项目名称航空交通系统网络化协同调控理论与方法

1、项目名称：航空交通系统网络化协同调控理论与方法推荐单位：北京航空航天大学推荐奖种：自然科学奖项目简介：世界航空交通正进入网络化协同运行阶段，统一调控是其安全有序运行的核心。然而，航空交通运行跨区关联、流量全局耦合等特性导致传统局部分立的调控方式成为制约航空运输业进一步发展的瓶颈。航空交通系统的统一调控是智能交通领域的国际前沿科学问题。本项目在国家自然科学基金等项目的支持下，采取航空交通、网络科学、信息科学多学科交叉融合的研究思路，历经十多年研究，构建了“航空交通系统网络化协同调控”的理论方法体系。主要科学发现如下：1、时变交通网络运行演化针对时变交通网络中流量-容量动态匹配关系难以准确表征的难

2、题，揭示了交通网络中交通环境与个体行为的共演化机理，给出了交通系统从自由态到拥堵态的相变判据，可定量计算任意给定区域运行容量的上界。针对航空运行实际，首次从航路网层次建立了交通网络运行演化模型，发现了我国航路网中存在的“结构-流量”异配节点，改变了长期以来“结构-流量匹配遵循指数关联”的片面认识。航空交通网络分析理论奠基人R.N. Mantegna教授在国际首篇航空网络综述论文中指出我们的工作是“最早的”；欧洲单一天空计划SESAR科学顾问A. Cook教授评价我们的工作“对航空交通调控是重要的，正获得广泛关注，揭示了航空交通的潜在瓶颈”。2、空间受限网络路径均衡针对空间受限网络中非均匀飞行流

3、量难以均衡调配的难题，揭示了博弈策略与空间网络多源路径的映射关系，建立了空间网络路径选择的博弈模型，通过非对称博弈机制实现了非均匀飞行流量的空间均衡；提出了博弈收益驱动的全局动态路径选择策略，实现了网络通行能力的自适应匹配，交通效率相比公认最优的有效路径选择策略提升了2倍。IEEE Fellow Chi K. Tse教授指出我们的路径选择策略是“自适应的”、“可以达到交通流量的均衡”。3、大规模网络分层协同调控针对大规模运行网络难以实时调控的难题，提出了大规模组合优化问题的层次解耦方法，设计了层次合作的非对称信息交互机制，解决了大规模优化中子问题分解与解重构的公认难题。针对我国民航运行实际，提

4、出了“航路点-航路段-扇区”分层协同优化调控方法，实现了大规模航空交通网络的精细化调控。IEEE Fellow R. Battiti教授评价我们的子问题解耦方法“拓展了大规模问题分解的传统框架”。相关研究首次将航空交通系统统一调控从航线网推进到航路网层次，引领美、英、德、意等航空强国的科学家遵循我们的思路开展后续研究，形成了一个新的“航路网络建模与优化”分支研究方向。10篇代表性论文SCI他引410次，1篇论文入选ESI高被引论文。3人担任8种相关领域国际期刊编委。项目成果成功应用于我国新一代空管系统重大工程建设中，将全国飞行流量统一调控从小时级提升到分钟级水平。项目执行期间，第一完成人成为杰

5、青/长江/万人，第二完成人入选中国科协首批青年人才托举工程，第四完成人入选教育部新世纪优秀人才，第五完成人成为中组部青年千人，第八完成人成为中国工程院院士。主要完成人情况：姓名曹先彬排名1技术职称教授工作单位北京航空航天大学完成单位北京航空航天大学对本项目主要学术贡献本项目负责人，指导并参与了本项目全部的研究，确定总体研究方向和方案。对发现点1、2、3均有重要贡献，是代表性论文1、4、10的通讯作者，代表性论文3的第一作者和代表性论文2的主要作者。主要学术贡献：建立了航路网层次的交通网络运行演化模型，发现了我国航路网中存在的“结构-流量”异配节点；建立了空间网络路径选择的博弈模型，实现了非均匀

6、飞行流量的空间均衡；提出了“航路点-航路段-扇区”分层协同优化调控方法，实现了大规模航空交通网络的精细化调控。投入此项研究的工作量约占本人所有工作量的80%。姓名杜文博排名2技术职称副教授工作单位北京航空航天大学完成单位北京航空航天大学对本项目主要学术贡献本项目主要合作者之一，对发现点1、2、3有重要贡献，是代表性论文3、7、9的通讯作者，代表性论文7的第一作者和代表性论文1、4的主要作者。主要学术贡献：揭示了博弈策略与空间网络多源路径的映射关系并得到了高效的网络博弈策略，设计了层次合作的非对称信息交互机制，解决了大规模优化中的解重构难题。投入此项研究的工作量约占本人所有工作量的80%。姓名胡

