● 摘要
随着空中交通运输业量的快速发展，已有的空中交通网络逐步暴露出飞行流量趋于饱和、交通拥堵日益严重等问题，大规模航班延误现象时有发生，不仅造成巨大的经济损失，而且严重影响飞行安全。飞行流量管理通过先期的航班计划和实时的飞行流量控制等措施，减少不同航班对有限的航路资源和时刻资源的使用冲突，进而保障空中交通系统的安全、有序运行，因而是解决空中交通拥堵问题最有效的技术手段。
覆盖整个空中交通网络的广域飞行流量调控是飞行流量管理的核心技术。由于广域飞行流量调控对象空间跨度大、构成要素多，且流量分布的动态性和内在关联性强，传统的局部飞行流量调控方法往往难以取得满意效果。为满足航空运输业快速发展的需求，针对空中交通网络全局性拥堵问题的广域飞行流量调控已成为国际空管领域研究的一个重点。
本文以广域飞行流量调控方法为研究对象，以“运行规律挖掘——调控策略设计——实际数据验证”为整体思路，基于空中交通网络的交通动力学模型，从均衡空中交通网络的广域飞行流量分布和优化空中交通网络拓扑结构两方面入手，重点研究了航班飞行路径选择、航班优先级分配和空中交通网络拓扑结构优化等关键问题，从宏观层面给出了广域飞行流量调控的解决方案。
论文的主要工作与创新点包括：
（1）针对广域飞行流量分布与空中交通网络结构难以实现均衡匹配的问题，提出了一种基于节点资源利用率的航班飞行路径选择策略，实现了广域飞行流量在空中交通网络中的均衡分布。结合空中交通网络的运行特征，构建了空中交通网络的交通动力学模型，分析了空中交通网络由交通自由态到拥堵态的相变过程，给出了空中交通网络运行容量的理论估计；在此基础上，设计了一种基于节点资源利用率的航班飞行路径选择策略。仿真实验表明，该路径选择策略较好地实现了广域飞行流量在空中交通网络中的均衡分布，可以有效提升空中交通网络的运行容量。
（2）提出了一种基于交通信息的航班动态优先级分配策略，实现了广域飞行流量调控中大规模航班的优先级有序分配，提高了空中交通网络在交通拥堵态下的运行效率。设计的航班动态优先级分配策略基于空中交通网络的交通动力学模型，综合考虑了航班自身运行和空中交通网络整体运行的实时交通信息，使得空中交通网络中所有的航班根据该动态优先级的大小决定在节点等待队列中接受传输服务的顺序。仿真实验表明，基于交通信息的航班动态优先级分配策略虽然不能提升空中交通网络的运行容量，但是交通拥堵态下的网络平均传输时间、航班到达率和等待传输时间比等性能指标得到大幅度优化。
（3）针对现有空中交通网络拓扑结构难以满足日益增长的飞行流量需求的瓶颈问题，提出一种基于介数引导遗传算法的空中交通网络拓扑结构优化方法。该方法通过在原有空中交通网络的拓扑结构基础上增加分流航路，并以最小的航路增量代价，最大化地降低了空中交通网络的最大节点介数。仿真实验表明，该方法能够以较小的航路增量为代价，使空中交通网络的运行容量得到了提升。