王興隆, 朱麗納, 石宗北
(1.中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院,天津 300300; 2.中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所空中交通管理系統(tǒng)與技術(shù)國家重點實驗室,南京 210014)
空中交通擁堵導(dǎo)致航班延誤是民航運(yùn)輸?shù)念l發(fā)現(xiàn)象,錯綜復(fù)雜的航線規(guī)劃及航班分配是致使交通擁堵的主要原因。由于航線資源共享,某一航線發(fā)生擁堵時,從航空公司角度同一時期在該航線運(yùn)行的所有網(wǎng)絡(luò)均受影響。結(jié)合現(xiàn)階段擁堵在航空網(wǎng)絡(luò)傳播的特殊性,如何進(jìn)行航線網(wǎng)絡(luò)建模分析,為后期緩解空中交通擁堵,保證航空公司正常效益已成為亟待解決的問題。
目前,中外學(xué)者在航線網(wǎng)絡(luò)建模分析方面已取得顯著成果。Burghouwt等[1]對1990—1998年歐洲航空網(wǎng)絡(luò)的演變進(jìn)行了研究;王法輝等[2]根據(jù)位序規(guī)模模型研究了1980、1998年的航線網(wǎng)絡(luò),發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中核心機(jī)場的樞紐地位在減輕;劉宏鯤等[3]提出中國城市航線網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)明顯的層次性;王嬌娥等[4]研究航線網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)得出中國航線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征差異明顯;Cai等[5]運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究發(fā)現(xiàn)中國航線網(wǎng)絡(luò)是一個具有指數(shù)級分布和低層次的地理網(wǎng)絡(luò);Cardillo等[6]利用多層網(wǎng)絡(luò)框架模擬歐洲航空運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);Oriol等[7]基于網(wǎng)絡(luò)效率對比研究了三大航空聯(lián)盟的航線網(wǎng)絡(luò);Du等[8]利用K核分解法將中國航空網(wǎng)分為核心層、中間層和外圍層,結(jié)果表明中國航空網(wǎng)是由中國地理和人口定義的網(wǎng)絡(luò);彭挺[9]通過將航空網(wǎng)絡(luò)劃分為干線、銜接和支線三個子網(wǎng)絡(luò),建立了層級式航空網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析。
已有研究大多采用經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)理論從空域角度研究航線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),而從航空公司視角進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)研究較少,結(jié)合實際航線擁堵及航班延誤與航空公司網(wǎng)絡(luò)整體正常運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)收益的增長密切相關(guān)。因此,對航空公司航線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的深入研究具有重要現(xiàn)實意義。由于經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)理論研究個體間關(guān)聯(lián)時往往分析個體間某種單一關(guān)系,而實際個體間可能存在多種類型的關(guān)系[10]。針對航線網(wǎng)絡(luò)的研究也是如此,由于實際的航線網(wǎng)絡(luò)是不同航空公司航線網(wǎng)共同組成的,因此采用經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)理論無法精確提供不同航線網(wǎng)絡(luò)的異同點,而多層網(wǎng)絡(luò)理論為解決此問題提供了理論基礎(chǔ),這是因為多層網(wǎng)絡(luò)理論能精準(zhǔn)的刻畫復(fù)雜系統(tǒng)中的多種關(guān)聯(lián),目前多層網(wǎng)絡(luò)理論在實際問題研究中尚處于初級階段,主要集中在網(wǎng)絡(luò)信息安全和銀行信貸風(fēng)險的研究[11-13]。
