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1、 探索飞行汽车通勤新模式的城市空中交通发展分析 王芳，白傑，杨丽平，饶兵，黄李波（1.浙大城市学院 信息与电气工程学院，杭州 310015；2.哈尔滨工程大学 水下机器人技术重点实验室，黑龙江，哈尔滨 150001）随着全球城市化进程的加快，预计到2050 年，70%以上的欧洲人口和80%以上的北美人口将居住于城市地区，占较发达地区居民人口的近80%1，全球大城市将持续面临日益严峻的交通和基础设施问题.城市化所导致的拥堵、污染和冲突，对人们的健康和环境也产生破坏性影响.根据欧洲创新与技术研究所（European institute of innovation and technology,EI
2、T)2的数据，这一现状也带来了拥堵成本的增长，仅欧洲每年就高达1 300 亿欧元.纽约、伦敦、巴黎、东京等大都市纷纷报告了超额燃料和交通工具运营成本的巨大经济损失35.除交通堵塞的经济成本（包括时间成本）之外，人们还需要考虑污染方面的环境成本问题6.未来城市需要探索新的交通概念和模式，绕过地面拥堵，以期缩短通勤时间.城市空中交通（urban air mobility，UAM）有可能成为空中交通的变革性因素，为航空业、交通系统和城市规划带来颠覆性创新79.这一概念的基础是电池及电动分布式推进领域的技术进步，而正是这一进步促进了具有垂直起降（vertical take-off and landin
3、g，VTOL）能力的新型飞机设计.为推进垂直起降技术和原型机的发展，LILIUM、KITTY HAWK、优步（Uber）10、空客（Airbus）11、中国亿航智能12、小鹏汇天等公司纷纷入场，并大规模生产了以空中出租车服务为基础的VTOL 飞行器.此外，美国、日本、新加坡、新西兰、法国、印度，ZEPHYR Airworks、VOLOCOPTER GmbH 等公司已经利用其电动垂直起降（electric vertical take-off and landing，eVTOL）示范机（Cora、Airbus-Vahana 和Volocopter 2x）进行了广泛的测试飞行13.UAM 将颠覆人们
4、固有的交通出行方式，彻底变革公路、铁路、传统航空和水路等行业现状.根据摩根斯坦利2018 年蓝皮书估算，到2040年全球UAM 的产业规模将达到1.5 万亿美元.“垂直起降、自动驾驶、新能源”是未来UAM的3 大目标，当下正在经历的电动垂直起降（eVTOL）是飞行汽车必经的一个阶段.电动垂直起降（eVTOL）阶段为低空交通提供了全新的智能化可持续发展路径，同时作为一种前所未有的航空交通模式，将深刻影响着未来全新交通范式的构建.随着汽车和航空电气化、智能化技术的跨界渗透与融合发展，智能交通设施的不断发展与完善，未来飞行汽车的地面行驶属性将得到实现与强化，逐步与地面道路交通形成互补和联动，形成空地
5、一体的新型城市综合立体交通体系14.当前eVTOL 厂商和媒体出于营销和易传播等原因，已习惯性地将eVTOL 称之为“飞行汽车”.本文提出的“飞行汽车”包含但不局限于飞行器与汽车融合的终极形态即陆空两用飞行汽车，同时包含eVTOL 这一中间形态.1 飞行汽车的发展现状20 世纪40 年代，汽车、航空技术迅速发展，福特汽车公司创始人亨利福特提出了“飞行汽车”的预言.1917 年，飞行汽车之父格冠蒂斯发明第一辆飞行汽车Autoplane，其装备3 只12.2 m 长的机翼，但从未真正飞上蓝天，仅实现了短距离飞行跳跃.1970年，莫尔泰勒设计出历史上较为著名的飞行汽车Aerocar，飞行时速可达19
6、3 km/h.2003 年，穆勒国际公司制造出Sky Car M400，是世界上第一辆可垂直起落的飞行汽车.2009 年，飞行汽车制造公司Terrafugia 的Transition 全球首次试飞成功，该汽车拥有可折叠机翼，被誉为“世界第一部飞天汽车”.2017 年，Terrafujia 公司被中国的吉利集团收购，目前由沃飞长空科技有限公司(吉利集团) 持续运营.2018 年，全球首款量产飞行汽车PAL-V 开始接受预定.中国亿航智能的旗下Ehang-216 和Ehang-116 自动驾驶飞行器已实现量产销售，如图14 所示.图2 Joby S4 原型机Fig.2 Joby S4 eVTOL图
7、3 小鹏汇天的X2 飞行汽车Fig.3 XPENG AEROHT X2 eVTOL flying cars图4 亿航Ehang-216 飞行汽车Fig.4 Ehang-216 eVTOL flying cars相比较无人机，飞行汽车还涉及载人，因而涵盖了客运，是对无人机的拓展.相对于直升机，飞行汽车的主要优势在于成本、安全性和效率.表1 与表2分别列出了飞行汽车与无人机、直升机的对比优势.表1 飞行汽车与无人机的对比Tab.1 The comparison of flying cars and drones表2 飞行汽车与直升机的对比Tab.2 The comparison of flying
8、 cars and holicopter2 城市空中交通(UAM)的发展2.1 UAM 定义根据NASA 发布的城市空中交通空域整合概念和考虑因素中的定义，城市空中交通（urban air mobility, UAM）为“城市内适用于载人飞行器和无人飞行器系统的安全高效交通运作方式”.UAM 同时指代几个不同的领域，如无人机技术（也被称为遥控驾驶飞行系统（remote piloted air systems, RPAS）在城市最后一英里物流中的应用，以及未来城市内(intra-urban)和城市间(inter-urban)环境中的客运服务.UAM 是一个相对新颖和新兴的话题，仍存在大量的不确定
