没有两个地铁系统的设计是相同的。纽约市随意铺设的铁路系统与高度组织化的莫斯科地铁（上图）或东京的地铁网络错综复杂的面条状结构明显不同。每个系统的设计都是多种因素的结果，包括当地的地理环境、城市布局和交通分布、政治、文化和城市规划的程度。
法国替代能源和原子能委员会的理论物理学家马克·巴特莱米（Marc Barthelemy）说：“可能影响地铁网络形状的参数清单是无穷无尽的。”
但是巴特莱米对地铁系统之间的差异不感兴趣，他想找出它们所有的共同点。在5月16日发表在《皇家学会界面杂志》上的一篇论文中，他和他的合著者得出结论，大型地铁网络的几何形状受简单、普遍的规则指导。
支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来关于塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事。
一些科学家认为，地铁网络是大型城市的一种涌现现象；每个网络都是多年来发生的数百个理性但非协调决策的产物。小型城市很少有地铁网络，而25%的中型城市（人口在100万到200万之间）却有地铁网络。而且，世界上所有的特大城市——人口在1000万或以上的城市——都有地铁系统。
巴特莱米说，如果地铁是城市的涌现属性，“你可以忽略细节”。这正是他在这项新研究中所做的。他的团队分析了世界上所有拥有100多个车站的地铁网络的几何形状——包括巴塞罗那、北京、柏林、芝加哥、伦敦、马德里、墨西哥、莫斯科、纽约市、大阪、巴黎、首尔、上海和东京——而没有试图控制政治、人口密度或规划方面的差异。他说，如果地铁的发展受涌现属性支配，那么这些细节已经编码在结构中。
为了了解每个网络如何随时间演变，研究人员将每个新兴系统的几何形状与其现代布局进行了比较。明尼苏达大学的交通工程师大卫·莱文森（David Levinson）说：“分析表明，随着这些系统变得越来越大、越来越成熟，它们会收敛到相似的拓扑结构。”他没有参与这项研究。
研究人员发现了三个简单的特征，这些特征使得世界各地的地铁系统拓扑结构相似。
首先，地铁网络可以分为一个核心和分支，就像一只长着许多腿的蜘蛛。“核心”通常位于城市中心下方，其车站通常形成环形。分支则更具线性，从核心向各个方向延伸。
其次，分支的长度往往是核心宽度的两倍左右。核心越宽，分支就越长。车站更多的地铁系统往往有更多的分支。分支的数量大致与车站数量的平方根相对应。
最后，核心中平均有20%的车站连接两条或多条地铁线路，方便人们换乘。
巴特莱米说，他的团队不知道是什么因素在引导地铁网络遵循这些通用规则；也许这些规则最大限度地提高了效率。例如，过多的分支或连接将是多余的并且会不必要地增加成本。相反，分支过少会减少网络服务的区域范围，而连接点过少会降低出行效率。
当然，当地因素可能会导致与规则的一些偏差。纽约市的地铁系统没有明确的环形核心；巴特莱米认为，原因可能是核心的形状受到围绕市中心的东河和哈德逊河的限制——曼哈顿这个狭长的岛屿。
莫斯科地铁也是一个特例，它的分支长度是核心的三倍，并且有 50% 的核心车站连接多条线路。莱文森将这些差异归因于苏联时代强大的中央规划；相比之下，许多其他城市的网络是由私人公司以零碎的方式建造的。
尽管如此，巴特莱米认为，如果当地因素对地铁网络的形状产生了最强大的影响，那么该团队就不会发现这些普遍规则。“对我来说，这意味着有一些普遍的机制可以克服当地的细节，”他说。
但是，“问题是，它们在多大程度上遵循这些规则？”莱文森问道。“如果每个城市的地铁网络都具有完全相同的特征，那么很明显这些规则非常强大。”因为它们并不完全相同，所以这表明当地的细节也有助于塑造网络。莱文森说，了解这些差异的来源也很重要。
巴特莱米认为这些规则是普遍的，但适用于不同的环境。在未来的实验中，他计划将新发现的规则插入模拟中，将它们应用于不同的地理环境中。他说，如果规则是正确的，那么模拟一个湖泊周围的网络增长将产生一个类似于芝加哥的网络。
莱文森说，了解地铁网络如何增长和演变，有一天可能会有助于设计更好的系统。