. Alex Borj - addressing the training needs of log&tran sector in uae & gcc...Mr. Alex Borj - addressing the training needs of log&tran sector in uae & gcc...
Mr. Alex Borj - addressing the training needs of log&tran sector in uae & gcc...kuwaitsupplychain
 
Eng. Mohamad Itani - when disasters shake global supply chain
Eng. Mohamad Itani - when disasters shake global supply chainEng. Mohamad Itani - when disasters shake global supply chain
Eng. Mohamad Itani - when disasters shake global supply chainkuwaitsupplychain
 
Dr. Raed Hussein - the production and supply chain management of kuwait
Dr. Raed Hussein - the production and supply chain management of kuwaitDr. Raed Hussein - the production and supply chain management of kuwait
Dr. Raed Hussein - the production and supply chain management of kuwaitkuwaitsupplychain
 
Dr. Mohamad Kamal - an integrated transport system for gulf cooperation counc...
Dr. Mohamad Kamal - an integrated transport system for gulf cooperation counc...Dr. Mohamad Kamal - an integrated transport system for gulf cooperation counc...
Dr. Mohamad Kamal - an integrated transport system for gulf cooperation counc...kuwaitsupplychain
 
Dr. Mohamad Fazle Rabbi - supply chain strategy
Dr. Mohamad Fazle Rabbi - supply chain strategyDr. Mohamad Fazle Rabbi - supply chain strategy
Dr. Mohamad Fazle Rabbi - supply chain strategykuwaitsupplychain
 
Dr. Islam El Nakib - supply chain talent
Dr. Islam El Nakib - supply chain talentDr. Islam El Nakib - supply chain talent
Dr. Islam El Nakib - supply chain talentkuwaitsupplychain
 
Mr. Khaled Al Saif - role of customs in supply chain
Mr. Khaled Al Saif - role of customs in supply chainMr. Khaled Al Saif - role of customs in supply chain
Mr. Khaled Al Saif - role of customs in supply chainkuwaitsupplychain
 

More from kuwaitsupplychain (12)

Mr. Shan Senthil - global logistics trends & opportunities
Mr. Shan Senthil - global logistics trends & opportunitiesMr. Shan Senthil - global logistics trends & opportunities
Mr. Shan Senthil - global logistics trends & opportunities
 
Mr. Shan Senthil - effectiveness of rfid technology enhancing supply chain ma...
Mr. Shan Senthil - effectiveness of rfid technology enhancing supply chain ma...Mr. Shan Senthil - effectiveness of rfid technology enhancing supply chain ma...
Mr. Shan Senthil - effectiveness of rfid technology enhancing supply chain ma...
 
Mr. Salah Al Kharraz - supply chain a business or a service
Mr. Salah Al Kharraz - supply chain a business or a serviceMr. Salah Al Kharraz - supply chain a business or a service
Mr. Salah Al Kharraz - supply chain a business or a service
 
Mr. Reinhard Wind - modern warehousing in the middle east
Mr. Reinhard Wind - modern warehousing in the middle eastMr. Reinhard Wind - modern warehousing in the middle east
Mr. Reinhard Wind - modern warehousing in the middle east
 
Mr. Ali Mekhail - Kuwait as a Logistics Hub
Mr. Ali Mekhail - Kuwait as a Logistics HubMr. Ali Mekhail - Kuwait as a Logistics Hub
Mr. Ali Mekhail - Kuwait as a Logistics Hub
 
Mr. Alex Borj - addressing the training needs of log&tran sector in uae & gcc...
Mr. Alex Borj - addressing the training needs of log&tran sector in uae & gcc...Mr. Alex Borj - addressing the training needs of log&tran sector in uae & gcc...
Mr. Alex Borj - addressing the training needs of log&tran sector in uae & gcc...
 
Eng. Mohamad Itani - when disasters shake global supply chain
Eng. Mohamad Itani - when disasters shake global supply chainEng. Mohamad Itani - when disasters shake global supply chain
Eng. Mohamad Itani - when disasters shake global supply chain
 
Dr. Raed Hussein - the production and supply chain management of kuwait
Dr. Raed Hussein - the production and supply chain management of kuwaitDr. Raed Hussein - the production and supply chain management of kuwait
Dr. Raed Hussein - the production and supply chain management of kuwait
 
Dr. Mohamad Kamal - an integrated transport system for gulf cooperation counc...
Dr. Mohamad Kamal - an integrated transport system for gulf cooperation counc...Dr. Mohamad Kamal - an integrated transport system for gulf cooperation counc...
Dr. Mohamad Kamal - an integrated transport system for gulf cooperation counc...
 
Dr. Mohamad Fazle Rabbi - supply chain strategy
Dr. Mohamad Fazle Rabbi - supply chain strategyDr. Mohamad Fazle Rabbi - supply chain strategy
Dr. Mohamad Fazle Rabbi - supply chain strategy
 
Dr. Islam El Nakib - supply chain talent
Dr. Islam El Nakib - supply chain talentDr. Islam El Nakib - supply chain talent
Dr. Islam El Nakib - supply chain talent
 
Mr. Khaled Al Saif - role of customs in supply chain
Mr. Khaled Al Saif - role of customs in supply chainMr. Khaled Al Saif - role of customs in supply chain
Mr. Khaled Al Saif - role of customs in supply chain
 

Recently uploaded

How AI, OpenAI, and ChatGPT impact business and software.
How AI, OpenAI, and ChatGPT impact business and software.How AI, OpenAI, and ChatGPT impact business and software.
How AI, OpenAI, and ChatGPT impact business and software.Curtis Poe
 
"ML in Production",Oleksandr Bagan
"ML in Production",Oleksandr Bagan"ML in Production",Oleksandr Bagan
"ML in Production",Oleksandr BaganFwdays
 
What is DBT - The Ultimate Data Build Tool.pdf
What is DBT - The Ultimate Data Build Tool.pdfWhat is DBT - The Ultimate Data Build Tool.pdf
What is DBT - The Ultimate Data Build Tool.pdfMounikaPolabathina
 
What's New in Teams Calling, Meetings and Devices March 2024
What's New in Teams Calling, Meetings and Devices March 2024What's New in Teams Calling, Meetings and Devices March 2024
What's New in Teams Calling, Meetings and Devices March 2024Stephanie Beckett
 
DevEX - reference for building teams, processes, and platforms
DevEX - reference for building teams, processes, and platformsDevEX - reference for building teams, processes, and platforms
DevEX - reference for building teams, processes, and platformsSergiu Bodiu
 
Commit 2024 - Secret Management made easy
Commit 2024 - Secret Management made easyCommit 2024 - Secret Management made easy
Commit 2024 - Secret Management made easyAlfredo García Lavilla
 
