未來城市空中交通展望
摘要
2019年9月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《交通強國建設(shè)綱要》，要求強化前沿關(guān)鍵科技研發(fā)，瞄準新一代信息技術(shù)、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(fā)交通產(chǎn)業(yè)變革的前瞻性、顛覆性技術(shù)研究。目前國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)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(fā)展空間較大。城市空中交通為有效開發(fā)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(wǎng)，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(jié)當前研究進展，并從運行層面進行展望。
1.發(fā)展城市空中交通有助于進一步完善立體綜合交通網(wǎng)和公共服務(wù)保障體系
發(fā)展城市空中交通有助于高密度城市的進一步發(fā)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(fā)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(xiàn)較高效率的運輸需求，符合高密度城市對交通進一步發(fā)展的導向。
同時，發(fā)展城市空中交通是進一步打造城市立體綜合交通網(wǎng)的需要。城市空中交通將發(fā)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(qū)，提供更多高品質(zhì)、個性化交通解決方案，打造立體綜合交通體系。
另一方面，發(fā)展城市空中交通也是完善應(yīng)急救援、醫(yī)療救護等公共服務(wù)的需要。城市空中飛行的速度優(yōu)勢將為搶險救災(zāi)以及醫(yī)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(zāi)后交通設(shè)施受損等緊急或極端條件下保證公共服務(wù)的可達性。
（城市空中交通設(shè)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(tǒng) 。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(xiàn)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(chǎn)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(qū)域的噪音影響。另一方面，現(xiàn)有的通用航空出行方式尚未與“按需出行”、“出行即服務(wù)”等理念深度融合，雖有企業(yè)開始嘗試結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)直升機出行平臺，但目前通航產(chǎn)業(yè)在城市空中交通領(lǐng)域提供的服務(wù)并未達到消費者的預(yù)期。城市空中交通需要進一步發(fā)展以滿足人們對空中出行的需求。
（城市空中交通架構(gòu)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(xiàn)從一個地點到另外一個地點，首先需要從起降設(shè)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(tǒng)中接受統(tǒng)一管理以避免與其它飛行器產(chǎn)生沖突。同時飛行器還需要從城市空中交通管理系統(tǒng)獲得到相應(yīng)的定位和導航服務(wù)以引導其順利到達目的地?？梢钥吹?，城市空中交通應(yīng)該由飛行器、起降設(shè)施和空中交通管理系統(tǒng)等組成。
2.1 飛行器續(xù)航里程已達到城市應(yīng)用需求，安全性與穩(wěn)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(shù)的發(fā)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(fā)展方向。當前eVTOL飛行器已經(jīng)在以下幾方面有了一些進展:
（eVTOL飛行器技術(shù)發(fā)展)
2.2 城市起降設(shè)施方案不斷創(chuàng)新，設(shè)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(xiàn)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(nèi)尋找可供eVTOL起降的場地以滿足未來的大規(guī)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(shè)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(shè)方案。一種是在海邊城市建設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)，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(tǒng)中心化與分散式理念共存，通過協(xié)調(diào)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(tǒng)，由系統(tǒng)指令每一個飛行器的飛行動作，所有飛行器按照指令執(zhí)行。其主要提倡者億航建議將所有的飛行器信息以及動態(tài)統(tǒng)一到指揮調(diào)度平臺上。
去中心化（分散化）管理：飛行服務(wù)機構(gòu)提供信息共享，鼓勵飛行器操控者按照管理機構(gòu)設(shè)立好的規(guī)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(diào)配中心實驗室
（圖片來源：億航）
分散式飛行服務(wù)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(gòu)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(shè)置不同類型的服務(wù)站點提供不同的服務(wù)，鼓勵飛行器自主避讓
• 通過設(shè)置不同的運行區(qū)域運用不同的調(diào)配規(guī)則
UBER
• 分散式空中交通管理
• 通過設(shè)置中心飛行服務(wù)站以及下級飛行服務(wù)站進 行飛行統(tǒng)一服務(wù)
• 根據(jù)用戶類別以及飛服站類別在沖突調(diào)配過程中賦予不同的權(quán)限
NASA
