廖小罕，屈文秋，徐晨晨，賀洪波，王俊偉，石偉博

1.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049

3.中國(guó)民用航空局 民航低空地理信息與航路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

4.中國(guó)科學(xué)院 無(wú)人機(jī)應(yīng)用與管控研究中心，北京 100101

5.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地理與信息工程學(xué)院 區(qū)域生態(tài)過程與環(huán)境演變實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074

直升機(jī)自誕生起就被應(yīng)用于城市短途運(yùn)輸，例如從機(jī)場(chǎng)到市中心的短途運(yùn)輸或空中觀光等，這意味著城市空中交通早就存在［1］。近年來(lái)，遠(yuǎn)程機(jī)長(zhǎng)駕駛系統(tǒng)、分布式電力推進(jìn)系統(tǒng)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)等方面的技術(shù)取得突破，并成功應(yīng)用于電推進(jìn)垂直起降（electric Vertical Take-Off and Landing，eVTOL）航空器。以eVTOL 作為核心載運(yùn)工具、以個(gè)人用戶出行為特點(diǎn)的城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM）引起廣泛關(guān)注［2］并于2018 年被美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）明確定義［3］。與直升機(jī)不同，eVTOL 航空器具有噪音小、環(huán)保、安全性高、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，為UAM 的常態(tài)化運(yùn)行提供了解決安全與管理痛點(diǎn)的關(guān)鍵。同時(shí)，航空器技術(shù)的快速突破和企業(yè)的持續(xù)關(guān)注預(yù)示著UAM 具有非常廣闊的商業(yè)化應(yīng)用前景。

UAM 運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，其主要使用的載運(yùn)工具包括直升機(jī)、eVTOL 航空器、飛行汽車等，可在復(fù)雜的城市空間內(nèi)進(jìn)行垂直起降，能夠確保UAM 可利用不同水平高度的垂直空間并兼容更加靈活的飛行路徑。尤其是面向擁堵的城市交通場(chǎng)景，通過UAM 可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)輸，使得飛行路線更短直，能夠極大地提高運(yùn)輸效率、降低延誤風(fēng)險(xiǎn)。然而，城市低空環(huán)境復(fù)雜，飛行約束要素眾多且更新快，嚴(yán)重影響航空器的安全運(yùn)行。同時(shí)，商業(yè)化運(yùn)行背景下eVTOL 航空器運(yùn)行將呈現(xiàn)出流量大、密度高、飛行性能及操控方式多樣的交通流特性，這要求城市空中交通具備大規(guī)模集群飛行的高效管控能力。因此，如何保障復(fù)雜城市空中規(guī)?；娇掌鞯陌踩⒏咝н\(yùn)行，是UAM 發(fā)展必須解決的瓶頸問題。

針對(duì)以上問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了諸多探索，并提出了一些解決方法，例如地理圍欄［4］和無(wú)人機(jī)交通管理走廊［5-7］。然而，這些方法通常僅適用于小范圍、典型性場(chǎng)景的UAM 管控，無(wú)法滿足UAM 規(guī)模化運(yùn)行需求。類似于AirMatrix［8］的規(guī)?；芸貓?chǎng)景則對(duì)UAM 系統(tǒng)的自動(dòng)化程度提出了較高的要求，但目前的技術(shù)很難滿足實(shí)時(shí)更新UAM 空域網(wǎng)格與eVTOL 航空器狀態(tài)的需求。鑒于低空空域資源的公共屬性，通過國(guó)家所有權(quán)的代表對(duì)其進(jìn)行管制是保證這一公共自然資源利用效率最大化的一種最直接有效的手段。因此，對(duì)UAM 的管控需要從系統(tǒng)層面入手，“自上而下”地解決問題。低空公共航路網(wǎng)就是這樣一種由相關(guān)部門通過頂層規(guī)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)安全、高效管控UAM 規(guī)模化運(yùn)行的可行解決方案。低空公共航路［9］是在低空和超低空空域內(nèi)，為多航空器同時(shí)飛行劃設(shè)的公共空中通道。它是根據(jù)低空地理信息約束要素、低空飛行環(huán)境、多種載運(yùn)工具特性、UAM 需求等因素綜合劃設(shè)的航路網(wǎng)絡(luò)，具有結(jié)構(gòu)化特征。與其他航路不同，低空公共航路是一種面向社會(huì)大眾多類型航空器、多用戶、多行業(yè)共享使用的固定的UAM 基礎(chǔ)設(shè)施。通過合理規(guī)劃低空公共航路網(wǎng)，可以從頂層設(shè)計(jì)上約束不同類型、不同任務(wù)需求的UAM 載運(yùn)工具的飛行路徑，以此確保UAM 規(guī)?；\(yùn)行的有序性、安全性。因此，本文將聚焦基于低空公共航路的UAM 管控，并對(duì)UAM 的科學(xué)、高效管控進(jìn)行綜述性研究。

本文將從以下6 個(gè)部分闡述UAM 和低空公共航路的研究現(xiàn)狀。第1 節(jié)探討UAM 發(fā)展歷程、商業(yè)化試點(diǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀以及UAM 與其他交通方式的聯(lián)系與區(qū)別。本節(jié)重點(diǎn)提出，UAM 具有地面交通的特性，不能簡(jiǎn)單納入傳統(tǒng)意義上的民用航空管理范疇。第2 節(jié)闡述UAM 所包含的基本問題，重點(diǎn)討論了UAM 的基礎(chǔ)設(shè)施、載運(yùn)工具以及UAM 與UTM 的區(qū)別。第3 節(jié)對(duì)低空公共航路與UAM 的聯(lián)系進(jìn)行了分析，并對(duì)低空公共航路的研究現(xiàn)狀與規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述性研究。第4 節(jié)提出了以共享運(yùn)營(yíng)為基礎(chǔ)的UAM 管理與運(yùn)營(yíng)框架。第5 節(jié)討論了建設(shè)以低空公共航路網(wǎng)為載體的低空無(wú)人機(jī)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。第6 節(jié)提出了UAM 的羅落實(shí)建議。最后，對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，對(duì)建設(shè)UAM 在政策、技術(shù)、市場(chǎng)以及社會(huì)方面的機(jī)遇與挑戰(zhàn)進(jìn)行討論。

1 UAM 發(fā)展過程

UAM 是指利用具有自主駕駛能力或有人駕駛的航空器在城市空域內(nèi)進(jìn)行載人載貨的運(yùn)輸［3］。承載人類飛天夢(mèng)想的UAM 作為一種新型交通方式，因其按需響應(yīng)的特性發(fā)展一直備受關(guān)注。在UAM 時(shí)代有望到來(lái)的今天，其商業(yè)化應(yīng)用所涉及相關(guān)問題也需要進(jìn)一步解決。UAM 是如何發(fā)展的，商業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀如何，以及這種交通方式與現(xiàn)有交通方式的本質(zhì)異同點(diǎn)是什么，對(duì)其進(jìn)行剖析與思考都會(huì)對(duì)UAM 真正實(shí)現(xiàn)常態(tài)化運(yùn)行有所啟發(fā)。本節(jié)對(duì)UAM 的不同階段的發(fā)展歷程、商業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述性研究，分析UAM 常態(tài)運(yùn)行時(shí)與城市地面交通、民航運(yùn)輸?shù)膮^(qū)別與聯(lián)系，提出UAM 不能簡(jiǎn)單的納入民航范疇，甚至更具城市地面交通的特性。

1.1 UAM 的發(fā)展歷程

UAM 并非是新的概念，早在20 世紀(jì)40 年代紐約航空和洛杉磯航空就已經(jīng)利用直升機(jī)進(jìn)行城市空中交通的商業(yè)化運(yùn)輸［3，10-11］。通過回顧城市空中交通的發(fā)展歷程，將城市空中交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展大致分為3 個(gè)階段。

第1 階段為1941—1979 年。這個(gè)階段的城市空中運(yùn)輸服務(wù)主要依托直升機(jī)展開，紐約航空和洛杉磯航空分別于1947 年和1949 年開始利用直升機(jī)運(yùn)輸人員與郵件［10-11］，紐約航空公司的運(yùn)營(yíng)量甚至在1967 年達(dá)到120 萬(wàn)人次［12］。啟發(fā)于直升機(jī)運(yùn)輸，此階段是城市空中交通概念的萌芽階段，誕生了對(duì)城市空中交通商業(yè)化運(yùn)營(yíng)、空中交通管制以及發(fā)展規(guī)劃等方面的諸多思考。Davis［13］和Wood［14］分別在1964 年和1967 年對(duì)可用于城市空中交通運(yùn)營(yíng)的航空器進(jìn)行了討論。NASA 在1972 年對(duì)城市空中交通系統(tǒng)的管控與運(yùn)營(yíng)，引入城市交通系統(tǒng)中所產(chǎn)生的影響以及影響系統(tǒng)性能的因素等問題進(jìn)行了深入探討［15］。這個(gè)階段城市空中交通運(yùn)行航線少，且主要服務(wù)對(duì)象為支付得起高額費(fèi)用的商務(wù)人士，后由于載運(yùn)工具技術(shù)問題，事故頻發(fā)，UAM 發(fā)展陷入低潮。

第2 階段大致為2000—2014 年。該階段的主要標(biāo)志是Moore［16］首次提出了針對(duì)個(gè)人出行的航空器（Personal Aerial Vehicles，PAV）概念。這一概念的提出將垂直起降航空器賦予私人屬性，其按需運(yùn)行，支持居民在城市內(nèi)部或郊區(qū)間短途通行，所產(chǎn)生的通勤成本被認(rèn)為在個(gè)人家庭的可承受范圍內(nèi)。Cwerner［17］以巴西圣保羅直升機(jī)發(fā)展史為例，分析了人們對(duì)于門到門空中運(yùn)輸服務(wù)的需求，他指出無(wú)論這種交通方式是否能夠得到大規(guī)模發(fā)展，但仍是城市交通十分具備發(fā)展前景的方向之一。

第3階段大致為2014年至今，是無(wú)人機(jī)全面來(lái)臨的時(shí)代。此階段關(guān)于無(wú)人機(jī)交通管理的理論體系開始逐步建立與完善，用于城市空中運(yùn)輸?shù)妮d運(yùn)工具研發(fā)也得到了極大的關(guān)注。2014 年，NASA［18］正式提出城市低空空域無(wú)人機(jī)交通管理系統(tǒng)（Unmanned Aircraft System（UAS）Traffic Management（UTM）），其目的是從風(fēng)險(xiǎn)保障角度來(lái)確保大規(guī)模、高密度的無(wú)人機(jī)在城市低空空域內(nèi)安全高效運(yùn)行［19］。由歐洲單一天空空中交通管理研究計(jì)劃（SESAR 3 Joint Undertaking，SESAR JU）研發(fā)的U-space則側(cè)重于在指定空域內(nèi)為飛行的航空器提供系統(tǒng)所集成的多種服務(wù)［20］。南洋理工大學(xué)［4］與Uber［21］也相繼提出了關(guān)于城市空中交通管控的相關(guān)設(shè)想。此階段是UAM 全面發(fā)展的新時(shí)期，但隨著eVTOL 航空器自動(dòng)化水平的提高，管控系統(tǒng)的進(jìn)一步完善，UAM 在管制方式、航路規(guī)劃、空域設(shè)計(jì)以及空域容量等方面必然會(huì)提出新的要求。NASA［22］從載運(yùn)工具、空域以及社會(huì)接受度3 個(gè)方面入手，提出了UAM 成熟度模型（UAM Maturity Levels，UML）。該模型將UAM 的發(fā)展分為初始階段、中間階段以及成熟階段，每個(gè)階段包含2 個(gè)層級(jí)，同時(shí)闡述了每個(gè)層級(jí)UAM 將要面對(duì)的挑戰(zhàn)。對(duì)于eVTOL 航空器的管控問題，雖未有成熟的管控措施，但NASA 開發(fā)無(wú)人機(jī)交通管理系統(tǒng)并將其開發(fā)驗(yàn)證分為4 個(gè)技術(shù)階段（Technical Capability Level，TCL）［23-25］，其中包括運(yùn)行概念、數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)避讓以及無(wú)人機(jī)通訊導(dǎo)航監(jiān)視驗(yàn)證等方面的內(nèi)容。

1.2 UAM 的商業(yè)化試點(diǎn)現(xiàn)狀

經(jīng)歷過去幾十年的發(fā)展，關(guān)于UAM 的理論體系已經(jīng)得到逐步完善。近年來(lái)，隨著分布式電力推進(jìn)、自動(dòng)駕駛、電池、電機(jī)等載運(yùn)工具技術(shù)的快速突破，許多公司開始致力于設(shè)計(jì)eVTOL 航空器，該領(lǐng)域的投資目前已經(jīng)超過20 億美元［26］。技術(shù)上的保障催生了載運(yùn)工具的快速發(fā)展，也加快了UAM 發(fā)展進(jìn)程，UAM 商業(yè)化試點(diǎn)工作也在全球范圍內(nèi)陸續(xù)開展。