基于此,以航線網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)場為節(jié)點,依據(jù)機(jī)場間的航線連接情況設(shè)邊,構(gòu)建航空公司航線網(wǎng)絡(luò)為子網(wǎng)絡(luò),通過不同航空公司網(wǎng)絡(luò)相互映射聚合完成多層航線復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程;利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行節(jié)點度與度分布、平均路徑長度、聚集系數(shù)、介數(shù)等參數(shù)指標(biāo)計算;結(jié)合2017年冬春國內(nèi)航空公司的國內(nèi)航班正班計劃進(jìn)行層間網(wǎng)絡(luò)相關(guān)性分析,及聚合網(wǎng)絡(luò)特征指標(biāo)相關(guān)性研究。研究結(jié)果可應(yīng)用于航空公司后期航線網(wǎng)絡(luò)調(diào)整、航班時刻優(yōu)化等工作,有利于緩解空中交通擁堵從而提高網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行效率。
1.1.1 單層子網(wǎng)絡(luò)
單個航空公司航線網(wǎng)絡(luò)表示為單層有向復(fù)雜網(wǎng)G=(V,E),其中V={1,2,…,N}為節(jié)點集合,E={e1,e2,…,em}為邊集合,eij∈E表示節(jié)點i到j(luò)的有向邊。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)為n=|V|,邊數(shù)為m=|E|,鄰接矩陣A(aij)表示網(wǎng)絡(luò)的連接情況,當(dāng)節(jié)點i到j(luò)存在有向邊時,節(jié)點aij=1,否則aij=0。
1.1.2 多層網(wǎng)絡(luò)
由n個節(jié)點和M個子網(wǎng)絡(luò)組成的多層網(wǎng)絡(luò),節(jié)點對象始終以一個集合形式存在于各層子網(wǎng)絡(luò)中,每層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目相同,且層間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需要一一對應(yīng)。令L=1,2,…M,則多層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以表示為MG=[G1,G2,…,GL],其中GL表示L層上的子網(wǎng)絡(luò)。
1.1.3 映射聚合多層網(wǎng)絡(luò)
忽略不同子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間連接的差異性,將多層子網(wǎng)絡(luò)映射聚合構(gòu)成單層網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。子網(wǎng)絡(luò)a和b擁有相同的節(jié)點和不同的邊,經(jīng)過聚合映射得到第三層網(wǎng)絡(luò)c,仍具有相同的節(jié)點且包含和 所有邊的連接信息。對于定義在單層網(wǎng)絡(luò)上且廣泛應(yīng)用的方法便可用于對多層聚合網(wǎng)絡(luò)的研究中。
Gc(V,Ec)=Ga(V,Ea)∪Gb(V,Eb)
(1)
式(1)中:Ea、Eb、Ec分別表示網(wǎng)絡(luò)a、b、c各層的邊集合。
圖1 多層網(wǎng)絡(luò)映射聚合
為描述多層聚合網(wǎng)絡(luò)的特性,結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論定義度、強(qiáng)度、平均路徑長度、聚集系數(shù)、介數(shù)等特征指標(biāo),如表1所示,并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)連接情況解釋各指標(biāo)具體含義。
選用2017年冬春國內(nèi)航空公司國內(nèi)航班正班計劃,涵蓋213個機(jī)場13 825條正班信息,涉及中國國際航空公司、南方航空公司、東方航空公司等46家航空公司,具體數(shù)據(jù)整理情況如下。
(1)機(jī)場及航線分布數(shù)據(jù)不包含港澳臺地區(qū)。
(2)國內(nèi)直飛航線和經(jīng)停機(jī)場航線合并處理,將經(jīng)停航線將其分解為起飛機(jī)場-經(jīng)停機(jī)場和經(jīng)停機(jī)場-目的機(jī)場兩條。考慮航班運(yùn)行方向性,將由A機(jī)場到B機(jī)場和由B機(jī)場到A機(jī)場視為兩種情況,作兩條線考慮。各航空公司航線疊加過程中去除重復(fù)項,最終共獲得4 153條航線。
表1 網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)集合
構(gòu)建多層航線網(wǎng)絡(luò),首先利用Python仿真繪制各航空公司航線網(wǎng)絡(luò)為子網(wǎng)絡(luò),考慮到航空公司等級不同,這里選取三種類型的航空公司進(jìn)行仿真對比分析:中國國際航空公司、天津航空公司和春秋航空公司的航線網(wǎng)絡(luò);其次經(jīng)過不同層網(wǎng)絡(luò)間的相互映射聚合,得到三層子網(wǎng)聚合后的航線網(wǎng)絡(luò)。
