摘要：城市空中交通（UAM）是一种当前各国普遍关注的空中运输交通系统，主要包括为在大都市地区提供按需或定期空运服务的航空器及相关运营理念等内容，针对这一热点问题迫切需要研究UAM系统现状及或发展过程中可能出现的运行障碍，并提出相应的对策。借鉴美国相关研究，通过分析传统直升机载客运输情况，美国三个典型大都市的运行数据，分析了过去类似UAM系统的服务曾经受到的主要业务限制因素，并评估未来可能面临的各种限制因素。这三个城市案例代表了不同地域的UAM服务，参考飞行任务方案在飞行距离，客运量，市场类型，飞越区域人口数量和空中交通拥堵等不同要求，确定了8个可能限制UAM系统发展的业务限制因素，针对其中社区接受飞行噪音程度，起飞和着陆区域的可用性以及空中交通管制的可扩展性等3个最严格的限制因素进行了分析，并提出了中国发展UAM的对策。 

一、背景 

UAM是一种当前各国普遍关注的空中运输交通系统，主要包括为在大都市地区提供按需或定期空运服务的航空器及相关运营理念等内容，它建议在大都市地区发展短距离、点对点运输系统，使用垂直起降(VTOL)或短距离起降(STOL)飞机，通过建立一种安全有效的城市空中交通系统，旨在更便利地运输乘客和货物，以克服日益严重的地面拥堵。虽然传统类似的UAM系统提供了直升机载客服务，但由于诸如事故、噪音限制和资金等问题，这些服务并没有具备长期生存能力。 

（一）国外城市空中交通（UAM）系统的研究情况 

1、　美国优步公司城市空中交通进展 

美国优步公司(Uber Technologies)白皮书表达了UAM的概念。目前，Uber已在巴西向通勤者提供了直升机服务。优步将基础设施开发指定为最重要的运营限制因素。飞行员培训、自动化、认证、飞机噪音、飞机充电、天气、空中交通管制、排放等被Uber视为潜在的业务限制因素。 

图1 Uber公司的UAM概念图 

2、美国宇航局城市空中交通计划 

垂直起降飞行器是过去几十年的一大研究热点，关注这一概念的包括飞机厂商、军方、美国宇航局（NASA），以及联邦航空管理局（FAA）。NASA愿景需求航空（ODA）系统依靠小型电动飞机和先进的自主权在距市中心约165英里的范围内开展业务。利用过去十年中个人飞行器（PAV）和小型飞机运输系统（SATS）计划的电动飞机技术和ATC开发援助研究涉及业务，认证和经济挑战等提出的系统。 

美国宇航局(NASA)美国宇航局将利用新型空管计算机，通过仿真建模来评估垂直起降载人飞机等小型飞行器在拥挤的城市环境中的飞行情况。美国宇航局将使用优步提供的数据，在机场飞机起降高峰期，模拟小型载客飞机通过机场空域的飞行情况。模拟分析数据将用于支撑城市空中交通系统的安全飞行。 

美国宇航局希望确保飞行器的安全、噪音等问题不会增加美国空中交通管制系统的负担。他们正在研究包括低空无人机系统(UAS)交通管理、一体化国家空域系统等。这些研究将帮助创建新的行业标准，成为美国联邦航空管理规则和程序所必需的数据。 

　3、空中客车的城市空中交通计划进展 

空中客车公司成立了“城市空中交通”部门，City Airbus的研究计划项目的硬件研制进展仍处于高度保密状态，没有透露确定的产品形态，仅将其描述为“拥有多个推进器的小型无人机，与直升机工作原理相似。为了论证空客城市交通系统的可行性、安全性，改变无人驾驶飞行器的监管规定，让更多人接受载人飞行测试，空客已经与新加坡民用航空局签订了一项备忘录，允许空客的直升机子公司在新加坡国立大学的校园里建立一套 Skyways系统，通过全自动巡航无人机，在相互联通的气动式管道中穿梭传送货物，解决所谓的“最后1km”的问题 。这些管道里遍布着完全自动运行的无人机，它们携带货物从管道的一个入口进入，按照预定路线到达指定卸货点，用户在手机上收到货物到达的消息，前往指定地点取货即可。 