國(guó)外如刀鋒（Blade）［27］與優(yōu)步（Uber）［28］均開通了曼哈頓至紐約市機(jī)場(chǎng)之間的城市空中交通運(yùn)輸服務(wù)；Flytrex 與包括Just Wings 和El Pollo Loco 在內(nèi)的多家美國(guó)餐廳合作，通過eVTOL 航空器進(jìn)行食品配送服務(wù)［29］；Urban Footprint 已與美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）合作在農(nóng)村地區(qū)開展藥物和疫苗運(yùn)輸［30］。除了直接配送外，空客（Airbus）通過Voom 平臺(tái)響應(yīng)訂單，利用直升機(jī)在巴西［31］、墨西哥［32］提供按需響應(yīng)的城市空中運(yùn)輸服務(wù)。

中國(guó)對(duì)UAM 的發(fā)展也十分重視，中國(guó)民航局［33］于2022 年8 月發(fā)布《民用無(wú)人駕駛航空發(fā)展路線圖V1.0（征求意見稿）》提出了先載貨后載人，先通用后運(yùn)輸，先隔離后融合的發(fā)展路線。上海市政協(xié)十三屆三十五次常委會(huì)議［34］提出建設(shè)以浦東機(jī)場(chǎng)和鐵路東站為核心的綜合交通樞紐建設(shè)，率先引入新型交通工具和交通方式，推廣eVTOL 航空器。國(guó)家發(fā)改委、商務(wù)部以深圳作為先行先試單位，打造海陸空三位一體的新興城市綜合交通體系［35］。除了政府外，許多企業(yè)也積極推動(dòng)UAM 的發(fā)展。億航智能與天行健達(dá)成合作，將在中國(guó)湖南吉首矮寨奇觀旅游區(qū)開展EH216 自動(dòng)駕駛飛行器低空游覽項(xiàng)目［36］，且億航216 獲得來(lái)自日本、新加坡以及印尼等多國(guó)的訂單［37］。美團(tuán)與上海市金山區(qū)合作推動(dòng)全國(guó)首個(gè)城市低空物流運(yùn)營(yíng)示范中心落地［38］；迅蟻在杭州開展全國(guó)首條常態(tài)化城市空中急救送血航線，在疫情期間打開了一條“空中通道”［39］。國(guó)內(nèi)外對(duì)于城市低空空域內(nèi)利用eVTOL 航空器進(jìn)行載人運(yùn)輸和物流運(yùn)輸?shù)奶剿?，都表明UAM 實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)勢(shì)在必行。

1.3 UAM 與其他交通方式區(qū)別與聯(lián)系

雖然UAM 已經(jīng)開始進(jìn)行商業(yè)化試點(diǎn)工作，但UAM 與現(xiàn)有交通方式在流量特性、服務(wù)目的、管控方式等方面的區(qū)別與聯(lián)系、是否與現(xiàn)有交通方式形成互補(bǔ)或競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系均尚未明晰，這些都是真正實(shí)現(xiàn)UAM 常態(tài)化運(yùn)營(yíng)所必須考慮的問題。關(guān)于UAM 管理與運(yùn)營(yíng)，更多的學(xué)者將其納入民航運(yùn)輸?shù)姆懂?。但本文認(rèn)為UAM 與出租車、公交以及地鐵等地面交通的交通工具的實(shí)質(zhì)區(qū)別是以不同空間維度的載運(yùn)工具服務(wù)于城市交通系統(tǒng)，即使其運(yùn)行空域與現(xiàn)有的運(yùn)輸航空或通用航空有部分重合，但其服務(wù)目的、服務(wù)區(qū)域、載運(yùn)工具流量特性等多方面因素融合了城市交通的屬性，因此不能簡(jiǎn)單的將UAM 歸入傳統(tǒng)意義上的民用航空管理范疇。本小節(jié)將對(duì)UAM 與其他交通方式的區(qū)別與聯(lián)系進(jìn)行闡述，如表1 所示。

表1 UAM 與地面交通、民航運(yùn)輸?shù)膮^(qū)別與聯(lián)系Table 1 Difference and connection between UAM，ground transportation and civil aviation transportation

1.3.1 UAM 與城市地面交通

在交通出行方面，UAM 服務(wù)目的和交通發(fā)生原因與城市地面交通一致。兩者的服務(wù)目的都是為城市內(nèi)部有出行需求的居民提供一種出行的可能，只是在表現(xiàn)形式、運(yùn)行空間、服務(wù)水平上各有優(yōu)劣。兩者交通發(fā)生的原因均為以個(gè)體居民為基本單位，不同出行目的的交通發(fā)生行為，居民根據(jù)其出行目的的緊要性、自身收入水平、不同出行方式的可達(dá)性等因素綜合考量對(duì)城市中各種交通方式進(jìn)行選擇。在流量管控方面，兩者均為高流量密度的交通方式，設(shè)置統(tǒng)一的交通規(guī)則對(duì)流量統(tǒng)一管控，出行的過程由駕駛員自主負(fù)責(zé)。在服務(wù)特性方面，兩者主要的服務(wù)范圍是城區(qū)內(nèi)、城郊的短距離出行，具有按需響應(yīng)、可達(dá)性高的特性?；谝陨先c(diǎn)，本文推測(cè)兩者極大概率上會(huì)是統(tǒng)一的管控主體。一方面，統(tǒng)一的管控主體有助于UAM 加快融入城市交通系統(tǒng)的進(jìn)程，為構(gòu)建綜合化、立體化的城市交通系統(tǒng)提供便利。另一方面，深圳市民用無(wú)人機(jī)管理暫行辦法（征求意見稿）明確指出［40］市政府對(duì)無(wú)人機(jī)管理工作進(jìn)行統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，組織建設(shè)低空領(lǐng)域無(wú)人機(jī)空中感知系統(tǒng)［41］，明確公安、工信、市場(chǎng)監(jiān)督管理等各部門職責(zé)分工，建立與相關(guān)軍民航空管單位的信息共享和協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，協(xié)調(diào)解決無(wú)人機(jī)管理中的重大問題。

在載運(yùn)工具方面，現(xiàn)有城市交通方式載運(yùn)工具類型相對(duì)比較固定。由于UAM 尚未運(yùn)營(yíng)，實(shí)施技術(shù)細(xì)節(jié)并未明晰等原因，載運(yùn)工具的動(dòng)力模式、氣動(dòng)布局方式與應(yīng)用場(chǎng)景之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步探討。當(dāng)前eVTOL 航空器類型有多旋翼、傾轉(zhuǎn)旋翼、復(fù)合翼以及垂起固定翼等［42］，動(dòng)力模式、氣動(dòng)布局方式不同，起飛重量、巡航速度、續(xù)航時(shí)間以及機(jī)體尺寸差距也十分明顯且無(wú)統(tǒng)一規(guī)律。在運(yùn)行維度方面，城市現(xiàn)有交通方式還處于二維運(yùn)行的階段，UAM 為拓展現(xiàn)有城市交通的維度，實(shí)現(xiàn)立體化的交通運(yùn)輸場(chǎng)景提供了可能。這更好地利用了城市低空空域資源，提高了交通運(yùn)輸量。但需要注意的是，三維場(chǎng)景也給城市交通帶來(lái)了更多的不確定性，UAM 的前期接受度相較于其他交通方式更低。有調(diào)查表示，教育程度更高、更年輕以及收入更高的人會(huì)對(duì)這種交通方式接受度更高［43］。

1.3.2 UAM 與民航運(yùn)輸

UAM 與民航運(yùn)輸均在三維空間內(nèi)運(yùn)行，具備計(jì)劃性特點(diǎn)，其在運(yùn)行維度與運(yùn)行方式的相似性，可為UAM 的管控提供參考，即通過設(shè)置飛行計(jì)劃來(lái)提高空域監(jiān)管能力。但2 種交通方式本身差異較大，在管制方式方面，UAM 更側(cè)重于自動(dòng)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行機(jī)制，而非人力監(jiān)管運(yùn)行過程，這從源頭上提升了整體安全水平［8］。城市三維運(yùn)行場(chǎng)景復(fù)雜，UAM 運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于民用航空，這也要求UAM 管控系統(tǒng)對(duì)于科學(xué)性、有效性、可靠性等方面要求更高。因此，打破民航運(yùn)輸監(jiān)管的傳統(tǒng)思維模式，逐步建立針對(duì)UAM 應(yīng)用場(chǎng)景的管控系統(tǒng)，完善UAM運(yùn)行管理的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)工具至關(guān)重要。在服務(wù)范圍方面，現(xiàn)階段eVTOL 航空器的續(xù)航時(shí)間決定了其單架次運(yùn)行距離只能滿足執(zhí)行大城市區(qū)域內(nèi)或城郊的運(yùn)送任務(wù)，運(yùn)行區(qū)域以城市為主要范圍，沿途停靠的機(jī)動(dòng)性能力是其特點(diǎn)和滿足未來(lái)需求的優(yōu)勢(shì)。在服務(wù)方式方面，民用航空單架次服務(wù)量通常大于UAM，屬于廣義的公共交通范疇。eVTOL 航空器體積小，靈活性更高，可以利用低空空域建筑物上方的空間，路線更短直，延誤風(fēng)險(xiǎn)低，具有按需響應(yīng)的特性，因此在執(zhí)行末端配送和緊急配送任務(wù)時(shí)，可以發(fā)揮更好的效果。正是由于這種特性，UAM相比于民航運(yùn)輸與地面聯(lián)系更緊密，對(duì)于構(gòu)建智能化、立體化、信息化的城市交通系統(tǒng)大有裨益。

2 UAM 的構(gòu)成

一種新型交通方式的實(shí)現(xiàn)，必然需要了解其組成，以幫助充分理解UAM 的特點(diǎn)，明晰其實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵點(diǎn)。本節(jié)對(duì)UAM 所涉及的基本內(nèi)容、最受關(guān)注的載運(yùn)工具eVTOL 航空器、以及UAM 的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行綜述。

2.1 UAM 基本概念

為加強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)駕駛航空器的管理，NASA在2013 年首次提出UTM 的概念，2015 年NASA和小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（Small Unmanned Aircraft System，sUAS）運(yùn)營(yíng)人明確提出建立超低空域的UTM 系統(tǒng)。UAM 與UTM 不同，但又有相似之處，為探究此問題，本節(jié)首先對(duì)UAM 設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容進(jìn)行分析，后對(duì)UAM 與UTM 的區(qū)別進(jìn)行綜述性研究。

2.1.1 UAM 涉及的基本內(nèi)容

UAM 作為一種新型交通方式，其運(yùn)行范圍不再局限于水平空間，且與地面交通聯(lián)系緊密，兼具運(yùn)輸航空的計(jì)劃性特征和地面交通按需響應(yīng)的特性，其引入必然會(huì)給城市內(nèi)部交通系統(tǒng)帶來(lái)根本性變革。同時(shí)，UAM 在點(diǎn)到點(diǎn)的出行需求鏈中，如小汽車、地鐵一樣，是可選擇的出行方式中的一種。將UAM 融入城市交通系統(tǒng)中，不僅需要考慮UAM 本身的特性，更要通過合理設(shè)置UAM 地面基礎(chǔ)設(shè)施，將UAM 與包括地鐵、公交、小汽車等地面交通的實(shí)現(xiàn)無(wú)縫耦合與精細(xì)化管理，幫助乘客便捷換乘，實(shí)現(xiàn)多式聯(lián)運(yùn)。為保證其運(yùn)行安全與高校管控，需要系統(tǒng)性、全方位對(duì)UAM 涉及的基本內(nèi)容進(jìn)行討論，其框架如圖1 所示，各個(gè)模塊定義如下所示。

圖1 UAM 涉及的基本內(nèi)容Fig.1 Basic composition of UAM

1）空域規(guī)劃

空域規(guī)劃可對(duì)UAM 運(yùn)行范圍及其所占空域資源的邊界進(jìn)行界定，通過設(shè)計(jì)空域結(jié)構(gòu)可有效分離航線方向，從而降低UAM 管控難度［44］。UAM 的運(yùn)行空域通常定義為城市內(nèi)真高1 000 m以下的低空空域，由于UAM 尚未形成行業(yè)體系，目前其空域分類與民用航空空域分類保持一致［45］。在現(xiàn)有的空域分類中，UAM 可能在B、C、D 類空域內(nèi)運(yùn)行，與用于運(yùn)輸航空巡航的A 類空域無(wú)交集。

