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基于时空网络的大面积航班延误传播预测与评估方法

屈景怡 邢佳龙 王锦峰 杨俊

屈景怡, 邢佳龙, 王锦峰, 杨俊. 基于时空网络的大面积航班延误传播预测与评估方法[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(4): 149-159. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.04.015
引用本文: 屈景怡, 邢佳龙, 王锦峰, 杨俊. 基于时空网络的大面积航班延误传播预测与评估方法[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(4): 149-159. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.04.015
QU Jingyi, XING Jialong, WANG Jinfeng, YANG Jun. Prediction and Evaluation Methods for Large-Scale Flight Delay Propagation Based on Spatiotemporal Network[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(4): 149-159. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.04.015
Citation: QU Jingyi, XING Jialong, WANG Jinfeng, YANG Jun. Prediction and Evaluation Methods for Large-Scale Flight Delay Propagation Based on Spatiotemporal Network[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(4): 149-159. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.04.015

基于时空网络的大面积航班延误传播预测与评估方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.04.015
基金项目: 

国家自然科学基金重点项目 U2133205

天津市教委科研计划重点项目 2022ZD006

详细信息
    通讯作者:

    屈景怡(1978—),博士,教授. 研究方向:大数据与人工智能、空管自动化等. E-mail: qujingyicauc@163.com

  • 中图分类号: TP183

Prediction and Evaluation Methods for Large-Scale Flight Delay Propagation Based on Spatiotemporal Network

  • 摘要: 针对航班运行在时空维度上的高度耦合性所引发的大面积延误在多机场间传播问题,采用动态网络分析方法,深入探究空中交通延误的传播规律。为精准捕捉延误传播动态,构建了1个以机场为节点、以离港航班为边、5 min为时间分辨率的时空网络。在航班延误时空图的构建过程中,将边的权重从直接采用延误时间的统计平均值或通过简单的经验规则估算,改进为基于深度学习预测得到的权重。针对航班延误预测任务,研究利用多任务学习的NR-DenseNet模型,同时预测航班延误时间(回归)与是否延误(分类),提升了权重的准确性和实时性。通过对比不同网络深度的性能,实验表明:16层NR-DenseNet在双任务中表现最优,其回归预测的均方误差(mean squared error,MSE)和平均绝对误差(mean absolute error,MAE)分别达到58.30和3.28,分类准确率提升至94.8%。在指标度量方面,研究发现单一指标难以全面评估空中交通延误传播的复杂性,因此构建了3个评估指标:强度、传播率和速度,以定量分析延误传播的多维度特征。以华东空管局提供的国内数据为研究对象,结果表明:本文方法能有效阐明空中交通在计划航班时刻表上大面积延误传播的时空细节。

     

  • 图  1  时空网络构建

    Figure  1.  Spatiotemporal network construction

    图  2  NR-DenseNet权重模型

    Figure  2.  NR-DenseNet weight model

    图  3  NR-DenseNet网络结构

    Figure  3.  NR-DenseNet network architecture

    图  4  2018年42个机场的航班数据延误统计

    Figure  4.  Statistics on flight delays at 42 airports in 2018

    图  5  2018年8月每天的延误航班数量

    Figure  5.  Daily number of delayed flights in august 2018

    图  6  权重模型预测结果

    Figure  6.  Prediction results of the weighted model

    图  7  24 h内延误航班的分类准确率

    Figure  7.  Classification accuracy of delayed flights within 24 hours

    图  8  延误强度

    Figure  8.  Delay intensity

    图  9  延误传播率

    Figure  9.  Delay propagation rate

    图  10  延误传播速度

    Figure  10.  Delay propagation speed

    表  1  42个机场基本信息

    Table  1.   Basic information for 42 airports

    机场 城市 航班量
    ZBAA 北京市 212 553
    ZGGG 广州市 167 676
    ZGSZ 深圳市 144 139
    ZUUU 成都市 133 813
    ZLXY 咸阳市 129 282
    ZSSS 上海市 124 940
    ZUCK 重庆市 123 735
    ZSPD 上海市 120 399
    ZSHC 杭州市 120 004
    ZPPP 昆明市 116 685
    ZSNJ 南京市 97 186
    ZHCC 郑州市 88 120
    ZHHH 武汉市 79 714
    ZSAM 厦门市 79 060
    ZGHA 长沙市 78 343
    ZSQD 青岛市 77 458
    ZBTJ 天津市 68 747
    ZJHK 海口市 68 354
    ZWWW 乌鲁木齐 66 971
    ZYHB 哈尔滨 58 068
    ZSJN 济南市 57 917
    ZYTL 大连市 56 714
    ZYTX 沈阳市 56 203
    ZJSY 三亚市 54 555
    ZGNN 南宁市 51 595
    ZBYN 太原市 50 070
    ZSCN 南昌市 48 435
    ZLLL 兰州市 46 182
    ZSFZ 福州市 45 531
    ZSOF 合肥市 41 315
    ZYCC 长春市 40 677
    ZGSD 珠海市 40 322
    ZSWZ 温州市 39 408
    ZSNB 宁波市 36 984
    ZBSJ 石家庄 35 157
    ZLIC 银川市 34 747
    ZGKL 桂林市 34 184
    ZLXN 海东市 27 392
    ZGOW 揭阳市 23 679
    ZGZJ 湛江市 11 663
    ZWAK 阿克苏 5 692
    ZBLA 呼伦贝尔 5 317
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    表  2  特征属性