TeamStation AI System Report LATAM IT Salaries 2024
TeamStation AI System Report LATAM IT Salaries 2024TeamStation AI System Report LATAM IT Salaries 2024
TeamStation AI System Report LATAM IT Salaries 2024Lonnie McRorey
 
The Fit for Passkeys for Employee and Consumer Sign-ins: FIDO Paris Seminar.pptx
The Fit for Passkeys for Employee and Consumer Sign-ins: FIDO Paris Seminar.pptxThe Fit for Passkeys for Employee and Consumer Sign-ins: FIDO Paris Seminar.pptx
The Fit for Passkeys for Employee and Consumer Sign-ins: FIDO Paris Seminar.pptxLoriGlavin3
 
Gen AI in Business - Global Trends Report 2024.pdf
Gen AI in Business - Global Trends Report 2024.pdfGen AI in Business - Global Trends Report 2024.pdf
Gen AI in Business - Global Trends Report 2024.pdfAddepto
 
SALESFORCE EDUCATION CLOUD | FEXLE SERVICES
SALESFORCE EDUCATION CLOUD | FEXLE SERVICESSALESFORCE EDUCATION CLOUD | FEXLE SERVICES
SALESFORCE EDUCATION CLOUD | FEXLE SERVICESmohitsingh558521
 
The State of Passkeys with FIDO Alliance.pptx
The State of Passkeys with FIDO Alliance.pptxThe State of Passkeys with FIDO Alliance.pptx
The State of Passkeys with FIDO Alliance.pptxLoriGlavin3
 
Dev Dives: Streamline document processing with UiPath Studio Web
Dev Dives: Streamline document processing with UiPath Studio WebDev Dives: Streamline document processing with UiPath Studio Web
Dev Dives: Streamline document processing with UiPath Studio WebUiPathCommunity
 
Nell’iperspazio con Rocket: il Framework Web di Rust!
Nell’iperspazio con Rocket: il Framework Web di Rust!Nell’iperspazio con Rocket: il Framework Web di Rust!
Nell’iperspazio con Rocket: il Framework Web di Rust!Commit University
 
Developer Data Modeling Mistakes: From Postgres to NoSQL
Developer Data Modeling Mistakes: From Postgres to NoSQLDeveloper Data Modeling Mistakes: From Postgres to NoSQL
Developer Data Modeling Mistakes: From Postgres to NoSQLScyllaDB
 
SIP trunking in Janus @ Kamailio World 2024
SIP trunking in Janus @ Kamailio World 2024SIP trunking in Janus @ Kamailio World 2024
SIP trunking in Janus @ Kamailio World 2024Lorenzo Miniero
 
Take control of your SAP testing with UiPath Test Suite
Take control of your SAP testing with UiPath Test SuiteTake control of your SAP testing with UiPath Test Suite
Take control of your SAP testing with UiPath Test SuiteDianaGray10
 
unit 4 immunoblotting technique complete.pptx
unit 4 immunoblotting technique complete.pptxunit 4 immunoblotting technique complete.pptx
unit 4 immunoblotting technique complete.pptxBkGupta21
 
Unraveling Multimodality with Large Language Models.pdf
Unraveling Multimodality with Large Language Models.pdfUnraveling Multimodality with Large Language Models.pdf
Unraveling Multimodality with Large Language Models.pdfAlex Barbosa Coqueiro
 
"Debugging python applications inside k8s environment", Andrii Soldatenko
"Debugging python applications inside k8s environment", Andrii Soldatenko"Debugging python applications inside k8s environment", Andrii Soldatenko
"Debugging python applications inside k8s environment", Andrii SoldatenkoFwdays
 
Hyperautomation and AI/ML: A Strategy for Digital Transformation Success.pdf
Hyperautomation and AI/ML: A Strategy for Digital Transformation Success.pdfHyperautomation and AI/ML: A Strategy for Digital Transformation Success.pdf
Hyperautomation and AI/ML: A Strategy for Digital Transformation Success.pdfPrecisely
 

Recently uploaded (20)

How AI, OpenAI, and ChatGPT impact business and software.
How AI, OpenAI, and ChatGPT impact business and software.How AI, OpenAI, and ChatGPT impact business and software.
How AI, OpenAI, and ChatGPT impact business and software.
 
"ML in Production",Oleksandr Bagan
"ML in Production",Oleksandr Bagan"ML in Production",Oleksandr Bagan
"ML in Production",Oleksandr Bagan
 
What is DBT - The Ultimate Data Build Tool.pdf
What is DBT - The Ultimate Data Build Tool.pdfWhat is DBT - The Ultimate Data Build Tool.pdf
What is DBT - The Ultimate Data Build Tool.pdf
 
What's New in Teams Calling, Meetings and Devices March 2024
What's New in Teams Calling, Meetings and Devices March 2024What's New in Teams Calling, Meetings and Devices March 2024
What's New in Teams Calling, Meetings and Devices March 2024
 
DevEX - reference for building teams, processes, and platforms
DevEX - reference for building teams, processes, and platformsDevEX - reference for building teams, processes, and platforms
DevEX - reference for building teams, processes, and platforms
 
Commit 2024 - Secret Management made easy
Commit 2024 - Secret Management made easyCommit 2024 - Secret Management made easy
Commit 2024 - Secret Management made easy
 
TeamStation AI System Report LATAM IT Salaries 2024
TeamStation AI System Report LATAM IT Salaries 2024TeamStation AI System Report LATAM IT Salaries 2024
TeamStation AI System Report LATAM IT Salaries 2024
 
The Fit for Passkeys for Employee and Consumer Sign-ins: FIDO Paris Seminar.pptx
The Fit for Passkeys for Employee and Consumer Sign-ins: FIDO Paris Seminar.pptxThe Fit for Passkeys for Employee and Consumer Sign-ins: FIDO Paris Seminar.pptx
The Fit for Passkeys for Employee and Consumer Sign-ins: FIDO Paris Seminar.pptx
 
Gen AI in Business - Global Trends Report 2024.pdf
Gen AI in Business - Global Trends Report 2024.pdfGen AI in Business - Global Trends Report 2024.pdf
Gen AI in Business - Global Trends Report 2024.pdf
 
SALESFORCE EDUCATION CLOUD | FEXLE SERVICES
SALESFORCE EDUCATION CLOUD | FEXLE SERVICESSALESFORCE EDUCATION CLOUD | FEXLE SERVICES
SALESFORCE EDUCATION CLOUD | FEXLE SERVICES
 
The State of Passkeys with FIDO Alliance.pptx
The State of Passkeys with FIDO Alliance.pptxThe State of Passkeys with FIDO Alliance.pptx
The State of Passkeys with FIDO Alliance.pptx
 
Dev Dives: Streamline document processing with UiPath Studio Web
Dev Dives: Streamline document processing with UiPath Studio WebDev Dives: Streamline document processing with UiPath Studio Web
Dev Dives: Streamline document processing with UiPath Studio Web
 
Nell’iperspazio con Rocket: il Framework Web di Rust!
Nell’iperspazio con Rocket: il Framework Web di Rust!Nell’iperspazio con Rocket: il Framework Web di Rust!
Nell’iperspazio con Rocket: il Framework Web di Rust!
 