7、茂彬排名3技术职称副教授工作单位中国科学技术大学完成单位中国科学技术大学对本项目主要学术贡献本项目主要合作者之一，对发现点1、2有重要贡献，是代表性论文2、5的通讯作者。主要学术贡献：揭示了交通网络中交通环境与个体行为的共演化机理，给出了交通系统从自由态到拥堵态的相变判据，实现了网络通行能力的自适应匹配。投入此项研究的工作量约占本人所有工作量的70%。姓名唐珂排名4技术职称教授工作单位中国科学技术大学完成单位中国科学技术大学对本项目主要学术贡献本项目主要合作者之一，对发现点3有重要贡献，是代表性论文8的通讯作者和代表性论文10的主要作者。主要学术贡献：提出了大规模组合优化问题的层次解耦方法，解

8、决了大规模优化中的子问题分解难题。投入此项研究的工作量约占本人所有工作量的60%。姓名严钢排名5技术职称教授工作单位同济大学完成单位中国科学技术大学对本项目主要学术贡献本项目主要合作者之一，对发现点2有重要贡献，是代表性论文6的第一作者。主要学术贡献：建立了耦合强度可变的网络模型，支持了非均匀飞行流量的空间均衡。投入此项研究的工作量约占本人所有工作量的60%。姓名凌翔排名6技术职称副研究员工作单位合肥工业大学完成单位中国科学技术大学对本项目主要学术贡献本项目主要合作者之一，对发现点1、2有重要贡献，是代表性论文2、5的第一作者。主要学术贡献：给出了交通系统从自由态到拥堵态的相变判据，实现了网络

9、通行能力的自适应匹配。投入此项研究的工作量约占本人所有工作量的60%。姓名蔡开泉排名7技术职称讲师工作单位北京航空航天大学完成单位北京航空航天大学对本项目主要学术贡献本项目主要合作者之一，对发现点1、3有重要贡献，是代表性论文1、10的第一作者。主要学术贡献：支持建立了航路网层次的交通网络运行演化模型，联合提出了航路网协同优化方法。投入此项研究的工作量约占本人所有工作量的60%。姓名张军排名8技术职称教授工作单位北京航空航天大学完成单位北京航空航天大学对本项目主要学术贡献本项目主要合作者之一，对发现点2、3有重要贡献，是代表性论文4的第一作者和代表性论文10的通讯作者。主要学术贡献：揭示了博弈

10、策略与空间网络多源路径的映射关系，联合提出了航路网协同优化方法。投入此项研究的工作量约占本人所有工作量的60%。代表性论著目录：序号论文专著名称/刊名/作者年卷页码发表时间年月通讯作者第一作者1Analysis of the Chinese air route network as a complex network/Chinese Physics B/Kai-Quan Cai, Jun Zhang, Wen-Bo Du, Xian-Bin Cao2012(21): 0289032012.2曹先彬蔡开泉2Pheromone routing protocol on a scale-free ne

11、twork/Physical Review E/Xiang Ling, Mao-Bin Hu, Rui Jiang, Rui-Li Wang, Xian-Bin Cao, Qing-Song Wu2009(80): 0661102009.12胡茂彬姜锐凌翔3Improving the network robustness against cascading failures by adding links/Chaos Solitons & Fractals/Xian-Bin Cao, Chen Hong, Wen-Bo Du, Jun Zhang2013(57): 35-402013.

12、12杜文博曹先彬4Evolution of cooperation among mobile agents with heterogenous view radii/Physica A/Jun Zhang, Wei-Ye Wang, Wen-Bo Du, Xianbin Cao2011(390): 2251-22572011.6曹先彬张军5Global dynamic routing for scale-free networks/Physical Review E/Xiang Ling, Mao-Bin Hu, Rui Jiang, Qing-Song Wu2010(81): 0161132

13、010.1胡茂彬姜锐凌翔6Collective synchronization induced by epidemic dynamics on complex networks with communities/Physical Review E/Gang Yan, Zhong-Qian Fu, Jie Ren, Wen-Xu Wang2007(75):0161082007.1傅忠谦严钢7Effective usage of shortest paths promotes transportation efficiency on scale-free networks/Physica A/We

14、n-Bo Du, Zhi-Xi Wu, Kai-Quan Cai2013(392): 3505-35122013.9杜文博杜文博8Decomposition-based memetic algorithm for multiobjective capacitated arc routing problem/ IEEE Transactions on Evolutionary Computation/Yi Mei, Ke Tang, Xin Yao2011(15):151-1652011.4唐珂梅一9Selectively-informed particle swarm optimization/Scientific Reports/Yang Gao, Wen-Bo D