基于民航业快速发展,空中交通导航监视新技术以及大数据理论发展的基础上,研究了航空交通运输系统的复杂性。本文全面综述了国内外航空交通系统领域的有关复杂性的研究,较详细阐述了复杂性测度理论以及复杂网络理论；从宏观方面对空中交通终端区和进近管制区的交通流的特征进行了分析,提出合理的空中交通流复杂度的概念和计算方法,为扇区的开放调整提供理论依据；从微观方面,通过信息熵理论和统计学等理论,建立了交通系统稳健度评价体系,通过辨别与系统稳健性相关的状态参数,对影响系统较大的航班进行预警。利用复杂网络理论和协同管制机制研究了空中交通冲突探测与解脱的自动化管理,其关键问题是为所选取的复杂网络模型与空中交通的运行机制的匹配问题,反过来,通过复杂网络的演化为空中的冲突探测与解脱提供新的解决思路。从网络系统科学的角度,对航空公司的航线网络的可靠性进行了分析。具体的研究工作和结论包括以下五个方面：1.为定量描述终端区空中交通流系统的复杂性,引入非线性动力学的近似熵和联合熵模型来计算其复杂度,通过2个实测终端区空中交通流时间序列数据,对其近似熵和联合熵进行了计算分析。结果表明：终端区交通流是一种随机性较强、带有非线性结构的系统,非线性动力学模型能够刻画终端区空中交通流的复杂性,可对空中交通流实测数据进行复杂性测度计算。2.管理空中交通复杂度是航空交通系统运行控制的核心要素,对确保空中交通管制安全和空中交通流量管理的有效运行,以及未来实施的动态空域规划等起着重要的作用。其关键是有能力对空中交通复杂度进行测度和预测,对某特定的空域,采取必要的措施来平衡该区域的系统复杂度。用定性、定量方法讨论了扇区的复杂性,通过引入层次分析法确定交通复杂度函数的权重系数,通过实例,验证了该方法的合理性。3.应用复杂理论分析的方法,研究了空域的空中交通复杂度,提出了空中交通复杂度的计算方法以及稳健度评价体系,并对影响空中交通系统复杂度较大的航班提出预警。讨论了基于复杂性测度理论的空中交通复杂度分析和监测预警,研究表明本文所提供的方法能够从复杂,不确定的数据中计算出系统复杂度的变化,通过稳健性技术指标,能够辨别与系统稳健性相关的状态参数,指出对系统稳健度影响较大的航班,并对航班进行监测预警。4.日益增加的空中交通的复杂性需要更适合的空中交通运行模式来防止飞行事故,确保飞行安全,协同管制机制是解决空中交通冲突探测与解脱基本组成部分。本文通过分析网络结构的特征,基于空中交通的管制模式分析的基础上,为下一代空中交通空中交通冲突探测与解脱的自动化管理提出理论解决基础。通过分析发现,空中交通冲突探测与解脱的解决,协同机制需要平衡预期航班之间冲突,飞机间通信需求以及航线结构的稳健性。在此基础上,为上述协同机制设计研究方案,将网络结构研究的方法用于空中交通管制理论的研究,并能够深入系统分析空中交通指挥模式的演化及对其影响的评价。5.从宏观分析的角度,运用复杂网络理论对某航空公司航线网络结构进行实证分析,对网络的统计特征和度分布进行了计算,证明了该网络是一个小世界网络和无标度网络。利用度、紧密度、点介数和流介数四个指标,中心化处理航线网络,通过计算结果来比较判定局部网络中节点的影响力。数据显示点介数指标对航线网络的中心化处理效果最好。在此基础上,对网络的可靠性进行了分析,发现当移除两个度最大或者介数最大的节点时,网络的性能下降一半,并根据上述结果提出对航线网络进一步改进的对策建议。