航空交通系统的交通复杂性研究

航空交通系统的交通复杂性研究

王海波

西北空中交通管理局    陕西西安    710082

摘要：随着民航的迅速发展和建设，航空交通系统中的运输开始变得越来越复杂。在此背景下，对于航空交通系统交通复杂性的分析能够为民航交通运输系统的改进提供一定的基础。

关键词：空中交通系统；空中交通；复杂性；航线网络

前言：为能促进民航业的快速发展，有必要认识航空交通系统中交通的复杂性，并梳理各种航空交通系统间的联系，在空中运行环境与管理人员的工作中找到平衡点，从而为航空交通系统的平稳运行提供相应的理论保障。基于此，本文对航空交通系统交通复杂性进行分析后，能够为空中交通系统中航班设计提供相关的计算方法，确保航班设置的科学性和合理性。

1、终端区交通流复杂性测度分析

空中交通网络中发生的拥挤主要发生在机场和终端区所在位置，导致这一现象的原因主要是空域容量约束问题，而终端区又是受容量约束最严重的区域。

1.1近似熵，联合熵模型的建立与检验

1.1.1时间序列逼近熵模型算法

时间序列的近似熵模型算法实际上就是在一维时间序列内，开展多维空间重新组合，维数从n在增加到n+1情况下，出现新型时间序列可能性。计算时间序列近似熵模型时，先进行时间序列长度、待构造空间维度的判定，再进行不同矢量间距离的判定，最后根据时间序列定义计算时间序列近似熵模型。

1.1.2检验模型参考顺序

将模型应用于检测过程的参考序列分为两类，即混沌方程和白噪声序列，然后完成对模型的检验操作以确保分析研究的有效性。并在近似熵与联合熵模型的基本条件下，划分了航空交通系统复杂性的区间，划分出的区间是最后空中交通流系统度量结果的参考准则，这就使得不同航空交通系统在交通复杂性上的比较也变得较为方便。

1.1.3对计算结果进行了检验

根据前文的检验计算流程进行近似熵与联合熵的计算后发现时间序列的长度基本被限制在500附近。近似熵最大数值和白噪声序列时间相似，并且近似熵最大数值要远远超过混沌系统数值。借助于对比方式可看到不同时间序列近似熵值的变化情况，能直观地显示航空交通系统的真实性和复杂性。

1.2交通流数据采集

本论文中用于航空交通系统交通复杂性分析的资料均来自西部地区的一个机场。交通流描述的4大指标是车头间距，流量，速度和密度。这4项指标中最易收集到的是车头间距。机场作为民航的重要中心，要求飞机必须完成专用跑道的起降作业，减少飞机到达跑道所需时间，在此背景下，必须要计算飞机起降所需时间差，然后客观地反映终端区的复杂状况。

借助于终端区原始时间序列近似熵与联合熵的计算结果可发现终端区于航空交通系统中交通复杂性介于周期序列与随机序列间，同时说明终端区表现出航空交通系统内部混沌的特征。航空交通系统中不同时段内，时间序列联合熵的计算结果偏差较大，也说明了不同时段内联合熵的计算后，能客观地反映航空交通系统交通复杂性。

2、在对空中交通复杂度进行分析的基础上

2.1航空交通复杂度

航空交通系统管理的关键因素是航空交通的复杂度。航空交通复杂度与航空交通系统的高效稳定运行具有密切的联系，还能够为空域的规划与管理提供相关的数据依据。借助航空交通复杂度，提前预测航空交通所能够承受的复杂性，进而在针对空域上，借助针对性管理措施，将该空域航空交通系统的交通复杂性控制在合理范围内。

2.2空域航路容量

随着航空交通数量的日益增多，为预防航空发生高峰的状况，航空交通管理中心在每个时段都会制定大量的管理措施继而确保交通流的相对均一。空域航路容量受很多因素的影响，最关键的因素是工作人员工作载荷。工作人员工作载荷还受很多因素的制约，如航空交通序列。空域管理其实是借助于动态的手段来对不同时段的交通流进行调解，使空域的利用率达到最大化。工作人员工作载荷其实是主观因素，能够集中反映航空交通复杂度。空域如果是密度运行的，那么当航空交通复杂度的预测结束后，从战略上或战术上就更易于进行航空交通流的管理。基于此，航空交通复杂度预测结束后将有助于航空自动化辅助系统的开发。图二显示了在同一飞机数条件下不同飞机的飞行方向不同，空域中呈现出的复杂度有明显差异。