Developer Data Modeling Mistakes: From Postgres to NoSQL
Developer Data Modeling Mistakes: From Postgres to NoSQLDeveloper Data Modeling Mistakes: From Postgres to NoSQL
Developer Data Modeling Mistakes: From Postgres to NoSQL
 
SIP trunking in Janus @ Kamailio World 2024
SIP trunking in Janus @ Kamailio World 2024SIP trunking in Janus @ Kamailio World 2024
SIP trunking in Janus @ Kamailio World 2024
 
Take control of your SAP testing with UiPath Test Suite
Take control of your SAP testing with UiPath Test SuiteTake control of your SAP testing with UiPath Test Suite
Take control of your SAP testing with UiPath Test Suite
 
unit 4 immunoblotting technique complete.pptx
unit 4 immunoblotting technique complete.pptxunit 4 immunoblotting technique complete.pptx
unit 4 immunoblotting technique complete.pptx
 
Unraveling Multimodality with Large Language Models.pdf
Unraveling Multimodality with Large Language Models.pdfUnraveling Multimodality with Large Language Models.pdf
Unraveling Multimodality with Large Language Models.pdf
 
"Debugging python applications inside k8s environment", Andrii Soldatenko
"Debugging python applications inside k8s environment", Andrii Soldatenko"Debugging python applications inside k8s environment", Andrii Soldatenko
"Debugging python applications inside k8s environment", Andrii Soldatenko
 
Hyperautomation and AI/ML: A Strategy for Digital Transformation Success.pdf
Hyperautomation and AI/ML: A Strategy for Digital Transformation Success.pdfHyperautomation and AI/ML: A Strategy for Digital Transformation Success.pdf
Hyperautomation and AI/ML: A Strategy for Digital Transformation Success.pdf
 

