Potential Conflicts Identification in En-route Sectors through Complex Network Theory to Support New Separation Standards Implementation

Abstract

This doctoral thesis addresses the need for proactive, predictive, and structure-aware safety assessment methodologies that can support strategic Airspace Management decisions in increasingly constrained operational environments. Although aviation safety has traditionally relied on collision risk models and tactical indicators derived from rare adverse events, such approaches offer limited sensitivity for anticipating how airspace structure conditions safety performance under evolving operational and regulatory scenarios, including changes in separation standards. The primary objective of this research is to establish an operationally meaningful framework for strategic airspace safety assessment, capable of identifying structural conditions associated with elevated separation infringement risk in en-route airspace. To this end, an integrated analytical framework based on Complex Network Theory is developed and applied to characterise the structure and safety performance of the Spanish en-route air traffic network. Two complementary analytical dimensions are combined: a static network analysis aimed at identifying relationships between topological properties and the occurrence and concentration of Separation Minima Infringements, and a dynamic sector-level analysis focused on traffic interactions, potential conflicts, and their severity as leading indicators of safety performance. The methodology is based on six months of high-resolution radar trajectory data corresponding to Spanish-controlled airspace above flight level FL245, complemented by airspace structural information and recorded safety events provided by ENAIRE. The air traffic system is represented as a directed and weighted network in which waypoints constitute nodes and flight segments define edges. The static analysis incorporates topological descriptors such as degree, strength, clustering coefficient, and centrality measures to characterise structural exposure and potential thresholds beyond which safety performance degrades. The dynamic analysis introduces a potential conflict detection methodology together with a metric specifically formulated to quantify conflict severity based on separation margins and rate of closure. Both dimensions are integrated into a composite sector-level safety performance indicator obtained through the Entropy Weights Method and implemented in a dedicated computational toolbox developed in MATLAB. The results demonstrate that sector safety cannot be interpreted solely as a function of traffic demand, since sectors exposed to comparable traffic volumes exhibit differentiated safety responses depending on their structural position within the network. Topological properties such as centrality, clustering, and connectivity govern the concentration, persistence, and amplification of potential conflicts. Under reduced separation scenarios, safety degradation does not evolve proportionally with regulatory change: moderate reductions produce limited effects, whereas more restrictive configurations reveal accelerated degradation concentrated in structurally central sectors. The thesis concludes that reduced separation operates primarily as a structural stressor rather than as a uniform operational perturbation. In this context, the proposed framework provides a robust basis for sector-level safety comparison, the identification of latent structural vulnerability, and an objective classification of sector readiness for the progressive implementation of new separation standards, contributing to more structure-aware methodologies for strategic safety assessment in high-density airspace systems. RESUMEN La presente tesis doctoral aborda la necesidad de disponer de metodologías de evaluación de seguridad proactivas, predictivas y sensibles a la estructura del sistema, capaces de apoyar la toma de decisiones estratégicas en la gestión del espacio aéreo en entornos operativos cada vez más condicionados por restricciones de capacidad y por la evolución normativa, incluyendo cambios en los estándares de separación. Aunque la seguridad aeronáutica se ha sustentado tradicionalmente en modelos de riesgo de colisión e indicadores tácticos basados en eventos poco frecuentes, dichos enfoques presentan una capacidad limitada para anticipar cómo la estructura del espacio aéreo condiciona el comportamiento de la seguridad ante escenarios operativos y regulatorios cambiantes. El objetivo principal de esta investigación es establecer un marco operativamente significativo para la evaluación estratégica de la seguridad, capaz de identificar condiciones estructurales asociadas a un mayor riesgo de infracciones de separación en espacio aéreo en ruta. Para ello se desarrolla y aplica un marco analítico integrado basado en la Teoría de Redes Complejas para caracterizar la estructura y el comportamiento de seguridad de la red española de tráfico aéreo. Se combinan dos dimensiones analíticas complementarias: un análisis estático de red orientado a identificar relaciones entre propiedades topológicas y la ocurrencia y concentración de infracciones de separación, y un análisis dinámico a nivel de sector centrado en las interacciones de tráfico, los conflictos potenciales y su severidad como indicadores de seguridad. La metodología se fundamenta en seis meses de datos radar de alta resolución del espacio aéreo español por encima del nivel de vuelo FL245, complementados con información estructural del espacio aéreo y con registros de eventos reales de seguridad proporcionados por ENAIRE. El sistema de tráfico aéreo se representa como una red dirigida y ponderada en la que los puntos de ruta constituyen nodos y los segmentos de vuelo definen los enlaces. El análisis estático incorpora métricas topológicas como grado, fuerza, coeficiente de agrupamiento y medidas de centralidad para caracterizar la exposición estructural e identificar posibles umbrales a partir de los cuales la seguridad se degrada. El análisis dinámico introduce una metodología de detección de conflictos potenciales junto con una métrica específicamente formulada para cuantificar la severidad mediante márgenes de separación y velocidad de acercamiento. Ambas dimensiones se integran en un indicador compuesto de seguridad a nivel sectorial obtenido mediante el Método de Ponderación por Entropía e implementado en un entorno computacional desarrollado en MATLAB. Los resultados muestran que la seguridad no puede interpretarse únicamente en función de la demanda de tráfico, ya que sectores sometidos a volúmenes de tráfico comparables presentan respuestas diferenciadas en función de su posición estructural dentro de la red. Propiedades topológicas como centralidad, agrupamiento y conectividad condicionan la concentración, persistencia y amplificación de conflictos potenciales. Bajo escenarios de reducción de las mínimas de separación, la degradación de la seguridad no evoluciona de forma proporcional al cambio regulatorio: reducciones moderadas generan efectos limitados, mientras que configuraciones más restrictivas revelan degradaciones aceleradas concentradas en sectores estructuralmente centrales. La tesis concluye que la reducción de las mínimas de separación actúa principalmente como un factor de estrés estructural y no como una perturbación operativa uniforme. En este contexto, el marco propuesto proporciona una base sólida para la comparación de la seguridad entre sectores, la identificación de vulnerabilidad estructural latente, y la clasificación objetiva de la preparación de los sectores para la implantación progresiva de nuevos estándares de separación, contribuyendo al desarrollo de metodologías de evaluación estratégica de la seguridad que tengan en cuenta la estructura del espacio aéreo.