Analysis of the European air route network: properties, evolution and resilience

Abstract

[eng] Air transport constitutes a key socio-technical infrastructure of modern society with worldwide economic and environmental implications. Motivated by the success of applying a complex network approach to many real-world systems, several studies have analysed the structure and dynamics of air transport systems under this paradigm. In most models, nodes represent airports and a link is added between two nodes whenever a flight exists between both airports, constituting the so-called airport networks. Nevertheless, aircraft usually cannot fly using the most direct route, but are instead confined to flying along airways or pre-defined routes, which simplifies the task of maintaining safe separation between them. While these air routes constitute the backbone of air transport with a clear network structure, they have seldom been analysed from a complex network perspective. First, the aim of this project is to analyse the evolution of the topology of these air route networks, using a real data set covering the European airspace from 2015 to 2018. In particular, we perform both a descriptive analysis of the time evolution of certain metrics as well as an inference study on the possible reasons behind the creation/deletion of some airways. Second, this work includes an analysis of the resilience and vulnerability of such networks by analysing disturbances that affect single links and entire geographic areas. The former gives us some insight into the consequences of closing or partially modifying a certain air route. The latter is analysed by de-activating all the links that fall in a certain region that may be affected by extreme weather or other circumstances.

[spa] El transport aeri constitueix una infraestructura de caràcter sociotècnic clau per a la societat actual, amb implicacions econòmiques i mediambientals a escala mundial. Motivats per l’èxit obtingut en utilitzar el camp de les xarxes complexes a molts sistemes del món real, diversos estudis han analitzat l’estructura i la dinàmica dels sistemes de transport aeri sota aquest paradigma. En la majoria de models, els nodes representen aeroports i s’afegeix un enllaç entre dos nodes quan existeix un vol entre ambdós aeroports, constituint les anomenades xarxes aeroportuàries. No obstant això, els avions normalment no poden volar utilitzant la ruta més directa, sinó que es veuen limitats a volar per corredors aeris o rutes predeterminades, cosa que simplifica la tasca de mantenir una distància de seguretat entre ells. Mentre que aquestes rutes aèries constitueixen la columna vertebral del transport aeri amb una clara estructura de xarxa, rarament s’han analitzat des de la perspectiva de xarxa complexa. En primer lloc, l’objectiu d’aquest projecte és analitzar l’evolució de la topologia d’aquestes xarxes de rutes aèries, utilitzant una base de dades real que cobreix l’espai aeri europeu des de 2015 fins a 2018. En particular, portem a terme tant un anàlisi descriptiu de l’evolució temporal de certes mètriques com un estudi d’inferència sobre les possibles raons darrere la creació/eliminació d’alguns corredors aeris. En segon lloc, aquest treball inclou un anàlisi de la resiliència i la vulnerabilitat d’aquestes xarxes mitjançant l’anàlisi d’interrupcions que afecten determinats enllaços i àrees geogràfiques senceres. El primer cas ens donarà una visió de les conseqüències de tancar o modificar parcialment una determinada ruta aèria. El segon cas l’analitzarem desactivant tots els enllaços que cauen en una determinada regió que es pogués veure afectada per condicions climàtiques extremes o altres circumstàncies.