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基于可视图的空中交通不安全事件时序特性分析

石宗北 张洪海 周锦伦 李一可

石宗北, 张洪海, 周锦伦, 李一可. 基于可视图的空中交通不安全事件时序特性分析[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(2): 12-24. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.002
引用本文: 石宗北, 张洪海, 周锦伦, 李一可. 基于可视图的空中交通不安全事件时序特性分析[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(2): 12-24. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.002
SHI Zongbei, ZHANG Honghai, ZHOU Jinlun, LI Yike. Time-series Characteristics of Unsafe Events in Air Traffic Based on Visibility Graph[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(2): 12-24. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.002
Citation: SHI Zongbei, ZHANG Honghai, ZHOU Jinlun, LI Yike. Time-series Characteristics of Unsafe Events in Air Traffic Based on Visibility Graph[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(2): 12-24. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.002

基于可视图的空中交通不安全事件时序特性分析

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.002
基金项目: 

国家自然基金项目 U2133207

国家自然基金项目 52202404

工信部民用飞机专项科研项目 MJZ1-7N22

详细信息
    作者简介:

    石宗北(1995-), 博士研究生. 研究方向: 空中交通管理. E-mail: shizongbei2018@163.com

    通讯作者:

    张洪海(1979-), 博士, 教授. 研究方向: 空中交通流量管理、智慧民航等. E-mail: zhh0913@163.com

  • 中图分类号: U8

Time-series Characteristics of Unsafe Events in Air Traffic Based on Visibility Graph

  • 摘要: 空中交通安全事故的时间序列特性分析,是深入理解空中交通安全的重要手段。为分析空中交通不安全事件的时序特性,提出了基于可视图的不安全事件时序特性分析方法。采用可视图对空中交通不安全事件建模,将时间序列映射成复杂网络;再利用网络的度分布、聚类系数等拓扑指标,分析空中交通不安全事件的静态特征;在此基础上,考虑各事件间的高阶影响及作用模式,构造可视圈比指标,辨识不同事件对整体安全的差异化影响;再针对整体安全水平的动态演化特性,在可视图序模体基础上引入表征时序演化的三阶时序结构,描述不安全事件时间序列的微观演化特性。为验证所提方法的有效性,对2007—2021年美国发生的578起空中交通不安全事件进行实证分析,结果表明:①空中交通不安全事件时间序列可视图在宏观和微观尺度下度值均呈长尾分布,聚类系数均大于0.7;②不安全事件时间序列可视图网络具有小世界网络特征,宏观序列度分布服从于系数为1.852的幂律分布;③具有无标度特性不同地区的可视图网络同样具有小世界网络特征,地区间的网络规模与网络密度存在显著差异,揭示了不安全事件发生频率具有空间异质性可视圈的时序结构占比33.2%,圈比结构指标对网络鲁棒性具有重大影响,证明了圈比指标可用于辨识不同事件对整体安全水平的作用,辨识精度优于度值与节点强度等指标;④三阶时序结构在步长为1和2的情况下,呈现明显的转移特征。综上,空中交通不安全事件的发生是有别于随机性与周期性的复杂性系统性行为,不同区域间的不安全水平具有空间异质性与阶段演进性特征。考虑网络高阶结构影响,管控少数高圈比值节点可从宏观角度提升整体安全水平。分析时序结构的转移模式与趋势偏好,可以从微观角度揭示空中交通不安全事件随时间演变的内在规律。有助于预测潜在的风险点,从而为制定有效的预防措施和安全管理决策提供科学依据。

     

  • 图  1  3节点可视圈

    Figure  1.  Three-node visibility circle

    图  2  不安全事件可视图

    Figure  2.  Visibility graph of unsafe events

    图  3  三阶序模体

    Figure  3.  Three-order sequential motif

    图  4  三阶时序结构

    Figure  4.  Triadic sequential motif

    图  5  空中交通不安全事件时间间隔序列

    Figure  5.  Time interval sequence of air traffic unsafe events

    图  6  2007—2021年空中交通不安全事件可视图

    Figure  6.  Visibility graph of air traffic unsafe incidents from 2007 to 2021

    图  7  空中交通不安全事件可视网络度及累积度分布

    Figure  7.  Distribution of visibility graph degree and cumulative degree of air traffic unsafe events

