航空网络运行安全优化与管理

The goal of this project is to ensure an efficient and safe operation of air transportation networks. This project also explores risk propagation mechanisms in air transportation networks, taking into account the decision-making environment of each operation stage, the internal relationship between safety and efficiency indicators intra/inter-stages. The project proposes multi-stage and multi-objective cooperative optimization and decision-making schemes for air transportation networks as well. .The research content mainly includes four parts. First, based on the operational characteristics analysis and risk propagation mechanisms in air transportation networks, this project studies the safety risk assessment method for the network operation. Second, according to different decision-making environment and operational characteristics, collaborative optimization of airspace structure design and route network traffic assignment methods are proposed in the strategic stage, and flight re-scheduling optimization methods with update information are proposed in the tactical stage. Third, aircraft collision detection and hedging methods for dense flights are studied. Fourth, an integrated safe operation decision-making simulation and verification platform is built, and typical case studies are conducted..Overall, this project fully considers dynamic and uncertain characteristics of air transportation network operation and combines complex system analysis, risk management and multi-objective optimization methods, and then systematically proposes network safety operation optimization strategies. The research results have important theoretical and practical guiding values for the optimization and management of air transportation network operation. It's also extremely valuable for multi-stage collaborative optimization and decision-making in other complex systems.

本项目以实现航空网络安全和高效运行为目标，挖掘航空网络运行风险传播机理，考虑运行各阶段的决策环境、各阶段内和阶段间安全与效率指标的内在关联性，提出航空网络运行多阶段、多目标协同优化决策方案。研究内容主要包括四个方面，第一，基于航空网络运行特征分析和风险传播机理挖掘，研究航空网络运行安全风险评估方法；第二，根据决策环境和特征的不同，分别研究战略阶段空域结构设计与航路网络流量分配协同优化，以及战术阶段基于更新信息的航班重调度优化；第三，研究密集飞行下航空器冲突探测与避险方法；第四，构建安全运行决策综合仿真验证平台并进行典型案例分析。 .本项目充分考虑航空网络运行的动态与不确定性特征，将复杂系统分析、风险管理、多目标优化等方法融合，系统化地提出航空网络运行安全优化的策略和方法。研究成果对航空网络运行安全优化与管理具有重要的理论与实践指导价值，对其他复杂系统多阶段协同优化决策也具有重要的参考价值。

为了保障航空网络安全且高效运行，本项目以航空网络运行安全优化与管理为研究对象，构建“运行安全风险评估-高效多阶段调控方法设计-综合运行仿真验证平台开发”的系统级研究框架。开展了以下四个方面的研究：.（1）航空网络运行机理挖掘及安全风险评估。分析了航空网络运行时航班、机场及扇区之间的相互影响动态特性，构建了航空网络安全风险量化指标体系，挖掘了系统运行安全风险传播机理，建立了航空网络安全风险级联传播模型。.（2）战略和预战术阶段航空网络运行决策协同优化方法。构建了空域结构优化与飞行流量调配双层多目标优化数学模型，设计了大规模高效优化求解算法，生成了大批次无冲突航班飞行计划；揭示了终端空域网络中到达交通流的动态行为，建立了不确定条件下的机场网络时隙分配模型，生成了联合调度的鲁棒性策略。.（3）密集飞行下航空器冲突探测与避险方法。建立了基于历史飞行数据的航迹预测的模型，提出了基于统计机器学习模型的航迹预测方法，提出了实时规划避撞路径算法与分布式冲突解脱算法。.（4）航空网络安全运行的综合仿真验证平台与案例分析。提出了基于数字栅格时空数据集成的可视化模型，在仿真场景中得到真实航迹数据和优化航迹数据，并进行了综合评估与验证。.本项目充分考虑航空网络运行的动态与不确定性特征，将复杂网络、风险管理、多目标优化等方法综合使用，系统化地提出航空网络运行安全优化的策略和方法。同时考虑了无人机融入国家空域系统的发展趋势，丰富了研究内容和研究成果，研究成果对航空网络运行安全优化与管理具有重要的理论与实践指导价值。