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城市道路网络中的交通出行遵循着与神经和植物分支类似的交通权衡原则。

Travel in city road networks follows similar transport trade-off principles to neural and plant arbors.

机构信息

The Salk Institute for Biological Studies, Integrative Biology Laboratory , La Jolla, CA 92037 , USA.

出版信息

J R Soc Interface. 2019 May 31;16(154):20190041. doi: 10.1098/rsif.2019.0041.

DOI:10.1098/rsif.2019.0041
PMID:31088262
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6544892/
Abstract

Both engineered and biological transportation networks face trade-offs in their design. Network users desire to quickly get from one location in the network to another, whereas network planners need to minimize costs in building infrastructure. Here, we use the theory of Pareto optimality to study this design trade-off in the road networks of 101 cities, with wide-ranging population sizes, land areas and geographies. Using a simple one parameter trade-off function, we find that most cities lie near the Pareto front and are significantly closer to the front than expected by alternate design structures. To account for other optimization dimensions or constraints that may be important (e.g. traffic congestion, geography), we performed a higher-order Pareto optimality analysis and found that most cities analysed lie within a region of design space bounded by only four archetypal cities. The trade-offs studied here are also faced and well-optimized by two biological transport networks-neural arbors in the brain and branching architectures of plant shoots-suggesting similar design principles across some biological and engineered transport systems.

摘要

工程和生物运输网络在设计时都面临着权衡。网络用户希望能够快速从网络中的一个位置到达另一个位置,而网络规划者则需要在基础设施建设中最小化成本。在这里,我们使用 Pareto 最优理论研究了 101 个城市的道路网络的这种设计权衡,这些城市的人口规模、土地面积和地理位置各不相同。使用一个简单的单参数权衡函数,我们发现大多数城市都位于 Pareto 前沿附近,并且比其他设计结构预期的更接近前沿。为了考虑可能重要的其他优化维度或约束条件(例如交通拥堵、地理位置),我们进行了高阶 Pareto 最优性分析,发现大多数被分析的城市都位于由四个典型城市限定的设计空间区域内。这里研究的权衡也被大脑中的神经树突和植物茎分枝结构等两个生物运输网络所面临和很好地优化,这表明一些生物和工程运输系统具有相似的设计原则。