机场、航路和扇区是空中交通运行系统的重要组成部分，三者紧密耦合、相互关联。网络科学的发展为研究机场网络、航路网络结构和特征提供了理论和技术支持。结合网络运行和网络结构是网络科学的方向。网络韧性是描述复杂系统或网络在受到破坏或干扰情形下，维持其原有结构或运行水平，并恢复至一定水平的能力，是网络科学研究的重点之一。本文将空中交通运行系统看作是由机场网络、航路网络、扇区网络三层子网络交互的耦合网络——空中交通运行网络，从多层网络结构与运行特征、网络结构静态韧性、网络级联失效韧性三方面对空中交通运行网络进行深入研究。首先通过实际数据，构建了中国机场、航路、扇区三层网络，并研究了网络拓扑特征。其次，根据系统运行特征，抽象了各层网络间的交互规则。基于中南地区管制空域数据构建空中交通运行网络模型，分析多层网络的结构特性及运行特征。然后，研究了空中交通运行网络的静态韧性，提出了多层网络的静态韧性测度指标，并通过多维度的攻击策略以分析网络静态韧性。采用二进制粒子群算法求解多层网络受破坏后重构能力的指标。基于广度优先搜索算法计算剩余网络的适应度函数值，优化了传统算法收敛迭代次数，降低了时间复杂度。最后，建立了基于容量-负载的多层网络级联失效韧性模型，提出级联失效韧性评价指标，通过模型仿真分析空中交通运行网络的级联失效韧性。本文从多层网络的视角出发，研究了空中交通系统受破坏性事件的影响以及恢复机制，研究成果不仅丰富了网络科学研究的实证结果，同时为提高航空器运行效率、科学地优化系统资源提供技术支持。