基于复杂网络的国际航班网络可视化分析

刘翔鸽 张婉伊

摘 要：全球航空流通作为跨国连通性的指标之一，其航空网络及其数据结构之间的可视化关联关系，能极大地表现中国城市与世界各国家、各城市之间的来往程度，具有很重要的研究和分析价值。为了分析我国与世界各地区往来密切程度及中国主要城市的对外联系程度，选取了中国包括港澳台在内的60个民航机场，构建中国主要城市与国际航线往来网络。通过搜集2019年1，2月份中国国际航线流，采用 Gephi 软件对该航线网络结构进行了简单的可视化分析，由此得出中国与世界各国各地的航班往来网络，分析当前中国与世界各国在政治、经济、文化等方面的交流状况，总结出中国各城市与国外城市之间往来的关联程度，以及其背后的原因，并最终分析其潜在的价值。

关键词：航空网络; 可视化分析; 关联网络

一.研究背景

航空运输是一个衡量城市的重要指标，一个城市的机场是与其他城市联系的重要通道之一[1]。人们出国旅游、留学或者进行国际贸易，高新科技产品的运输，大多是通过国际航班这一重要途径的。城市设立的国际机场的连通城市量、航线量、航班量，在一定程度也体现着一个城市的影响力、国际地位和城市之间的联系[2]。

中国拥有众多的国际机场，有北京首都国际机场、上海浦东国际机场等闻名中外的国际机场，也有宁波栎社、福州长乐这样的小型国际机场。它们连接着世界各地的国际机场，将世界组织成一张巨大的国际航班网络。在这张网上，存在一些重要节点和线。

本文以中国城市的国际机场为主视角，通过对中国各机场与国际机场间航线往来的分析研究，得出了中国与世界各地区的联系紧密程度以及中国各地区的对外开放程度，并基于此和相关文献资料总结出中国与各国在政治、經济、文化等方面的交流趋势及其潜在的价值分析。

二.数据处理

2.1数据来源

本文所涉及的国际航空网络的航线数据主要来源于VariFlight网站，本文选取了包括港澳台在内的60个中国重要国际机场，抓取了这60个机场在2019年1月1日至2月28日的国际航线记录，共涉及284个国内外城市，2777条航线。

2.2数据预处理

为了更好的了解我国国际机场与国外的联系情况，对采集到的数据进行以下处理：

（1）合并国内60个机场与国际各大机场的航班来往信息，对有经停线路的航班，只选取出发的和目的地，合并后共计10914条航班信息。

（2）将航班信息中三字机场代码（如PEK）更换成机场所在地或最近城市的名称（如PEK更改成“北京”），对于拥有两个及以上机场的城市，将该城市所有机场的航班信息进行合并，以城市间的航线作为连接边，航班量作为权重，以便后续对数据进行深度清洗和分析。

（3）对采集到的数据进行清洗，将不符合研究目的的数据去除，去除夹杂在其中的国内机场互飞的信息，清洗完成后有效数据共计2777条。

三、分析与发现

3.1我国与国外各城市密切程度分析

将清洗整合的有效数据导入Gephi，得到了该关系网的基本分析：网络平均度9.73，网络平均加权度1026.607，网络密度0.034，网络平均集聚系数0.045，社团数量6，模块度0.244。其中，平均度对国际航空网络的考虑促进了机场的关联关系。模块度用来考虑我国与国际各机场关联的交叉关系，更好地匹配真实的航空线路。社团有助于发现我国与世界各国来往网络的深层关系。

将数据进行可视化分析，如图1所示。由图可以看到，与中国联系最为密切的城市有大阪，名古屋，吉隆坡，曼谷，金边，新加坡等亚洲国家，此外，洛杉矶，旧金山，纽约，悉尼，墨尔本等美洲、澳洲国家与中国的联系与较为密切。