2）航路規(guī)劃

在規(guī)定的空域范圍內(nèi)，eVTOL 航空器飛行路徑的規(guī)劃關(guān)系到UAM 流量密度、安全以及效率的平衡，對(duì)航路進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)能夠有效降低因航線增加造成的碰撞概率指數(shù)倍增長(zhǎng)。

3）飛行規(guī)則與流量控制

UAM 系統(tǒng)中飛行規(guī)則能更具體的約束航路中eVTOL 航空器的飛行行為。飛行規(guī)則的設(shè)計(jì)與規(guī)范是UAM 進(jìn)入航路局部精細(xì)化管理和飛行流量控制的第一步。對(duì)eVTOL 航空器進(jìn)行流量控制的根本目的與運(yùn)輸航空一致，即對(duì)eVTOL航空器進(jìn)行航向分離與安全間隔保障，防止航路容量過飽和，確保運(yùn)行安全。

4）容量評(píng)估

低空空域是空間上普遍存在的非消耗性自然資源，其可再生性強(qiáng)，具有時(shí)間和空間的屬性［46］。因此，空域容量具有時(shí)變的特征，隨著時(shí)間的變化，空域容量會(huì)有所不同，對(duì)空域容量進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估可以避免空域流量過飽和而發(fā)生碰撞事故。此外，空域容量與空域結(jié)構(gòu)化方式緊密相關(guān)，空域水平方向上路徑過度結(jié)構(gòu)化會(huì)制約空域容量的提高，而每一層空域eVTOL 航空器航向的垂直分離則有助于最大化空域容量［47］。

5）空中交通管制

一旦城市空中交通運(yùn)輸商業(yè)化運(yùn)輸?shù)玫揭?guī)模化推廣，傳統(tǒng)的空中交通管制方式將不再適用于高流量、高密度的eVTOL 航空器航路管制［48］。城市空中交通管制應(yīng)涵蓋且不限于非法入侵eVTOL 航空器的檢測(cè)與驅(qū)逐服務(wù)、特殊任務(wù)eVTOL 航空器專機(jī)引導(dǎo)服務(wù)、緊急情況應(yīng)急降落引導(dǎo)服務(wù)以及間隔管理與指揮服務(wù)。

6）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是針對(duì)eVTOL 航空器、UAM 管控系統(tǒng)以及航路運(yùn)行等方面風(fēng)險(xiǎn)的分析、評(píng)估、處理及監(jiān)督的系統(tǒng)性應(yīng)用，目標(biāo)是確保相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)控制在一個(gè)可接受的水平。低空運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)主要包括低空運(yùn)行對(duì)其他eVTOL 航空器的空中風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)地面第三方公共財(cái)產(chǎn)造成直接或間接的風(fēng)險(xiǎn)。其中，對(duì)地風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自eVTOL 航空器墜地傷人［49］、螺旋槳運(yùn)行噪聲污染［50］和機(jī)載攝像窺探隱私［51］等直接或間接風(fēng)險(xiǎn)。

7）基礎(chǔ)設(shè)施

UAM 的基礎(chǔ)設(shè)施僅包括供eVTOL 起降的地面基礎(chǔ)設(shè)施、UAM 管控系統(tǒng)、公共航路網(wǎng)和用于滿足飛行通訊、導(dǎo)航、監(jiān)視等需求的運(yùn)行基礎(chǔ)設(shè)施。UAM 的運(yùn)行需要依托基礎(chǔ)設(shè)施完成，但同樣基礎(chǔ)設(shè)施的布局會(huì)反作用于UAM 影響其發(fā)展。地面基礎(chǔ)設(shè)施如何布局，用何種通信導(dǎo)航監(jiān)視技術(shù)，怎樣實(shí)現(xiàn)對(duì)如此龐大數(shù)量的eVTOL 航空器的全覆蓋具有重要的應(yīng)用研究意義。

8）載運(yùn)工具

UAM 載運(yùn)工具數(shù)量多，類型豐富，但多數(shù)試飛場(chǎng)地環(huán)境較好，航線單一，無(wú)需考慮安全避撞問題，UAM 商業(yè)化市場(chǎng)的到來(lái)對(duì)UAM 載運(yùn)工具的自主感知避撞提出了較高的要求。Uber 白皮書［21］指出，UAM 實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵是運(yùn)行事故率低于汽車事故率的2 倍，甚至達(dá)到民航運(yùn)輸事故率水平，更進(jìn)一步eVTOL 航空器的發(fā)展方向決定未來(lái)UAM 的管控方式與發(fā)展?jié)摿Γ虼舜蛟臁鞍踩煽?、便捷高效、?jīng)濟(jì)舒適”的eVTOL 航空器對(duì)UAM 市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展至關(guān)重要。

2.1.2 UAM 與UTM 的區(qū)別與聯(lián)系

相比于傳統(tǒng)有人駕駛航空器，eVTOL 航空器是一種顛覆性的創(chuàng)新，給空中交通管理的運(yùn)行概念與規(guī)則、管制要求以及基礎(chǔ)設(shè)施布局與建設(shè)都帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。如何構(gòu)建UAM 與UTM 運(yùn)行概念，使不同類型的eVTOL 航空器與傳統(tǒng)有人駕駛航空器進(jìn)行空域協(xié)調(diào)與融合運(yùn)行，中國(guó)尚未明晰實(shí)施路徑，但NASA 和美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）在這些方面的研究為我國(guó)UAM 整合工作提供了建議，本文將從運(yùn)行概念，管控模式以及空域范圍3 個(gè)方面闡述UATM 與UTM 的區(qū)別。

在運(yùn)行概念上，這兩者均允許大規(guī)模的載運(yùn)工具同時(shí)運(yùn)行，通過數(shù)字化的方式將所有載運(yùn)工具交互連接，并為其提供分離服務(wù)。UTM 系統(tǒng)［52］對(duì)超低空空域內(nèi)大規(guī)模運(yùn)行的所有無(wú)人機(jī)提供交通管理服務(wù)航空器類型更豐富，UAM 則只為進(jìn)行載人載貨運(yùn)輸?shù)妮d運(yùn)工具提供服務(wù)。在管理模式上，UTM 系統(tǒng)主要有3 個(gè)角色：管理者（FAA），運(yùn)營(yíng)商，無(wú)人機(jī)操作員。運(yùn)營(yíng)商通過共享飛行計(jì)劃進(jìn)行軌跡分離與沖突解脫，信息共享和數(shù)據(jù)交換通過飛行員與飛行員、無(wú)人機(jī)與無(wú)人機(jī)、飛行員與FAA 直接溝通完成。FAA 向飛行員提供實(shí)時(shí)空域信息，飛行員可在規(guī)定空域內(nèi)自主飛行，不接受空中交通管制（Air Traffic Control，ATC）。UAM 比UTM 更嚴(yán)格，其運(yùn)行概念主要對(duì)照有人駕駛航空器的運(yùn)行規(guī)則，ATC系統(tǒng)可對(duì)UAM 進(jìn)行實(shí)時(shí)管制。在空域范圍上，UTM 的運(yùn)行范圍為400 ft（1 ft=0.304 8 m）以下的高度，在G 類空域內(nèi)有UTM 向無(wú)人機(jī)和有人機(jī)提供管控服務(wù)，且無(wú)人機(jī)和有人機(jī)的權(quán)限等級(jí)相同。UAM 的運(yùn)行空域一般在400 ft 以上的空域［53］，除非在起降場(chǎng)地周圍才會(huì)延伸到400 ft以下直至地面的高度范圍，起降場(chǎng)地的確定也建議盡量選在400 ft 以上的區(qū)域，運(yùn)行范圍主要在1 500～4 000 ft 高度內(nèi)。

2.2 UAM 載運(yùn)工具

UAM 各類型載運(yùn)工具在機(jī)型、氣動(dòng)布局、動(dòng)力模式等方面差距很大，載運(yùn)工具作為UAM 能否實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵，對(duì)此進(jìn)行討論是必要的。本文將對(duì)不同的載運(yùn)工具進(jìn)行對(duì)比，分析eVTOL航空器受到關(guān)注的原因，并闡述eVTOL 航空器的市場(chǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀。

2.2.1 載運(yùn)工具對(duì)比與分析

eVTOL 航空器的成功研發(fā)促進(jìn)了UAM 快速走進(jìn)大眾視野，對(duì)于UAM 載運(yùn)工具的討論從未停止。UAM 載運(yùn)工具中，直升機(jī)最早得到應(yīng)用，但關(guān)注度遠(yuǎn)低于eVTOL 航空器，主要原因是eVTOL 航空器具有噪音小、環(huán)保、安全、維護(hù)成本低，機(jī)型多樣等特點(diǎn)，其主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)可歸納為以下幾點(diǎn)，如表2 所示。

表2 UAM 載運(yùn)工具對(duì)比Table 2 Comparison of UAM vehicles

1）分布式電推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)（Distributed Electric Propulsion，DEP）

DEP 系統(tǒng)動(dòng)力冗余設(shè)計(jì)使得飛行器不會(huì)因某個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)故障而發(fā)生意外，例如六旋翼eVTOL 航空器在失效1～2 個(gè)旋翼仍能正常降落，安全性遠(yuǎn)高于直升機(jī)。動(dòng)力系統(tǒng)的分布式布局同樣能夠提高飛機(jī)的氣動(dòng)效率和升阻比［54］，其效率遠(yuǎn)高于直升機(jī)。此外，小尺寸電機(jī)大幅簡(jiǎn)化動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，再加上電機(jī)自身出色的耐用性，維護(hù)成本更低。

2）電池技術(shù)

eVTOL 航空器沒有發(fā)動(dòng)機(jī)，只有電池，很好的解決排放問題的同時(shí)噪音更小。因?yàn)槠錄]有發(fā)動(dòng)機(jī)噪音僅產(chǎn)生氣動(dòng)噪音，噪音值遠(yuǎn)低于直升機(jī)。NASA 測(cè)試Joby 預(yù)生產(chǎn)的四座eVTOL 航空器以185 km/h 巡航速度，在500 m 的高度巡航時(shí)產(chǎn)生的噪音為45.2 dB，城市街道幾乎聽不到噪音［55］。

3）氣動(dòng)布局

eVTOL 航空器與直升機(jī)氣動(dòng)布局差距大，機(jī)型多，面對(duì)不同需求的任務(wù)有更多的選擇。多旋翼構(gòu)型將復(fù)雜度集中在飛行控制上，能以極少的運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)垂直起降能力；復(fù)合翼和傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型可以緩解多旋翼續(xù)航里程短的問題，且傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型的eVTOL 航空器死重小。

除eVTOL 航空器外，飛行汽車也是新興的UAM 載運(yùn)工具，但其市場(chǎng)關(guān)注度遠(yuǎn)低于eVTOL航空器，主要是以下幾個(gè)原因。

1）概念與功能

eVTOL 航空器只能在空中運(yùn)行，飛行汽車可以陸、空兩棲使用。但車輛和飛機(jī)的設(shè)計(jì)要求存在諸多矛盾，陸空兩用飛行汽車設(shè)計(jì)需要兼顧車輛和飛機(jī)2 種需求，這也是陸空兩用飛行汽車的根本性設(shè)計(jì)難點(diǎn)。最終的產(chǎn)品設(shè)計(jì)上也必然會(huì)傾向于其中一種使用場(chǎng)景而犧牲另一種使用場(chǎng)景的需求，結(jié)果要不就是行駛性能相對(duì)更好（Flying Car），要不就是飛行性能相對(duì)更好（Roadable Aircraft）。

2）技術(shù)底層

飛行汽車是以傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)為主，eVTOL航空器是以電氣和自動(dòng)控制為主。飛行汽車傳統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)是解決行駛和飛行的功能切換，涉及動(dòng)力傳動(dòng)、機(jī)翼折疊存放和重心位置等問題，而這些主要設(shè)計(jì)問題屬于傳統(tǒng)機(jī)械領(lǐng)域。eVTOL 航空器的技術(shù)基礎(chǔ)是飛控、電機(jī)、鋰電池等，這些因素與自動(dòng)控制和電氣化技術(shù)密切相關(guān)，而這些相關(guān)技術(shù)在最近幾十年才發(fā)展成熟到可以應(yīng)用在載人航空器上。也正因此，eVTOL 航空器設(shè)計(jì)才能在最近十余年開始出現(xiàn)。

