基于功能脆弱性的空中交通相依网络流量分配

依据空中交通管理与航班运行规则,采用复杂网络理论构建由机场、航路与管制扇区组成的相依网络模型,建立不同扰动策略的影响规则,提出以网络流量熵和交通流损失比变化率为指标识别网络功能脆弱性。并以网络总流量熵最小为目标,建立基于改进遗传算法的网络流量协调分配策略,以降低空中交通相依网络的脆弱性。以民航华北地区空域为原型,发现了其相依网络脆弱性表现规律和脆弱源,采用遗传算法求解网络流量分配方案,优化结果降低了网络总熵值和功能脆弱性,其中机场网络流量分配后效果最为显著,验证了方法的有效性,研究结果可为空中流量管理决策提供一定的理论支撑。     

终端区战术(流量)管制辅助决策系统

终端区战术管制辅助决策系统是通过科学的算法对空中交通流量进行合理控制的方法,它的最大好处是帮助管制员避免飞行冲突,减少航班延误国内外现状近年来,伴随着民航运输业的飞速发展,空中交通流量的增长很快。现有的空域结构、航线、航路的网络布局、通信导航设备等管制条件难以适应空中交通流量的快速增长,导致在我国的某些机场、终端区及航路交叉点出现了较为频繁的飞行冲突,管制员的工作也变得十分紧张、繁重。特别在北京、广州、上海机场和进近区域这种情况尤为突出。 终端区战术（流量）管制是指在终端区内空域同时存在多个航班…     

航路网络生成及优化

空中交通流运行的安全性和成本取决于航路网络结构。基于节点度实现航路网络枢纽节点和干线节点分层,利用全局耦合生成主干网络,运用距离连接概率实现干线节点社区化,采用连接概率生成社区网络;采用DBSCAN聚类算法,基于角度和距离实现航路网络优化;以中国大陆空域为例,实现了主干航路网络和局部干线航路网络的生成及优化,验证了方法的可行性。在与相关研究对比,基于节点度的枢纽节点选取更加客观合理,所构建的分层航路网络结构符合机场点的分布特性,采用DBSCAN聚类算法优化效率明显提高。     

突发事件下大规模空中交通流量管理的组合优化模型

为了解决危险天气和军航活动对管制运行的影响，使用动态网络流方法对突发事件下短期空中交通流量调度问题展开研究。首先，结合中国民航管制的特点，分析了突发事件对流量管理的影响。同时，根据航路航线网络及其高度层的特点，给出了网络和高度层的数学描述，并根据机型将航空器分成大、中和小3种交通流，介绍了使用多品种流描述3种机型的必要性；其次，根据网络拥挤程度随时间和流量变化的特点、危险天气随机变化的特点、空中等待和地面等待费用差异的特点构建了3个优化目标，考虑机场容量、扇区容量、航班连续性和扇区连续性约束建立了多目标优化模型；再次，针对军航活动时需要协调空域的特点，多品种流模型求解时间复杂度高，不能适应短期流量管理的缺陷，改进了逐步宽容约束法，设计了一种阶段式求解的近似算法；最后，以西南空管局管制的空域为例，利用实际流量数据，设计了3个场景进行仿真。结果表明，所提模型和算法能有效求解突发事件下的短期流量调度问题，算法效率比起传统算法在大流量下更具优势。     

空中交通网络模体识别及子图结构韧性评估

研究空中交通网络的结构特征是理解网络性质的重要手段。从局部角度出发,以构成空中交通网络的子图结构为研究对象,对其模体特性进行识别。通过对子图浓度在外界扰动下的变化情况进行分析,提出子图结构韧性概念以表征网络拓扑结构的动态演化规律。以华东地区空中交通网络为例,对低阶子图结构进行了模体特性识别,并对不同扰动下子图结构韧性的变化情况进行评估。实证结果表明,子图结构的模体特性符合空中交通网络的实际连通度需求;在网络受扰动及恢复过程中,子图相对浓度较为稳定,子图结构韧性和网络宏观结构变化之间较为一致。对于揭示节点间连接的偏好及航路结构合理性,网络受扰动及恢复过程背后的底层机制,网络整体与局部结构之间的关系等有着一定的研究意义。     