    图  8  不同年份下的空中交通不安全事件可视图

    Figure  8.  Visibility graph of air traffic unsafe events by year

    图  9  不同年份下空中交通不安全事件网络度分布

    Figure  9.  Distribution of air traffic unsafe events visibility graph degrees by year

    图  10  不同地区空中交通不安全事件网络

    Figure  10.  Network of air traffic unsafe incidents in different

    图  11  不同地区空中交通不安全事件度值分布

    Figure  11.  Degree distribution of air traffic unsafe events visibility network in different regions

    图  12  各地区度值演化情况

    Figure  12.  Evolution of degree values by region

    图  13  不同指标对可视图密度的影响

    Figure  13.  Effect of different indicators on the graph density

    图  14  三阶时序结构转移矩阵

    Figure  14.  Triadic motif structure transfer matrix

    表  1  空中交通不安全事件可视图网络度量指标

    Table  1.   Air Traffic Unsafe Events Visibility Network Measurements

    度量指标 符号表示 物理含义
    n 空中交通不安全事件
    节点强度 y 节点与前1个节点间的时间间隔长度
    $k i=\sum_j e i j$ 与节点i连接的可视线数量
    度分布 $p(k)=\frac{|n(k)|}{|n|}$ 可视图节点的度分布情况用p(k) 表示,n(k)为度为k的节点集合
    聚类系数 $C i=\frac{2 e i}{k i(k i-1)}$ 与节点i所有相邻节点间实际可视线数目占这些点可能形成的最大可视线数目的比例
    网络直径 $D = \mathop {{\rm{max}}}\limits_{1 \leqslant i < j \leqslant n} dij$ 网络直径D为所有的最短可视线dij中最长的1条边
    代数连通性 AC = λ 可视图拉普拉斯矩阵的第二小特征值
    平均路径长度 $L=\frac{2}{n(n-1)} \sum\limits_{i>j} d i j$ 平均路径长度L为网络中任意2个节点间距离的平均值
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    表  2  2007—2021年美国国家运输安全委员会航空事故数据样例

    Table  2.   Sample data on aviation air traffic unsafe events, national transportation safety board, 2007-2021

    事件日期 发生地点 事件类型 事件等级
    2007/1/1 17:30 科罗拉多 事故征候
    2007/1/7 13:40 俄克拉荷马 事故征候
    2007/1/23 16:00 印第安纳 事故征候 较严重
    2007/3/1 22:35 德克萨斯 事故征候 较严重
    20073/15 14:51 伊利诺伊 事故征候
    2007/3/27 17:05 堪萨斯 事故征候 较严重
    2007/4/4 14:35 阿肯色 事故 严重
    2007/4/9 16:45 威斯康辛 事故征候
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    表  3  空中交通不安全事件时间间隔序列统计指标

    Table  3.   Statistical indicators of time interval series of air traffic unsafe events

    统计指标 指标值/h 统计指标 指标值
    最大值 1 423.630 序列偏度 1.898
    平均值 227.673 序列峰度 4.260
    最小值 0.117 Hurst指数 0.567
    标准差 229.380 Lyapunov指数 0.023
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    表  4  空中交通不安全事件网络特征

    Table  4.   Topology characteristics of air traffic unsafe events visibility graph

    网络特征 特征指标值
    节点数 577
    节点边数 1 894
    平均强度 227.672
    平均度 6.562
    最大度值 52
    平均聚类系数 0.780
    平均路径长度 4.170
    代数连通性 0.020
    网络直径 8
    网络密度 0.011
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    表  5  小世界网络特征参数