3）市場(chǎng)因素

雖然飛行汽車功能比eVTOL 航空器多，能用于地面行駛與空中飛行，但其技術(shù)難度決定了面世的產(chǎn)品較少。目前全球唯一一款真正完成試飛的飛行汽車小鵬X3 尚未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，其研發(fā)進(jìn)度上遠(yuǎn)慢于eVTOL 航空器［56］。

2.2.2 eVTOL 航空器

作為UAM 系統(tǒng)中最受關(guān)注的載運(yùn)工具，eVTOL 航空器對(duì)起降場(chǎng)地面積要求更低，產(chǎn)生的噪音較小，操作簡(jiǎn)單且安全性更高。由于空中載運(yùn)工具單位載運(yùn)成本更高，在保障安全的前提下UAM 將更傾向于采用自主駕駛或遠(yuǎn)程遙控駕駛（Remotely Piloted Aircraft Systems，RPAS）技術(shù)［57］，這與近年來(lái)地面載運(yùn)工具采用自動(dòng)化與智能化駕駛技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)相一致。因此，eVTOL 航空器將迅速成為城市地區(qū)短途通勤的首選交通工具。

據(jù)垂直飛行協(xié)會(huì)（The Vertical Flight Society）統(tǒng)計(jì)，市面上電推進(jìn)垂直起降eVTOL 航空器和混合動(dòng)力模式的eVTOL 航空器已經(jīng)超過650 種，初步形成4 種主流機(jī)型［58］，并應(yīng)用于交通監(jiān)控、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、火災(zāi)監(jiān)視、檢查等多種場(chǎng)景的運(yùn)輸［59］。摩根士丹利預(yù)測(cè)2040 年eVTOL 航空器市場(chǎng)高達(dá)萬(wàn)億美元［60］。中國(guó)UAM 企業(yè)以廣州的億航智能和小鵬匯天，上海的峰飛，以及浙江的吉利汽車為代表。億航216 技術(shù)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了載人飛行器的自動(dòng)駕駛，獲得中國(guó)民航局批準(zhǔn)成為國(guó)內(nèi)首個(gè)自動(dòng)飛行物流試運(yùn)行許可，可率先開展150 kg 以上大載重空中物流商業(yè)化試運(yùn)行［61］，并協(xié)助民航局開展載人eVTOL 航空器的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析、適航標(biāo)準(zhǔn)制定和驗(yàn)證［62］。

2022 年10 月小鵬匯天完成5 億美金A 輪融資，是迄今為止亞洲低空載人飛行器設(shè)備生產(chǎn)領(lǐng)域獲得的最大的單筆融資［63］，其旅航者X2 是中國(guó)首款獲得民航局特飛許可的有人駕駛eVTOL航空器［64］。峰飛航空科技獲國(guó)際航空資本融資1億美元，其研發(fā)的首款自動(dòng)駕駛eVTOL 航空器V1500M 已獲得260 架訂單［65］。吉利沃飛長(zhǎng)空自主研發(fā)的5 座級(jí)純電動(dòng)力eVTOL 航空器AE200第2 次試飛已成功完成［66］。國(guó)外eVTOL 航空器初創(chuàng)企業(yè)包括美國(guó)的喬比航空（Joby Aviation）、Archer Aviation（ACHR）、Wisk，德國(guó)的Lilium Aviation、Volocopter、巴西Eve UAM 等。Joby Aviation 是全球第一家上市的民用空中交通工具初創(chuàng)公司，已經(jīng)獲得FAA 的135 部航空承運(yùn)人認(rèn)證［67］，并完成了FAA 審查5 階段中的第2 階段［68］，預(yù)計(jì)于2024 年開展空中拼車服務(wù)。Volocopter 獲1.82 億美元E 輪融資［69］，已經(jīng)研發(fā)VoloConnect、Volocopter 等多款eVTOL 航空器。Airbus 與意大利航空預(yù)計(jì)利用正在研發(fā)的CityAirbus NextGen eVTOL 航空器，就意大利的UAM 服務(wù)展開合作［70］。

現(xiàn)有的eVTOL 航空器在巡航時(shí)間、載重、體積大小等方面各有差別［71］。載人eVTOL 航空器的載運(yùn)能力一般為1～5 座，物流eVTOL 航空器載荷可達(dá)500 kg［72］。因此，針對(duì)不同的機(jī)型設(shè)定相同的適航標(biāo)準(zhǔn)是有必要的。通過適航標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一不同生產(chǎn)制造商eVTOL 航空器的性能包線范圍，讓載運(yùn)工具運(yùn)行中采用相同的巡航速度、爬升下降率等參數(shù)將更有利于減小空中交通管理難度，提高城市空中交通的系統(tǒng)級(jí)運(yùn)行安全程度［73］。中國(guó)民航局立項(xiàng)建設(shè)無(wú)人駕駛航空器綜合管理平臺(tái)（Unmanned Aerial Vehicle Operation Management，UOM 系統(tǒng)），此系統(tǒng)實(shí)名登記了國(guó)內(nèi)各類無(wú)人駕駛航空器的相關(guān)信息，為管理eVTOL 航空提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［74］。市面上4 種主流eVTOL 航空器如表3［75-78］所示。

表3 市面上4 種主流eVTOL 航空器類型Table 3 Main types of eVTOL aircraft in market

2.3 UAM 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

基礎(chǔ)設(shè)施的布局、數(shù)量會(huì)極大影響交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率，因此，本小節(jié)將對(duì)UAM 的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行綜述性研究，并提出低空公共航路這一關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。

2.3.1 地面基礎(chǔ)設(shè)施

地面基礎(chǔ)設(shè)施包括垂直起降機(jī)場(chǎng)（Vertiport）、eVTOL 航空器機(jī)庫(kù)、eVTOL 航空器應(yīng)急服務(wù)站、eVTOL 航空器物流集散地、eVTOL 航空器綜合驗(yàn)證場(chǎng)，還可以包括防護(hù)欄、隔音屏、eVTOL 航空器隧道懸索等裝置，本節(jié)將重點(diǎn)討論垂直起降機(jī)場(chǎng)。

1）垂直起降機(jī)場(chǎng)的布局選址

垂直起降機(jī)場(chǎng)作為進(jìn)入與離開航路重要節(jié)點(diǎn)，其布局設(shè)計(jì)將會(huì)反作用于公共航路網(wǎng)絡(luò)的布局設(shè)計(jì)與發(fā)展方向。Uber 白皮書中提出了UAM將會(huì)通過多式聯(lián)運(yùn)來(lái)耦合于城市交通系統(tǒng)中并考慮以站點(diǎn)拼車的共享方式來(lái)達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效益和規(guī)模化運(yùn)行效果［21］，這意味著垂直起降機(jī)場(chǎng)的布局及其選址分析將會(huì)成為UAM 管理中的重要一環(huán)。

UAM 地面基礎(chǔ)設(shè)施可充分利用現(xiàn)有的城市設(shè)施，例如垂直起降機(jī)場(chǎng)可選用在火車站等重要交通樞紐處，也可以是建筑物頂層、直升機(jī)位等已有基礎(chǔ)設(shè)施處，這有利于降低前期基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本。但對(duì)于建筑物頂層所帶來(lái)的場(chǎng)地使用權(quán)限、飛行器噪音、空間隱私問題［79-81］及其商業(yè)化可用性問題需要進(jìn)一步研究討論或政府部門進(jìn)行協(xié)調(diào)。垂直起降機(jī)場(chǎng)的布局選址與多種因素有關(guān)，其中包括需求、交通系統(tǒng)性能，運(yùn)營(yíng)模式等。Fadhil［82］基于GIS 對(duì)垂直起降場(chǎng)的選址問題進(jìn)行分析，對(duì)影響UAM 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的因素的權(quán)重進(jìn)行分析，研究了2 個(gè)大都市和3 種不同場(chǎng)景的案例。結(jié)果表明，市中心、機(jī)場(chǎng)和城際火車站適合UAM 的初始運(yùn)營(yíng)，這可為選址實(shí)際操作提供參考和借鑒。Rothfeld 等［83］將UAM 與城市交通系統(tǒng)整合，提出利用一種基于平臺(tái)MATSim的多智能體仿真的建模方法，通過分析城市交通系統(tǒng)的性能來(lái)確定垂直起降機(jī)場(chǎng)的布局變化。屈文秋［84］從交通需求發(fā)生的角度，以現(xiàn)有城市道路網(wǎng)為基礎(chǔ)，對(duì)UAM 在成都市的需求進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果可為垂直起降機(jī)場(chǎng)和航路的布局選址提供建議。

2）垂直起降機(jī)場(chǎng)的設(shè)計(jì)

關(guān)于垂直起降機(jī)場(chǎng)的設(shè)計(jì)，諸多國(guó)際組織從不同角度對(duì)此展開了探索。歐洲航空安全局（European Union Aviation Safety Agency，EASA）發(fā)布了世界首個(gè)針對(duì)不同機(jī)型eVTOL 航空器的垂直起降機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范［85］，F(xiàn)AA 發(fā)布了垂直起降機(jī)場(chǎng)的工程設(shè)計(jì)指南［86］，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）發(fā)布了垂起機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)［87］。此外，企業(yè)與個(gè)人學(xué)者也對(duì)此十分關(guān)注。Uber［88］提出了多種垂直起降機(jī)場(chǎng)的布局模式，其重點(diǎn)考慮的因素是停車點(diǎn)與起降點(diǎn)之間的空間最小、效率最高。Vascik 和Hansman［89］參考直升機(jī)機(jī)場(chǎng)的設(shè)計(jì)思想，將垂直起降機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)為起降臺(tái)（TLOF Pads），登機(jī)口（Gates），停機(jī)位（Staging Stands）三類區(qū)域，對(duì)垂直起降機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析了機(jī)場(chǎng)容量包絡(luò)線，評(píng)估了機(jī)場(chǎng)吞吐量及其敏感性因素等。這種進(jìn)近點(diǎn)、離場(chǎng)點(diǎn)以及登機(jī)口分開的設(shè)計(jì)，采用比較傳統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面設(shè)計(jì)思想導(dǎo)致航空器頻繁的滑行和旅客在垂直起降機(jī)場(chǎng)內(nèi)的多段出行，會(huì)大大降低垂直起降機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)面運(yùn)行效率。該問題在Shao 等［90］對(duì)垂直起降場(chǎng)的設(shè)計(jì)中得到了很好解決，此垂直起降機(jī)場(chǎng)集起飛、降落以及停機(jī)功能于一體，減少了滑行與乘客通勤時(shí)間，從而降低了eVTOL 航空器因在垂直起降機(jī)場(chǎng)停留過長(zhǎng)時(shí)間而帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.2 低空公共航路

低空公共航路，是一種基于精準(zhǔn)地理信息、動(dòng)態(tài)地理圍欄、近地面氣候條件以及高速路網(wǎng)、移動(dòng)公網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施，為多航空器預(yù)先規(guī)劃的結(jié)構(gòu)化航路網(wǎng)絡(luò)，是安全高效運(yùn)行的保障性新型基礎(chǔ)設(shè)施［9］。相比航路，“公共”航路特點(diǎn)在于其“公共”屬性。公共航路具有包容性，是面向多航空器、多機(jī)型、多行業(yè)、多用戶“共享”的航路，具備多航道，有嚴(yán)格的航路準(zhǔn)入規(guī)則與eVTOL 航空器準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。低空公共航路網(wǎng)需能滿足各種類型的eVTOL 航空器的需求，比如固定翼在航路中運(yùn)行要求更大的尾流安全間隔。

2.3.3 運(yùn)行基礎(chǔ)設(shè)施

除了低空公共航路、垂直起降機(jī)場(chǎng)，還需要通信、導(dǎo)航、監(jiān)視等基礎(chǔ)設(shè)施支撐UAM 安全運(yùn)行和管控，包括基于5G 移動(dòng)通信技術(shù)及其設(shè)施的低空通信能力、高精度位置RTK 服務(wù)網(wǎng)、高精度氣象預(yù)報(bào)服務(wù)以及eVTOL 航空器監(jiān)測(cè)［9］等。