图1 空中客车公司的Skyways计划 

（二）、我国城市空中交通系统现状 

我国还没有开始成体系地研究UAM，但是，其相关航空器已经开始研制，其中亿航184是全球第一款可载客的无人驾驶飞机，由总部位于中国广州的亿航智能技术有限公司独立自主研发制造，是一款安全、环保、智能的自动驾驶低空飞行器，这种无人机能运载1位乘客，它有8个螺旋桨和4支向四外伸出的机臂。 

图3 亿航184可载客的无人驾驶飞机 

二、城市空中交通运行限制因素分析 

自1950年代以来，UAM的概念一直在被研究。尽管每一次迭代都带来了技术、商业模式和目标市场的创新，但服务的基本任务内涵仍然基本保持不变。分析UAM的目的是调查UAM系统在环境、市场和任务中可能限制UAM服务的实施或发展的限制因素。 

美国麻省理工学院Parker等人通过三个案例研究城市对潜在的UAM系统进行了探索性分析，确立了一个通用的UAM行动的概念任务并应用于每个城市案例中的参考任务中。通过对每个参考任务的假设UAM运行的评估，确定了可能限制UAM服务的实现或扩展的限制因素。专家对这些制约因素进行了审查，以支持其推导并评估其严重性。对这三个城市案例中的32个参考任务进行分析，有助于深入了解业务方面的限制因素是如何普遍出现的，以及它们与具体任务类型或环境之间的关系。将已查明的限制因素与以往直升机运输网络中遇到的业务问题进行了比较。 

（一）传统城市空中直升机运输系统 

1953年，第一家商用直升机空运公司将商业乘客运送到纽约市三大机场。尽管最初取得了成功，但由于社区接受问题、致命事故和财务挑战，这些早期的UAM运营商最终被迫减少或终止服务。当时的概念研究得出结论认为，运行阻碍包括：地理上可用的起飞和着陆区;空中交通管制（ATC）的可扩展性;社区能接受的噪音；运营安全和声誉；主要来自维修、燃料和机组人员的高直接运营成本；由于客户预订和需求管理系统不足造成的后勤问题；恶劣天气下的运行能力。 

（二）城市空中交通运行限制因素研究方法 

这项研究的目的是找出在短期或长期内影响UAM服务的实施或扩展的操作限制因素。Parker等人的研究方法是对三个城市案例进行探索性系统级分析：洛杉矶、波士顿和达拉斯。 

这些案例研究审查了空中和地面行动，首先确定了每个城市可能提供空中和地面运行的区域。其次，进行市场分析，以确定需求(路线、一天中的时间、人数等)。城市的UAM服务。根据所确定的市场，每个城市定义了10至12个具有代表性的“参考任务”，以研究UAM系统的不同运行特点。对每个参考任务评估并记录了所面临的业务挑战。最后，通过对参考任务确定的业务挑战进行比较分析，得出了总体业务限制因素的定义，并与传统直升机城市交通中确定的限制因素进行了比较。 

UAM边界定义中，对四个因素进行了评估，以表明在每个城市案例中(在地理上)UAM服务可能涉及到的因素： 

（1）进出大都市地区的通勤交通流； 

（2）目前往返于在大都市区内的直升机包机服务； 

（3）该地区社区的人口密度； 

（4）通过地面交通无法到达的地区(公共交通)例如，水体所隔离的水域) 

这四个因素使人们能够在每一个城市案例中确定不同的运输模式、路线和社区，这些区域共同代表着可能的UAM行动的地理覆盖范围。该城市的案例边界被划分为包括这些流动模式以及人口密度至少为每平方英里101人的周边人口区。 

