面向航空交通系統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)是研究真實(shí)復(fù)雜系統(tǒng)的一門新興學(xué)科，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。網(wǎng)絡(luò)在自然界和人類社會(huì)中無(wú)處不在，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)研究打破了學(xué)科之間的界限，跳出了傳統(tǒng)還原論方法的限制，從整體上研究復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能特性，為研究真實(shí)復(fù)雜系統(tǒng)提供了有力且方便的工具。
　　 從1914年美國(guó)首次開(kāi)通坦帕到圣彼得斯堡的定期航班開(kāi)始，航空交通做為一種新興的交通運(yùn)輸方式便以其顯著的速度優(yōu)勢(shì)得到人們的青睞。航空交通正以其“高速”、

2、“安全”、“機(jī)動(dòng)”的特點(diǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中承擔(dān)著重要的支撐作用，并且在災(zāi)難應(yīng)急救援等重大戰(zhàn)略行動(dòng)中發(fā)揮著不可替代的重要作用。
　　 航空交通系統(tǒng)可以很自然地表示以網(wǎng)絡(luò)表示。宏觀層次上，機(jī)場(chǎng)視為頂點(diǎn)，航線視為連邊；微觀層次上，飛行器視為頂點(diǎn)，飛行器之間的探測(cè)關(guān)系視為連邊。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)理論為研究航空交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)特性，緩解和消除航空交通擁塞，優(yōu)化飛行器飛行效率，提高飛行安全性提供了新的分析視角與研究方法。本文以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

3、與網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，從宏觀和微觀兩個(gè)層面對(duì)飛行器沖突解脫問(wèn)題展開(kāi)研究。首先對(duì)航空系統(tǒng)的交通態(tài)勢(shì)與演化性進(jìn)行宏觀分析，從源頭上降低飛行器沖突的發(fā)生概率；然后對(duì)飛行器沖突解脫問(wèn)題進(jìn)行微觀建模，研究其網(wǎng)絡(luò)演化博弈性，提煉解決這一問(wèn)題的若干規(guī)則與策略，為有效處置飛機(jī)沖突解脫問(wèn)題提供理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)支撐。
　　 本文首先基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)1950年至2009年的中國(guó)航空網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)中國(guó)航空網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模與拓?fù)涮匦员３只痉€(wěn)定

4、，而客貨流量則服從指數(shù)增長(zhǎng)。航空交通運(yùn)輸流量的急劇增加使得航空交通擁塞成為亟待解決的難題。航空交通擁塞不但會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)嚴(yán)重影響航空交通安全，使空中飛行的危險(xiǎn)性大大增加。然后使用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)交通動(dòng)力學(xué)理論對(duì)航空網(wǎng)絡(luò)上的宏觀交通擁塞行為進(jìn)行了深入的研究，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整資源分配，有效提高了網(wǎng)絡(luò)的交通容量，對(duì)降低飛行器沖突發(fā)生概率具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。
　　 宏觀交通擁塞的分析與研究可使航空流量分布得更加均衡；但是，局部的飛行器

5、沖突仍然可能頻繁發(fā)生。科學(xué)的飛行器沖突解脫方法對(duì)于航空交通的安全性和高效性至關(guān)重要。本文將飛行器沖突解脫問(wèn)題抽象為網(wǎng)絡(luò)演化博弈動(dòng)力學(xué)模型，然后系統(tǒng)研究了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)策略、博弈模型等因素的影響，具體包括：
　　 (a)深入研究了異質(zhì)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)行為的影響，在此基礎(chǔ)上提出一種特定控制機(jī)制。通過(guò)在博弈模型中引入權(quán)重參數(shù)，來(lái)體現(xiàn)飛行器探測(cè)范圍的差異，然后在此模型的基礎(chǔ)上實(shí)施囚徒困境博弈的演化，發(fā)現(xiàn)權(quán)重分布對(duì)系統(tǒng)合作行為有著密切的聯(lián)

6、系。系統(tǒng)中個(gè)體的探測(cè)半徑分布異質(zhì)化程度越高，網(wǎng)絡(luò)的異質(zhì)化程度就越高，合作頻率越高，飛行器發(fā)生沖突的可能性就越低。然后研究了異質(zhì)化網(wǎng)絡(luò)中牽制控制的作用，發(fā)現(xiàn)特定牽制拉制機(jī)制在異質(zhì)化網(wǎng)絡(luò)中可有效影響系統(tǒng)合作行為，說(shuō)明在自組織飛行器沖突解脫方法中引入一定的全局控制機(jī)制，可有效提高飛行器沖突解脫的性能。
　　 (b)在博弈模型中引入飛行器異質(zhì)化因素，提出一些可改善飛行器避讓性能的博弈模型。通過(guò)修改博弈模型中的收益矩陣來(lái)體現(xiàn)飛行器之間的權(quán)

7、重差異，當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)為正時(shí)，權(quán)重大的飛行器以較小的代價(jià)進(jìn)行機(jī)動(dòng)避讓；當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)為負(fù)時(shí)，權(quán)重小的飛行器以較小的代價(jià)進(jìn)行機(jī)動(dòng)避讓。雖然調(diào)節(jié)參數(shù)為正時(shí)損害了眾多小權(quán)重飛行器的避讓代價(jià)，但是由于網(wǎng)絡(luò)反饋?zhàn)饔?，系統(tǒng)的總體性能得到了明顯的提高。同時(shí)，本文還提出了一種考慮環(huán)境因素的適應(yīng)度評(píng)估方法，也可有效促進(jìn)飛行器的合作行為。
　　 (c)提出一些可有效提高飛行器避讓性能的學(xué)習(xí)規(guī)則。沖突解脫演化博弈模型中，飛行器的策略學(xué)習(xí)規(guī)則起著至關(guān)重要的作用

8、。學(xué)習(xí)規(guī)則分為鄰居選擇和策略學(xué)習(xí)兩個(gè)步驟。提出了一種非線性優(yōu)先鄰居選擇策略，發(fā)現(xiàn)向優(yōu)勢(shì)個(gè)體學(xué)習(xí)比向劣勢(shì)個(gè)體學(xué)習(xí)的合作頻率要高，但是過(guò)于向優(yōu)勢(shì)個(gè)體傾斜也會(huì)抑制系統(tǒng)的合作行為；提出了一種基于歷史信息的策略學(xué)習(xí)方法，發(fā)現(xiàn)了適當(dāng)考慮歷史信息可有效提高飛行器的合作行為。
　　 本研究屬于航空、計(jì)算機(jī)、統(tǒng)計(jì)物理等多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域。本論文試圖從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)分析航空交通擁塞問(wèn)題與飛機(jī)沖突解脫問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)與提出解決這一問(wèn)題的若干規(guī)