低時(shí)延、高穩(wěn)定的通訊鏈路是保障eVTOL 航空器在復(fù)雜城市低空環(huán)境下安全運(yùn)行的有效前提條件。相比較甚高頻通信系統(tǒng)（Very high frequency，VHF）、衛(wèi)星通信等傳統(tǒng)航空通信方式，地面移動(dòng)通信中的5G 毫米波蜂窩數(shù)據(jù)鏈路在低成本、高可靠、廣覆蓋等方面具備突出優(yōu)勢(shì)［91］。但目前5G 通訊基站主要針對(duì)地面用戶需求，不能滿足低空的通信覆蓋需求。因此，UAM 基于5G 網(wǎng)絡(luò)通訊的實(shí)現(xiàn)，需要針對(duì)UAM 航路的布設(shè)來(lái)進(jìn)行地面通訊基站的基礎(chǔ)布局和針對(duì)低空航路運(yùn)行的加強(qiáng)性布局。導(dǎo)航能幫助eVTOL 航空器根據(jù)其周圍環(huán)境，包括所處位置、飛行速度、航向、航路分布以及目標(biāo)位置等，引導(dǎo)eVTOL 航空器安全、快速的完成任務(wù)。主要可分為三類：慣性導(dǎo)航（Inertial Navigation System，INS）、衛(wèi)星導(dǎo)航（Global Navigation Satellite System，GNSS）和基于視覺的導(dǎo)航［92］。民用航空常用的監(jiān)視技術(shù)包括：一次雷達(dá)、二次雷達(dá)、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)控（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）。相比于雷達(dá)技術(shù)，ADS-B 作為合作式監(jiān)控系統(tǒng)，定位精度更高，射程更遠(yuǎn)，建設(shè)投資成本低，壽命更長(zhǎng)，且發(fā)送信息更新頻率快，是自動(dòng)實(shí)時(shí)發(fā)送，因而對(duì)減小航空器的間隔標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化航路設(shè)置，提高空域容量等都具有積極作用。但ADS-B 需要依賴于GNSS 與地面基站工作，本身不具備對(duì)目標(biāo)位置的驗(yàn)證功能，且?guī)捰邢?，因此中?guó)民用航空局［93］明確規(guī)定所有民用微型、輕型和小型無(wú)人駕駛航空器禁止在任何空域使用 ADS-B 發(fā)射機(jī)廣播運(yùn)行識(shí)別數(shù)據(jù)，但允許在無(wú)人駕駛航空器上加裝 ADS-B接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛航空器對(duì)有人駕駛航空器的感知和識(shí)別。

現(xiàn)階段，低空飛行安全氣象保障技術(shù)發(fā)展滯后，低空公共航路周圍氣象站點(diǎn)數(shù)量少［94］，而自動(dòng)氣象站只能監(jiān)測(cè)無(wú)法預(yù)警。氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)航路氣象狀況受云影響較大且不能連續(xù)監(jiān)測(cè)，因此低空公共航路的氣象保障仍需要進(jìn)一步討論。為保障低空空域內(nèi)公共航路運(yùn)行的安全可靠，保障公眾的人身安全與隱私，還需要對(duì)非法eVTOL 航空器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但對(duì)于違法eVTOL 航空器的處理，常用的無(wú)人機(jī)反制［95］措施并不適用，還未曾出現(xiàn)一種行之有效且無(wú)附帶損傷的技術(shù)手段。此外，與低空公共航路反制息息相關(guān)的還包括針對(duì)低空公共航路的飛行情報(bào)服務(wù)和告警服務(wù)等。

2.3.4 UAM 管控系統(tǒng)

按照現(xiàn)有的空域分級(jí)，UAM 所使用的空域?yàn)锽、C、D 類無(wú)管制空域或程序管制空域，與城市地形空間耦合程度較高，且可能采用無(wú)人駕駛或遠(yuǎn)程遙控駕駛，遠(yuǎn)期的流量密度將會(huì)遠(yuǎn)超現(xiàn)有運(yùn)輸航空的儀表飛行規(guī)則的空域容量，若如傳統(tǒng)民航般由管制員提供間隔管制服務(wù)，管制員工作負(fù)荷較大，甚至有可能無(wú)法完成管制服務(wù)。因此，需要由無(wú)管制或粗放式的程序管制轉(zhuǎn)向精細(xì)的自動(dòng)管理與路徑規(guī)劃［96］，進(jìn)行空地協(xié)同式監(jiān)視與控制［97］，研發(fā)可靠的UAM 管控系統(tǒng)至關(guān)重要。

對(duì)于UAM 的管控系統(tǒng)，新加坡南洋理工大學(xué)Mohamed Low［98］提出通過空域網(wǎng)格化來(lái)使用和界定城市低空可用空域。通過相關(guān)通訊、導(dǎo)航、監(jiān)視設(shè)備在網(wǎng)格化空域中監(jiān)視eVTOL 航空器并根據(jù)不同的情況自主的進(jìn)行空中避讓；根據(jù)空域流量密度，自動(dòng)的轉(zhuǎn)換空域航線規(guī)劃結(jié)構(gòu)。NASA 認(rèn)為可以通過建立第三方運(yùn)營(yíng)平臺(tái)來(lái)管理UAM 和調(diào)度載運(yùn)工具［3］，并基于高度自主的AutoResolver 算法將eVTOL 航空器整合到城市交通網(wǎng)絡(luò)中，使其與其他交通方式無(wú)縫銜接實(shí)現(xiàn)多式聯(lián)運(yùn)，統(tǒng)一調(diào)度整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的eVTOL 航空器的出發(fā)和到達(dá)時(shí)間，并對(duì)空中載運(yùn)工具進(jìn)行軌跡管理和間隔保持服務(wù)［48］。文獻(xiàn)［83］提出了基于MATSim 仿真軟件改進(jìn)的多智能體城市空中交通流模擬仿真，它能夠考慮到eVTOL 航空器特性和專用eVTOL 航空器基礎(chǔ)設(shè)施位置變化的影響，對(duì)系統(tǒng)范圍的城市交通運(yùn)輸性能進(jìn)行分析、建模，并在分析過后針對(duì)道路狀況重新對(duì)eVTOL 航空器路線進(jìn)行計(jì)劃安排。中國(guó)民用航空建設(shè)無(wú)人駕駛航空器空管信息服務(wù)系統(tǒng)（Unmanned Aircraft Traffic Management Information Service System，UTMISS）［99］，簡(jiǎn)化了空域和飛行計(jì)劃的申請(qǐng)審批流程，提高了運(yùn)行效率，為中國(guó)進(jìn)一步加強(qiáng)無(wú)人機(jī)管控創(chuàng)造了條件。

3 低空公共航路

交通出行的首要原則是安全，一種交通方式的安全性將直接決定其是否能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)營(yíng)。傳統(tǒng)民航的管制方式效率太低，UAM 的流量密度特性使得其不再適用，但自動(dòng)化管制方式的技術(shù)壁壘較高，如何在技術(shù)難度范圍，實(shí)現(xiàn)UAM 安全、高效的常態(tài)化運(yùn)行是需要思考的重要課題。本文提出利用低空公共航路是可行選項(xiàng)之一，本節(jié)將對(duì)發(fā)展低空公共航路的必要性、研究現(xiàn)狀以及低空公共航路規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述性研究。

3.1 發(fā)展低空公共航路的必要性

在一定的空域范圍內(nèi)，航空器數(shù)量較少時(shí)，單架航空器規(guī)劃航線時(shí)無(wú)需考慮其他航空器運(yùn)行動(dòng)態(tài)，自主性較強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)單架航空器的最大運(yùn)行效率。然而，商業(yè)化運(yùn)行背景下，規(guī)模化的航空器運(yùn)行將產(chǎn)生海量的航線規(guī)劃與多航空器沖突消減需求，eVTOL 航空器自主避撞能力有限，自由規(guī)劃路線的方式?jīng)_突概率將呈指數(shù)形式增長(zhǎng)，無(wú)法支撐大流量系統(tǒng)下的安全性與高效性需求，嚴(yán)重威脅低空運(yùn)行安全。低空空域通常是指真高1 000 m（含）以下的空間范圍，城市低空空域內(nèi)有諸多建筑物，環(huán)境復(fù)雜。有限的低空空域資源與eVTOL 航空器龐大的空域需求之間的矛盾也將會(huì)嚴(yán)重制約UAM 的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。低空公共航路可以更好的保障eVTOL 航空器高效、有序利用低空空域資源，使有限的低空空域能夠在零沖突前提下容納更多的eVTOL 航空器?？傊?，由于缺乏滿足發(fā)展需求的技術(shù)體系和相適應(yīng)的科技基礎(chǔ)設(shè)施支撐，規(guī)?；娇掌髟诰o鄰復(fù)雜地理環(huán)境的低空無(wú)法做到常態(tài)化安全、高效運(yùn)行，本文提出將低空公共航路作為UAM 安全高效運(yùn)行的保障性新型基礎(chǔ)設(shè)施。

低空公共航路的劃設(shè)綜合考慮低空空域的環(huán)境信息以及城市內(nèi)UAM 的交通需求量，其空間布局對(duì)智能交通系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。一方面，公共航路的布局可以反映當(dāng)前居民出行的空間分布情況，合理的布局有助于促進(jìn)多式聯(lián)運(yùn)，實(shí)現(xiàn)城市交通與空中交通的耦合，構(gòu)建一體化的城市立體交通；另一方面，低空公共航路可以約束規(guī)模化運(yùn)行的eVTOL 航空器的飛行路徑及方向，使無(wú)序飛行的eVTOL 航空器變得有序，提高運(yùn)行安全性。此外，公共航路的劃設(shè)意味著城市可達(dá)性的增加，進(jìn)而促進(jìn)城區(qū)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，催生與UAM 相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)城區(qū)原有無(wú)人機(jī)制造產(chǎn)業(yè)和服務(wù)業(yè)的發(fā)展，甚至能增強(qiáng)城區(qū)與郊區(qū)、周邊城市的經(jīng)濟(jì)聯(lián)動(dòng)，拓展城市沿著線路軸向發(fā)展方向，城市結(jié)構(gòu)和布局也會(huì)因此發(fā)展改變。因此，低空公共航路不僅是UAM 安全運(yùn)行的必要手段，是與城市內(nèi)其他交通方式耦合的橋梁，更是帶動(dòng)低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“動(dòng)脈”。

3.2 低空公共航路研究現(xiàn)狀

低空公共航路的概念在2017 年9 月由廖小罕于四川德陽(yáng)舉辦的“民用航空器駕駛系統(tǒng)發(fā)展之路”論壇上首次提出。該概念提出后，低空公共航路概念在多方推動(dòng)下進(jìn)一步普及和深化研究。2018 年廖小罕等［100］首次提出低空eVTOL 航空器公共航路概念與多級(jí)航路規(guī)劃研究方法，2019 年中國(guó)民用航空局在《關(guān)于促進(jìn)民用無(wú)人駕駛航空發(fā)展的指導(dǎo)意見》中明確提出“重點(diǎn)開展低空無(wú)人機(jī)公共航線劃設(shè)和運(yùn)行研究示范”和“開展低空航路航線規(guī)劃與構(gòu)建技術(shù)”研究［101］。2020 年Xu 等［102］首次提出城市低空空域eVTOL 航空器公共航路網(wǎng)構(gòu)建方法。同時(shí)，面向UAM 的所有eVTOL 航空器類型來(lái)制訂具有一定包容性的低空公共航路和空中交通管理規(guī)則，并將試點(diǎn)運(yùn)行過程中的試錯(cuò)不斷總結(jié)修改，由點(diǎn)及面推開，形成統(tǒng)一的行業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)也十分重要。2021 年，IEEE正式頒布了第一個(gè)低空公共航路國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《A Framework for Structuring Low Altitude Airspace for Unmanned Aerial Vehicle（UAV）Operations》［103］。2020 年中國(guó)民用航空局首批13 個(gè)民用無(wú)人駕駛航空試驗(yàn)基地［104］，2022 年又增加批準(zhǔn)建立7 個(gè)試驗(yàn)基地，這為UAM 制定政策法規(guī)、實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)并應(yīng)用于城市交通深度融合進(jìn)行了先行先試。2022 年民航局提出分階段建立航路的發(fā)展路線［33］，并希望能在2030 年之前形成數(shù)字化空域，拓展航線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步為低空公共航路的發(fā)展提供了政策上的可行性。

3.3 城市場(chǎng)景下低空公共航路規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)

低空公共航路規(guī)劃是指利用地面遙感影像提取包含自然下界面、人工附屬物、政策規(guī)定禁飛區(qū)、適飛區(qū)以及大氣邊界層湍流等影響eVTOL 航空器飛行的約束要素，對(duì)低空空域內(nèi)環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)格化處理，通過一定的航路規(guī)劃算法計(jì)算最優(yōu)航線，對(duì)規(guī)劃后的航線進(jìn)行飛行仿真驗(yàn)證以及實(shí)際飛行驗(yàn)證后進(jìn)行迭代優(yōu)化，得到最終航線方案。航路規(guī)劃需要綜合考慮諸多因素，構(gòu)建的路徑規(guī)劃模型約束條件、目標(biāo)函數(shù)、算法各不相同，一般通過2 個(gè)角度進(jìn)行路徑規(guī)劃，eVTOL 航空器避撞和eVTOL 航空器路徑全局規(guī)劃。李安醍等［105］從eVTOL 航空器實(shí)時(shí)避撞角度，通過建立離散的路徑引導(dǎo)點(diǎn)，來(lái)實(shí)時(shí)為eVTOL 航空器的路徑進(jìn)行規(guī)劃。徐晨晨等［106］改進(jìn)蟻群算法，在預(yù)先構(gòu)建的低空地理信息環(huán)境中對(duì)eVTOL 航空器路徑進(jìn)行全局規(guī)劃。

