未來城市空中交通展望

摘要

2019年9月,中共中央、國務院印發《交通強國建設綱要》,要求強化前沿關鍵科技研發,瞄準新一代信息技術、人工智能、智能制造、新材料、新能源等世界科技前沿,加強對可能引發交通產業變革的前瞻性、顛覆性技術研究。目前國家綜合立體交通網規劃正在編制之中,與相對成熟的陸路、水路以及民航運輸相比,城市空中交通尚處探索階段,未來發展空間較大。城市空中交通為有效開發利用低空資源,提供多樣化、個性化交通解決方案,真正打造立體綜合交通網,提供了全新的思路。本文分析引入城市空中交通的意義,總結當前研究進展,并從運行層面進行展望。

 

 

1.發展城市空中交通有助于進一步完善立體綜合交通網和公共服務保障體系

 

發展城市空中交通有助于高密度城市的進一步發展。當前城市地面空間日益緊張,城市不斷向空中和地下縱向 發展,拓展新的增長空間。城市空中交通工具起降對城市用地占用較少,可以以較小的起降場地實現較高效率的運輸需求,符合高密度城市對交通進一步發展的導向。

同時,發展城市空中交通是進一步打造城市立體綜合交通網的需要。城市空中交通將發揮城市飛行靈活、方便、快捷的特性,充分利用空中資源提供點對點的便捷出行,覆蓋交通不便地區,提供更多高品質、個性化交通解決方案,打造立體綜合交通體系。

另一方面,發展城市空中交通也是完善應急救援、醫療救護等公共服務的需要。城市空中飛行的速度優勢將為搶險救災以及醫療救護贏得更多的寶貴時間,同時城市飛行不受地面條件的限制,可以在例如疫情道路封鎖、災后交通設施受損等緊急或極端條件下保證公共服務的可達性。

 

 

(城市空中交通設想場景)

(來源:空客UTM Blueprint)

 

2.城市空中交通的研究進展

 

按照NASA(美國國家航空航天局)的定義,城市空中交通(UAM)為在城市中用于客運或貨運的、安全高效的有人駕駛/無人駕駛(空中)交通工具系統 。按照此定義,通用航空的直升機擺渡運輸是當前城市空中交通的主要實現方式。但是由于直升機起降場地受限的原因,乘客只能到指定的地點乘降,出行靈活性大大受限。同時,直升機旋翼的空氣動力槳葉拍擊空氣產生的噪聲是很難消除的,一定程度會影響乘客出行的舒適性,并帶來飛越城市敏感區域的噪音影響。另一方面,現有的通用航空出行方式尚未與“按需出行”、“出行即服務”等理念深度融合,雖有企業開始嘗試結合互聯網開發直升機出行平臺,但目前通航產業在城市空中交通領域提供的服務并未達到消費者的預期。城市空中交通需要進一步發展以滿足人們對空中出行的需求。

 

 

(城市空中交通架構示意圖)

(圖片來源:億航)

 

       從城市空中交通的運行過程來看,飛行器要實現從一個地點到另外一個地點,首先需要從起降設施起飛。而當飛行器即將起飛以及起飛后,飛行器需要納入城市空中交通管理系統中接受統一管理以避免與其它飛行器產生沖突。同時飛行器還需要從城市空中交通管理系統獲得到相應的定位和導航服務以引導其順利到達目的地??梢钥吹?,城市空中交通應該由飛行器、起降設施和空中交通管理系統等組成。

 

2.1 飛行器續航里程已達到城市應用需求,安全性與穩定性有待提升

 

 

(UBER新材料概念機)

(圖片來源:UBER)

 

隨著無人機技術的發展,電動垂直起降(eVTOL:electric Vertical Take Off and Landing)飛行器以其較好的垂直起降性能以及低能耗、零排放的特點成為未來城市空中交通飛行器的發展方向。當前eVTOL飛行器已經在以下幾方面有了一些進展:

 

 

(eVTOL飛行器技術發展)

 

2.2 城市起降設施方案不斷創新,設施選擇范圍得以擴展

 