在分析中对所有城市案例都考虑了两个潜在的UAM市场：(1)每日通勤：在工作日期间，使用飞机将个人从住所附近的地点运送到上午就业附近的地点，晚上则用相反的路线运送个人。(2)非通勤点对点：飞机用于在两个地点之间进行非通勤旅行，例如两家公司之间的商务旅行、往返城市的娱乐旅行或体育赛事、学校、机场和医院的旅行。虽然UAM用于执法、新闻收集和包裹递送的服务也可能代表UAM市场，但在这一初步分析中没有考虑这类任务，因为它们被认为具有较小的扩展潜力，而且对短期服务提供商不太感兴趣。然而，这些服务可能会影响到UAM业务，因为它们可能优先获得共享资源，如空气空间和基础设施。针对每日通勤和点对点市场，确定了城市大量旅游需求的出发地和目的地(O-D)位置。为了描述需求的地理位置和时间变异性，确定了四个特定的消费者群体，包括远程旅行者、受地面交通拥堵影响者、有充足可支配收入或抵达期限紧迫的个人。通过审查人口数据、消费者财富数据、目前的直升机和飞机包机业务以及城市中的需求联络点，确定了这四个潜在消费者群体的旅行需求模式。 

（三）参考飞行任务方案的确定及其方案评估 

为每个城市的案例开发了一套10-12个具有代表性的UAM参考任务。选择的参考任务并不是为了代表每个城市最大的市场机会，而是为了了解市场多样性和对UAM服务的任务概况要求。参考任务是通过从已识别的消费者旅行需求模式中选择O-D对来定义的。 

参考飞行任务方案评估中考虑了飞机、机组人员、支持人员和客户的行动，表1UAM 任务流程表显示了一个简单的任务，展示客户订购服务到客户到达目的地后可能的活动，它描述了通用UAM执行任务的各个阶段。在表1中，起飞和着陆区域(TOLA)是指UAM飞机可能离开或到达的任何地点。挑战被界定为任何可能对执行任务的可行性产生不利影响的情况。 

表1 UAM 任务流程表 

最后从参考任务中确定一套总体的UAM业务限制。 

（四）三个城市空中交通系统案例研究 

对洛杉矶、波士顿和达拉斯城市案例的每一步骤的结果进行总结，案例研究包括：城市案例边界的界定，客户需求预测，参考任务定义，需求和旅行时间分析，运行评估和挑战分析评估，如表2 UAM运行挑战导致的运行限制表所示。 

UAM操作约束推导和一致性分析本研究试图将19个已确定的操作挑战分解为影响UAM系统的基本约束，通过此过程导出的最后8个潜在的UAM约束。在案例研究中确定的19项业务挑战中，阴影单元说明哪些有助于界定每项限制；数字应从挑战中解读为制约因素，反之亦然。表2中的一个有趣的观察是，一些挑战会影响多重约束，如“社区噪声暴露”挑战(第14栏)。飞机噪音直接影响到社会对UAM系统的接受程度，但它也会影响TOLA基础设施建设的地方，在某些情况下还会影响ATC可能指定的进场和起飞路径。这是一个重要的观察，因为它表明飞机噪声暴露可能限制UAM服务通过三种不同的约束路径。同样，恶劣的天气也会限制UAM系统，方法是使飞机停飞，降低空域和空管的容量，迫使TOLAs临时关闭，或者需要重大的改道和延误。作为约束列中的星号条目(*传统直升机运输系统中的运行限制)，五个潜在的UAM约束直接与前面的文献中提出的约束相一致。已查明的与历史运营者所经历的限制不相关的三个制约因素被确定是航空行业状况变化或新技术的副产品出现的结果。 

表2 UAM运行挑战导致的运行限制表 

对飞机噪声、起飞和着陆区域可用性以及空中交通管制(ATC)可伸缩性的社区接受被认为是可能导致UAM系统最大可伸缩性限制的操作限制因素。 总之，尽管有新技术和商业模式出现，但是这些长期存在的约束表明提议的UAM运行可能继续受到阻碍。 