• 分散式空中交通管理
• 通過飛行服務(wù)站進行戰(zhàn)術(shù)上的沖突調(diào)配
• 通過飛行站間的協(xié)調(diào)進行空中交通戰(zhàn)術(shù)調(diào)配
億航
• 集中式空中交通管理
• 通過統(tǒng)一的平臺對城市飛行器進行精確的統(tǒng)一調(diào)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(diào)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(yīng)速度以及相應(yīng)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(jù)所在區(qū)域的流量采用相應(yīng)的管控方式。無人機操作者可以通過飛行服務(wù)機構(gòu)獲取空中交通相關(guān)的共享信息，并通過服務(wù)機構(gòu)進行時間以及飛行區(qū)域的相互協(xié)調(diào)，達到戰(zhàn)略上沖突解除以及基于設(shè)定好的規(guī)則戰(zhàn)術(shù)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(yīng)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(zhàn)略上沖突解除：
通過提前預(yù)判采用運行高度調(diào)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(xiàn)融合運行，應(yīng)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(wù)，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(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，無人飛行將部分取代現(xiàn)有的有人飛行應(yīng)用。因此，城市應(yīng)在建設(shè)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(guān)規(guī)則和運行方法。低空飛行服務(wù)體系應(yīng)預(yù)留與無人飛行管理平臺融合端口，并在未來實現(xiàn)信息共享與沖突協(xié)調(diào)等功能。
3.2 空中交通管理實現(xiàn)分類優(yōu)化，運行安全和效率不斷提高
分散式空中交通系統(tǒng)可以更好地利用低流量區(qū)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(yù)計之后的城市空中交通管理系統(tǒng)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(jù)不同空域的空中交通流量和活動量，按高度或者按區(qū)域采用不同的城市空中交通管理方法。在流量較小的區(qū)域，將主要采用分散式空中交通管理理念，以用戶基于規(guī)則自主協(xié)調(diào)解決沖突為主。在流量大的區(qū)域，將實行集中式空中交通管理，要求用戶按照統(tǒng)一的調(diào)配進行飛行。同時隨著北斗、5G等先進通訊導航方式的應(yīng)用，之后的飛行器間隔將隨著技術(shù)提升而相應(yīng)減小，空域利用效率隨之提升。
（城市空中交通系統(tǒng))
（圖片來源：UBER）
3.3 城市空域融入國土空間規(guī)劃，低空資源得到釋放
建議組織力量規(guī)劃設(shè)計低空飛行線路以及相關(guān)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(guān)的生態(tài)敏感區(qū)域劃設(shè)保護區(qū)，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(qū)的影響。城市飛行器的起降設(shè)施，建議以已有的直升機起降場地和高層建筑頂層為基礎(chǔ)加以改造，并建立可回收裝置實現(xiàn)起降場地的多用途設(shè)計，以實現(xiàn)起降場地的動態(tài)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(guī)劃。建議對低空空間利用設(shè)置一定的保護機制，對低空飛行密集區(qū)域的超高建筑新建項目設(shè)立相關(guān)的審查程序，以保護城市低空空間的安全利用。
3.4復(fù)制互聯(lián)網(wǎng)交通運營模式，定制化交通服務(wù)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(wù)。在用戶選擇空中交通服務(wù)的同時，系統(tǒng)將為用戶智能提供接駁空中飛行的地面出行選擇，實現(xiàn)無縫式定制化交通服務(wù)。UBER已經(jīng)開始計劃為使用其空中出行服務(wù)的乘客提供從家門口到乘機地點的UBER地面服務(wù)，根據(jù)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(jīng)在巴西圣保羅推出了直升機“即時服務(wù)（on-demand helicopter service）”業(yè)務(wù)，為乘客提供一鍵打“飛的”服務(wù)。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(diào)度，空中地面出行方式無縫接駁等一站式出行服務(wù)內(nèi)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(wù)。
結(jié)語
2019年5月民航局發(fā)布《促進民用無人駕駛航空發(fā)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(nèi)的無人駕駛航空交通運輸系統(tǒng)。2020年5月民航局發(fā)布《民用無人駕駛航空試驗基地（試驗區(qū)）建設(shè)工作指引》，提出加快先進技術(shù)應(yīng)用，探索低空空中交通管理與服務(wù)，實現(xiàn)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(tǒng)的研究已經(jīng)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(yīng)用場景下，利用5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)，在安全運行的基礎(chǔ)上，拓展無人駕駛航空商業(yè)運營模式，構(gòu)建城市空中交通運行管理體系。待發(fā)展時機成熟，探索將低空空間列入城市國土空間規(guī)劃，劃設(shè)低空飛行公共航線，統(tǒng)籌開發(fā)低空資源，真正實現(xiàn)城市交通由地面、地下向全方位、立體式綜合發(fā)展。