未来城市空中交通展望

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2021-09-04 11:08

     2019年9月,中共中央、国务院印发《交通强国建设纲要》,要求强化前沿关键科技研发,瞄准新一代信息技术、人工智能、智能制造、新材料、新能源等世界科技前沿,加强对可能引发交通产业变革的前瞻性、颠覆性技术研究。目前国家综合立体交通网规划正在编制之中,与相对成熟的陆路、水路以及民航运输相比,城市空中交通尚处探索阶段,未来发展空间较大。城市空中交通为有效开发利用低空资源,提供多样化、个性化交通解决方案,真正打造立体综合交通网,提供了全新的思路。本文分析引入城市空中交通的意义,总结当前研究进展,并从运行层面进行展望。

1、发展城市空中交通有助于进一步完善立体综合交通网和公共服务保障体系

     发展城市空中交通有助于高密度城市的进一步发展。当前城市地面空间日益紧张,城市不断向空中和地下纵向 发展,拓展新的增长空间。 城市空中交通工具起降对城市用地占用较少,可以以较小的起降场地实现较高效率的运输需求,符合高密度城市对交通进一步发展的导向。

     同时,发展城市空中交通是进一步打造城市立体综合交通网的需要。城市空中交通将发挥城市飞行灵活、方便、快捷的特性,充分利用空中资源提供点对点的便捷出行,覆盖交通不便地区,提供更多高品质、个性化交通解决方案,打造立体综合交通体系。

     另一方面,发展城市空中交通也是完善应急救援、医疗救护等公共服务的需要。城市空中飞行的速度优势将为抢险救灾以及医疗救护赢得更多的宝贵时间,同时城市飞行不受地面条件的限制,可以在例如疫情道路封锁、灾后交通设施受损等紧急或极端条件下保证公共服务的可达性。

城市空中交通设想场景

2、城市空中交通的研究进展

     按照NASA(美国国家航空航天局)的定义,城市空中交通(UAM)为在城市中用于客运或货运的、安全高效的有人驾驶/无人驾驶(空中)交通工具系统 。按照此定义,通用航空的直升机摆渡运输是当前城市空中交通的主要实现方式。但是由于直升机起降场地受限的原因,乘客只能到指定的地点乘降,出行灵活性大大受限。同时,直升机旋翼的空气动力桨叶拍击空气产生的噪声是很难消除的,一定程度会影响乘客出行的舒适性,并带来飞越城市敏感区域的噪音影响。另一方面,现有的通用航空出行方式尚未与“按需出行”、“出行即服务”等理念深度融合,虽有企业开始尝试结合互联网开发直升机出行平台,但目前通航产业在城市空中交通领域提供的服务并未达到消费者的预期。城市空中交通需要进一步发展以满足人们对空中出行的需求。

     从城市空中交通的运行过程来看,飞行器要实现从一个地点到另外一个地点,首先需要从起降设施起飞。而当飞行器即将起飞以及起飞后,飞行器需要纳入城市空中交通管理系统中接受统一管理以避免与其它飞行器产生冲突。同时飞行器还需要从城市空中交通管理系统获得到相应的定位和导航服务以引导其顺利到达目的地。可以看到,城市空中交通应该由飞行器、起降设施和空中交通管理系统等组成。

2.1 飞行器续航里程已达到城市应用需求,安全性与稳定性有待提升

电动垂直起降飞行汽车

     随着无人机技术的发展,电动垂直起降(eVTOL:electric Vertical Take Off and Landing)飞行器以其较好的垂直起降性能以及低能耗、零排放的特点成为未来城市空中交通飞行器的发展方向。当前eVTOL飞行器已经在以下几方面有了一些进展:

eVTOL飞行器技术发展

2.2 城市起降设施方案不断创新,设施选择范围得以扩展

     目前大部分城市直升机起降场地都可以满足eVTOL的需求。但是,要实现城市空中交通,当前的直升机起降场地还远远不够。因此,需要在用地紧张的城市范围内寻找可供eVTOL起降的场地以满足未来的大规模运营。基于飞行起降场地对净空的需求,此类起降场地将主要从周边障碍物较少的地点寻找。

     除了在高层建筑顶层设立起降场地以满足需求外,UBER提出了两种新型的起降场地建设方案。一种是在海边城市建设浮动式驳船垂直起降场地,从水面完成飞行器的起飞爬升和进近,避免飞行器对周边居民的干扰。另外一种是在高速公路的立交桥设立垂直起降场地。通过利用立交桥的空余场地,加建增高的直升机停机坪结构,并通过电梯连接地面,满足乘客的立体交通接驳需求。

2.3 空中交通管理系统中心化与分散式理念共存,通过协调提前解除冲突渐成主流

     目前城市空中交通的管理在国际上有中心化管理和去中心化(分散式)管理两种方向。

     中心化管理:将所有的交通信息集中到一个系统,由系统指令每一个飞行器的飞行动作,所有飞行器按照指令执行。其主要提倡者亿航建议将所有的飞行器信息以及动态统一到指挥调度平台上。

     去中心化(分散化)管理:飞行服务机构提供信息共享,鼓励飞行器操控者按照管理机构设立好的规则,共享了解相互间的意图并避免可能的冲突,主要提倡者包括NASA,UBER以及Airbus等。

城市空中交通的管理中心飞行调配中心实验室分散式飞行服务示意图

     同时,各城市空中交通运营商以及研究机构分别提出了自己的空中交通具体理念:

AIRBUS

• 分散式空中交通管理

• 通过设置不同类型的服务站点提供不同的服务,鼓励飞行器自主避让

• 通过设置不同的运行区域运用不同的调配规则

UBER

• 分散式空中交通管理

• 通过设置中心飞行服务站以及下级飞行服务站进 行飞行统一服务

• 根据用户类别以及飞服站类别在冲突调配过程中赋予不同的权限

NASA

• 分散式空中交通管理

• 通过飞行服务站进行战术上的冲突调配

• 通过飞行站间的协调进行空中交通战术调配

亿航

• 集中式空中交通管理

• 通过统一的平台对城市飞行器进行精确的统一调度

• 最大限度地避免可能的冲突

     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冲突,并通过指挥中心调配好每一架飞行器的飞行线路和时间,可以在大飞行量下保证空域的安全运行。但此种管理方式将需要考虑飞行器的反应速度以及相应的余度,从而增大相互间隔而导致空域利用效率下降。

     而分散式交通管理的主要理念是根据所在区域的流量采用相应的管控方式。无人机操作者可以通过飞行服务机构获取空中交通相关的共享信息,并通过服务机构进行时间以及飞行区域的相互协调,达到战略上冲突解除以及基于设定好的规则战术上解除冲突,以达到最大程度的空域利用。但基于自主冲突解除的管理方式将无法应用于大飞行量空域,且需要飞行器操控者具有良好的安全意识。

分散式飞行服务示意图

战略上冲突解除:

通过提前预判采用运行高度调整的方法解除冲突

3、城市空中交通运行的展望

3.1城市有人飞行与无人飞行实现融合运行,应用场景更加丰富

     目前城市空中交通主要以通航飞行提供服务,城市空中交通管理方式主要以有人飞行为考虑重点。但随着无人航空器在性能上的优势逐渐显现,无人飞行将部分取代现有的有人飞行应用。因此,城市应在建设城市空中管理体系时融入有人飞行与无人飞行融合运行的理念,不再采用隔离运行的方式加以管理,研究无人飞行器融合运行的相关规则和运行方法。低空飞行服务体系应预留与无人飞行管理平台融合端口,并在未来实现信息共享与冲突协调等功能。

3.2 空中交通管理实现分类优化,运行安全和效率不断提高

     分散式空中交通系统可以更好地利用低流量区域的空域资源,避免因过度管控而导致的空域浪费。但是,分散式空中交通管理难以满足大流量下的空中交通运行需求。因此,预计之后的城市空中交通管理系统将融合集中式与分散式两种管理观念。空域资源管理方将根据不同空域的空中交通流量和活动量,按高度或者按区域采用不同的城市空中交通管理方法。在流量较小的区域,将主要采用分散式空中交通管理理念,以用户基于规则自主协调解决冲突为主。在流量大的区域,将实行集中式空中交通管理,要求用户按照统一的调配进行飞行。同时随着北斗、5G等先进通讯导航方式的应用,之后的飞行器间隔将随着技术提升而相应减小,空域利用效率随之提升。

城市空中交通系统

3.3 城市空域融入国土空间规划,低空资源得到释放

     建议组织力量规划设计低空飞行线路以及相关的起飞降落操作流程,以避免城市飞行噪音对城市生活的影响,并在相关的生态敏感区域划设保护区,要求城市飞行器通过高度或者距离的方式减小噪音对保护区的影响。城市飞行器的起降设施,建议以已有的直升机起降场地和高层建筑顶层为基础加以改造,并建立可回收装置实现起降场地的多用途设计,以实现起降场地的动态利用。

     另一方面,建议将城市交通飞行空域作为城市资源之一,纳入城市国土空间规划。建议对低空空间利用设置一定的保护机制,对低空飞行密集区域的超高建筑新建项目设立相关的审查程序,以保护城市低空空间的安全利用。

3.4复制互联网交通运营模式,定制化交通服务成主流

     城市空中交通将与地面交通相互融合,为乘客提供定制化一站式服务。在用户选择空中交通服务的同时,系统将为用户智能提供接驳空中飞行的地面出行选择,实现无缝式定制化交通服务。UBER已经开始计划为使用其空中出行服务的乘客提供从家门口到乘机地点的UBER地面服务,根据乘客出行需求,提供UBER专车或指引乘客骑车前往最终目的地。Airbus已经在巴西圣保罗推出了直升机“即时服务(on-demand helicopter service)”业务,为乘客提供一键打“飞的”服务。城市空中交通将在不久的将来融入城市交通体系,通过出行平台在线完成乘客出行需求整合,交通出行工具调度,空中地面出行方式无缝接驳等一站式出行服务内容,与其它交通方式一起为出行者提供更为便捷舒适的定制化服务。

结语

     2019年5月民航局发布《促进民用无人驾驶航空发展的指导意见(征求意见稿)》,提出在2035年之前,建立包括载人在内的无人驾驶航空交通运输系统。 2020年5月民航局发布《民用无人驾驶航空试验基地(试验区)建设工作指引》,提出加快先进技术应用,探索低空空中交通管理与服务,实现有人机和无人机空域资源共享,提升空域使用效能。因此无论是市场层面,还是政策层面,未来空中交通系统的研究已经提上议事日程。通过开展试点示范运行,可以在建筑、人口密集分布的城市应用场景下,利用5G、物联网、人工智能等现代技术,在安全运行的基础上,拓展无人驾驶航空商业运营模式,构建城市空中交通运行管理体系。待发展时机成熟,探索将低空空间列入城市国土空间规划,划设低空飞行公共航线,统筹开发低空资源,真正实现城市交通由地面、地下向全方位、立体式综合发展。

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