基于复杂网络理论的国家航路网络宏观结构评估与优化

The planning and design of the modern air traffic system often lags behind the rapid socio-economic development and the consequent enormous growth in passenger and cargo traffic, especially air traffic congestion brought about huge economic losses and security risks. The air traffic system is a giant complex system. In engineering, researchers only specific issue local adjustment, and do not take full account of the global aviation network. The actual effect is not ideal. Therefore, the theoretical study of the general trend of the air transport system based on network science is necessary. We introduce the complex network theory to analyze the national route network structure, and establish a flow-driven evolution network model. We’ll use synchronization dynamics method to determine the aviation network's transport capacity, and establish a the traffic flowing model to research the route network congestion and bottleneck identification. By combination of simulation experiments, we’ll establish a capacity assessment model based on the structural analysis, and study the effective way of the aviation network structure optimization and traffic management. These studies will provide decision supports in airspace capacity assessing, airspace planning and optimization, and the demonstration program of the airspace expansion.

现代航空交通系统的规划与设计往往滞后于高速发展的社会经济以及随之而来的巨大客货流量增长，尤其是航空交通系统的拥塞带来巨大的经济损失和安全隐患。航空交通系统是一个巨型复杂系统，目前工程领域主要是采用“头痛医头，足痛医足”的做法，只针对具体问题进行局部、小范围的调整，未充分考虑航空网络的全局性，实际效果并不理想。因此，从网络系统科学的角度对航空交通系统的总体态势进行理论研究是非常有必要的。我们引入复杂网络理论从系统的角度对国家航路航线网络进行结构分析,建立基于流量驱动的网络结构演化模型。采用同步动力学方法判断航空网络的输运能力,并建立交通流模型,进行航路网络拥堵与瓶颈识别研究。我们还在结构分析的基础上建立容量评估模型,与仿真实验相结合，深入研究航空网络结构优化与流量管理的有效办法,为评估大范围复杂空域运行容量和空域规划及优化、新（改）扩建机场空域方案论证等提供决策支持与依据。

航空运输系统在国民经济发展和全球一体化进程中发挥着重要的作用。由于其安全、舒适、便捷的运乘模式，航空运输越来越受到人们的青睐。在宏观层面，航空运输系统可以很自然地通过复杂网络进行描述。节点表示机场或者航路点，连接边表示航线或者航段。权重表示旅客流量或航班架次量。我们利用复杂网络理论研究航空运输系统的网络结构和演化机制，有助于探索其发展规律。在微观层面，机场、航路及空域容量无法满足民航客流量的快速增长，空中交通拥堵在这些关键节点经常发生，这会提升航空器发生飞行冲突的风险并降低空管运行效率。我们以航空运输系统基础设施中的一个机场及其附近的进近管制区为研究对象，研究局部空域容量的瓶颈因素、空中交通流量分布以及流量控制方法，以缓解空中交通拥塞，提高空管运行安全与效率。.1. 具有权重标度行为动力学涨落的复杂网络模型构建及其在航空网络中的应用. 我们提出了一个航空网络动力学涨落的复杂网络模型，该模型中航线权重增长率的对数表达式服从指数分布。该模型可以量化模拟出美国、中国、欧洲、巴西等真实航空网络的拓扑结构特征。.2. 航空/航路网络的结构特征分析与模拟. 我们提出了分布在平面空间网格内的双层航空/航路网络模型。通过航空网络中的航线连接驱动航路网络中的航路点连接，在平面规则网格上通过导航台进行最短路径搜索连接，以模拟航路网络演化。模型模拟的网络反映出了中国航路网络的基本结构特征。.3. 非持续繁忙空中流量时尾随间隔策略的建模与计算. 我们根据非持续繁忙飞行流量时的进近管制区容量，计算出按比例分配原则的尾随间隔策略。并以武汉进近管制区为实例，计算不同运行模式下跑道与相应进近管制区的容量，然后计算出非持续繁忙时段下20分钟和1个小时的流量控制尾随间隔，最后根据评价结果制定相应的流量控制措施，验证了所提模型和方法的可行性与适用性。