目前大部分城市直升機起降場地都可以滿足eVTOL的需求。但是,要實現城市空中交通,當前的直升機起降場地還遠遠不夠。因此,需要在用地緊張的城市范圍內尋找可供eVTOL起降的場地以滿足未來的大規模運營?;陲w行起降場地對凈空的需求,此類起降場地將主要從周邊障礙物較少的地點尋找。

除了在高層建筑頂層設立起降場地以滿足需求外,UBER提出了兩種新型的起降場地建設方案。一種是在海邊城市建設浮動式駁船垂直起降場地,從水面完成飛行器的起飛爬升和進近,避免飛行器對周邊居民的干擾。另外一種是在高速公路的立交橋設立垂直起降場地。通過利用立交橋的空余場地,加建增高的直升機停機坪結構,并通過電梯連接地面,滿足乘客的立體交通接駁需求。

 

2.3 空中交通管理系統中心化與分散式理念共存,通過協調提前解除沖突漸成主流

 

目前城市空中交通的管理在國際上有中心化管理和去中心化(分散式)管理兩種方向。

中心化管理:將所有的交通信息集中到一個系統,由系統指令每一個飛行器的飛行動作,所有飛行器按照指令執行。其主要提倡者億航建議將所有的飛行器信息以及動態統一到指揮調度平臺上。

去中心化(分散化)管理:飛行服務機構提供信息共享,鼓勵飛行器操控者按照管理機構設立好的規則,共享了解相互間的意圖并避免可能的沖突,主要提倡者包括NASA,UBER以及Airbus等。

 

 

飛行調配中心實驗室

(圖片來源:億航)

 

 

分散式飛行服務示意圖

(圖片來源:空客UTM Blueprint)

 

同時,各城市空中交通運營商以及研究機構分別提出了自己的空中交通具體理念:

 

AIRBUS


• 分散式空中交通管理

• 通過設置不同類型的服務站點提供不同的服務,鼓勵飛行器自主避讓

• 通過設置不同的運行區域運用不同的調配規則

 

UBER 

 

• 分散式空中交通管理

• 通過設置中心飛行服務站以及下級飛行服務站進 行飛行統一服務

• 根據用戶類別以及飛服站類別在沖突調配過程中賦予不同的權限

 

NASA 

 

• 分散式空中交通管理 

• 通過飛行服務站進行戰術上的沖突調配 

• 通過飛行站間的協調進行空中交通戰術調配

 

億航 

 

• 集中式空中交通管理 

• 通過統一的平臺對城市飛行器進行精確的統一調度

• 最大限度地避免可能的沖突

 

可以看到,集中式空中交通管理方式可以最大程度地避免空中可能的沖突,并通過指揮中心調配好每一架飛行器的飛行線路和時間,可以在大飛行量下保證空域的安全運行。但此種管理方式將需要考慮飛行器的反應速度以及相應的余度,從而增大相互間隔而導致空域利用效率下降。

而分散式交通管理的主要理念是根據所在區域的流量采用相應的管控方式。無人機操作者可以通過飛行服務機構獲取空中交通相關的共享信息,并通過服務機構進行時間以及飛行區域的相互協調,達到戰略上沖突解除以及基于設定好的規則戰術上解除沖突,以達到最大程度的空域利用。但基于自主沖突解除的管理方式將無法應用于大飛行量空域,且需要飛行器操控者具有良好的安全意識。

 

 

戰略上沖突解除:

通過提前預判采用運行高度調整的方法解除沖突

(圖片來源:FAA)

 

3.城市空中交通運行的展望

 

3.1城市有人飛行與無人飛行實現融合運行,應用場景更加豐富

 

       目前城市空中交通主要以通航飛行提供服務,城市空中交通管理方式主要以有人飛行為考慮重點。但隨著無人航空器在性能上的優勢逐漸顯現,無人飛行將部分取代現有的有人飛行應用。因此,城市應在建設城市空中管理體系時融入有人飛行與無人飛行融合運行的理念,不再采用隔離運行的方式加以管理,研究無人飛行器融合運行的相關規則和運行方法。低空飛行服務體系應預留與無人飛行管理平臺融合端口,并在未來實現信息共享與沖突協調等功能。