    Table  2.   Feature attributes

    特征属性 特征含义
    CRSDepTime 航班计划起飞的时间
    CRSDepTime 航班计划降落的时间
    CRSArrTime 航班实际起飞的时间
    REALDepTime 航班实际降落的时间
    REALArrTime 航班计划起飞的机场
    PlanOriginAirport 航班实际起飞的机场
    OriginAirport 航班计划降落的机场
    PlanDestAirport 航班实际降落的机场
    DestAirport 航班号
    FlightNum 计划机型
    PlanAircraft 巡航速度
    CruSpeed 巡航高度
    CruAltitude 任务类型
    TaskType 保障等级
    GuaranteeLevel 预计航路
    EstimatedRoute 气象数据记录时间
    Record_time 温度
    TP 露点温度
    DT 道面温度
    PRE 风速2 min最小值
    WS_2_MIN 风速2 min平均值
    WS_2_AVG 风速2 min最大值
    WS_2_MAX 风速10 min最小值
    WS_10_MIN 风速10 min平均值
    WS_10_AVG 风速10 min最大值
    WS_10_MAX 相对湿度
    RD 场压
    FP 修正海压
    CSP 降雨量
    RAIN 能见度1 min平均值
    VIS_1_AVG 能见度10 min平均值
    VIS_10_AVG 跑道视程1 min最小值
    RVR_1_MIN 跑道视程1 min平均值
    RVR_1_AVG 跑道视程1 min最大值
    RVR_1_MAX 跑道视程10 min最小值
    RVR_10_MIN 跑道视程10 min平均值
    RVR_10_AVG
    RVR_10_MAX 跑道视程10 min最大值
    MOR_1_AVG 气象光学视程1 min平均值
    MOR_10_MIN 气象光学视程10 min最小值
    MOR_10_AVG 气象光学视程10 min平均值
    MOR_10_MAX 气象光学视程10 min最大值
    BGB_1_AVG 背景亮度1 min平均值
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    表  3  超参数配置

    Table  3.   Hyperparameter configuration

    主要参数 参数值
    损失函数 均方误差,交叉熵
    学习率 0.001
    优化器 SGD
    最大迭代次数 400
    损失权重分配 $\left[\alpha_{M S E}, \alpha_{A C C}\right]$
    批处理量 1 024
    隐藏层层数 10/13/16/19
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    表  4  不同网络层数的预测结果

    Table  4.   Prediction results for different numbers of network layers

    任务 评价指标 NR-DenseNet预测模型
    L=10 L=13 L=16 L=19
    MSE 348.90 128.49 58.30 81.20
    回归 MAE 11.16 5.99 3.28 3.79
    R2 0.902 3 0.964 0 0.978 7 0.967 3
    ACC 0.818 1 0.903 6 0.948 0 0.933 7
    分类 P 0.819 8 0.904 2 0.947 9 0.933 9
    F1 0.818 1 0.903 6 0.948 0 0.933 8
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    表  5  损失函数权值分配

    Table  5.   Loss function weight allocation

    权重设置 MSE MAE R2 ACC P F1
    [1, 1] 63.36 3.88 0.972 0.938 0.938 0.938
    [1, 0.75] 58.30 3.28 0.978 0.948 0.947 0.947
    [1.25, 0.85] 69.68 3.38 0.973 0.946 0.946 0.946
    [1.5, 0.85] 58.89 3.44 0.974 0.947 0.947 0.947
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    表  6  不同模型预测结果对比

    Table  6.   Comparison of prediction results of different models

    预测模型 评价指标
    MSE MAE R2 ACC P F1
    LightGBM 2 062.30 25.61 0.422 4 0.754 6 0.754 4 0.766 2
    XGBoost 1 939.45 25.44 0.456 8 0.760 0 0.765 7 0.768 6
    随机森林 2 353.60 27.45 0.340 8 0.743 8 0.741 4 0.757 5
    NR-DenseNet(16) 58.3 3.28 0.978 7 0.948 0 0.947 9 0.948 0
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  • 收稿日期:  2025-02-27

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