论文题目：Similarity and economy of scale in urban transportation networks and optimal transport-based infrastructures
论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52313-6
期刊名称：Nature Communications
城市交通网络不仅是居民生活的核心，更直接影响着一个城市的效率、经济成本和可持续发展。然而，交通网络设计往往面临预算、地理限制等多种复杂需求的挑战。近日 Nature Communications 的一篇研究，提出了一种基于“最优输运理论”和“规模经济原则”的新方法，揭示了城市交通网络背后的共同优化特征。
与传统方法不同，这篇论文采用了一种“从零生成”的创新模式 Nextrout：研究者仅基于少量的起点和终点位置的输入信息，如城市中的居民区和商业中心，在二维平面上模拟出从无到有的网络设计过程。这种方法受自然界中黏菌行为的启发。这种黏菌能够动态调整自己的形态以最优路径连接食物源，其网络结构展现出与许多城市交通系统相似的效率和成本平衡。研究者通过将黏菌的动态行为数学化，设计了一套优化框架，其中参数β起到了关键作用：当 β = 1 时，网络接近最短路径设计；当 β > 1 时，网络倾向于更分支化的设计，更符合规模经济原则。通过调整 β 的值，不仅可以模拟不同类型的交通网络，例如地铁、轻轨或铁路系统，还能探索优化的交通网络在效率、成本和流量分布上的权衡。
为了验证该方法的实际效果，研究者对来自全球18个城市的交通网络（包括地铁、轻轨和铁路系统）进行了分析。结果发现，尽管这些城市的交通系统在设计目标和地理环境上各不相同，但通过调整参数 β ，模拟网络在多个关键属性，如路径长度、分支密度和流量分布上与真实网络高度一致。这不仅验证了该方法的通用性，还提供了对现有交通网络进行优化的新思路。
这项研究不仅在理论上提出了理解交通网络优化的新框架，还对实际的城市规划和交通系统设计有多重重要意义：1）从零设计交通网络：在新兴城市或基础设施较少的地区，可以帮助城市规划者设计成本低、效率高的交通网络；2）优化现有网络：通过与模拟网络的对比，可以发现现有交通系统的不足，提出优化建议；3）多样化应用场景：该方法还可以用于研究铁路、公路和航运网络的优化，甚至适用于物流系统或生物网络。
彭晨 | 编译
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