除了單一eVTOL 航空器的路徑規(guī)劃，結(jié)構(gòu)化的航路網(wǎng)布局也受到廣泛關(guān)注。南洋理工大學(xué)Mohamed［8］提出3 種航路的劃設(shè)方法：基于Air-Matrix 仿真的路網(wǎng)布局、基于建筑物樓頂?shù)穆肪W(wǎng)布局以及基于道路河流布局的航路布局方式，并評(píng)估了3 種航路規(guī)劃方式的空域容量和吞吐量。對(duì)于在道路上空進(jìn)行航路網(wǎng)劃設(shè)的問題，部分學(xué)者認(rèn)為道路本身就對(duì)城市低空空域內(nèi)的建筑物進(jìn)行了規(guī)避，是一種值得考慮的航路規(guī)劃方式，但也有學(xué)者對(duì)eVTOL 航空器對(duì)地可能造成的二次傷亡表示擔(dān)憂。NASA［3］則針對(duì)UAM 的不同發(fā)展階段提出不同密度的的航路網(wǎng)規(guī)劃方式，總體可概括為一種以eVTOL 航空器起降機(jī)場(chǎng)為樞紐節(jié)點(diǎn)的放射性城際空中交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。以上團(tuán)隊(duì)對(duì)于航路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方式更接近于概念性輸出，徐晨晨等［107］對(duì)中國(guó)低空公共航路網(wǎng)進(jìn)行了規(guī)劃，并提出低空公共航路網(wǎng)需要根據(jù)地理環(huán)境考慮航路級(jí)別，設(shè)置不同級(jí)別航路的限制速度、高度等信息。同時(shí)提出地理約束要素并非都是阻礙航路規(guī)劃的，還有一些有利條件，比如城市內(nèi)綠化帶有助于降低墜地風(fēng)險(xiǎn)。

航路規(guī)劃還存在許多社會(huì)性問題有待解決，比如eVTOL 航空器飛行所帶來(lái)的噪音問題［50］。雖然eVTOL 航空器相比于直升機(jī)更安靜，但公眾對(duì)UAM 整合到城市空域中產(chǎn)生的噪音仍存在擔(dān)憂。為研究這個(gè)問題，NASA 收集了Joby 的eVTOL 航空器在懸停、起飛、巡航和著陸的各個(gè)階段噪聲數(shù)據(jù)，從聲壓測(cè)量值、分貝水平、音頻等客觀角度對(duì)UAM 規(guī)?；\(yùn)行時(shí)eVTOL 航空器機(jī)體各部分所產(chǎn)生的噪音進(jìn)行分析［108］。這些數(shù)據(jù)將幫助定義和優(yōu)化滿足社區(qū)需求的低噪聲飛行航線，協(xié)助政府管理部門制定政策，為正在進(jìn)行的運(yùn)營(yíng)和空域整合工作提供信息。

4 基于低空航路的UAM 管理與運(yùn)營(yíng)

一種新型交通方式的出現(xiàn)需要企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)多年的研究投入，但其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用更需要政府有關(guān)部門進(jìn)行相應(yīng)的建設(shè)、管理、監(jiān)管、運(yùn)營(yíng)，UAM 也不例外。提供給大眾用戶使用的城市物流、空中交通運(yùn)輸?shù)涂展埠铰?，需?jīng)過有關(guān)管理部門的認(rèn)可才具有權(quán)威性與合法性。目前國(guó)家沒有低空公共航路規(guī)劃和運(yùn)行主管部門，最有可能的就是市政交通部門開展規(guī)劃與建設(shè)，民航部門對(duì)準(zhǔn)入eVTOL 航空器進(jìn)行適航審定和空域使用政策的制定，有資質(zhì)的服務(wù)商提供航路地圖在線商業(yè)化服務(wù)。借鑒現(xiàn)有的城市交通管理體系，本文提出一種面向未來(lái)的UAM 的行政管理機(jī)構(gòu)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)模式框架，如圖2 所示。

圖2 UAM 運(yùn)營(yíng)管理框架Fig.2 UAM operations and management frameworks

4.1 UAM 的行政管理

對(duì)于UAM 的行政管理，現(xiàn)在尚未有定論，但確立UAM 管控主體對(duì)促進(jìn)其行業(yè)健康、有序發(fā)展具有重要意義，本文將根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有的行政部門，提出UAM 的行政管理模式，如圖3 所示。UAM 的運(yùn)行區(qū)域以一座城市為主要范圍，因此本文提出未來(lái)UAM 可以因城施策，考慮以地方交通局為管理主體制定UAM 發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略與地方政策法規(guī)，地方市政部門負(fù)責(zé)組織UAM 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，民用航空管理部門負(fù)責(zé)載運(yùn)工具、空域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)則的制定。此外，還應(yīng)考慮下設(shè)UAM 監(jiān)管部門，對(duì)包括載運(yùn)工具的適航審定、運(yùn)行空域管控、事故責(zé)任認(rèn)定、違法行為處罰在內(nèi)的UAM 運(yùn)行全流程進(jìn)行監(jiān)管。

圖3 UAM 的行政管理模式Fig.3 Management mode of UAM

作為管理主體的地方交通局是UAM 發(fā)展方向與發(fā)展戰(zhàn)略的主要規(guī)劃者，其制定的UAM 相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)設(shè)施布局規(guī)劃不僅能反映地方發(fā)展需求，也具有一定的參考意義和普適性。市政部門組織UAM 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)，需綜合考慮城市現(xiàn)在交通方式的特性和UAM 更適合城區(qū)內(nèi)部中遠(yuǎn)距離出行的特性。在進(jìn)行地面站點(diǎn)選址與建設(shè)、運(yùn)行基礎(chǔ)設(shè)施布設(shè)、低空公共航路規(guī)劃與建設(shè)時(shí)，考慮與其他交通方式進(jìn)行有效銜接，幫助乘客無(wú)縫銜接進(jìn)行多式聯(lián)運(yùn)，形成一體化的立體交通樞紐。民航局需要對(duì)UAM、民航、通航使用空域的范圍進(jìn)行界定，并制定相應(yīng)的申請(qǐng)準(zhǔn)入規(guī)則。根據(jù)UAM 使用空域的范圍與準(zhǔn)入規(guī)則，制定UAM 整體性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、載運(yùn)工具適航標(biāo)準(zhǔn)制定、載運(yùn)具生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)有的行政管理部門能從頂層設(shè)計(jì)上對(duì)UAM 的發(fā)展進(jìn)行掌控，但還需要專門的執(zhí)行部門根據(jù)UAM 的運(yùn)輸特性綜合地面交通和空中交通的技術(shù)手段對(duì)空中交通流進(jìn)行管控，以應(yīng)對(duì)UAM 非正常運(yùn)行情況和違法違規(guī)情況的發(fā)生。其職能主要包括監(jiān)管、溝通、審查和處罰。監(jiān)管是指對(duì)載運(yùn)工具禁止進(jìn)入的空域和規(guī)劃好的航路進(jìn)行監(jiān)管，若發(fā)現(xiàn)禁區(qū)內(nèi)或者航線上出現(xiàn)“黑飛”航空器入侵，則可采取相應(yīng)的措施進(jìn)行阻止，警告或強(qiáng)迫備降等。溝通是指UAM 與民航運(yùn)輸、通航飛行共用同一空域時(shí)，管控部門需與民航、通航管制員進(jìn)行溝通，以分離UAM 載運(yùn)工具和民航運(yùn)輸航班、通航飛機(jī)。審定是指一旦UAM 載運(yùn)工具之間發(fā)生意外事故，監(jiān)管部門需要根據(jù)每起不同的事故起因進(jìn)行責(zé)任認(rèn)定。此外，監(jiān)管部門有權(quán)利在UAM 載運(yùn)工具運(yùn)營(yíng)前審定eVTOL 航空器的適航資質(zhì)，并在起飛前后隨機(jī)抽查UAM 載運(yùn)工具的資質(zhì)。處罰是指監(jiān)管部門有權(quán)對(duì)運(yùn)行過程中發(fā)生的違法違規(guī)行為的UAM 載運(yùn)工具的責(zé)任主體進(jìn)行處罰，處罰的形式可仿照現(xiàn)有道路交通對(duì)載運(yùn)工具和運(yùn)營(yíng)人的處罰形式，主要表現(xiàn)為罰款和飛行允許資格。

4.2 UAM 的運(yùn)營(yíng)

UAM 的運(yùn)營(yíng)還有諸多問題未得到解決，本文將從UAM 運(yùn)營(yíng)框架、運(yùn)營(yíng)模式以及運(yùn)營(yíng)過程中各角色所承擔(dān)的責(zé)任等方面對(duì)UAM 運(yùn)營(yíng)相關(guān)問題進(jìn)行討論。

在運(yùn)營(yíng)框架方面，是否開放私人購(gòu)買eVTOL 航空器權(quán)這一問題始終備受爭(zhēng)議，不開放eVTOL 航空器個(gè)人購(gòu)買權(quán)在運(yùn)營(yíng)方面將會(huì)是開放個(gè)人對(duì)eVTOL 航空器購(gòu)買權(quán)的子集，本文將以此為基礎(chǔ)進(jìn)行UAM 運(yùn)營(yíng)框架的討論。在運(yùn)營(yíng)模式方面，Uber 指出，UAM 使用拼車模式費(fèi)用有望低至1.5 元/km，即Uber X 的水平［21］。在UAM 的發(fā)展前期，出行成本相比與其他交通方式較高，UAM 的票價(jià)的降低能有效促進(jìn)出行需求的增長(zhǎng)［109］，共享運(yùn)行模式將有助于UAM的運(yùn)營(yíng)。且乘客只能在固定位置的專用登機(jī)站起飛和降落，如圖4［110］所示。這聚合了乘客行程的起止點(diǎn)選擇范圍，為共享使用eVTOL 航空器創(chuàng)造了有利條件。因此，本文認(rèn)為最適合UAM 運(yùn)營(yíng)的方式是將eVTOL 航空器作為一種公共的共享式的交通載運(yùn)工具向公眾開放。通過統(tǒng)一的承運(yùn)商、統(tǒng)一制式的載運(yùn)工具在一座城市范圍內(nèi)開展相關(guān)服務(wù)，能夠確保在UAM 發(fā)展初期階段具有更高安全水平的運(yùn)營(yíng)能力，這是保證UAM 行業(yè)健康有序向前發(fā)展的關(guān)鍵。關(guān)于UAM 運(yùn)營(yíng)過程中的不同角色，本文提出大致有3 個(gè)：用戶、私有eVTOL 航空器擁有者以及第三方運(yùn)營(yíng)平臺(tái)。用戶是指使用UAM 出行服務(wù)的乘客與貨物，其可以根據(jù)需求選擇私人定制運(yùn)輸服務(wù)或共享出行，貨物的配送依靠物流中心完成。私有eVTOL 航空器擁有者可根據(jù)自身需求選擇盈利性運(yùn)營(yíng)或私用，其運(yùn)營(yíng)需要依靠平臺(tái)并向平臺(tái)提交相關(guān)適航資質(zhì)，同時(shí)，私用也相應(yīng)需要進(jìn)行空域申請(qǐng)、航路申請(qǐng)、飛行計(jì)劃報(bào)備。但如果人人以私有形式占有eVTOL 航空器，這將浪費(fèi)過多的地面停放空間。這與NASA 提出UAM 概念之初所強(qiáng)調(diào)的按需供應(yīng)（Ondemand）和共享出行（Riding-share）概念有所違背，不利于載運(yùn)具利用率的提升，因此私用eVTOL 航空器擁有者情況應(yīng)盡量避免。第三方運(yùn)營(yíng)平臺(tái)擁有購(gòu)買eVTOL 航空器并進(jìn)行運(yùn)營(yíng)的權(quán)利，負(fù)責(zé)辦理、審核eVTOL 航空器的相關(guān)適航證明，匹配用戶與eVTOL 航空器，與航路監(jiān)管部門進(jìn)行溝通反饋

圖4 eVTOL 航空器登機(jī)站示意圖［110］Fig.4 Schematic diagram of eVTOL aircraft boarding station［110］