Multiclass Dynamic Transportation Model for User Equilibria

  • 1. A Link-Node Nonlinear Complementarity Model for a Multiclass Simultaneous Transportation Dynamic User Equilibria Mohamad K. Hasan Associate Professor Department of Quantitative Methods and Information Systems College of Business Administration, Kuwait University P.O. Box 5486, Safat, 13055, Kuwait Fax: (965) 2483-9406 Tel.: Work: + (965)2498-8453, Mobile: + (965)9782-2073 Email: mkamal@cba.edu.kw And Xuegang (Jeff) Ban Assistant Professor Department of Civil and Environmental Engineering Rensselaer Polytechnic Institute Jonsson Engineering Center, room: 4034 110 8th Street, Troy, New York 12180 Fax: 518-276-4833, Tel.: 518-276-8043 Email: banx@rpi.edu Accepted for Publication in International Journal of Operations Research and Information Systems (IJORIS), IGI Global, USA, May 2011
  • 2. Presentation Outlines 1. Introduction 2. The Nonlinear Complementarity Formulation for DUE 3. Multiclass Simultaneous Transportation Equilibrium Model (MSTEM) 4. Discrete-Time Domain Finite-Dimensional Nonlinear Complementarity DUE Multiclass Simultaneous Transportation Equilibrium Model (DMSTEM) 5. Solution Algorithm 6. Conclusions and Future Research
  • 3. 1. Introduction Transportation Network Equilibrium Models Traffic (Passengers ) Models Freight Models (Hasan UN-ESCWA) Dynamic Models Stochastic Models Deterministic Models Traffic Assignment LU-MUE DSTEM (Hasan and Departure Traffic MUE LU-MUE MSTEM Time (Jeff and et. Assignment (Hasan)Work in and Jeff ) Simultaneous al. 2008) (Jeff and et. al. progress Sequential Models 2008) Models 1- Trip Generation 2- Trip Distribution 3- Modal Split Multiclass Single Class 4- Traffic assignment Variational Inequality Variational Equivalent Generation, Distribution, Inequality Convex program Distribution , Modal Split Modal split, Assignment, and and Assignment (De Cea PGSTEM, GSTEM Departure Time (Hasan and et. al 2003) (Hasan 1991) Dashti 2007) ESTRAUS MSTEM Generation, Distribution, Distribution , Modal Distribution Modal split, and Assignment Split and Assignment and (Safwat and Magnanti 1988) ( Florian and Nguyen Assignment STEM 1978) (Evans 1976)
  • 4. Dynamic Traffic Assignment (DTA) models, which aim to predict future dynamic traffic states in a short-term fashion, have been extensively studied for decades. DTA studies accelerated in the last fifteen years with the advent of intelligent transportation systems (ITS). Within DTA studies, the dynamic user equilibrium (DUE) problem, which tries to determine the distribution of time-dependent traffic flow of a traffic network assuming travelers follow rational route choices (such as to minimize travel time or other forms of cost), is one of the most challenging. Two distinct approaches have dominated the methodologies applied to DUE research: The simulation-based (microscopic/mesoscopic) approach. The analytical (macroscopic) approach. Variational Inequality (VI) and Nonlinear Complementarity (NC) have been shown to be the most effective approaches.
  • 6. Multiclass DUE models have also been studied with these analytical approaches (Ran and Boyce, 1996; Belimer et al., 2003) or simulation-based approaches (Ben-Akiva et al, 2001; Mahmassani et al., 2001). The early studies, however, focused on different vehicle classes and a few social-economic factors of drivers, such as value of times (VOD) preferences (Lu et al., 2008). With this goal, Ramadurai and Ukkusuri (2010) integrate activity-based models for demand analysis into DUE. The model is solved using a super-network representation of activities and traffic networks.
  • 7. By investigating further how socio-economic factors of drivers may affect trip generation, trip distribution, mode choice, and departure-times in a dynamic (i.e. time- dependent) fashion, and integrating the findings into DUE modeling, we expect to improve the practicality and accuracy of DUE models. With this objective, we combine the NCP-based DUE model in Ban et al. (2008) and the Multiclass Simultaneous Transportation Equilibrium Model (MSTEM) in Hasan and Dashti (2007) to develop a multiclass combined Trip Generation (TG)-Trip Distribution (TD)-Nested Modal Split (NMS)-Modal Split (MS)-Dynamic Trip Assignment (DTA)- Departure Time (DT) Model (NCPDUE-TG-TD-NMS-MS- DTA-DT).
  • 8. 2. The Nonlinear Complementarity Formulation for DUE Ban et al. (2008) evenly divided the entire study period into K ' time intervals by introducing th the length of each time interval such that K ' T ' . We use index k to denote the k- time interval [(k 1) , k ) for 1 k K ' . The notation for the discrete-time model is first listed as follows (Ban et al., 2008): k u as u as ((k 1) ) : t he inflow rat e t o link a t owardsdest inat io s at t hebeginningof t imeint erval , n k k wh is also assumed t o be const antduring t heent iret imeint erval , u ich k (u as ) a , s ,k k v as vas ((k 1) ) : t heexit flow rat efrom link a t owardsdest inat io s at t hebeginningof t imeint erval , n k k whi is also assumed t o be const antduring t heent iret imeint erval , v ch k (vas ) a ,s ,k k u as : t heinflows t o link a t owardsdest inat io s during t imeint erval n k k vas : t heexit flows from link a t owardsdest inat io s during t imeint erval n k k xas xas ((k 1) ) : t heflows of link a t owardsdest inat io s at t hebeginningof t imeint erval , n k k which is assumed t o be const antduring t heent ireint erval , x k ( xas ) a ,s ,k k k u s u : t heaggregat edinflow rat e t o link a at t hebeginningof t imeint erval , as k s S which is assumed t o be const antduring t heent ire int erval , u A k k (u a ) a ,k k k v a v : t heaggregat edexit flow rat efrom link a at t hebeginningof t imeint erval , as k s S wh is assumed t o be const antduring t heent ire int erval , v A ich k k ( va ) a ,k k k xa xas : t heaggregat edflows of link a t owardsdest inat io s at t hebeginningof t imeint erval , n k s S wh is assumed t o be const antduring t heent ire int erval , x A ich k k ( xa ) a ,k k d is d is ((k 1) ) : t hedemand rat egenerat edfrom node i t o dest inat io s at t hebeginningof t imeint erval , n k k wh is assumed t o be const antduring t heent ire int erval , d ich k ( d is ) i , s , k ,i s k d is : t hedemands generat ed from node i t o dest inat io s during t imeint erval n k
  • 9. C k (u ) C (k ) : t he t ravelt imeof link a at t he end of t imeint ervalk , a funct ionof u, C (C k ) a a a a, k k (k ) : t he minimum t ravelt imefrom node i t o dest inat io s at t heend of t imeint ervalk , n ( k) is is is i, s, k , i s e k (u ) (k 1) C k 1(u ) : t heexit t ime for vehicl ent eringa at t he beginningof t imeint ervalk , es a a a funct ionof u, e (e k ) a a, k Ban et al. (2008) showed that the above discretization scheme leads to the following NCP formulation for DUE with fixed demand: find (u, ) such that 0 u u (u, ) 0 0 (u, ) 0 where the two functions u (u, ) and (u, ) are defined as: (u, ) C k (u ) 3, k , l (u ) l [1 3, k , l (u )] l 1 k , u a a h s a h s l s l 1 ek 1(u ) / l a a a a a, s , k (1) (u, ) uk dk [ 1, k ' (u ) 2, k ' , k (u ) u k ' 1, k ' 1(u ) (1 2, k ' , k (u )) u k ' 1] as is a a as a a as a A(i ) a B(i ) k ': ek ' (u ) (k 1) ek ' 1(u ) a a i, s, i s, k (2) ������ (������ −1) ������ℎ������������������ ������������ ������ = ������ − 1 ∆ + ������������ ������ is the exit time of vehicles entering a at the (������ −1) beginning of the k-th interval, which is a function of the inflow vector ������ since ������������ is so.
