随着空中交通的迅猛发展,在可预见的未来,大流量、高密度的航班运行将会成为常态。在可用空域资源增幅缓慢的现实情况下,为确保航班增长、保持安全与服务质量水平,国际组织、各国空中交通管理当局与研究机构提出了各种运行概念和解决方案。虽然这些概念和方案种类繁多,但其本质都是在遵循空中交通动态演化规律与特性的基础上,使用各种技术手段实现空中交通资源在时间和空间上的优化配置,从而达到交通需求与所需资源相匹配的目标。空中交通动态演化规律和运行特性的准确刻画是空中交通系统优化与控制的一个关键问题。然而,空中交通不但会受到时空非均衡交通需求的影响,还会受到天气这一不确定因素的严重影响,致使空中交通的动态演化规律和运行特性很难使用数学模型进行精准描述和刻画。此外,虽然在空中交通系统中绝大多数航班在航路上飞行,但机场的进离场航班才是系统运行的原始驱动力。为此,本研究针对机场空中交通(进离场航班)流量时间序列,采用时间序列分析方法,从空中交通流量波动动态演化、流量波动多尺度多重分形特性和多尺度复杂性的角度,探究流量波动短期演化规律和长期的统计特性,以期为流量波动的仿真建模、预测分析和流量管理措施的制定提供科学的理论基础和分析工具。本论文的主要研究内容包括如下三大部分,详细工作介绍如下:(1)为有效刻画空中交通流量波动的动态演化,针对北京首都机场单日离场航班流量时间序列,使用可视图与水平可视图方法将时间序列映射成复杂网络;采用序模体抽取复杂网络的局部结构以刻画流量波动模式,依据波动模式出现的次序与频次,构造了波动模式的状态转移图,刻画了空中交通流量波动的动态演化轨迹;根据可视线的疏密程度,采用网络社团划分方法,将复杂网络划分为不同的社团(时段);构建序模体剖面刻画时段内的波动特性,量化分析了不同时段间波动特性的差异。本部分研究从波动模式转移和波动特性差异的角度,为流量波动研究提出了一种全新的理论分析工具,为流量短期波动的仿真建模、预测分析以及针对特定波动特性时段定制空中交通流量管理措施提供了科学的分析工具。(2)为探究空中交通流量波动的多尺度多重分形特性,针对北京首都机场2017年整个夏秋航季的离场航班流量时间序列,采用多尺度多重分形分析方法,依据Hurst面的起伏判定该时间序列具有多尺度多重分形特性;辨析了该时间序列中存在的多重分形的类型,明确了该多重分形特性产生的主要原因;提出了多尺度多重分形谱面,分析了参数的设置对于多重分形谱面形状的影响;根据多重分形谱面的形状特征,从多尺度视角考察了该时间序列的分形强度和主导波动类型,发现了主导波动类型发生突变的时间尺度;基于Hurst面间距离,探索了时间序列长度与多尺度多重分形特性刻画近似度之间的关系,进而确定了最小有效长度。本部分研究为理解空中交通流量波动的长期统计自相似特性提供了有益的分析方法,为使用多重分形理论构建流量波动仿真模型,进而预测流量的涨落波动提供了理论基础,也为在不同时间尺度考察流量波动特性,进而制定不同时间尺度下的流量管理策略提供了理论依据。(3)为探究空中交通流量波动的多尺度复杂性,针对中国十大繁忙机场2017年整个夏秋航季的空中交通流量时间序列,采用改进的多尺度排列熵,从单变量视角量化了十大机场的进离场流量波动的多尺度复杂性;提出了改进的多变量多尺度排列熵,从多变量视角量化了十大机场空中交通总体流量波动的复杂性;提出了熵值尖峰概念,并据此将机场进行分类,以表征不同机场之间空中交通流量波动复杂性的相似性;提出了改进的多尺度多变量关联性量化方法,考察了十大机场进离场流量波动之间的多尺度关联性,依据最大值关联性尖峰的位置,识别出主导交通流交替更迭时间尺度。本研究为理解空中交通流量波动的长期统计规律性和不确定性提供了有益的分析方法,为量化空中交通流量波动的预测难度提供了理论基础和有效工具,为评测空中交通流量波动仿真模型提供了有效测度指标。