對(duì)于UAM 如何進(jìn)行共享運(yùn)營(yíng)（圖5），本文根據(jù)實(shí)時(shí)出租、網(wǎng)絡(luò)約機(jī)［111］、P2P 租賃［112］、定制公交［113］這4 種城市交通現(xiàn)有共享出行模式，提出高端定制飛行服務(wù)、起降點(diǎn)拼機(jī)、網(wǎng)絡(luò)約機(jī)、P2P 租用以及定制空中巴士這5 種UAM 的共享模式。

圖5 UAM 的運(yùn)營(yíng)框架Fig.5 Operation structure of UAM

高端定制飛行服務(wù)根據(jù)用戶的出行需求在指定地點(diǎn)專機(jī)接送，適合時(shí)間敏感、經(jīng)濟(jì)條件良好的人群，這種模式共享車輛但不共享行程。起降點(diǎn)拼機(jī)是指用戶未事先預(yù)約行程直接到達(dá)登機(jī)站點(diǎn)，UAM 運(yùn)營(yíng)方隨機(jī)為其分配空閑eVTOL 航空器進(jìn)行UAM 運(yùn)輸服務(wù)的運(yùn)營(yíng)模式。這種模式較難給予選擇拼機(jī)的用戶一個(gè)準(zhǔn)確的等待時(shí)長(zhǎng)預(yù)期，無(wú)法保證用戶的共享出行體驗(yàn)，且很難保證站點(diǎn)隨時(shí)都有空閑的航空器待命。網(wǎng)絡(luò)約機(jī)是指用戶利用智能終端設(shè)備向運(yùn)營(yíng)平臺(tái)發(fā)起行程需求，運(yùn)營(yíng)平臺(tái)根據(jù)用戶位置信息、行程起訖點(diǎn)為乘客匹配周邊處于空閑狀態(tài)的eVTOL 航空器提供運(yùn)輸服務(wù)。該模式下，UAM 運(yùn)營(yíng)方能夠提前掌握用戶的出行需求，可以為選擇接受共享出行方式的用戶提前匹配拼機(jī)用戶，調(diào)配機(jī)型資源，并以系統(tǒng)提醒等交互方式敦促共享乘機(jī)用戶按預(yù)期登機(jī)時(shí)間到達(dá)站點(diǎn)。P2P 租用是指在成熟商業(yè)運(yùn)作和完備的個(gè)人信用體系保障下，通過運(yùn)營(yíng)平臺(tái)將閑置的私人eVTOL 航空器在物權(quán)人同意的前提下租賃給其他用戶使用的模式。這種模式再次配置了載運(yùn)工具資源，且UAM 運(yùn)營(yíng)情境中解決了在私家車共享方面存在的監(jiān)管、個(gè)人信用體系不完善的問題。因?yàn)樗衑VTOL 航空器都具備相關(guān)資質(zhì)證明與機(jī)主信息，接受運(yùn)營(yíng)平臺(tái)的統(tǒng)一調(diào)度。定制空中巴士是為出行起訖點(diǎn)、出行時(shí)間、服務(wù)水平需求相似的人群量身定做的一種公共交通運(yùn)營(yíng)服務(wù)方式。該種模式固定起止站點(diǎn)，一站送達(dá)，前期價(jià)格可能仍會(huì)遠(yuǎn)高于地面公交、地鐵等交通方式，但可以通過增加eVTOL 航空器的座位數(shù)量來(lái)降低個(gè)人成本。

4.3 UAM 管理與運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵技術(shù)

UAM 安全、高效的管理與運(yùn)營(yíng)離不開技術(shù)的支持，其中包括但不限于基于低空公共航路的運(yùn)行規(guī)則進(jìn)行流量控制，對(duì)低空公共航路的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，本小節(jié)將這2個(gè)問題進(jìn)行綜述性研究。

4.3.1 低空公共航路運(yùn)行規(guī)則設(shè)計(jì)與流量控制

運(yùn)行規(guī)則常常與流量控制一起討論，運(yùn)行規(guī)則是流量控制的前置條件，影響流量的布局與控制方式。對(duì)于航路上的運(yùn)行規(guī)則設(shè)計(jì)與流量控制，通常可用速度控制、雷達(dá)引導(dǎo)排序、時(shí)間以及高度層分離等手段。Jang 等［114］對(duì)城市低空空域內(nèi)交叉口的運(yùn)行規(guī)則進(jìn)行了討論，仿真模擬了加載流量后的交叉口，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的交叉口的性能進(jìn)行了分析。這種方式是對(duì)路面交叉口設(shè)計(jì)的延伸，具有一定的借鑒意義。Xue［115］通過研究發(fā)現(xiàn)集中式的控制架構(gòu)性能略優(yōu)于分布式控制架構(gòu)，但其魯棒性較差，分布式控制架構(gòu)中，統(tǒng)一的運(yùn)行規(guī)則性能優(yōu)于混合運(yùn)行，因?yàn)樵诨旌弦?guī)則的情況下，系統(tǒng)安全性能受到破壞，并由表現(xiàn)不佳的人主導(dǎo)。對(duì)于垂直起降點(diǎn)的的運(yùn)行規(guī)則設(shè)計(jì)與流量控制，Shao 等［90］和Yeo 利用eVTOL 航空器能夠懸停的特點(diǎn)，無(wú)需考慮垂直起降機(jī)場(chǎng)進(jìn)出路徑無(wú)障礙下滑角的問題，基于背壓策略設(shè)計(jì)了多環(huán)模式的起降航線的自適應(yīng)垂直起降站（圖6［90］）。相比傳統(tǒng)五邊飛行，其魯棒性與效率性更高。Song 和Yeo［116］設(shè)計(jì)了3 種不同進(jìn)近過程的多環(huán)進(jìn)近結(jié)構(gòu)（圖7［116］），仿真結(jié)果證明，分支排隊(duì)法（Branch Queuing Approach，BQA）在準(zhǔn)時(shí)性和分離風(fēng)險(xiǎn)上均表現(xiàn)出較好的性能。在億航216 的試飛實(shí)驗(yàn)中，航空器在起飛與落地前均有一段垂直爬升或下降的階段，這說明這種多環(huán)垂直起降設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在城市低空空域內(nèi)實(shí)際運(yùn)行過程中完全有可能實(shí)現(xiàn)，這大大降低了垂直起降機(jī)場(chǎng)周邊障礙物高度的要求。

圖6 MVS-TA 模型的三維運(yùn)行示意圖［90］Fig.6 Three-dimensional diagram of MVS-TA operation［90］

圖7 3 種vertiport 的進(jìn)近控制方法［116］Fig.7 Three proposed vertiport approach control concepts［116］

4.3.2 低空公共航路風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

eVTOL 航空器在公共航路內(nèi)的適航安全性被定義為：①在特定航路內(nèi)運(yùn)行時(shí)，不會(huì)對(duì)地面財(cái)產(chǎn)和人員造成損失或構(gòu)成危害；② eVTOL 航空器運(yùn)行過程不能對(duì)其他正在進(jìn)行航空活動(dòng)的其他eVTOL 航空器或航空器的飛行安全造成影響［117］。低空公共航路的安全運(yùn)行需要加入風(fēng)險(xiǎn)管理體系，經(jīng)過系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估后，針對(duì)特定場(chǎng)景開展風(fēng)險(xiǎn)緩控措施，可把殘留風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受水平。

風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)UAM 管控系統(tǒng)潛在的失效原因并分析后果，對(duì)與eVTOL 航空器運(yùn)行相關(guān)聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景進(jìn)行特性總結(jié)，常用的方法包括故障模式與影響分析［118］、危險(xiǎn)和可操作分析［119］、蝴蝶結(jié)分析［120-121］、事件樹［122-123］、故障樹［124-125］等。上述的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別技術(shù)與模型可以及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別eVTOL 航空器運(yùn)行的直接風(fēng)險(xiǎn)，例如eVTOL 航空器自身故障、eVTOL 航空器與障礙物或低空其他航空器相撞造成的直接風(fēng)險(xiǎn)，但是對(duì)于噪聲［126-127］、隱私侵犯［128-129］，墜地危害等潛在的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分析效果并不理想。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是在特定運(yùn)行場(chǎng)景，基于專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析結(jié)果，對(duì)eVTOL 航空器運(yùn)行過程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行建模，并量化評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)性，具有很高的客觀性和準(zhǔn)確性［130-132］，主要模型包括eVTOL 航空器失效模型［132-134］、地面碰撞模型［135-136］、地面暴露模型［137］、eVTOL 航空器空中碰撞模型［138-140］。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)緩控措施，可通過劃設(shè)eVTOL 航空器禁飛區(qū)［141-143］，制定包含飛行高度、飛行時(shí)間、飛行區(qū)域等因素的飛行規(guī)則［144］，對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)與保養(yǎng)，設(shè)計(jì)高魯棒性的軟硬件系統(tǒng)［145］等方式來(lái)保障低空公共航路運(yùn)行安全。

5 低空公共航路網(wǎng)的構(gòu)建

以低空公共航路為核心，在當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施水平和高新技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上，融合高精度多組合導(dǎo)航定位、5G 聯(lián)網(wǎng)通信、精細(xì)氣象預(yù)報(bào)等新一代技術(shù)，構(gòu)建以航路為載體的低空無(wú)人機(jī)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，升級(jí)完善固有基礎(chǔ)設(shè)施或者新建基礎(chǔ)設(shè)施形成新型基礎(chǔ)設(shè)施體系，對(duì)于應(yīng)對(duì)UAM 低空規(guī)模化運(yùn)行十分重要。低空公共航路網(wǎng)建設(shè)關(guān)鍵主要包括：

5.1 低空空域網(wǎng)格化和數(shù)字化

為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的城市障礙物環(huán)境和低空空域管控限制問題，需要對(duì)低空空域資源進(jìn)行精細(xì)劃分和管理，即低空空域的網(wǎng)格化和數(shù)字化研究。采用基于統(tǒng)一網(wǎng)格剖分系統(tǒng)對(duì)格式和類型多樣的約束要素進(jìn)行多級(jí)網(wǎng)格剖分，剖分單元大小適應(yīng)航路寬度要求。此外，為了對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行高效組織和管理，為每一層級(jí)的任一體塊的空間位置賦予唯一編碼構(gòu)建數(shù)字化低空，每個(gè)體塊除了空間位置信息，還包括空域性質(zhì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)等屬性。

5.2 基于低空地理信息的航路網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)

基于遙感、時(shí)空地理大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)開發(fā)三維地理信息系統(tǒng)，通過遙感智能解譯技術(shù)精準(zhǔn)甄別建筑物、道路等低空復(fù)雜環(huán)境飛行地理約束要素，形成構(gòu)建地理約束要素特征庫(kù)、影像識(shí)別與快速提取算法庫(kù)。突破基于體元柵格的三維航路及環(huán)境高效表達(dá)技術(shù)，構(gòu)建凈空邊界低空地理網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫(kù)，研發(fā)多級(jí)航路網(wǎng)迭代優(yōu)化與快速構(gòu)建技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)低空公共航路網(wǎng)規(guī)劃功能。研究復(fù)雜飛行環(huán)境下的動(dòng)態(tài)仿真、真實(shí)場(chǎng)景下航路驗(yàn)證和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，進(jìn)行多機(jī)型無(wú)人機(jī)航路三維仿真飛行驗(yàn)證與實(shí)際飛行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，研發(fā)無(wú)人機(jī)低空公共航路規(guī)劃與仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，為國(guó)家、行業(yè)和區(qū)各級(jí)航路網(wǎng)規(guī)劃提供技術(shù)支撐與驗(yàn)證評(píng)估。積極耦合支撐民用無(wú)人駕駛航空器綜合管理平臺(tái)的關(guān)鍵模塊—飛行計(jì)劃管理，以提升飛行計(jì)劃審批效率、無(wú)人機(jī)運(yùn)行效率與安全效益，為國(guó)家、行業(yè)和地區(qū)各級(jí)航路網(wǎng)規(guī)劃提供不可或缺的技術(shù)支撐與驗(yàn)證評(píng)估。