9、性和未定义事项，为此须通过整体和多学科的方法加以考量，以充分挖掘其潜力.虽然面向飞行汽车的UAM 主要涉及客运应用，但也保留了这两个概念之间的密切关系，因为许多最初为小型RPAS所开发的颠覆性技术有可能会在未来应用于大型设备和交通工具.在定义未来UAM 运营服务方面，UBER Elevate通过分析eVTOL 飞行器的可行性、空中出租车市场的经济性，以及空中出租车运营所需的地面基础设施（如Vertiports、充电系统），提出了空中出租车服务（air taxi services）这一概念15.此外，UBER 还详细讨论了UAM 空域整合的挑战，如飞机进出垂直升降机场的顺序和调度，以及交通工具之
10、间的互操作性.NASA 通过对更广泛的长途旅行、飞机类型、空域和危险等需要考虑和平衡的重要方面的思考，揭示了其他运营概念16.JORDI 等17对处于两个不同运营成熟度的概念进行了描述，旨在为新的UAM框架架立起点.第一个概念设想低密度运行，其频率较低，类似于目视飞行规则（VFR）飞行，以及少数起飞和着陆区域之间的一组固定航线.第二个概念被设想为在一个小型垂直机场网络中进行高密度、高频率的运营，该网络为公共枢纽位置提供服务，并由UAM 运营商和第三方服务机构管理.空客蓝图（Airbus Blueprint）为自治飞行器的安全整合提供了详细的路线图，同时强调了利益相关者角色、空中交通配置、法规和
11、系统架构4 个运营概念作为支柱的重要性18.2.2 UAM 的关键支撑要素与其他任何交通运输系统一样，UAM 向客户提供的服务水平将在很大程度上取决于其他系统组成部分的进展.JORDI 等17阐述了UAM 核心要素的服务与其他相关元素之间关系（图5）.其中技术元素涵盖了新交通工具设计和推进系统与新的动力来源19和替代燃料相联系的元素.同时，自主交通工具的发展将需要在通信技术领域，特别是5G 网络部署方面，取得更深入的进展.基础设施的提供与需要进一步发展的垂直机场和地面基础设施密切相关，从而适应新的交通工具设计，这反过来又将对乘客提供的服务类型产生重大影响.然而，UAM 系统并不仅仅涉及物理基础
12、设施和交通工具，它还包括支持UAM服务协调的各种政策和机构设置.作为一种新模式，UAM 的成功引入需要确保公众的接受度和用户的采用情况（即社会因素），这也是相关文献中所提及的一个主要障碍.最后，上述所有组成部分都需要支持对乘客的服务，这是围绕UAM 的核心理念，而安全则被认为是当代民用航空最重要的运行特征之一.图5 支撑UAM 的关键元素Fig.5 Key elements of UAM在运营场景方面，POSTORINO 等20探讨了UAM在点对点预定路线（如港口机场火车站，紧急救护）、城市之间的中长途旅程，以及城市内部的短中途旅程等多种运行模式，如图6 的运行模式主要侧重城市内的飞行侧功能，
13、图7图8 的运行模式需要兼顾空地模式（地面侧行驶+飞行侧飞行），即在不同阶段采用不同的功能.除了城市中的应用场景，UAM 将进一步在地面基础设施比较薄弱的乡郊和农村地区拓展应用，特别在物流领域.除了交通运输外，UAM 飞行器将在医疗救护、消防灭火、应急救援、公共安全、旅游等特定场景中发挥作用.图6 城市内点对点服务的预定线路（侧重飞行侧）20Fig.6 Point-to-point services between pre-fixed points within cities(mainly flying mode)20图7 城市之间的中长旅程（城市间飞行侧+城市内地面侧）20Fig.7 Lon
14、g/medium-distance inter-city trips（flying mode for the longer legs and ground mode within cities）20图8 城市内的中短旅程（城市内飞行侧与地面侧结合）20Fig.8 Short/medium-distance trips within cities (combining flying and ground modes）203 支撑UAM 发展的关键元素分析与UAM 的开发和实现直接或间接相关的技术众多，其中一些已存在于航空和无人机系统（UAS）领域，但仍需调整和等待成熟，以满足UAM 的需求.此前
15、对UAM 的审查已列出了需要考虑的项目.如前所述，UBER 公司在其Elevate 文件中指出，电池、交通工具设计和性能，以及空中交通管制是需要评估的关键性高层次技术15.文件还提到了与前几项相关的其他项目，即噪音和排放、效率、可靠性和安全性.AIRBUS 在其文件“天空蓝图”中指出，自动化、通信和空中交通管制（ATC）是UAM 实施进展的关键因素18.BOEING 在未来交通白皮书也将ATC、通信、自主交通工具和交通工具性能确定为关键议题21.德国航空航天中心（DLR）则专注于U-Space 和空中交通管制问题22.KELLERMANN 等23对有关UAS（Drones）的出版物进行了广泛的
16、回顾，重点聚焦货运和客运.COURTIN 等24对使能技术进行了总结，提到了短距起飞和着陆（short take-off and landing,STOL）能力、分布式电力推进、电动马达、飞行控制、扬升（机翼空气动力学）和电池.庐山西海的旅游景点众多但是开发较少，许多景点设置重复性高，布局也不太合理。许多旅游景点主要以观光为主，养生旅游开发得较少，许多景区的代表性、感染力、参与度等都比较差。还处于低层次的发展阶段，这样就对庐山西海的旅游资源造成极大浪费。3.1 技术元素3.1.1 交通工具配置和VTOL 飞行器垂直起降飞行器应该是UAM 服务中最为相关的一种载运工具.直升机可被视为垂直起降飞行器的前身，虽然配置不同，但也具备垂直起降（VTOL）的能力.CAPR