  • 10. He also define three types of indicator functions on ������: ������1,������ ������ , ������2,������ ,������ ������ and ������3,������ ,������ ������ . ������ ������ ������ 1,������ First, flow propagation constraints can be represented by ������������ ������ , which is defined as: ∆ ������1,������ ������ ������ = ������ −1 , ∀������, ������ (3) ������ ������������ ������ −������������ ������ +∆ The relation between link inflow and exit flow rates can be represented by both ������1,������ ������ ������ and ������2,������ ,������ ������ ������ with the latter defined as: ������ ������������ ������ + ������ +1−������ ∆ ������ +1 ������2,������ ������ ������ = ������ −1 ������ ∀������, ������, ������ , ������������ ������ ≤ ������ − 1 Δ < ������������ ������ (4) ������ ������������ ������ −������������ ������ +∆ 3,������ Similarly, ������������ ������ is used to discretize (and interpolate) the minimum travel time ������ℎ ������ ������ ������ + ������������ ������ in equation (1). It can be defined as: ������ ������ +1 ������������ ������ ������������ ������ ������3,������ ������ ������ = ������ − ������ − , ∀������ − 1 ≤ < ������ (5) ∆ ∆ The three indicator functions satisfy the following: ������1,������ ������ ������ > 0, ∀������, ������ ������ +1 0 < ������2,������ ,������ ������ ������ ≤ 1, ������ ∀������, ������, ������ , ������������ ������ ≤ ������ − 1 Δ < ������������ ������ ������ +1 3,������ ,������ ������������ ������ 0 < ������������ ������ ≤ 1, ∀ ������ − 1 ≤ < ������ ∆ ������ is a vector function for any combination of link a, destination s, and time interval k. Each of its component represents, for the given a; s; k, the difference of the minimum travel times via two sets of paths from the starting node (or tail node) of link a to destination s at k. The first set of paths must traverse link a, which is a subset of the second set that includes all paths from the starting node of a to destination s. This ������ difference should be zero if link a is selected (i.e. the inflow to link a at time k,������������������ , is nonzero). ������ , on the other hand, simply represents the flow conservation constraint at any node i, destination ������ ≠ ������ and time k. Detailed discussion on how ������ and ������ are derived can be found in Ban et al. (2008), which also showed (Theorem 3) that NCPDUE has a nonempty and compact solution set under certain conditions.
  • 11. 3. Multiclass Simultaneous Transportation Equilibrium Model (MSTEM) A brief description of MSTEM model that developed by Hasan and Dashti (2007). The notation for MSTEM model is first listed as follows: ( N , A) = A multimodal traffic network consisting of a set of N nodes and a set of A links l = User class (e.g., income level, car availability, etc.) L = Set of all user classes o = Trip purpose (e.g., home-based-work, home-based-shopping, etc.) O = Set of all trip purpose I lo = Set of origin nodes for user class l and trip purpose o i = An origin node in the set I lo for user class l with trip purpose o Dilo = Set of destination nodes that are accessible from a given origin i for user class l with trip purpose o s = A destination node in the set Dilo for user class l with trip purpose o R lo = Set of origin-destination pairs is for user class l with trip purpose o , i.e., the set of all origins i I lo and destinations s Dilo m = Any transportation mode in the urban area n = Nest of transportation modes m that has a specific characteristics (e.g., pure modes including private and public or combined modes) that are available for user class l with trip purpose o travel between origin-destination pairs is lo is = Set of all nests of modes n that are available for user class l with trip purpose o travel between origin-destination pairs is lo M n = Set of all transportation modes m in the nest n for user class l with trip purpose o travel between origin-destination pairs is k = Departure time period for user class l with trip purpose o using mode m in the nest n to travel between origin-destination pairs is
  • 12. lo Km = Time horizon of the departure time periods k for users of class l with trip purpose o using mode m between origin-destination pairs is a = A link in the set A in the multimodal network ( N , A) ������������������������������������ ������������������������������ = the travel time of vehicles entering link a at the end of the ������th time interval ������ (=Departure time period k ) for user class l with trip purpose o using mode m in the nest n to travel between origin-destination pairs is Awslo = the value of the w th socio-economic variable that influences trip attraction at destination s for users of class l with trip purpose o W lo lo lo lo A s iw g w ( Aws ) =a composite measure of the effect that socio-economic variables, which, w 1 are exogenous to the transport system, have on trip attraction at destination s for users of class l with trip purpose o . lo gw ( Aws ) = a given function specifying how the w th socio-economic variable Awj lo lo influences trip attraction at destination s for users of class l with trip purpose o , and
  • 13. The quantities ilo and iw for w 1, 2, ...,W are coefficients to be estimated, where ilo 0 . lo During the time period required to achieve the short-run equilibrium predicted in the model, socio-economic activities in the system will remain essentially unchanged; the composite effect Alo for users of class l with trip purpose o of these activities is assumed to be a fixed constant. j E loi = the value of the th socio-economic variable that influences the number of trips generated from origin i for users of class l with trip purpose o , q Eloi = a given function specifying how the th socio-economic variable, E loi , influences the number of trips generated from origin i for users of class l with trip purpose o , and Eilo lo q ( E loi ) = a composite measure of the effect the socio-economic variables, 1 which are exogenous to the transport system, have on the number of trips generated from origin i for users of class l with trip purpose o The quantities lo and lo for 1, 2, ..., are coefficients to be estimate l L, o O .
  • 14. lo Similar to As , Eilo is assumed to be a fixed constant during the time period required to achieve short-run equilibrium. ������������������������������ ������������������ = the inflow rate to link a towards destination s at the beginning of the ������-th time interval for user class l with trip purpose o using mode m in the nest n ,which is assume to be constant during the entire ������ th time interval ������������������������������ ������������������ = the minimum travel time from node i to s destination at the end of time interval k for user class l with trip purpose o using mode m in the nest n S ilo = the accessibility of origin i I lo as perceived from user of class l with trip purpose o traveling from that origin. Gilo = the number of trips generated from origin i for users of class l with trip purpose o . d is k = the number of trips of users of class l with trip purpose o traveling from the origin lonm node i I lo to the destination node s Dilo and whose already chose the mode of lo lo transport m M n from the nest of modes n is and start their trip at the time lo interval k Km . lonm d is = the number of trips of users of class l with trip purpose o traveling from the origin node i I lo to the destination node j Dilo and whose already chose the mode of lo lo transport m M n from the nest of modes n is lon d is = the number of trips of users of class l with trip purpose o traveling from the origin node i I lo to the destination node s Dilo and whose already chose the nest of lo modes n is . lo d is = the number of trips of users of class l with trip purpose o traveling from the origin node i I lo to the destination node s Dilo .
  • 15. MSTEM: S ilo max 0, ln exp ( θ ilo lonmk is lo As ) i I lo , l L, o O s Dilo n lo is lo m Mn k lo Km Gilo lo Silo Eilo i I lo , l L, o O exp( θ ilo lonmk is lo As ) lo lo lo lo n m M n k Km d is Gilo is is R lo , l L, o O exp( θ i lo lonmk is A lo s ) s Dilo n lo is lo lo m M n k Km exp( θ ilo lonmk is lo As ) lo lo lon lo m M n k Km lo d is d is , n is , is R lo , l L, o O exp( θ i lo lonmk is A lo s ) lo lo lo n is m M n k Km exp( θ ilo lonmk is lo As ) lo lonm lon k Km lo lo d is d is , m Mn , n is , is R lo , l L, o O exp( θ i lo lonmk is A lo s ) lo lo m M n k Km lo lonmk lo lonmk lonm exp( As ) lo lo lo d is d is i is , k Km , m Mn , n is , is R lo , l L, o O exp ( θ i lo lonmk is lo As ) lo k Km lonmk d is can also be given by the following combined trip generation, trip distribution, modal split, and departure time demand model (function): lo lonmk lo lonmk lo lo lo exp( i is As ) d is ( S i E ) i exp( θilo lonmk is lo As ) j Dilo n lo is lo lo m M n t Km lo lo lo k Km , m Mn , n is , is R lo , l L, o O