經(jīng)可視化分析,雖然航空公司等級不同,但中國航空公司航線網(wǎng)絡(luò)均呈現(xiàn)相同的東南密集西北稀疏特征,即東部沿海機(jī)場點稠密,相互間航線連接比內(nèi)陸更加緊湊。不同點以中國國際航空公司為代表的大型航空公司航線分布稠密,部分機(jī)場連接能力突出,中心樞紐地位明顯,而天津航空公司和春秋航空公司為代表的中小型網(wǎng)絡(luò)連線稀疏,機(jī)場間銜接能力較弱。經(jīng)過不同航線子網(wǎng)絡(luò)的融合,如中國國際航空公司、天津航空公司和春秋航空公司航線網(wǎng)絡(luò)聚合后所得三層網(wǎng)絡(luò)圖,在保持原有航線網(wǎng)絡(luò)地域特征的同時,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間銜接更緊湊,航線分布更密集。
結(jié)合表2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)集發(fā)現(xiàn),從航空公司角度,各網(wǎng)絡(luò)平均路徑長度在2~3,而聚集系數(shù)普遍小于0.4,對比幾種典型的小世界網(wǎng)絡(luò)如電影演員網(wǎng)絡(luò)[14]、世界航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)[15]、印度鐵路網(wǎng)絡(luò)[16]的較高聚集系數(shù),說明多數(shù)航線網(wǎng)絡(luò)并不具有較高聚合能力,而多層子網(wǎng)聚合得到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅保持較短的平均路徑長度,且網(wǎng)絡(luò)聚集能力增強(qiáng),參考世界空域交通網(wǎng)絡(luò)(WANT)[17]聚合能力的多層航線聚合網(wǎng)絡(luò)符合小世界網(wǎng)絡(luò)的特性。
2.2.1 度與度分布
多層聚合航線網(wǎng)絡(luò)平均度為38.995,表明平均每個機(jī)場與其他機(jī)場有約39條邊直接聯(lián)系。網(wǎng)絡(luò)平均度越大說明網(wǎng)絡(luò)的通達(dá)性越好,但是網(wǎng)絡(luò)大部分節(jié)點度值集中在1~30,只有小部分節(jié)點的度值大于節(jié)點平均度如圖2所示,說明多層聚合網(wǎng)絡(luò)服從冪率分布。結(jié)合中國航線分布和機(jī)場規(guī)模的實際情況,雖然目前在使用機(jī)場數(shù)量較多,但是受政治、經(jīng)濟(jì)、地理等因素影響,航空公司航線開辟仍舊偏好于政治經(jīng)濟(jì)中心所在地,導(dǎo)致航線網(wǎng)絡(luò)的建立往往優(yōu)先圍繞幾個樞紐機(jī)場,而大部分機(jī)場尤其以西部偏遠(yuǎn)機(jī)場為典型的連通航線較少。
圖2 多層網(wǎng)節(jié)點頻數(shù)及度分布
2.2.2 平均路徑長度與網(wǎng)絡(luò)直徑
結(jié)合表2計算結(jié)果,多層聚合網(wǎng)絡(luò)平均路徑長度2.178,說明航線網(wǎng)絡(luò)由一個節(jié)點到另一個節(jié)點平均只需中轉(zhuǎn)一次即可到達(dá),網(wǎng)絡(luò)直徑是網(wǎng)絡(luò)中距離最遠(yuǎn)的2節(jié)點建立關(guān)系需要經(jīng)歷的步長數(shù),直徑為4說明連接需要經(jīng)過4個步長,即中轉(zhuǎn)3個機(jī)場才能實現(xiàn)連接。從平均路徑長度和網(wǎng)絡(luò)直徑可知,多層網(wǎng)的周轉(zhuǎn)效率較高,網(wǎng)絡(luò)整體連通性很強(qiáng)。
表2 航線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)集
2.2.3 點介數(shù)與聚集系數(shù)
多層聚合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點介數(shù)分布在0~5 000,經(jīng)計算節(jié)點平均介數(shù)為251.178,圖3(a)僅15.5%的節(jié)點滿足,結(jié)合該部分節(jié)點對于網(wǎng)絡(luò)實際運(yùn)行效率的重要影響,在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擁堵評估及優(yōu)化時需要重點考慮。多層網(wǎng)的聚集系數(shù)為0.656,結(jié)合圖3(b)觀察網(wǎng)絡(luò)點聚集系數(shù)分布情況,約64%的點聚集系數(shù)大于該值,其中15%的點聚集系數(shù)為1。
圖3 多層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點介數(shù)分布及聚集系數(shù)分布
在網(wǎng)絡(luò)特征指標(biāo)研究中,相關(guān)性分析可有效衡量不同指標(biāo)間相關(guān)密切程度。構(gòu)建多層網(wǎng)過程中,隨著航空公司數(shù)量的增加,網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜,而結(jié)合不同網(wǎng)絡(luò)布局的差異化進(jìn)行層間網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)相關(guān)性分析有助于了解中國航空公司航線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建趨勢,為今后航空公司進(jìn)行航線優(yōu)化調(diào)整提供支持。因此以航空公司為個體進(jìn)行層間網(wǎng)絡(luò)相關(guān)性分析。