三、我国城市空中交通系统的发展对策 

美国的研究的城市空中交通系统的约束因素体现了其UAM运行的限制，在一个地理区域中发生的UAM运行的数量对受实际情况限制有一定影响，例如ATC对于在低飞行密度下发生的UAM运行受限制程度低，但是随着UAM系统的扩展ATC可能变成约束因素条件。由于本研究中进行的案例研究仅针对主要的美国大都市区，因此这项工作的结果不一定适合中国，具有不同空域管理方法或需求模式的不同国家的大都市区可能使UAM运行限制肯定不同，采取的对应策略也应该不同。但是无论如何，我国将面临美国大都市同样的交通问题，特别是我国北京、上海、深圳等城市的交通拥堵情况甚至比美国许多大都市都严重，而我国经济的高速发展将使UAM有望成为一个快速增长的业务,直至可以处于世界领先地位。我国可以在下面几个方面实现突破： 

（一）先进技术的研究 

随着可用于小型航空器的全电动和混合动力推进系统的出现，为UAM运营带来了新的机遇。电力推进，自动飞行技术和5G通信网络的进步，以亿航公司为代表的中国企业的推动将很快在我国催生出商用乘客UAM服务，为未来的城市交通组合增添新的内容。对于仅仅增加地面容量无法缓解现有交通状况的地区，UAM服务可以为提供一个颇具吸引力的解决方案。搭乘空中出租车的用户不仅将体验一种非常省时的出行方式和安全、愉快的飞行体验，而且还将能够以越来越低的成本出行。 

（二）低空空域改革的推进UAM 

2018年6月27日，四川省低空空域协同管理委员会办公室在成都正式揭牌成立，该试点方案获批，是我国改革开放以来空域管理体制创新的一次重大突破，对促进四川省通用航空产业发展、加快产业结构转型升级、特别是对推动UAM的发展，具有重大而深远的意义。改革重点围绕制定规章制度、低空协同空域划设和调整、简化通航飞行审批流程、加快低空协同运行中心建设等重点工作任务，积极创新机制，推进试点改革，UAM的试点可能会在四川首先得到应用，然后可以推广到全国。 

（三）建立合理的收费体系，国家提供资金和技术支持 

电力推进和最终的自主飞行运营将使eVTOL车辆的购买价格和运营成本降低一个数量级，从而将城市空中体验开放给更广泛的目标群体，基于自主技术的无人驾驶航班将进一步降低成本。 虽然城市飞行成本仍然高于出租车，但比现在的直升机服务更实惠。但是，通过建立建立合理的收费体系，国家提供资金和技术支持，将快速推动UAM在我国的应用。 

（四）加强安全监管 

UAM带来的出行便利也必须以安全性作为保障，必须让乘客认为这种运输方式安全可靠，而强大的监管框架将大大有助于缓解乘客的担忧。因此，需要在民航局有关下属单位建立安全监管体系，通过法规政策来规范安全运行，通过技术手段提高城市航空器的安全等级。 

（五）推动国家体系建设，服务UAM系统 

便利性将是乘客采用UAM服务的一个关键指标，起飞和降落地点必须战略性地定位在感兴趣的区域，并且对旅客来说很容易到达。这个可以通过立法，如规定交通密集区上空必须建设UAM航空器起降点，医院和学校等重要场所必须建立UAM体系。（潘卫军 中国民用航空飞行学院）

[1] 中新网，http://www.chinanews.com/gj/2018/05-09/8509257.shtml， 2016 

[2] Holden, J., and Goel, N., Fast-Forwarding to a Future of On-Demand Urban Air Transportation, Uber Technologies, Inc., San Francisco, 2016, pp. 2–7. 

[3] 国际航空，空中客车的城市空中交通计划 ，https://www.sohu.com/a/169273262_288274，2017. 

[4] Dajani, J. S., Warner, D., Epstein, D., and O'Brien, J., The Role of the Helicopter in Transportation, Duke University, Department of Civil Engineering, Durham, NC, 1976, pp. 38, 62. 

[5] Parker D. Vascik, Analysis of Urban Air Mobility Operational Constraints，JOURNAL OF AIR TRANSPORTATION Vol. 26, No. 4, October 2018