摘要：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

关键词：交通网络优化，规模经济，最优输运理论，黏菌模型

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。

图 1. (a) 给定一组真实的经纬度坐标，表示原点（绿色）和目的地（红色），目标是构建一个网络结构。(b) 该网络结构与实际这些点之间的公共交通网络非常相似。(c)-(e) 通过连接原点和目的地来构建网络结构的直观方法。(f)-(h) 基于最优输运方法提取的网络。通过调整β参数捕获不同的优化机制：(f) 网络是最短路径结构，(g)-(h) 展示了分支输运方案的示例。

图 2. Nextrout生成的不同网络拓扑示例（黄色），与相应的实际网络（蓝色）。绿色节点代表原点(O)，红色节点代表目的地(D)。所有网络只有一个目的地 D =1，TL为每个网络的边数。

图 3. 真实和模拟网络的主要输运特性的值。模拟网络覆盖了更大范围的属性值，因此可以选择属性值比相应真实网络更低或相当的模拟网络。

彭晨| 编译

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来源：小林说科技