图1 可视化结果

在所得数据中，一个外国城市的加权入度反映了中国飞往该城市的航班总数，而加权出度则反映了该城市飞往中国的航班总数。为了进一步研究其相关关系，将加权度排名前30，即与中国联系最为密切的30个城市进行分析，发现曼谷，首尔，新加坡，大阪，东京几个城市分别以总加权度值31916，25626，16296，16205，16033排位列与中国联系最为密切城市前5，如表1所示。总体上，我国公民出境目的地仍然以亚太地区为主，其中日本占6个，泰国占3个，亚洲国家22个。其次，我国与美国和澳洲的各大城市的来往也十分密切。但相对来讲，与非洲等国家来往程度不如欧美等国家。

3.2我国主要城市对外联系程度分析

作为航空网络节点的机场，其度是指该节点机场与其他机场联接的边的数量，即该机场通航航线数量。通常情况下，节点度值大小反映了该机场通达性和规模，而机场的通达性很大程度上代表了城市的对外联系程度[3]。

为了研究分析我国主要城市的对外联系程度，在这一节中本文只选取了58个城市的度与加权度的相关数据，如表2。本小节中的航空网络样本，度数最高的为北京，值为263，说明其与263个国外城市有直接的航空联系。其次是香港、上海、广州、桃园（台湾），度值分别为238、206、164、158。但从加权度的比较来看，香港机场值为40290，排名第一，其次是广州，值为35738，上海的航班量为29165，再是北京，其值为26247，第五依旧是桃园（台湾），值为24794。度排名和加权度排名上来看，前五依旧是北上广、香港和桃园。但在具体排名上有所变化，尽管北京所联系的城市最多，但与某些城市的联系程度上来说，香港、广州、上海的密切程度更胜北京一筹。

联系的城市多，但密切程度相较不高。为了检验这样的情况是否在58个城市中大量出现还是联系城市数量与其密切程度基本一致，本文进行了拟合优度检验。计算出每个城市的度占比和加权度占比，各自从小到大排序并按序累加至1，得到散点图，如图2所示，并得出 R^2 值为0.9614，说明回归直线对观测值的拟合程度好，即联系城市数量与其密切程度基本一致。

图2 拟合优度检验

3.3我国与世界各国往来密切程度原因分析

根据国际统计局数据来看，我国出国旅游排名前五的国家和地区依次是：韩国、泰国、日本、新加坡、美国。韩国备受女性青睐的化妆品、便利的处境服务和优惠措施，日本的樱花、富士山等风景，泰国的风土人情，以及新加坡和美国的发达富裕都吸引了无数中国游客，由此可见，旅游是我国与其它各国各地区来往密切的原因之一。

再者，中国留学生依旧是数量庞大的群体。随着经济的不断进步和国际留学政策的不断开放，留学生数量不断增多，留学生群体及其家长在中国与留学地的往来情况，都直接或者间接地促进了我国与美国、澳洲等留学地城市的往来密切程度。

国际统计局相关数据显示，2019年1-2月期间，对华投资前五位国家/地区依次为：韩国、新加坡、美国、日本、荷兰。随着中国贸易政策的不断开放，中国与各国贸易往来程度也与日俱增。贸易的增加，势必会使人员、货物等在中国与贸易国之间更快速地流通，这也是衡量中国与各地区来往程度的重要指标。

总体来看，基于旅游、留学、贸易往来等诸多因素，我国与亚洲周边国家、美国、澳洲等地区的交往最为密切[4]。随着国际形势的进一步开放，相信中国与世界各地区的交流将会更加友好和多样化。

3.4我国主要城市对外联系程度原因分析

我国主要城市对外联系程度与地理位置、政治经济因素密切相关。城市的航班往来数量及对外联系程度与其地理位置和经济发展水平密切相关[5]。

首都北京位于华北平原，是一个政治色彩强烈、与世界各地联系密切的城市;上海地处东部沿海，是中国对外开放最早的城市，對外联系的强度和广度也逐年提高;广州作为广东的省会城市，地处珠江三角洲北缘，是中国通往世界的南大门[6];而香港则是众所周知的国际城市，与纽约、伦敦并称为“纽伦港”，是全球第三大金融中心[7];桃园拥有台湾最大的国际机场，是台湾重要的航空枢纽。从地理、政治、经济等角度分析，不难分析出以上五个城市名列前茅的原因。

