题目：大规模复杂航路网络运行优化及应用研究

航路网络是支撑一个国家或地区空中交通管理系统的核心骨架，是实现空中交通安全、有序运行的重要基础设施。随着航空运输业的快速发展和空中交通总量的持续增加，航路网络运行中逐步暴露出结构不合理、容量饱和、运行效率降低等问题，由此导致的空中交通拥堵和航班延误现象也日渐加剧，制约了航空运输的可持续发展。通过改善航路网络布局及空中飞行流量、实现航路网络运行优化，已成为提高空中交通运行效率、缓解空中交通拥堵、突破航空运输发展瓶颈的关键所在。 航路网络运行优化的实质是通过航路网络时空间资源与飞行流量需求的相互匹配，达到航路网络安全、高效运行的目标。目前主要有两类实现方法：一是改善航路网络拓扑结构以提升运行容量，二是合理调控飞行流量以疏导交通拥堵。但是，由于航路网络运行空间跨度大、构成要素多，且动态性和内在关联性强，随着飞行流量密度的加大和网络拓扑结构的加快调整，航路网络交通拥堵波及效应凸显；孤立的网络结构优化或孤立的飞行流量调控的方式存在很大局限性，难以有效解决大规模复杂航路网络运行中资源与需求动态匹配的问题。因此，航路网络结构与飞行流量的协同优化已成为近年来国际空管学术界和工业界的热点方向之一。欧美航空发达国家在各自的下一代航空运输系统规划与建设中，都将这一研究列为未来空中交通管理系统的技术突破点。 本文面向民航航路网络安全、高效运行的迫切需求，围绕大规模复杂航路网络运行优化，以“运行机理分析——优化方法设计——实际应用验证”为总体思路，通过对航路网络运行的统计分析，揭示航路网络运行的内在特征和交通拥堵的形成机理，提取航路网络运行优化的全局指导策略，进而设计航路网络结构与飞行流量的协同优化框架，重点解决大规模航路点联合布局优化、广域飞行流量实时调控两个关键性问题，并结合中国航路网络运行与规划设计的实际对相关的技术方法进行验证，为构建大规模复杂航路网络运行优化的系统解决方案奠定理论与技术基础。 论文的主要研究内容及创新性工作包括： 1、针对大规模航路网络运行特征和交通拥堵形成机理复杂的问题，分别从网络拓扑复杂性和飞行流量复杂性两个方面对中国航路网络运行进行实证分析，提取了航路网络运行中拓扑结构的同质性和飞行流量分布的异质性特征；建立了航路网络的交通模型，分析了航路网络交通由自由态到拥堵态的相变过程，基于交通相变点给出了航路网络运行容量的理论估计，为大规模复杂航路网络运行优化提供了理论与实证分析基础。 2、针对大规模同质航路网络结构与动态异质飞行流量分布难以实现优化匹配的问题，分析了航路网络结构与飞行流量分布之间的内在耦合关系，设计了满足航路网络运行容量最大化的飞行流量均衡路径选择策略，提出了航路网络结构与飞行流量的双层协同优化框架，考虑航路网络运行安全、效率及容量等目标，建立了上层航路网络结构设计模型和下层飞行流量优化调控模型，给出了航路网络初始拓扑生成、飞行流量分配、航路段避让设计等问题的解决方法，为航路网络结构与飞行流量的协同优化提供一个全新的技术框架。 3、针对航路网络协同运行优化中大规模航路点联合布局（CWLP）的难题，建立了兼顾运行安全性和经济性的双目标优化问题模型；针对问题大规模、强关联等特点，提出了种群全局启发式搜索与个体局部启发式搜索相结合的求解算法（MAPP）；在全局搜索中设计了飞行流量均衡路径选择策略指导的多目标粒子群算法，避免全局搜索的盲目性；在局部搜索中引入问题模型中两个目标函数对航路点位置的作用特点，设计了基于航路点“推”、“拉”策略（P-P）的启发式搜索算子，提高了局部搜索效率。基于中国航路网络实际运行数据的实验验证表明：MAPP算法可有效解决大规模CWLP问题，且性能优于经典多目标进化算法。 4、针对航路网络协同运行优化中广域飞行流量实时优化调控（MATFOP）的难题，建立了同时考虑航班延误和交通拥堵的飞行流量优化调控问题的数学模型，支持地面等待、空中改航等多种飞行流量调控策略；针对问题高维度、难分解且实时性要求高等特点，基于时空分治的思想提出了航班飞行路径与起降时隙的协同分配算法（RTA）：设计了起降时隙平移算子和缩放算子，实现飞行流量的“削峰填谷”；提出了实现管制扇区网络负荷均衡的飞行路径分配判据，提高了算法求解效率。基于中国航路网络实际运行数据的实验验证表明：RTA算法求解性能优于传统算法，且满足实时性要求。 将上述研究成果应用于中国民航航路网络规划与设计的实践中。设计并开发了航路网络辅助规划系统，实现航路点联合布局、航班飞行计划优化编排、航路网络运行性能评估等功能；利用该系统设计了全国骨干航路网络布局方案，并通过了中国民航局组织的评估论证，结果表明：方案非直线系数由现行的1.11降至1.05，网络运行效率和运行安全得到了明显提升，方案对于指导我国航路网络建设、缓解航路交通拥堵具有重要意义。