航路网络关键节点优化与“三区”避让设计方法

针对提高空中交通航路网络运行效率的问题,本文提出了航路网络关键节点优化与"三区"避让设计相结合的网络设计方法。首先,给出了航路网络关键节点优化与"三区"避让设计的模型,并利用遗传算法对航路网络设计问题进行了求解;应用分析表明:优化设计后的航路网络相比现行航路网络,在运行成本、非直线系数、连接度、可达性等性能指标上均有大幅改善,从而证明该方法的正确性。     

基于进离场流量和冲突发生位置的扇区规划

随着空中交通流量的日渐增大，空域结构及交通流分布的不合理性导致空中交通管制与飞行安全存在着一定的隐患。鉴于机场进近区是限制空域运行能力的主要瓶颈，针对如何提高空域资源利用率从而提升空域容量进行了进近区扇区规划，提出了考虑飞行流量、冲突发生的位置以及空域运行情况等因素建立的扇区容量均衡模型，利用霍夫曼编码原理进一步找到了扇区边界，并验证了方法的科学性和合理性。     

进化算法在航路飞机排序中的应用

讨论了空中交通流量管理中在航路交汇点上的飞机排序问题。利用进化思想建立航路交汇点的数学模型,在遵循飞机尾流间隔要求的情况下,找到更合理的飞机通过航路交汇点的次序。算法采用特殊的进化算子和目标函数,以便能够满足空中交通管制实时性的要求。仿真结果表明,该算法排序效果好、效率高,达到了预期目的。     

空管扇区开放计算机辅助决策模型及算法

从空中交通管制需要出发,管制空域常被划分成一些扇区,每个管制扇区由一组管制员负责。当空域情况、交通特性一定时,管制自动化中的一个问题是如何确定扇区开放的形式和数量使得既满足空管服务要求,又在管制员的可承受工作强度之内,且占用资源最少。针对上述问题,本文提出了基于排队论的计算机辅助决策模型和算法,并通过实例给予了验证说明。     

空域扇区网络级联失效抗毁性及优化策略

应用复杂网络理论,从系统层面研究空域扇区网络的级联失效抗毁性,提出空域扇区网络级联失效抗毁性优化策略,以提升空域扇区网络级联失效抗毁性。首先,定义空域扇区网络节点负载和容量,分析空域扇区网络级联失效过程并建立模型,确立临界阈值和扇区非正常率为级联失效测度指标。然后,根据管制扇区运行特点,提出2种优化策略——基于扇区节点剩余容量的相邻负载再分配策略和局部负载再分配策略。通过仿真,分析了参数变化规律与网络抗毁性的关系,证明局部负载再分配策略可以大幅提升空域扇区网络级联失效抗毁性。     

民用机场及附近空域空中交通流量优化

针对民航客运需求快速增长所带来的航班延误和空域拥塞问题,提出一种优化民用机场及附近空域空中交通流量的方法。通过空中交通走廊容量评估方法,对经典优化模型进行了发展和改进,建立起综合性优化模型;将机场和附近空域视为一个整体系统,根据交通需求和容量的相互关系动态调整航班流量和机场起降容量;在优化计算时,提出一种兼顾效率和准确性的新型优化算法。通过算例对所述优化方法进行了验证,该方法可以为空中交通管制人员进行流量优化分配提供参考。     

An evolutionary computational framework for capacity-safety trade-off in an air transportation network

Airspace safety and airport capacity are two key challenges to sustain the growth in Air Transportation. In this paper, we model the Air Transportation Network as two sub-networks of airspace and airports, such that the safety and capacity of the overall Air Transportation network emerge from the interaction between the two. We propose a safety-capacity trade-off approach,using a computational framework, where the two networks can inter-act and the trade-off between capacity and safety in an Air Transport Network can be established. The framework comprise of an evolutionary computation based air traffic scenario generation using a flow capacity estimation module(for capacity), Collision risk estimation module(for safety) and an air traffic simulation module(for evaluation). The proposed methodology to evolve air traffic scenarios such that it minimizes collision risk for given capacity estimation was tested on two different air transport network topologies(random and small-world) with the same number of airports. Experimental results indicate that though airspace collision risk increases almost linearly with the increasing flow(flow intensity) in the corresponding airport network, the critical flow depend on the underlying network configuration. It was also found that, in general, the capacity upper bound depends not only on the connectivity among airports and their individual performances but also the configuration of waypoints and mid-air interactions among conflicts. Results also show that airport network can accommodate more traffic in terms of capacity but the corresponding airspace network cannot accommodate the resulting traffic flow due to the bounds on collision risk.     