  • 16. 4. Discrete-Time Domain Finite-Dimensional Nonlinear Complementarity DUE Multiclass Simultaneous Transportation Equilibrium Model (DMSTEM) Following the same thought of Ban et al. (2008), the dynamic user equilibrium traffic assignment (NCPDUE-DTA) can be represented by the following two NCPs: 0 ≤ ������������������������������ ⊥ ������������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������, ������, ������ (6) ������ ������ ������ ������������ 0 ≤ ������ ������������������������ ⊥ ������ ������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������, ������, ������ (7) ������ ������ ������ ������������ To extend the DTA model above to model simultaneous route and departure time, we assume the early/late arrival penalty function for each ������������������������ user class l with trip purpose o using mode m in the nest n to travel between origin-destination pairs is departing at time ������ (denoted as ������������������ )i ������������������������������ ������������������������������ ������������������������������ 2 ������������������ = 0.5 ������∇ + ������������������ − ������������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ ������������������ ∀ ������, ������, ������, ������ ������������������������������ where ������������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ is the desired arrival time for user class l with trip purpose o using mode m in the nest n to travel between ������������������������������ ������������������������������ origin-destination pairs is departing at time ������. Therefore, ������∇ + ������������������ − ������������������ represents early or late arrival for travelers of class l with trip purpose o using mode m in the nest n departing ������ to ������ at time ������. In other words, the cost (disutility) for such a traveler at time ������ is ������������������������������ ������������������������������ ������������������������������ ������������������������������ ������������������������������ ������������������������������ 2 ������������ = ������������������ + ������������������ = ������������������ 0.5(������Δ + ������������������ − ������������������ ) , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������, ∀������, ������, ������, ������ Further, we denote the minimum disutility between ������ and ������ for user class l with trip purpose o using mode m in the nest n (for all time intervals) as ������������������������ ������������������ = min ������������������������������ , ∀������, ������, ������ ≠ ������, ∀������, ������, ������, ������ ������������ ������ Therefore, the departure time choice condition can then be expressed as: ������������������������������ ������������������������������ ������������������������ ������������������ ≥ 0, ������������ ������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������, ∀������, ������, ������, ������ ������������������������������ ������������������ = 0, ������������ ������������������������������ > ������������������ ������������ ������������������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������, ∀������, ������, ������, ������ This condition simply states that travelers are trying to minimize their disutility when choosing departure times.
  • 17. Combining equations (6) and (7) with the following two NCPs we can combined the dynamic traffic assignment with departure time ((NCPDUE-DTA-DT) : 0 ≤ ������������������������������ ⊥ ������������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������, ������, ������ (8) ������ ������ ������ ������������ 0 ≤ ������������������������������ ⊥ ������������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������, ������, ������ (9) ������ ������ ������ ������������ Similarly, combining equations (6)-(9) with the following two NCPs we can combined the Dynamic Traffic Assignment, Departure Time and Modal Split ((NCPDUE-MS-DTA-DT) : 0 ≤ ������������������������ ⊥ ������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������, ������ ������ ������ ������ ������������ (10) 0 ≤ ������������������������ ⊥ ������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������, ������ ������ ������ ������ ������������ (11) Combining equations (6)-(11) with the following two NCPs we can combined the Dynamic Traffic Assignment, Departure Time, Modal Split, and Nested Modal Split (NCPDUE-NMS-MS-DTA-DT): 0 ≤ ������������������ ⊥ ������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������ ������ ������ ������ ������������ (12) 0 ≤ ������������������ ⊥ ������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������ ������ ������ ������ ������������ (13) Combining equations (6)-(13) with the following two NCPs we can combined the Dynamic Traffic Assignment, Departure Time, Modal Split, Nested Modal Split, and Trip Distribution (NCPDUE-TD-NMS-MS-DTA-DT): 0 ≤ ������������������������������ ⊥ ������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������ ������ ������ ������ ������ ������������ (14) ������ ������������ 0 ≤ ������������������ ⊥ ������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������ ������ ������ ������ ������ ������������ (15) ������
  • 18. Combining equations (6)-(15) with the following two NCPs we can combined the Dynamic Traffic Assignment, Departure Time, Modal Split, Nested Modal Split, Trip Distribution, and Trip Generation (NCPDUE-TG-TD-NMS-MS-DTA-DT): 0 ≤ ������������������ ⊥ ������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������ (16) ������ ������������ ������ ������ ������ ������������ ������ ������������ 0 ≤ ������ ⊥ ������(������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) ≥ 0, ∀������, ������ ������ ������ ������ ������������ (17) where the decision variables are defined as follows: ������������������������������ ������������������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������ , ∀������, ������, ������, ������ , ������������������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ , ∀������, ������, ������, ������ ������������������������������ ������������������������������ ������������������������ ������������������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ , ∀������, ������, ������, ������ , ������������������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������ ≠ ������ , ∀������, ������, ������, ������ ������������������������ ������������������ ������������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ , ∀������, ������, ������, ������������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������ ≠ ������ , ∀������, ������, ������ ������������������ ������������ ������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ , ∀������, ������ , ������������������ = ������������������ , ∀������, ������, ������ ≠ ������ , ∀������, ������ ������������������������������ = (������������������ , ∀������, ������, ������ ≠ ������), ∀������, ������, ������������������ = (������������������������ , ∀������), ∀������, ������ ������ ������������ ������ ������������ ������������������ = (������������������������ , ∀������), ∀������, ������, ������ = (������������������������ , ∀������, ������) ������ ������������ ������������ ������������������ ������������ ������������������ = min������ ����������������������� , ∀������, ������, ������ ≠ ������, ∀������, ������, ������, ������������������ = min������ ����������������� , ∀������, ������, ������ ≠ ������, ∀������, ������ ������������ ������������ ������������������������ = min������∈������ ������������ ����������� , ∀������, ������ ≠ ������, ∀������, ������, ������������������������ = min������∈������������������ ����������� , ∀������, ������ . ������������ ������������ ������ ������
  • 19. Similarly to the formulation of Ban et al. (2008), all Φs functions can be defined as follows: ������������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) = ������ ������ ������ ������������ ������������������������������ 3,������������������������������ ,������ ������������������������������ (������������ ������������������������������ + {������������ ������������������������������ ������ℎ ������ ������ ������������������������ ������ +1 ������ ������ ������������������������ ������ −1≤ ������ <������ ∆ +[1 − ������3,������������������������������ ������ ,������ ������������������������������ ������������������������ ]������ℎ ������ ������ ,������ +1 ������������������������������ } − ������ℎ ������ ������ ), ∀������, ������, ������), ∀������, ������, ������, ������ (18) ������������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) = ������ ������ ������ ������������ ������������������������������ ������������������������������ ( ������������������ – ������������������ ������������������ ������ − { [������1,������������������������ ������ ������ ������������������������������ ������2,������������������������������ ������ ,������ ������������������������������ ������������������������ ������������������ ������ ������������������ ������ ������������������������ ������ ������������������������������ ������������������������ ������ +1 ������ :������������ ≤ ������ −1 Δ<������������ ������������������������������ 1,������������������������ ������ +1 ������������������������ ������ +1 + ������������ ������������������������������ 1 − ������2,������������������������������ ������ ,������ ������������������������������ ������������������ ]}, ∀������, ������, ������), ∀������, ������, ������, ������ (19) where ������������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) = ������ ������ ������ ������������ ������������������������������ ������������������������ ������������ − ������������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ ∀������, ������, ������, ������ (20) ������������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) = ������ ������ ������ ������������ lo lonmk lo ������������������������������ exp( As ) ������������������ − ( lo S ilo E ilo ) i is 0 , ∀������, ������, ������ ≠ ������ ∀������, ������, ������, ������, ������ exp ( θ ilo lonmk is lo As ) s Dilo n lo is m lo Mn k lo Km (21) ������������������������������ Equations (21) ensure that if the demand ������������������ and a period time ( departure time ) ������ is positive it should be given by the MSTEM combined trip generation, trip distribution, modal split, and the departure time deman model (function) mentioned before. Following the same concept we can define all others ������ ‘s and ������ ‘s functions where all ������ ‘s given by MSTEM model equations.