現(xiàn)有文獻(xiàn)研究已發(fā)現(xiàn)節(jié)點度與網(wǎng)絡(luò)整體連接息息相關(guān),由于涉及的不同子網(wǎng)航線分布不一致且網(wǎng)絡(luò)有效節(jié)點不同,為保障評價基準(zhǔn)一致性,將最終的聚合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)作參考,以網(wǎng)絡(luò)平均度代替度為自變量,進(jìn)行層間網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)相關(guān)性分析。如圖4(a)所示,隨著網(wǎng)絡(luò)平均度的增加,網(wǎng)絡(luò)密度基本呈線性增長,二者具有較強(qiáng)正相關(guān)性;在網(wǎng)絡(luò)平均度與平均路徑長度關(guān)系圖中,平均路徑長度基本在2.0~3.5浮動,隨著平均度增加,平均路徑長度呈遞減趨勢,兩變量具有較強(qiáng)負(fù)相關(guān)性,說明相對航空公司而言,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大整體通達(dá)性越好,旅客自身需要中轉(zhuǎn)的可能性越小。在平均度與網(wǎng)絡(luò)直徑關(guān)系分布圖中平均度增加,網(wǎng)絡(luò)直徑無明顯變化,大致分布在4~6,說明中國航空公司航線布局不受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和航線分布的限制,節(jié)點之間連接相對緊湊。隨著平均度值增加,層間網(wǎng)絡(luò)聚集系數(shù)分布如圖4(d),可以發(fā)現(xiàn)聚集系數(shù)分布較松散,基本呈遞增趨勢,經(jīng)計算兩者相關(guān)性系數(shù)R為0.613,可知兩指標(biāo)有較強(qiáng)相關(guān)性。結(jié)合圖4(c)、圖4(d)可知,隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大,航線網(wǎng)絡(luò)逐漸擁有較小的平均路徑長度和較大的聚集系數(shù),即具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的小世界網(wǎng)絡(luò)特性,此結(jié)論與已有文獻(xiàn)相符。
圖4 平均度與各指標(biāo)相關(guān)性分析
由于提到的多層聚合網(wǎng)是不同航空公司航線網(wǎng)絡(luò)共同聚合所得,實則是中國航線網(wǎng)絡(luò)的具體反映,而研究該網(wǎng)絡(luò)對于研究航空網(wǎng)絡(luò)的組成構(gòu)建及現(xiàn)狀分析具有實際補(bǔ)充參考意義,因此將采用Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行多層聚合網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)相關(guān)性研究,這里將主要涉及表征節(jié)點的特征指標(biāo)和表征網(wǎng)絡(luò)全局的中心性指標(biāo)。
3.2.1 節(jié)點指標(biāo)和中心性指標(biāo)相關(guān)性分析
Pearson相關(guān)性對相關(guān)系數(shù)的定義:若r≤0.1則兩指標(biāo)無相關(guān)性,0.1 3.2.2 節(jié)點指標(biāo)與中心性指標(biāo)回歸分析 為深入研究節(jié)點指標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)中心性指標(biāo)間的關(guān)系,再次對兩者進(jìn)行回歸分析,得到回歸分析的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)結(jié)果如表4所示。由表4可知,度中心性僅與節(jié)點度具有正相關(guān)性;接近中心性與節(jié)點度、節(jié)點介數(shù)、節(jié)點最短路徑均呈正相關(guān)性,其中節(jié)點最短路徑對接近中心性的影響程度最大;介數(shù)中心性僅受節(jié)點介數(shù)的影響;特征向量中心性與節(jié)點度呈正相關(guān),與節(jié)點介數(shù)、節(jié)點最短路徑均呈負(fù)相關(guān);此外通過計算得到不同變量間的差異性較為顯著。 (1)節(jié)點度對網(wǎng)絡(luò)中心性的影響。節(jié)點度是節(jié)點位置重要性的表現(xiàn),是衡量度中心性、接近中心性、特征向量中心性和介數(shù)中心性的前提條件。節(jié)點度值越大,說明節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點間的連接能力越強(qiáng),點到點的距離越短,越有利于保證網(wǎng)絡(luò)通達(dá)性,對旅客出行而言,中轉(zhuǎn)概率越小。但節(jié)點度對網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行具有一定抑制作用,節(jié)點度越大說明該機(jī)場工作越繁忙,由于機(jī)場基礎(chǔ)設(shè)施和地面保障能力的有限,繁忙時刻機(jī)場越容易造成擁堵。