航空复杂网络拓扑特性与可靠性研究

为了减少不确定因素对航空网络的影响，通过选取全国33个城市为机场节点，借助UCINET软件构建航空网络，并根据复杂网络理论来分析网络拓扑特性，利用Pajek软件计算网络特征指标，并通过Python来仿真模拟随机攻击和蓄意攻击，对比分析不同节点失效下航空网络的连通性变化，结果表明：网络效率和最大联通子图相对大小两个指标，在随机攻击下变化弱于蓄意攻击，随着每次失效节点数量增多，网络连通性下降更显著。重点加强对重要城市的安全防护，来保障航空网络的运行效率以及旅客的出行安全。

随着航空事业的不断发展，它在提供出行、贸易和旅游便利的同时，也面临着多种问题和挑战，影响其网络效率、安全性和可持续性。研究航空网络的可靠性对于机场航班的安全高效运营以及航线的规划具有重要的意义。

现阶段，诸多学者对航空网络的拓扑特性和可靠性进行了研究，吕伟等[1]以航班流量和机场间距离作为权重构建航空加权网络，且在关键节点选取上采用综合效率分析法，最后对航空网络进行仿真模拟来研究其可靠性。王鹏宇[2]对航空网络等多个网络进行结构特征分析，并利用Space-P 方法进行模型构建，并按照度和介数排序对网络进行模拟攻击，通过分析网络的连通度、网络效率、最大连通子图相对大小和自然连通度等指标来研究其鲁棒性。张文文[3]以复杂网络理论为基础，采用主要航线数据来分析航空网络结构特征。汪倩倩[4]通过Space-P 构建空铁双层复杂网络，通过换乘连接强度指标来表征网络功能的脆弱性， 利用MATLAB 软件模拟随机攻击和给予最大MCGM 值的蓄意攻击。

杜欣茹[5]研究航空冷链运输的拓扑结构，考虑边失效情形下最大联通子图和网路效率的变化，通过拉格朗日松弛与分支定界算法重新设计航空冷链运输网络，从网络结构和时间可靠性两个方面对网络可靠性变化进行研究。冯晓[6]基于极端事件下分析高铁航空网络的脆弱性，通过网络科学方法识别出脆弱节点和区域，最后应用数学优化的方法对网络脆弱性进行改善。杜方叶等[7]以全球航空网络视角探究网络连通性的影响及地区差异。吕文红等[8]从指标、网络类型和可靠性三个方面论述交通运输网络的研究和应用现状。蒲亚琼[9]对2016 年货运航空网络的基本特征进行分析， 通过GIS 构建网络拓扑结构， 并对三个观测年的货运航空网络进行模拟攻击。

张豫翔等[10]以流量为边权， 提出运输可靠性和可达性度量两个测度指标， 构建不完全信息攻击模型提出两种攻击策略进行仿真。

孙书霞[11]介绍了图论、统计物理学和社会网络分析三种方法研究网络拓扑结构。

陈娱等[12]从随机故障和4 种蓄意情况出发定量分析机场失效对航空运输网络效率的影响。王俊超等[13]利用PAJEK 绘制航空网络，利用MATLAB 计算并分析复杂网络特征，最后在不同攻击模式下研究空网的性能变化。

本文对2023 年国内航空网络的特性和可靠性进行分析， 利用UCINET 构建航空运输网络并对网络的特征指标进行分析，然后进行关键节点选取。最后对网络的节点城市进行逐个累次的随机和蓄意攻击， 观察这两种攻击模式下网络连通性的变化情况，为我国航空站点及航线的安全管理运营提供参考借鉴。

2. 数据来源与模型构建 2.1. 数据来源 本文研究数据来源于2023 年中国民用航空局统计公报以及铁路12306 官网， 由于国内机场站点较多， 因此根据2023 年统计公报旅客吞吐量筛选出省会、自治区首府、直辖市城市和个别吞吐量高于这三者的地级市作为机场节点(不包含港澳台)，共33 个节点城市和862 条航线来构建航空网络。