沒有兩個地鐵系統的設計是相同的。紐約市隨意鋪設的鐵路系統與高度組織化的莫斯科地鐵（上圖）或東京的地鐵網路錯綜複雜的麵條狀結構明顯不同。每個系統的設計都是多種因素的結果，包括當地的地理環境、城市佈局和交通分佈、政治、文化和城市規劃的程度。
法國替代能源和原子能委員會的理論物理學家馬克·巴特萊米（Marc Barthelemy）說：“可能影響地鐵網路形狀的引數清單是無窮無盡的。”
但是巴特萊米對地鐵系統之間的差異不感興趣，他想找出它們所有的共同點。在5月16日發表在《皇家學會介面雜誌》上的一篇論文中，他和他的合著者得出結論，大型地鐵網路的幾何形狀受簡單、普遍的規則指導。
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一些科學家認為，地鐵網路是大型城市的一種湧現現象；每個網路都是多年來發生的數百個理性但非協調決策的產物。小型城市很少有地鐵網路，而25%的中型城市（人口在100萬到200萬之間）卻有地鐵網路。而且，世界上所有的特大城市——人口在1000萬或以上的城市——都有地鐵系統。
巴特萊米說，如果地鐵是城市的湧現屬性，“你可以忽略細節”。這正是他在這項新研究中所做的。他的團隊分析了世界上所有擁有100多個車站的地鐵網路的幾何形狀——包括巴塞羅那、北京、柏林、芝加哥、倫敦、馬德里、墨西哥、莫斯科、紐約市、大阪、巴黎、首爾、上海和東京——而沒有試圖控制政治、人口密度或規劃方面的差異。他說，如果地鐵的發展受湧現屬性支配，那麼這些細節已經編碼在結構中。
為了瞭解每個網路如何隨時間演變，研究人員將每個新興系統的幾何形狀與其現代佈局進行了比較。明尼蘇達大學的交通工程師大衛·萊文森（David Levinson）說：“分析表明，隨著這些系統變得越來越大、越來越成熟，它們會收斂到相似的拓撲結構。”他沒有參與這項研究。
研究人員發現了三個簡單的特徵，這些特徵使得世界各地的地鐵系統拓撲結構相似。
首先，地鐵網路可以分為一個核心和分支，就像一隻長著許多腿的蜘蛛。“核心”通常位於城市中心下方，其車站通常形成環形。分支則更具線性，從核心向各個方向延伸。
其次，分支的長度往往是核心寬度的兩倍左右。核心越寬，分支就越長。車站更多的地鐵系統往往有更多的分支。分支的數量大致與車站數量的平方根相對應。
最後，核心中平均有20%的車站連線兩條或多條地鐵線路，方便人們換乘。
巴特萊米說，他的團隊不知道是什麼因素在引導地鐵網路遵循這些通用規則；也許這些規則最大限度地提高了效率。例如，過多的分支或連線將是多餘的並且會不必要地增加成本。相反，分支過少會減少網路服務的區域範圍，而連線點過少會降低出行效率。
當然，當地因素可能會導致與規則的一些偏差。紐約市的地鐵系統沒有明確的環形核心；巴特萊米認為，原因可能是核心的形狀受到圍繞市中心的東河和哈德遜河的限制——曼哈頓這個狹長的島嶼。
莫斯科地鐵也是一個特例，它的分支長度是核心的三倍，並且有 50% 的核心車站連線多條線路。萊文森將這些差異歸因於蘇聯時代強大的中央規劃；相比之下，許多其他城市的網路是由私人公司以零碎的方式建造的。
儘管如此，巴特萊米認為，如果當地因素對地鐵網路的形狀產生了最強大的影響，那麼該團隊就不會發現這些普遍規則。“對我來說，這意味著有一些普遍的機制可以克服當地的細節，”他說。
但是，“問題是，它們在多大程度上遵循這些規則？”萊文森問道。“如果每個城市的地鐵網路都具有完全相同的特徵，那麼很明顯這些規則非常強大。”因為它們並不完全相同，所以這表明當地的細節也有助於塑造網路。萊文森說，瞭解這些差異的來源也很重要。
巴特萊米認為這些規則是普遍的，但適用於不同的環境。在未來的實驗中，他計劃將新發現的規則插入模擬中，將它們應用於不同的地理環境中。他說，如果規則是正確的，那麼模擬一個湖泊周圍的網路增長將產生一個類似於芝加哥的網路。
萊文森說，瞭解地鐵網路如何增長和演變，有一天可能會有助於設計更好的系統。