項目名稱航空交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同調(diào)控理論與方法

1、項目名稱：航空交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同調(diào)控理論與方法推薦單位：北京航空航天大學(xué)推薦獎種：自然科學(xué)獎項目簡介：世界航空交通正進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同運行階段，統(tǒng)一調(diào)控是其安全有序運行的核心。然而，航空交通運行跨區(qū)關(guān)聯(lián)、流量全局耦合等特性導(dǎo)致傳統(tǒng)局部分立的調(diào)控方式成為制約航空運輸業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。航空交通系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)控是智能交通領(lǐng)域的國際前沿科學(xué)問題。本項目在國家自然科學(xué)基金等項目的支持下，采取航空交通、網(wǎng)絡(luò)科學(xué)、信息科學(xué)多學(xué)科交叉融合的研究思路，歷經(jīng)十多年研究，構(gòu)建了“航空交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同調(diào)控”的理論方法體系。主要科學(xué)發(fā)現(xiàn)如下：1、時變交通網(wǎng)絡(luò)運行演化針對時變交通網(wǎng)絡(luò)中流量-容量動態(tài)匹配關(guān)系難以準(zhǔn)確表征的難

2、題，揭示了交通網(wǎng)絡(luò)中交通環(huán)境與個體行為的共演化機理，給出了交通系統(tǒng)從自由態(tài)到擁堵態(tài)的相變判據(jù)，可定量計算任意給定區(qū)域運行容量的上界。針對航空運行實際，首次從航路網(wǎng)層次建立了交通網(wǎng)絡(luò)運行演化模型，發(fā)現(xiàn)了我國航路網(wǎng)中存在的“結(jié)構(gòu)-流量”異配節(jié)點，改變了長期以來“結(jié)構(gòu)-流量匹配遵循指數(shù)關(guān)聯(lián)”的片面認(rèn)識。航空交通網(wǎng)絡(luò)分析理論奠基人R.N. Mantegna教授在國際首篇航空網(wǎng)絡(luò)綜述論文中指出我們的工作是“最早的”；歐洲單一天空計劃SESAR科學(xué)顧問A. Cook教授評價我們的工作“對航空交通調(diào)控是重要的，正獲得廣泛關(guān)注，揭示了航空交通的潛在瓶頸”。2、空間受限網(wǎng)絡(luò)路徑均衡針對空間受限網(wǎng)絡(luò)中非均勻飛行流

3、量難以均衡調(diào)配的難題，揭示了博弈策略與空間網(wǎng)絡(luò)多源路徑的映射關(guān)系，建立了空間網(wǎng)絡(luò)路徑選擇的博弈模型，通過非對稱博弈機制實現(xiàn)了非均勻飛行流量的空間均衡；提出了博弈收益驅(qū)動的全局動態(tài)路徑選擇策略，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通行能力的自適應(yīng)匹配，交通效率相比公認(rèn)最優(yōu)的有效路徑選擇策略提升了2倍。IEEE Fellow Chi K. Tse教授指出我們的路徑選擇策略是“自適應(yīng)的”、“可以達(dá)到交通流量的均衡”。3、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)同調(diào)控針對大規(guī)模運行網(wǎng)絡(luò)難以實時調(diào)控的難題，提出了大規(guī)模組合優(yōu)化問題的層次解耦方法，設(shè)計了層次合作的非對稱信息交互機制，解決了大規(guī)模優(yōu)化中子問題分解與解重構(gòu)的公認(rèn)難題。針對我國民航運行實際，提

4、出了“航路點-航路段-扇區(qū)”分層協(xié)同優(yōu)化調(diào)控方法，實現(xiàn)了大規(guī)模航空交通網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)化調(diào)控。IEEE Fellow R. Battiti教授評價我們的子問題解耦方法“拓展了大規(guī)模問題分解的傳統(tǒng)框架”。相關(guān)研究首次將航空交通系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)控從航線網(wǎng)推進(jìn)到航路網(wǎng)層次，引領(lǐng)美、英、德、意等航空強國的科學(xué)家遵循我們的思路開展后續(xù)研究，形成了一個新的“航路網(wǎng)絡(luò)建模與優(yōu)化”分支研究方向。10篇代表性論文SCI他引410次，1篇論文入選ESI高被引論文。3人擔(dān)任8種相關(guān)領(lǐng)域國際期刊編委。項目成果成功應(yīng)用于我國新一代空管系統(tǒng)重大工程建設(shè)中，將全國飛行流量統(tǒng)一調(diào)控從小時級提升到分鐘級水平。項目執(zhí)行期間，第一完成人成為杰

