多扇区空中交通复杂性扩散机理及控制策略研究：基于复杂网络视角

Along with the rapid development of civil aviation, the intensified complication of air traffic has led to a sudden increase of control pressure. As a result, the stubbornly high frequency of flight delays and safety events becomes a characteristic of the current flight operations. In this project, based on the existing research on single-sector air traffic complexity, we investigate the measuring methods, diffusion mechanism and control strategies of air traffic complexity in multi-sector systems from the perspective of complex network. First, a two-layer network model characterizing the multi-sector air traffic operation is built. Then the network-based measuring methods for multi-sector air traffic complexity are studied. Second, a two-layer linked simulation model of complexity diffusion is built and used to simulate how air traffic complexity is diffused from local to global sectors and from single to multiple sectors. The mechanism of air traffic complexity diffusion is clarified. Third, multi-sector complexity controlling methods are discussed by using strategies such as between-sector flight transfer and within-sector flight trajectory plans. This project will help to build a theoretical framework for research on air traffic complexity and thus compensate for the limitations in the basic research of air traffic management. This project also will help to essentially eliminate the air traffic complexity and thereby improve the operational efficiency of air traffic control systems and reduce operational risks.

随着航空运输的快速发展，日益复杂的空中交通使管制压力陡增，以致居高不下的航班延误率、频频发生的不安全事件成为当前空中交通运行的典型特征。在前期对单扇区空中交通复杂性研究的基础上，本项目将从复杂网络视角对多扇区系统中空中交通复杂性的测度方法、扩散机理及控制策略进行研究。主要包括：一、构建反映多扇区交通运行特征的双层网络模型，从网络角度研究多扇区空中交通复杂性的系统化测度方法；二、构建基于两层联动的复杂性扩散传播仿真模型，推演分析复杂性从扇区局部到扇区整体、从单个扇区到多个扇区的扩散传播以及多扇区复杂性涌现行为过程，厘清空中交通复杂性扩散传播机理；三、通过扇区间航班移交、扇区内航迹规划等策略探讨多扇区复杂性控制方法。本研究不但有助于建立空中交通复杂性研究的理论框架，弥补空中交通管理领域基础性研究的不足，同时也有助于从根本上化解空中交通复杂程度，从而提高空中交通管理系统运行效率、降低运行风险。

随着航空运输的快速发展，日益复杂的空中交通使管制压力陡增，以致居高不下的航班延误率、频频发生的不安全事件成为当前空中交通运行的典型特征。当前的航路管制空域以管制扇区为单元进行组织，航班运行的全过程涉及多个管制扇区之间的协调和移交。只有对多扇区系统内大范围交通态势进行系统性评估和监测，才可能从宏观上平衡扇区间复杂性、优化多扇区交通流，从根本上提升空中交通管理系统服务能力。本项目面向民航空中交通管理的实际运行需求，以大型区域管制中心实施中高空管理的多扇区系统为研究对象，在复杂动态空中交通态势的宏观-微观网络建模基础上系统研究了空中交通复杂性扩散传播机理，并提出空中交通复杂性控制策略。首先、构建了反映中高空空域多扇区空中交通运行特征的宏观层-微观层网络模型，从网络角度研究了多扇区空中交通复杂性的系统化测度方法，探讨了复杂性热点区域及关键航班的识别及评价方法；二、基于动态网络构建了空中交通复杂性在多个航路管制扇区的传播仿真模型，并基于上海区域管制中心的实际雷达数据统计分析了空中交通复杂性的传播特征；三、通过起飞时刻调整、扇区间航班移交、扇区内航迹规划等提出了多扇区复杂性控制方法，并研究了基于少量航空器航迹调整的空中交通复杂性牵制控制方法。仿真结果以及实际数据分析结果都表明，本研究可有效减少空中交通复杂程度且可使中高空管制扇区容量提升9%左右。总之，本研究成果有助于实施科学高效的空中交通管理，尤其可为多个中高空管制扇区之间航班协调决策提供科学依据。