  • 20. ������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) = ������ ������ ������ ������������ ������������������ ����������������������� − ������������������ ������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ ∀������, ������, ������ (22) ������������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) = ������ ������ ������ ������������ exp( θ ilo lonmk is lo As ) lo k Km lonm d is lon d is 0 ∀������, ������, ������, ������ , ∀������, ������, ������ ≠ ������ (23) exp( θ ilo lonmk is lo As ) lo lo m M n k Km ������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) = ������ ������ ������ ������������ ������������ ����������������� − ������������������ , ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ ������������ ∀������, ������ (24) ������������������ ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������ ������ ������ ������ ������������ = exp( θ ilo lonmk is lo As ) lo lo lon lo m M n k Km lo d is d is 0 , n is , is R lo , l L, o O exp( θ i lo lonmk is A lo s ) lo lo lo n is m M n k Km , ∀������, ������, ������ ≠ ������ (25) ������������������ ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������ ������ ������ ������ ������������ = ������ ������������ ������������ ����������� − ������������ ������������ , ∀������, ������, ������ ≠ ������ ∀������, ������ (26)
  • 21. ������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) = ������ ������ ������ ������������ ������ exp( θ ilo lonmk is lo As ) lo lo lo lo lo n m Mn k Km d is ( S ilo E ilo ) is 0 is R lo , l L, o O exp( θ i lo lonmk is A lo s ) s Dilo n lo is lo m Mn k lo Km , ∀������, ������ ≠ ������ (27) ������������������ (������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������) = ������ ������ ������ ������������ ������ ������������ ������������ ������������ ������������ − ������������ ������������ , ∀������ ∀������, ������ (28) ������ ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������ ������ ������ ������ ������������ = ([ S ilo max 0, ln exp ( θ ilo lonmk is lo As ) 0] i I lo , l L, o O (29) s Dilo n lo is lo m Mn k lo Km Theorem: The NCPDUE-TG-TD-NMS-MS-DTA-DT model (6) - (17) has a nonempty and compact solution set if the following four conditions are satisfied. (a) The link travel time is positive and finite for any finite ������; (b) ������1 is bounded from above; ������������������������������ (c) ������������������ ∀������, ������, ������, ������ ≠ ������ ������������������ ∀ ������, ������, ������, ������ is positive and bounded from above; and (d) ������������������������������������ , ������������ ������������������������ , ������������������������������������ , ������������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ ������������ are ������ ������������ ������ ������ ������������ continuous with respect to ������ ������������������������ , ������ ������������������������ , ������������������������������ , ������ ������������������������ , ������ ������������������ , ������ ������������������ , ������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������ . ������������ ������ ������ ������ ������������
  • 22. 5. Solution Algorithm we presented a heuristic approach to solve the link-node based simultaneous Trip Generation (TG) - Trip Distribution (TD) - Nested Modal Split (NMS) - Modal Split (MS) - Dynamic Trip Assignment (DTA) - and Departure Time (DT) Model (NCPDUE-TG-TD-NMS-MS-DTA-DT). The solution convergence condition of the algorithm cannot be established mainly due to the fact, as shown in the definitions of functions ������������������������������������ , ������������������������������������ , ������������������������������������ , ������������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������������ , ������������������ ������ ������������������ ������������������ ������������ in Equations (18)-(19), that the model is not close-formed. However, for a given demands vectors ������������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������������������ , ������������������ (called base demand) and its ������ ������������������ resulting inflow vector ������������������������������ (called base inflow), all the indicator functions and the exit times (e) can be calculated and fixed via a so-called dynamic network loading procedure (see Ban et al. 2008). This leads to the so-called relaxed sub-problems that are explained in details in the appendix.
  • 23. DSTEM Algorithm: Step 1: Initialization. Assign a base demands vectors ������������������������ (������) ������������������ (������) ������������ (������) ������������ (������) ������������ (������) (������) ������ , ������ , ������ , ������������������������ , ������������������������ and a base inflow vector ������������������������������ Step 2: Major Iteration. Set ������ = ������. Step 2.1: Construct and solve RNCPDUE-DTA (A1) - (A2). Repeat this (������) ������������ times. Each time using ������������������������������ as the fixed demand. For the first (������) time, use ������������������������������ as the base inflow. For other times, use inflow from the previous solve as the base inflow. Denote the final inflow (after (������) ������������ the solves) as ������������������������������ . Step 2.2: Construct and solve RNCPDUE-DTA-DT (A5) - (A8). Repeat this ������������������������ (������) ������������ times. For the first time, use ������ as the base inflow and use (������) ������������������������������ as the initial demand. For other times, use inflow and demand obtained from the previous solve as the base inflow and initial demand. ������ Denote the final inflow and demand (after the ������������ solves) as ������������������������������ ������������������������ ������ and ������ respectively.
  • 24. Step 2.3: Construct and solve RNCPDUE-DTA-DT-MS (A10) - (A15). Repeat (������) (������) this ������������ times. For the first time, use ������������������������������ and ������������������������������ as the (������) base inflow and base demand respectively and use ������������������������ as the initial demand. For other times, use inflow and demands obtained from the previous solve as the base inflow and initial demand. Denote the final (������) (������) inflow and demands (after the ������������ solves) as ������������������������������ , ������������������������������ , and (������) ������������������������ respectively. Step 2.4: Construct and solve RNCPDUE-DTA-DT-MS-NMS (A17) - (A24). (������) (������) Repeat this ������������ times. For the first time, use ������������������������������ , ������������������������������ , and (������) (������) ������������������������ as the base inflow and base demands respectively and use ������������������ as the initial demand. For other times, use inflow and demand obtained from the previous solve as the base inflow and initial demand. Denote (������) the final inflow and demands (after the ������������ solves) as ������������������������������ , (������) (������) (������) ������������������������������ , ������������������������ , and ������������������ respectively. Step 2.5: Construct and solve RNCPDUE-DTA-DT-MS-NMS-TD (A26) - (������) (A35). Repeat this ������������ times. For the first time, use ������������������������������ , (������) (������) (������) ������������������������������ , ������������������������ , and ������������������ as the base inflow and base demands (������) respectively and use ������������������ as the initial demand. For other times, use ������������������ inflow and demand obtained from the previous solve as the base inflow and initial demand. Denote the final inflow and demands (after the ������������ (������) (������) (������) (������) (������) solves) as ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ , ������������������ , and ������������������ respectively . ������������
  • 25. Step 2.6: Construct and solve RNCPDUE-DTA-DT-MS-NMS-TD-TG (A37) - (A48). (������) (������) (������) (������) Repeat this for ������������ times. For the first time, use ������������������������������ , ������������������������������ , ������������������������ ,������������������ , (������) (������) and ������������������ ������������������ as the base inflow and base demands respectively and use ������������������ as the ������������������ initial demand. For other times, use inflow and demand obtained from the previous solve as the base inflow and initial demand. Denote the final inflow and (������) (������) (������) (������) (������) demands (after the ������������ solves) as ������������������������������ ,������������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , ������ ������������ (������) and ������������������ ������������������ respectively . Call them the candidate solution Step 2.7: Convergence Test. If certain convergence criterion is satisfied at the candidate solution, go to Step 3; otherwise, go to Step 2.8. Step 2.8: Update and Move. Set (������+������) (������) ������ ������ ������������������������������ = ������������������������������ + ������(������������������������������ − ������������������������������ ) (������+������) (������) ������ ������ ������������������������������ = ������������������������������ + ������(������������������������������ − ������������������������������ ) (������+������) (������) ������ ������ ������������������������ = ������������������������ + ������(������������������������ − ������������������������ ) (������+������) (������) ������ ������ ������������������ = ������������������ + ������(������������������ − ������������������ ) (������+������) (������) (������) (������) ������������������ ������������������ = ������������������ ������������������ + ������(������������������ ������������������ − ������������������ ) ������������������ (������+������) (������) (������) (������) ������������������ ������������������ = ������������������ ������������������ + ������(������������������ ������������������ − ������������������ ������������������ ) Set n = n + 1 and go to Step 2.1. (������) (������) (������) (������) (������) (������) Step 3 Find an optimal solution ������������������������������ ,������������������������������ , ������������������������ , ������������������ , ������������������ , and ������������������ ������������������ ������������������
  • 26. In Step 2.1 and 2.2 of DSTEM Algorithm, the calculation of the indicator functions and exit times are done via dynamic network loading, as detailed in Nie and Zhang (2005) and Ban et al. (2008). The relaxed sub-problems RNCPDUE-DTA and RNCPDUE-DTA-DT, RNCPDUE-DTA-DT-MS, RNCPDUE-DTA-DT-MS-NMS, RNCPDUE-DTA-DT-MS-NMS-TD, and RNCPDUE-DTA-DT-MS-NMS-TD-TG are solved directly by the PATH solver in GAMS (Ferris and Munson 1998). For detailed discussions, one can refer to Ban et al. (2008) In Step 2.7, there are several commonly used gap functions that can be used in the convergence test. The first one is based on the difference of the candidate solution and the base solution. In particular, we can check whether the following condition holds: ������ ������ ������ ������ ������ ������ ������������������������ = ������������������������������ − ������������������������������ + ������������������������������ − ������������������������������ + ������������������������ − ������������������������ ������ ������ ������ ������ ������ ������ ������������ ������ ������������ ������ ������ − ������ + ������������������ ������ ������������ − ������������������ ������ ������������ + ������������������ ������ ������������ − ������������������ ������ ������������ < ������������ ∀������, ������ (30) ������ ������ ������ ������ ������ ������ ������ ������ ������ Especially if ������������������������������ = ������������������������������ , ������������������������������ = ������������������������������ , ������������������������ − ������������������������ , ������ ������ ������ ������ ������ ������ ������������������ = ������������������ , = , and ������������������ = ������������������ we obtain a fix point solution ������������������ ������������������ ������������������ ������������������ ������������������ ������������������ to the original problem NCPDUE-DTA-DT-MS-NMS-TD-TG. We can also check directly the conditions of route choice, departure time choice, nest mode choice, mode choice from the nest, trip distribution choice, and trip generation choice by defining the second gap function: ������ ������ ������ ������ ������������������������ = ������������������������������ ������������������������������������ + ������������������������������ ������������������������������������ + ������������������������ ������������������������������ + ������������������ ������������������������ ������ ������ + ������������������ ������������������ ������������������������ + ������������������ ������������������ ������������������������ < ������������ ∀������, ������ (������������) ������������������ ������������������ Similarly, if ������������������������ = ������, both conditions are satisfied, the obtained candidate solution is indeed an optimal solution. In (30) and (31), ������������ and ������������ are both small scalars representing user-defined convergence accuracy.
  • 27. 6. Conclusions and Future Research In this paper we presented a link-node based discrete-time NCP model for DUE that combined multiclass trip generation, trip distribution, nested modal split, specific modal split, dynamic trip assignment and departure time (DMSTEM) in a unified formulation. This model combined the dynamic link-node based discrete-time NCP model that developed by Ban et al. (2008) and the static Multiclass Simultaneous Transportation Equilibrium Model (MSTEM) that developed b Hasan and Dashti (2007). We also developed an iterative solution algorithm for the proposed model by solving several relaxed NCP in each iteration.
  • 28. Most of the recent DUE models deal only with the traffic assignment and fixed demand flows between each O-D pair at each time period of the time horizon or an elastic dynamic demand (input to DTA models) that is usually modeled as departure- time choice for single user (traveler) class. To apply DTA with departure-time choice (DTA-DT) in practice, we require fixed demand flows between each O-D pair during the whole time horizon and the DTA-DT to be embedded in more comprehensive transportation planning framework that results in an inconsistence prediction process. The DMSTEM model will generate a better solution than this inconsistent prediction process within a comprehensive planning and operations framework.
  • 29. We would apply the DMSTEM and it solution algorithm to a prototype example to get more insight and implication of its predictions and validity. This prototype solution will encourage applying the model to real world transportation network. A comparative study between DMSTEM as a dynamic model and MSTEM as static model in term of their prediction accuracy and solution complexity is very desirable in the transportation planning in general and in particular, the Intelligence Transportation System (ITS). Transportation network analysis tools can be broadly categorized as static analysis tools and dynamic analysis tools. The former focuses on long-term, steady traffic states, often referred as the four-step demand analysis models (Sheffi, 1985), while the latter focuses on short-term, dynamic traffic states, often called dynamic network analysis or dynamic traffic assignment (DTA, see Peeta and Ziliaskopoulos (2001)). Traditionally, these two types of models have been applied in quite distinct scenarios: static tools for transportation planning purposes and dynamic tools for traffic operation purposes.
  • 30. It would be ideal to combine the planning and operation tools to address transportation problems in a more comprehensive manner. In practice, such combination has been recently experimented and tested. Examples include the corridor management plan demonstration project (CCIT, 2006) and the state-wide corridor system management plan that is currently underway in California, which aims to integrate long-term planning tools (such as the static four-step demand analysis models) with operational tools such as microscopic traffic simulation and dynamic traffic assignment. The ICM program by FHWA also focuses on combining different transportation analysis tools for integrated corridor planning and operations. Combining planning and DTA models in theory is not trivial because the two types of models are based on quite distinct assumptions. In this paper we present a combined model to simultaneously consider the origin, destination, mode, departure, and route choices of multiclass travelers.