2.3应用航空交通复杂度对空域进行了合理的规划

空域经过再规划后能够确保空域各时段的复杂度是均匀的。当借助于度量衡量某个空域复杂度时，通过与周边空域复杂度进行比较，就能判断出这个空域管制人员误判的概率。这一判断数值是航空服务管理人员非常关注的问题，它可作为安全分析的资料，并针对空域中容易发生事故的点进行着重分析。

3、以复杂网络为基础，对航线网络进行可靠性分析

3.1实证数据的采集和加工

本论文在进行航线网络可靠度分析的研究时，应用的数据是一家航空公司的航班分布，并以机场为结点，两机场为航班网络的线，构造了航线网络示意图。

3.2航空公司的航线网络结构

社会网络数据的分析和处理流程主要采用UCINET软件进行。本软件能分析网络的中心性和凝聚性，有的甚至可用于二维标度分析中，那么本论文的分析同样适用于UCINET软件包。

UCINET软件在对航空公司航班数据整合之后，发现网络节点数量为198个，边数为1347条，整个航线网络十分复杂。为了能够表现出不同航线之间所存在的层次关联，进而构建了航线骨干网络，借助加权网络形式，航线骨干网络节点数变为103个，变数变为435条。根据航线分布的现实条件，本研究分析出的各航空公司的航线网络具有明显的层次性，是一种典型的复合式路径网络形态。

3.3网络可靠性分析

在进行航线网络的可靠性分析时，需要选取合理的攻击方式，目前阶段主要适用于恶意攻击方式和随机攻击方式的攻击行为。根据以上的分析，说一家航空公司的航线网络是没有标度的，极容易受到攻击，但仍能保持稳定的运行状态，即应对攻击的弹性很大。

航线网络中的节点去掉多个后，当路径长度显著变化时，平均路径也会显著改变，处于介数优先策略的过渡下，航线的平均路径长度由逐步增加的状态再慢慢减小。主要受网络划分中多个子系统的影响，不同子系统间没有联系[2]。

4、复杂性与安全性

空中交通管理中最主要的任务是切实保障与推动空中交通安全性，因此一切空中交通管理对策在执行以后一定要考虑到针对安全标准所形成的功效尺寸。从全面的见解来说，空中交通安全性潜在风险主要包括人为要素，设施，自然环境及管理。但这些风险要素主要表现为上空道路交通事故（撞击），安全事故症型，工作中错漏和其他不安全事件数。具体工作是，由于上空道路交通事故数据信息总数非常少，一般以空中交通趋势下航行矛盾频次作为空中交通安全标准的度量指标。为了能体现航行矛盾所发生的激烈性，科研人员又进一步明确提出矛盾风险性评价指标，如航行矛盾所发生的不断时间和航天器间距与间隔规范间的偏差度等，为综合性勾勒空中交通趋势的安全性水平奠定基础。可是，这类过分强调航行矛盾危险性趋势评价方法忽略了很多并没有航行矛盾而空中管制员仍需要常常分派或目前没有航行矛盾但在遭受少许随机因素影响下产生很多难以预测的飞行矛盾情景。而是建立在空中交通多元性核心理念里的空中交通趋势可以客观地描绘这种安全指标所无法量化的空中交通趋势，这也是空中交通趋势更实质、更专业的描绘。事实上，在空中交通多元性科学研究前期，根据更客观地体现磁道容积这一突破口，学者们已鉴别出除开潜在冲突以外很多非安全消防空中交通多元性因素，如扇区域内航天器总平飞时长、航天器的平均速率、航天器航行方向更改数量等。

结语

民航业飞速发展的同时，监视技术和导航技术也得到了迅猛发展，随之航空交通系统交通复杂性显著增加。本论文针对航空交通系统中交通复杂性问题展开综合分析，着重研究复杂度和复杂网络的相关理论，并将其应用于航空交通系统中量度分析，并以一家航空公司为例，实证检验了航空交通系统中交通的复杂性，并通过对航线网络的规范化，期望能对航空交通系统的发展有所裨益。

参考文献：

[1] 王红勇,温瑞英,赵嶷飞.空中交通复杂性与管制员通话负荷的相关性研究[J].中国科技论文,2015,(07):755-759.

[2] 陈旭光,冯宇.对内蒙古公路交通综合运行分析系统建设的思考[J].内蒙古公路与运输,2013,(02):65-67.