空中航路交通流网络级联失效建模与管控方法研究

This research focuses on the basic scientific problems of chain effects of air route failures and intelligent control. In allusion to the adverse effects on the aviation safety, the performance and efficiency of air route network caused by air route failure propagation, the development of a double layer dynamic network air route traffic flow, the spatial and temporal distribution of traffic demand of air route network, air route network cascading failures modeling and the intelligent control method are studied in this research. Key technologies such as evolutionary dynamics modeling of air route network traffic flow, complex network theory based air route network cascading failures modeling and large-scale air route network traffic flow optimization under uncertain condition are emphatically studied. The research results can provide methodological guidance and technical support for promoting the capacity of air transportation system, improving the operational efficiency of air route network and facilitating the intelligent air traffic management.

课题聚焦空中航路失效链式效应及其智能管控基础科学问题，针对航路失效的可传播性对航路网络性能、运行效率以及航空安全的恶劣影响，研究航路-交通流协同运行双层动态网络构建、航路网络交通需求时空分布建模、航路网络级联失效模型与关联性分析以及静态预防与动态控制相融合的航路网络级联失效智能管控等问题，重点突破航路网络交通流演化动力学模型构建、基于复杂网络理论的航路网络级联失效建模以及不确定条件下大规模航路网络交通流优化控制等关键技术。研究成果能为提升空中交通运输系统保障能力、提高航路网络运行效率、推动智能化空中交通管理提供方法和技术支持。

本项目提出了空中航路网络失效链式传播机理建模与管控方法，能为确保航空持续安全、提升航路网络运行效率、促进民航节能减排提供重要支持。首先，构建了航路-交通流协同运行双层动态网络，为航路失效链式传播搭建了网络运行环境；其次，分别提出了基于深度学习算法和航路网络交通流演化动力学模型的交通需求建模方法，实现了流量需求和容量需求的建模、分析和预测，为航路级联失效建模及管控研究提供方法支持和数据基础；接着，提出了空中航路网络级联失效链式传播建模与分析方法，针对失效航段构建了流量重新分配模型，进而建立面向失效传播的航路网络交通流演化动力学模型，在此基础上，提出空中航路网络级联失效链式传播模型，描述航路级联失效链式传播与航路结构、交通流动态推演、流量重新分配之间的动态耦合过程，实例分析验证了所提方法有效性，揭示了航路失效沿航路交通流双层动态网络层内扩散、层间渗透的链式传播微观机理；最后，提出了静态预防与动态管控相融合的航路网络级联失效链式传播管控方法，静态预防方法从网络结构、网络性能的角度出发，提出了基于失效全周期的网络性能评价方法，用于分析航路级联失效作用下网络性能的演化过程，预判航路失效对网络结构和网络性能的影响，从而识别关键航段，提前制定最优恢复策略，动态管控方面，提出了航路网络交通流动态管控优化模型，实现了空域系统层面大规模交通流动态优化控制，能有效避免航路失效及其链式效应的负面影响，同时提升运行效率、促进节能减排。本项目所提方法能显著提升航路失效链式传播效应的感知与管控能力，助力构建安全、高效、绿色的民航运输系统。