    Table  5.   Characteristic parameters of small-world networks

    网络类型 聚类系数 平均最短路径
    同规模随机网络 0.17 12.36
    空中交通不安全事件可视图 0.78 4.17
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    表  6  不同年份空中交通不安全事件网络指标

    Table  6.   Network characteristics of air traffic unsafe incidents by year

    年份 节点数 边数 平均强度 平均数 最大度值 聚类系数 网络直径 平均路径 图密度
    2007 49 147 180.455 6.000 26 0.784 4 2.462 0.125
    2008 54 147 159.865 5.440 15 0.766 7 3.420 0.103
    2009 41 111 216.403 5.415 17 0.785 5 2.527 0.135
    2010 57 149 152.128 5.228 18 0.777 6 3.053 0.093
    2011 59 215 153.707 7.288 24 0.775 4 2.527 0.126
    2012 32 81 281.203 5.062 11 0.795 7 3.010 0.163
    2013 24 53 343.493 4.417 9 0.777 5 2.522 0.192
    2014 36 102 268.133 5.667 15 0.768 4 2.416 0.162
    2015 34 93 231.364 5.471 17 0.794 5 2.406 0.166
    2016 38 110 243.842 5.789 14 0.804 4 2.465 0.156
    2017 39 114 237.398 5.846 23 0.786 4 2.379 0.154
    2018 31 80 269.976 5.161 14 0.811 4 2.292 0.172
    2019 41 105 202.200 5.122 14 0.806 5 2.874 0.128
    2020 14 32 680.000 4.571 8 0.769 4 2.022 0.352
    2021 28 79 269.457 5.643 15 0.791 4 2.212 0.209
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    表  7  不同地区可视图社团结构

    Table  7.   Structure of communities in different regions

    社团 不同地区社团结构
    加利福尼亚 伊利诺伊 德克萨斯 佛罗里达 乔治亚
    社团1 2007—2008 2007—2009 2007—2009 2007—2011 2007
    社团2 2008—2009,2010—2012 2010—2012 2010—2013 2011—2014 2008—2009
    社团3 2010 2010 2013—2016 2015—2017 2010—2013
    社团4 2013—2017 2014—2017 2016—2018 2017—2021 2013—2015
    社团5 2017—2021 2017—2021 2019—2021 2015,2017—2019
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    表  8  不同地区空中交通不安全事件网络特征参数

    Table  8.   Network characteristics of air traffic unsafe event network in different regions

    地区 节点数 边数 平均强度 平均度 最大度值 聚类系数 直径 平均路径 图密度
    加利福尼亚 53 135 2 342.575 5.094 18 0.735 8 3.144 0.098
    伊利诺伊 44 115 2 909.612 5.227 17 0.762 6 2.933 0.122
    德克萨斯 39 111 3 204.276 5.692 16 0.794 5 2.499 0.150
    佛罗里达 39 104 3 297.761 5.333 24 0.723 6 2.440 0.140
    乔治亚 36 96 3 122.132 5.333 18 0.794 5 2.449 0.152
    纽约 32 88 4 070.836 5.500 14 0.799 5 2.494 0.177
    科罗拉多 29 91 4 270.541 6.276 16 0.821 5 2.357 0.224
    北卡罗莱纳 21 53 5 797.898 5.048 15 0.711 4 2.033 0.252
    亚利桑那 18 41 6 897.737 4.556 12 0.703 4 2.327 0.268
    密苏里 17 37 6 306.826 4.353 12 0.805 4 2.000 0.272
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    表  9  三阶时序结构出现频次分布

    Table  9.   Frequency distribution of occurrences of triadic motif structure

    时序结构 出现频次 占比/%
    M1 91 15.8
    M2 89 15.5
    M3 102 17.7
    M4 94 16.3
    M5 97 16.9
    M6 102 17.7
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  • 收稿日期:  2023-09-15
  • 网络出版日期:  2024-09-14

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