 

3.2 空中交通管理實現分類優化,運行安全和效率不斷提高

 

       分散式空中交通系統可以更好地利用低流量區域的空域資源,避免因過度管控而導致的空域浪費。但是,分散式空中交通管理難以滿足大流量下的空中交通運行需求。因此,預計之后的城市空中交通管理系統將融合集中式與分散式兩種管理觀念??沼蛸Y源管理方將根據不同空域的空中交通流量和活動量,按高度或者按區域采用不同的城市空中交通管理方法。在流量較小的區域,將主要采用分散式空中交通管理理念,以用戶基于規則自主協調解決沖突為主。在流量大的區域,將實行集中式空中交通管理,要求用戶按照統一的調配進行飛行。同時隨著北斗、5G等先進通訊導航方式的應用,之后的飛行器間隔將隨著技術提升而相應減小,空域利用效率隨之提升。

 

 

(城市空中交通系統) 

(圖片來源:UBER)

 

3.3  城市空域融入國土空間規劃,低空資源得到釋放

 

建議組織力量規劃設計低空飛行線路以及相關的起飛降落操作流程,以避免城市飛行噪音對城市生活的影響,并在相關的生態敏感區域劃設保護區,要求城市飛行器通過高度或者距離的方式減小噪音對保護區的影響。城市飛行器的起降設施,建議以已有的直升機起降場地和高層建筑頂層為基礎加以改造,并建立可回收裝置實現起降場地的多用途設計,以實現起降場地的動態利用。

另一方面,建議將城市交通飛行空域作為城市資源之一,納入城市國土空間規劃。建議對低空空間利用設置一定的保護機制,對低空飛行密集區域的超高建筑新建項目設立相關的審查程序,以保護城市低空空間的安全利用。

 

3.4復制互聯網交通運營模式,定制化交通服務成主流

 

城市空中交通將與地面交通相互融合,為乘客提供定制化一站式服務。在用戶選擇空中交通服務的同時,系統將為用戶智能提供接駁空中飛行的地面出行選擇,實現無縫式定制化交通服務。UBER已經開始計劃為使用其空中出行服務的乘客提供從家門口到乘機地點的UBER地面服務,根據乘客出行需求,提供UBER專車或指引乘客騎車前往最終目的地。Airbus已經在巴西圣保羅推出了直升機“即時服務(on-demand helicopter service)”業務,為乘客提供一鍵打“飛的”服務。城市空中交通將在不久的將來融入城市交通體系,通過出行平臺在線完成乘客出行需求整合,交通出行工具調度,空中地面出行方式無縫接駁等一站式出行服務內容,與其它交通方式一起為出行者提供更為便捷舒適的定制化服務。

 

結語

2019年5月民航局發布《促進民用無人駕駛航空發展的指導意見(征求意見稿)》,提出在2035年之前,建立包括載人在內的無人駕駛航空交通運輸系統。2020年5月民航局發布《民用無人駕駛航空試驗基地(試驗區)建設工作指引》,提出加快先進技術應用,探索低空空中交通管理與服務,實現有人機和無人機空域資源共享,提升空域使用效能。因此無論是市場層面,還是政策層面,未來空中交通系統的研究已經提上議事日程。通過開展試點示范運行,可以在建筑、人口密集分布的城市應用場景下,利用5G、物聯網、人工智能等現代技術,在安全運行的基礎上,拓展無人駕駛航空商業運營模式,構建城市空中交通運行管理體系。待發展時機成熟,探索將低空空間列入城市國土空間規劃,劃設低空飛行公共航線,統籌開發低空資源,真正實現城市交通由地面、地下向全方位、立體式綜合發展。

 

 

撰寫:鄭林
排版:黃寶芬
校驗:歐陽新加、張奇、何少辰
審核:陸曉華
審定:邵源

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