5、青/長江/萬人，第二完成人入選中國科協(xié)首批青年人才托舉工程，第四完成人入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，第五完成人成為中組部青年千人，第八完成人成為中國工程院院士。主要完成人情況：姓名曹先彬排名1技術(shù)職稱教授工作單位北京航空航天大學(xué)完成單位北京航空航天大學(xué)對本項目主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)本項目負(fù)責(zé)人，指導(dǎo)并參與了本項目全部的研究，確定總體研究方向和方案。對發(fā)現(xiàn)點1、2、3均有重要貢獻(xiàn)，是代表性論文1、4、10的通訊作者，代表性論文3的第一作者和代表性論文2的主要作者。主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：建立了航路網(wǎng)層次的交通網(wǎng)絡(luò)運行演化模型，發(fā)現(xiàn)了我國航路網(wǎng)中存在的“結(jié)構(gòu)-流量”異配節(jié)點；建立了空間網(wǎng)絡(luò)路徑選擇的博弈模型，實現(xiàn)了非均勻

6、飛行流量的空間均衡；提出了“航路點-航路段-扇區(qū)”分層協(xié)同優(yōu)化調(diào)控方法，實現(xiàn)了大規(guī)模航空交通網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)化調(diào)控。投入此項研究的工作量約占本人所有工作量的80%。姓名杜文博排名2技術(shù)職稱副教授工作單位北京航空航天大學(xué)完成單位北京航空航天大學(xué)對本項目主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)本項目主要合作者之一，對發(fā)現(xiàn)點1、2、3有重要貢獻(xiàn)，是代表性論文3、7、9的通訊作者，代表性論文7的第一作者和代表性論文1、4的主要作者。主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：揭示了博弈策略與空間網(wǎng)絡(luò)多源路徑的映射關(guān)系并得到了高效的網(wǎng)絡(luò)博弈策略，設(shè)計了層次合作的非對稱信息交互機制，解決了大規(guī)模優(yōu)化中的解重構(gòu)難題。投入此項研究的工作量約占本人所有工作量的80%。姓名胡

7、茂彬排名3技術(shù)職稱副教授工作單位中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)完成單位中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)對本項目主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)本項目主要合作者之一，對發(fā)現(xiàn)點1、2有重要貢獻(xiàn)，是代表性論文2、5的通訊作者。主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：揭示了交通網(wǎng)絡(luò)中交通環(huán)境與個體行為的共演化機理，給出了交通系統(tǒng)從自由態(tài)到擁堵態(tài)的相變判據(jù)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通行能力的自適應(yīng)匹配。投入此項研究的工作量約占本人所有工作量的70%。姓名唐珂排名4技術(shù)職稱教授工作單位中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)完成單位中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)對本項目主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)本項目主要合作者之一，對發(fā)現(xiàn)點3有重要貢獻(xiàn)，是代表性論文8的通訊作者和代表性論文10的主要作者。主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：提出了大規(guī)模組合優(yōu)化問題的層次解耦方法，解

8、決了大規(guī)模優(yōu)化中的子問題分解難題。投入此項研究的工作量約占本人所有工作量的60%。姓名嚴(yán)鋼排名5技術(shù)職稱教授工作單位同濟(jì)大學(xué)完成單位中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)對本項目主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)本項目主要合作者之一，對發(fā)現(xiàn)點2有重要貢獻(xiàn)，是代表性論文6的第一作者。主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：建立了耦合強度可變的網(wǎng)絡(luò)模型，支持了非均勻飛行流量的空間均衡。投入此項研究的工作量約占本人所有工作量的60%。姓名凌翔排名6技術(shù)職稱副研究員工作單位合肥工業(yè)大學(xué)完成單位中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)對本項目主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)本項目主要合作者之一，對發(fā)現(xiàn)點1、2有重要貢獻(xiàn)，是代表性論文2、5的第一作者。主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：給出了交通系統(tǒng)從自由態(tài)到擁堵態(tài)的相變判據(jù)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)

9、通行能力的自適應(yīng)匹配。投入此項研究的工作量約占本人所有工作量的60%。姓名蔡開泉排名7技術(shù)職稱講師工作單位北京航空航天大學(xué)完成單位北京航空航天大學(xué)對本項目主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)本項目主要合作者之一，對發(fā)現(xiàn)點1、3有重要貢獻(xiàn)，是代表性論文1、10的第一作者。主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：支持建立了航路網(wǎng)層次的交通網(wǎng)絡(luò)運行演化模型，聯(lián)合提出了航路網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化方法。投入此項研究的工作量約占本人所有工作量的60%。姓名張軍排名8技術(shù)職稱教授工作單位北京航空航天大學(xué)完成單位北京航空航天大學(xué)對本項目主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)本項目主要合作者之一，對發(fā)現(xiàn)點2、3有重要貢獻(xiàn)，是代表性論文4的第一作者和代表性論文10的通訊作者。主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：揭示了博弈

10、策略與空間網(wǎng)絡(luò)多源路徑的映射關(guān)系，聯(lián)合提出了航路網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化方法。投入此項研究的工作量約占本人所有工作量的60%。代表性論著目錄：序號論文專著名稱/刊名/作者年卷頁碼發(fā)表時間年月通訊作者第一作者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曹先彬蔡開泉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胡茂彬姜銳凌翔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曹先彬張軍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胡茂彬姜銳凌翔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傅忠謙嚴(yán)鋼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