5.3 城市低空數(shù)字化公共航路網(wǎng)（天路圖）

針對(duì)國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)運(yùn)行共同缺失低空公共航路網(wǎng)的嚴(yán)峻現(xiàn)狀和行業(yè)發(fā)展迫切需求，面向典型應(yīng)用場(chǎng)景和特定機(jī)型，研究低空復(fù)雜環(huán)境下飛行地理約束要素（包括地形地貌、建筑物、禁飛區(qū)等）甄別、遙感提取和障礙區(qū)凈空邊界評(píng)價(jià)方法，形成無(wú)人機(jī)低空復(fù)雜飛行環(huán)境地理約束要素凈空邊界標(biāo)準(zhǔn)。突破復(fù)雜環(huán)境三維航路高效計(jì)算、地理約束要素迭代優(yōu)化的高精度多級(jí)航路網(wǎng)構(gòu)建、同一區(qū)域同一時(shí)段下多機(jī)多用戶運(yùn)行多航道時(shí)空資源配置、多機(jī)型多行業(yè)共享寬兼容公共航路設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，形成無(wú)人機(jī)低空公共航路規(guī)劃的技術(shù)體系，產(chǎn)出典型示范區(qū)航路網(wǎng)（天路圖）。

5.4 基于高精度、高動(dòng)態(tài)地理信息城市低空航路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)管系統(tǒng)

針對(duì)當(dāng)前無(wú)人機(jī)監(jiān)管無(wú)序、無(wú)有效監(jiān)管手段等問題，可依托已獲得中國(guó)民用航空局唯一公有云運(yùn)行許可的中國(guó)科學(xué)院中科天網(wǎng)云系統(tǒng)和全國(guó)無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)目錄信息服務(wù)平臺(tái)，圍繞無(wú)人機(jī)的綜合管理，基于三維地理信息、無(wú)人機(jī)遙感、海量動(dòng)態(tài)時(shí)空對(duì)象高效自適應(yīng)的實(shí)時(shí)三維可視化等前沿技術(shù)，結(jié)合云邊端一體化的網(wǎng)絡(luò)體系，在統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)下高度融合空天地一體化的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)與構(gòu)建云計(jì)算框架下的統(tǒng)一監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)時(shí)獲取接入云系統(tǒng)企業(yè)的無(wú)人機(jī)運(yùn)行動(dòng)態(tài)，助力無(wú)人機(jī)監(jiān)管部門實(shí)現(xiàn)有效、高效和安全監(jiān)管。該系統(tǒng)基于高精度、高動(dòng)態(tài)的地理信息和空域信息基礎(chǔ)研發(fā)，除了實(shí)時(shí)監(jiān)管功能，還包括空地協(xié)同起降點(diǎn)網(wǎng)建設(shè)與布局、高精度氣象快速預(yù)報(bào)等功能。

6 UAM 落實(shí)建議

對(duì)UAM 如何落實(shí)還需諸多實(shí)踐。一方面，明確UAM 的定位很重要。什么樣的場(chǎng)景適用于UAM，什么場(chǎng)景使用UAM 能彌補(bǔ)現(xiàn)有交通方式的缺點(diǎn)，達(dá)到更好的交通效益是需要考慮的問題之一。另一方面，不同的使用場(chǎng)景，其受眾群體、運(yùn)行范圍、合作伙伴、運(yùn)營(yíng)規(guī)則以及風(fēng)險(xiǎn)因素等也大不相同，在不同的場(chǎng)景如何開展試點(diǎn)工作也需進(jìn)一步考慮。

6.1 UAM 應(yīng)用場(chǎng)景需求分析

為保障UAM 試點(diǎn)工作的順利開展，分析UAM 潛在市場(chǎng)以及應(yīng)用潛在障礙應(yīng)該從應(yīng)用場(chǎng)景的分析開始。UAM 應(yīng)用場(chǎng)景可能以下幾類：已有公共交通不可用或交通不便場(chǎng)景，時(shí)效性要求高場(chǎng)景，以及短途公務(wù)出行和觀光旅行等。已有公共交通不可用或交通不便場(chǎng)景包括郊區(qū)與市中心間的往返等；時(shí)效性要求高場(chǎng)景包括急救藥品和亟需救援病人的運(yùn)輸、應(yīng)急救援等。UAM 需求包括通用場(chǎng)景要求和特殊場(chǎng)景要求。特殊場(chǎng)景需要根據(jù)場(chǎng)景特征來(lái)決定，這里僅介紹通用場(chǎng)景需求，結(jié)合前文UAM 基礎(chǔ)設(shè)施組成，建議對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)先調(diào)研分析。

1）對(duì)于城市地區(qū)商業(yè)運(yùn)行，安全要求和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。

2）需要高質(zhì)量的障礙物和地形數(shù)據(jù)庫(kù)。

3）基礎(chǔ)設(shè)施需求分析，調(diào)研現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施類型和服務(wù)能力，比如物流集散點(diǎn)分布和電網(wǎng)服務(wù)能力；調(diào)研現(xiàn)有UAM 航空器類型和空域現(xiàn)狀，據(jù)此分析UAM 對(duì)起降場(chǎng)硬件、尺寸、空域等具體要求。

4）當(dāng)前地面交通流量、成本、能耗需求分析和預(yù)測(cè)。

5）UAM 對(duì)地面交通流的分流預(yù)測(cè)。

6）公眾對(duì)于UAM 建設(shè)接受度分析，根據(jù)EASA 調(diào)研報(bào)告，目前公眾最關(guān)心的要素是：地面人員的安全、車輛發(fā)出的噪音類型和水平、車輛行駛的時(shí)間和飛行的高度等。

6.2 探索支撐UAM 運(yùn)行低空空域管理政策和運(yùn)行機(jī)制

UAM 商業(yè)運(yùn)行對(duì)低空空域資源的利用率和動(dòng)態(tài)性要求高，如何高效、精細(xì)化地利用低空空域資源，需要進(jìn)一步明確?？蓛?yōu)先試點(diǎn)發(fā)展城市低空空域管理改革政策試點(diǎn)，進(jìn)一步深化城市低空空域管理，賦予UAM 試驗(yàn)示范區(qū)低空空域管理權(quán)。在試點(diǎn)工作中，首先需要確定UAM 利益相關(guān)者，比如UAM 平臺(tái)提供商、車主、車輛制造商、運(yùn)維公司、保險(xiǎn)公司、基礎(chǔ)設(shè)施提供商等；其次，確定UAM 運(yùn)營(yíng)商業(yè)模式，誰(shuí)來(lái)建立、擁有和管理地面基礎(chǔ)設(shè)施？考慮到融資、擁有成本、維護(hù)和監(jiān)管等關(guān)鍵方面，可能會(huì)出現(xiàn)不同的商業(yè)模式；最后，需要獲取精準(zhǔn)的市場(chǎng)定位，進(jìn)而掌握各類用戶需求，科學(xué)設(shè)計(jì)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)及全流程運(yùn)營(yíng)管理模式，在安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方面達(dá)到最優(yōu)，輔以精細(xì)規(guī)范的管理，以滿足多方需求。試點(diǎn)工作可按照以下步驟展開。

1）確定試驗(yàn)區(qū)和試驗(yàn)場(chǎng)景。針對(duì)試驗(yàn)區(qū)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適用于試驗(yàn)區(qū)的典型運(yùn)行場(chǎng)景。并在充分調(diào)研地面需求及評(píng)估運(yùn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的前提下，開展低空公共航路規(guī)劃、構(gòu)建及地面輔助配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

2）測(cè)試航路通信、導(dǎo)航和監(jiān)視能力，在監(jiān)管平臺(tái)下開展應(yīng)用測(cè)試，積累飛行數(shù)據(jù)支撐主流運(yùn)行規(guī)則制定。

3）推進(jìn)億航、小鵬匯天、峰飛等國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的UAM 試驗(yàn)先行先試工作，融合企業(yè)豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及高校、科研院所的先進(jìn)理論和核心技術(shù)研究，建立產(chǎn)學(xué)研用協(xié)作機(jī)制，由各單位聯(lián)合開展科技成果試點(diǎn)推廣，形成相關(guān)規(guī)范性文件和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4）以點(diǎn)帶面，逐步推廣形成運(yùn)營(yíng)主體明確、布局合理、覆蓋面廣、銜接高效的UAM 低空航路網(wǎng)絡(luò)。

5）推進(jìn)立法工作的建設(shè)，確立UAM 相關(guān)的違法行為與相應(yīng)處罰措施。

7 結(jié)論

UAM 有關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和商業(yè)化探索已被提上日程，低空公共航路作為進(jìn)一步發(fā)展UAM 安全和高效商業(yè)化運(yùn)行前置條件，與之相關(guān)的法律法規(guī)、行政管理機(jī)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)規(guī)則與模式等相關(guān)領(lǐng)域研究仍幾乎處于空白狀態(tài)。因此，對(duì)低空公共航路的研究探索對(duì)UAM 產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展是必要且必須的。本文對(duì)UAM 的發(fā)展歷程、商業(yè)化試點(diǎn)現(xiàn)狀以及與城市交通和民航運(yùn)輸?shù)膮^(qū)別進(jìn)行了綜述性研究，并在此基礎(chǔ)上提出了UAM 的基本概念、載運(yùn)工具以及其發(fā)展所需要的基礎(chǔ)設(shè)施。為了進(jìn)一步發(fā)展UAM，本文論證了UAM 與低空公共航路的關(guān)系，并對(duì)其研究現(xiàn)狀以及規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理。此外，本文從商業(yè)化角度提出了可供參考的UAM 運(yùn)營(yíng)與行政管理框架，并從運(yùn)行規(guī)則設(shè)計(jì)、流量控制以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等角度對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。最后，本文通過明晰UAM 未來(lái)可能面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)對(duì)如何通過建設(shè)低空公共航路來(lái)發(fā)展UAM 進(jìn)行了展望，以期能為后續(xù)的深入研究提供參考。

如何進(jìn)一步推動(dòng)低空公共航路的發(fā)展和UAM 的研究與實(shí)際應(yīng)用，還有諸多問題有待探討。政策方面，目前低空公共航路的研究還屬于初級(jí)階段，雖然在民航局的推動(dòng)下已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，但針對(duì)低空公共航路在不同場(chǎng)景下的技術(shù)細(xì)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)仍處于空白狀態(tài)。技術(shù)方面，飛機(jī)電氣化已成為航空技術(shù)發(fā)展的重要方向，分布式多電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)可以促使eVTOL 航空器的航電和動(dòng)力系統(tǒng)更加融合，也有助于實(shí)現(xiàn)噪音更小，安全程度更高，自主駕駛能力更強(qiáng)的新型航空器的生產(chǎn)制造。但eVTOL 航空器的適航標(biāo)準(zhǔn)很難界定，特別是安全文化長(zhǎng)期以來(lái)已經(jīng)根植于航空運(yùn)輸業(yè)中，eVTOL 航空器的安全性決定著UAM的發(fā)展是否會(huì)再次陷入低潮。市場(chǎng)方面，Berger［146］和Deloitte［147］報(bào)告中提出了多種可行的應(yīng)用場(chǎng)景，并預(yù)測(cè)了近未來(lái)十年左右UAM 的市場(chǎng)規(guī)模。毫無(wú)疑問，UAM 所描繪的商業(yè)化場(chǎng)景比傳統(tǒng)通用航空更具吸引力，可以說，基于eVTOL 航空器所定義的UAM 市場(chǎng)賦予了通用航空新的生命力。但近未來(lái)階段eVTOL 航空器的生產(chǎn)制造成本和初期所能提供運(yùn)輸規(guī)模體量決定了它早期的受眾對(duì)象——即對(duì)時(shí)間敏感愿意支付更高服務(wù)費(fèi)用的人群。至于以什么樣的模式運(yùn)營(yíng)能提高市場(chǎng)規(guī)模，增強(qiáng)消費(fèi)活力，甚至融入城市交通體系中常態(tài)化運(yùn)行，仍需進(jìn)一步研究。社會(huì)方面，起降點(diǎn)設(shè)置的場(chǎng)地多為樓頂，樓頂?shù)纳虡I(yè)化使用權(quán)限問題，運(yùn)行過程中帶來(lái)的隱私、噪音問題將會(huì)是提高公眾接受度一大難關(guān)。同時(shí)，還包括飛行過程中給乘客帶來(lái)的心理上的不安全感問題，登機(jī)和下機(jī)的時(shí)間過長(zhǎng)而巡航時(shí)間所占比例過低的問題等。

總之，UAM 的發(fā)展還需要公眾接受、市場(chǎng)培育、相關(guān)法律標(biāo)準(zhǔn)的健全和相關(guān)從業(yè)人員的培養(yǎng)，但UAM 出現(xiàn)和發(fā)展是符合未來(lái)通用航空運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)，即空中流量更加密集，運(yùn)輸場(chǎng)景更加廣泛，空地協(xié)同管理能力更進(jìn)一步提高，地面系統(tǒng)與機(jī)載電子信息系統(tǒng)耦合將變得更加緊密。雖然前路曲折，但依然值得期待，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，城市空中交通這樣一種新型交通方式將會(huì)真正融入人們的生活中。