中国城市的对外联系程度也存在着明显的东西差异[8]。绝大部分通航城市分布在中国东部地区。东部地区航线密集，航空联系复杂而紧密，加权度值总和达252493，占总加权度值86.04%，网络化程度很高;西部地区则航线比较稀疏，航线联系较少。

总体来看，由于国家政策、各个地区因地制宜的发展，城市的对外联系程度也与之相对应。在未来的发展中，我国将会有更多的城市融入全球化的大潮中，会得到更好的发展。

四、研究意义

通过对包括港澳台在内的60个中国重要的国际机场航站出、入站航班的分析，可以得出这60个国际机场与国际城市、其他国家的联系程度，研究有以下三点意义：

（1）评判一个城市国际化程度。作为一个国际化城市，应与世界各个国家均有航班联系，且具备足够数量的航班量，例如中国的北上广深。

（2）精准定位城市对外开放发展方向，及时调整国际航班数量。例如，广西南宁作为中国-东盟博览会举办地，跟东南亚各个国家应有航班往来，抓取的数据表明，南宁飞往东南亚各国城市的前五分别是曼谷、新加坡、吉隆坡、暹粒、加德满都，符合南宁作为中国联系东南亚各国的枢纽。

（3）反映一个城市的经济实力。国际航班数量的多少，反映着该城市的经济实力。与各国城市往来密切，交易频繁，促进城市的经济发展。

五、结论

跨国跨区域的人口、货物等主要依赖于航空运输，研究中国城市机场与世界各地区机场的航班往来具有重要意义。应用Gephi得出可视化分析，可以得出结论：中国国际航空网络是核心-边缘网络，且北京、香港、上海、广州、桃园（中国台湾）是网络的核心，也是我国出入境的主要通道;在现有机场节点的基础上，加强我国其他地域机场与世界的往来，可以进一步扩大对外开放程度;在对外交往方面，我国大陆机场城市与东亚、东南亚地区来往较为频繁，可以适当增强与欧美等地区的航班联系[9];随着"一带一路"战略的实施，该网络正快速向中亚地区拓展，未来中国对外贸易程度将逐步扩大，尤其是与"一带一路"沿线国家[10]。中国国际民航运输市场是中国对外开放的重要渠道之一，对其展开后续研究将具有重要的现实意义和理论价值。

参考文献

[1] 薛俊菲. 基于航空网络的中国城市体系等级结构与分布格局[J]. 地理研究， 2008（01）： 23-32+242.

[2] 刘宏鲲. 中国城市航空网络的实证研究与分析[J].物理学报，2007（01）：106-112.

[3] 曾小舟. 基于复杂网络理论的中国航空网络结构实证研究与分析[D]. 南京航空航天大学， 2012.

[4] 王成金. 从航空国际网络看我国对外联系的空间演变[J].经济地理， 2005（05）： 667-672.

[5] 王姣娥， 莫辉辉， 金凤君. 中国航空网络空间结构的复杂性[J].地理学报. 2009（08）

[6] 许军.从主位推进角度浅析白云机场双语简介[J].红河学院学报，2019，17（03）：96-100

[7] 刘咏松.香港现代平面设计的发展探析[J].艺术研究，2018（02）：82-85.

[8] 周一星，胡智勇.从航空运输看中国城市体系的空间网络结构[J].地理研究，2002（03）：276-286.

[9] 李会，王加胜，杨昆.中国国际航空网络对人口流动空间的影响[J].现代计算机（专业版），2017（02）：10-15.

[10] 徐旭，张健，卢晓凯，汪刘超.中国航空货运国际网络地域系统研究[J].干旱区资源与环境，2018，32（10）：56-62.