因此建議在今后航線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中要注意盡可能保證航線的均衡分布,避免形成局部星形連接,從而改善機(jī)場整體服務(wù)能力,提高網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行效率。 (2)節(jié)點介數(shù)對網(wǎng)絡(luò)中心性的影響。主要反映在介數(shù)中心性和特征向量中心性上,節(jié)點介數(shù)越大在網(wǎng)絡(luò)中銜接能力越強(qiáng),節(jié)點網(wǎng)絡(luò)控制能力越強(qiáng)。結(jié)合實際航線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)較大介數(shù)值的某一機(jī)場產(chǎn)生擁堵時,與之關(guān)聯(lián)性較大的機(jī)場普遍會承受不同程度的影響。 表3 指標(biāo)相關(guān)性分析 表4 回歸結(jié)果分析 (3)節(jié)點聚集系數(shù)對網(wǎng)絡(luò)中心性的影響。節(jié)點聚集系數(shù)對接近中心性和特征向量中心性均有影響,但影響較小,是由于節(jié)點聚集系數(shù)主要評估節(jié)點的鄰居節(jié)點間互為鄰接點的概率,通常點聚集系數(shù)越大說明該節(jié)點的聚集能力越強(qiáng),而目前中國航線分布具有明顯的地理因素特征,機(jī)場之間銜接呈現(xiàn)明顯地域偏好性,節(jié)點之間相互連接不緊密, (4)節(jié)點最短路徑對網(wǎng)絡(luò)中心性的影響。節(jié)點最短路徑主要影響網(wǎng)絡(luò)的接近中心性和特征向量中心性,其中對接近中心性影響更大,主要在于最短路徑是衡量一個節(jié)點到網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點的最短距離,節(jié)點最短路徑越小,說明相同情況下該節(jié)點到達(dá)網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點的可能性越大,對網(wǎng)絡(luò)整體而言,節(jié)點之間信息流動越便利。 由于航線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與航空運(yùn)輸效率、航空公司經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān),研究旨在揭示在保證航空網(wǎng)絡(luò)高效穩(wěn)定運(yùn)行時,應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)不同參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性,以及航空公司網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建趨勢?;诖耍贸鲆韵陆Y(jié)論。 (1)航空公司航線分布有明顯地域偏好性。僅有少數(shù)大中型航空公司航線網(wǎng)絡(luò)具有小世界網(wǎng)絡(luò)特性。多層聚合網(wǎng)絡(luò)具有明顯的小世界網(wǎng)絡(luò)和無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)特性。 (2)層間網(wǎng)絡(luò)相關(guān)性分析表明,航空公司航線網(wǎng)絡(luò)的平均度值與各自的網(wǎng)絡(luò)密度、聚集系數(shù)呈正相關(guān)性,與平均路徑長度呈負(fù)相關(guān),航線規(guī)模對網(wǎng)絡(luò)直徑的影響無明顯關(guān)系。 (3)多層聚合網(wǎng)絡(luò)相關(guān)性分析表明,節(jié)點度對網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)影響最大,與各指標(biāo)均有強(qiáng)相關(guān)性;節(jié)點介數(shù)與介數(shù)中心性呈強(qiáng)正相關(guān),與特征向量具有弱的負(fù)相關(guān)性;節(jié)點聚集系數(shù)與網(wǎng)絡(luò)其他指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)性,其中與節(jié)點度和節(jié)點介數(shù)的相關(guān)性最大;節(jié)點最短路徑與網(wǎng)絡(luò)接近中心性和特征向量中心性影響較大。 根據(jù)實證結(jié)果并結(jié)合目前中國航空公司網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建存在的問題,提出兩點建議:一是航空公司需重點監(jiān)控航線網(wǎng)中的樞紐機(jī)場,并制定系統(tǒng)性的擁堵預(yù)警和緩解措施,以便在機(jī)場發(fā)生擁堵延誤前后進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)防和解決;二是在規(guī)劃過程中,航空公司應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)自身規(guī)模適當(dāng)建立具有多樞紐機(jī)場的軸輻式航線網(wǎng)絡(luò),合理規(guī)劃航線分布,避免因盲目追求市場客源而忽略自身的市場定位。4 結(jié)論