恶劣天气条件下航路网络修复优化

针对恶劣天气条件下可用空域资源不足导致的航班大面积延误问题,基于复杂网络修复理论和交通流分配理论,借鉴交通网络设计思想提出了一种航路网络修复优化策略。首先,建立了航路网络修复场景,基于气象信息生成了恶劣天气飞行受限区。然后,建立了上层模型以修复成本最低为目标函数、下层模型为多约束交通流分配模型的双层规划修复模型,应用改进粒子群算法对模型整体进行求解,结合K最短路径算法对下层模型进行求解。最后,提出局部和全局两类指标对航路网络修复效果进行评估。基于典型航路网络,以两类基础修复策略为对比方法,同时对比了实际运行结果,研究了不同修复策略的修复效果和适用性。仿真结果表明：航路网络修复优化策略既能弥补原有拓扑结构修复策略的结构受限不足,又能解决拓扑结构调整修复策略带来的巨额协调费用问题,能够保证在对正常运行航班干扰最小的同时,以最小的修复成本使所有受影响的航班都恢复正常运行,对于减缓航路拥堵和航班延误有极大的意义。     

Percolation transition in temporal airport network

The air transportation system has a critical impact on the global economy. While the system reliability is essential for the operational management of air traffic, it remains challenging to understand the network reliability of the air transportation system. This paper focuses on how the global air traffic is integrated from local scale along with operational time. The integration process of air traffic into a temporally connected network is viewed as percolation process by increasing the integration time constantly. The critical integration time T_P which is found during the integration process can measure the global reliability of air traffic. The critical links at T_P are also identified, the delay of which will influence the global integration of the airport network. These findings may provide insights on the reliability management for the temporal airport network.     

Analyzing the multilevel structure of the European airport network

The multilayered structure of the European airport network (EAN), composed of con-nections and flights between European cities, is analyzed through the k-core decomposition of the connections network. This decomposition allows to identify the core, bridge and periphery lay-ers of the EAN. The core layer includes the best-connected cities, which include important business air traffic destinations. The periphery layer includes cities with lesser connections, which serve low populated areas where air travel is an economic alternative. The remaining cities form the bridge of the EAN, including important leisure travel origins and destinations. The multilayered structure of the EAN affects network robustness, as the EAN is more robust to isolation of nodes of the core, than to the isolation of a combination of core and bridge nodes.     

空中交通流量优化管理

研究了空中交通流量管理中的机场流量最优化问题,提出了解决目前日益严重的拥塞问题的一种方案,将机场流量利用最优化问题分解为两个子问题,以折考虑解的最优性及求解复杂性,针对两个子问题,提出了一种折考虑解的最优性及求解复杂性的线性规划数学模型,利用该模型,可以最有效地发挥系统功能,同是保证飞机飞行过程的有效隔离,最后,还给出了具体的实例分析,证实了所建模型的实用性。     

中欧枢纽机场航班协同放行需求与对策研究

随着中欧之间航空运输量的不断增加,中欧几个主要枢纽机场之间互飞的航班量增长迅速,从欧洲空中交通流量管理系统发展的经验来看,协调枢纽机场航班放行时间可以显著地减少空域拥挤,减少航班延误,提高航班的正常性和可预测性.尝试从分析中国北京首都机场等几大枢纽机场中欧之间航班飞行流量、起降时刻出发,从减少中国枢纽机场拥挤的角度分析中欧协同放行的必要性,从航班和机场信息共享、协同放行机制等角度分析其可行性,以期望为进一步加强中欧航空合作打下基础.由于时间和数据限制,研究无法从欧洲空管角度做出类似的分析.