如何運營一家無人駕駛載人飛行服務公司？

文圖/李悅霖

優(yōu)步、波音、空客等無人駕駛載人飛行器公司認為，2025年無人駕駛載人飛行服務將進入市場，而且市場龐大。隨著時間腳步的臨近，許多資本和公司紛紛踏足該領域，如何運營一家無人駕駛載人飛行服務公司是大眾普遍關注的問題。

要在城市里開展按需無人駕駛載人飛行器運營，非常有必要根據(jù)當?shù)氐男枨竽Ｊ秸{整基礎設施和運營需求。都市區(qū)域內(nèi)基礎設施的建設不僅取決于高效運營的需求和模式，還取決于當前基礎設施的占地面積以及是否需要改變現(xiàn)有基礎設施的用途。在很多情況下，現(xiàn)有基礎設施的適用性以及相關基礎設施的規(guī)?？赡芏加兴啡薄?/p>

要開發(fā)城市所需的無人駕駛載人飛行器基礎設施，需要了解當前的交通需求，并模擬未來的通勤模式。運營商還必須主動與當?shù)鼐用褚约爱數(shù)?、州和政府接觸，開發(fā)有利于消費者、社區(qū)和交通網(wǎng)絡可持續(xù)運營的相關基礎設施。此外，還需要初步明確基礎設施和運營問題。這些問題是城市及眾多合作伙伴在考慮無人駕駛載人飛行服務前需要仔細進行評估的。

城市基礎設施建設

目前的機場和停機坪(或垂直起降場和垂直起降站) 是如何設計的？如何調整這些基礎設施以滿足未來無人駕駛載人飛行器的需求？運營商在選擇起飛/降落地點時該考慮什么？基礎設施如何與機場、維修中心以及路線制定實現(xiàn)交互？這是都是一家未來無人駕駛載人飛行服務公司首先要考慮的問題。

起降場/站建設

以美國為例，美國一共有5664個直升機停機坪，其中私用的有66個。這些基礎設施大多數(shù)未投入使用，很多停機坪都位于非常理想的市中心位置，可快速到達城市的其他區(qū)域。僅洛杉磯的市中心附近就有40多個高層直升機停機坪。舊金山等城市也有很多高層建筑直升機停機坪，但是由于當?shù)貒栏竦脑肼曄拗?，這些停機坪都沒有獲得使用許可。

在過去兩年中，美國國家航空航天局對在密集的城市區(qū)域運營無人駕駛空中出租車的構想進行了研究。簡單地說，美國國家航空航天局選擇舊金山作為考察對象，詳細考察了地理位置、土地使用、基礎設施、天氣和運營限制，力求研究這些現(xiàn)實問題。通過這種方式，美國國家航空航天局就可以針對如何使用飛行器以及所需配套基礎設施的部署位置制定詳細的運營概念。美國國家航空航天局的這項研究提供了一些見解，有助于更好地了解展開密集運營無人駕駛載人飛行器的可行性。

圖1 建設浮動式駁船垂直起降場，在水上提供載人飛行的進近和出發(fā)路徑

城市可以通過同時建設垂直起降場和垂直起降站，支持無人駕駛載人飛行器機隊的運營。垂直起降場是擁有多個著陸位置的大型區(qū)域，且擁有為多架無人駕駛載人飛行器和乘客提供服務的配套設施(如充電器、保障人員等) 。根據(jù)紐約及其他地區(qū)的垂直起降場使用范例，垂直起降站的最大容量限定為在任意時間可容納約12架無人駕駛載人飛行器，一方面可以精簡基礎設施的規(guī)模，另一方面可以允許多架無人駕駛載人飛行器同時起降，從而最大限度地增加行程吞吐量。垂直起降站則是供單架飛機起降的位置，沒有配套設施，但是無人駕駛載人飛行器在起降站可供乘客快速上下飛機，無需停留很長時間。

起降場/站設計

美國國家航空航天局提出了兩種可行的垂直起降場和垂直起降站設計方案。一種提案是在舊金山市區(qū)建設浮動式駁船垂直起降場，在水上提供飛機的進近和出發(fā)路徑，一方面可以限制對社區(qū)的干擾和風險，另一方面無須在現(xiàn)有的密集建筑物中間建設基礎設施。這類駁船/碼頭式垂直起降場基礎設施已在紐約、溫哥華等擁有現(xiàn)成運營程序的很多城市投入使用。為適應越來越多的飛行運營，這些垂直起降場可以使用短程地面導航輔助系統(tǒng)自動為無人駕駛載人飛行器的進近和出港安排時間順序。

另一個方案是針對硅谷高速公路的苜蓿葉型立交橋提出的另一個新穎的垂直起降站解決方案。在這個案例中，主干路上的立交橋經(jīng)過用途改造，加建增高的直升機停機坪結構。在對比一般立交橋的直徑時，優(yōu)步公司參照了針對直升飛機場后退線和運營問題的美國聯(lián)邦航空局的指導建議。一般立交橋的直徑大約是225ft，以供汽車的減速和轉彎。一般的直升機停機坪需要50ft的停機坪，直徑為115ft的最終進近和起飛區(qū)，以及直徑約200ft的公共安全區(qū)。美國國家航空航天局建議設立一個架高平臺，讓垂直起降站和立交橋處于同一高度，從而在道路車流之上提供最大的高度間隙，并將對地面交通的干擾降至最低。架高平臺的下方區(qū)域還可容納垂直起降站的其他功能，如乘客接載和候機區(qū)。這種類型的公共垂直起降站追求的是順應目前的拼車潮流，并不需要停放或存放無人駕駛載人飛行器或地面車輛。針對垂直起降場或垂直起降站指定私有飛機型號將導致所需的基礎設施規(guī)模增大和增加成本。美國國家航空航天局和麻省理工學院正在聯(lián)合對洛杉磯等其他都市區(qū)域開展研究，調查各種垂直起降站基礎設施構想的可擴展性。

這種基于高速公路立交橋的基礎設施方案有很多運營優(yōu)勢，包括可以重復利用交通部現(xiàn)有的土地。飛機進近和出發(fā)軌跡可以在主干道上完成，低于500ft時不會在私人物業(yè)上飛行，而且現(xiàn)有高速公路的噪聲和設想的無人駕駛載人飛行器噪聲級別一致，有助于減輕對社區(qū)的干擾。這種類型的基礎設施與現(xiàn)有地面道路相結合，有助于將地面交通時間降至最低，而且非常適應新興的拼機商業(yè)模式，減少對地面或航空飛行器停放設施的需求。美國國家航空航天局的研究還指出，一種可能的垂直起降場建設方式是建在與相鄰物業(yè)之間有較大間距的私有公司園區(qū)。

圖2 針對高速公路的苜蓿葉型立交橋提出的另一個新穎的垂直起降站解決方案

同樣，利用停車場的頂層也是一個特別有吸引力的方案，可以重復利用閑置的房地產(chǎn)設施作為垂直起降場。架空的停放結構還有運營優(yōu)勢，例如，有助于確保無障礙的下滑道角度符合美國聯(lián)邦航空局針對安全運營方面的規(guī)定。如圖3所示，已有方案提出在洛杉磯機場興建這種建筑。

圖3 在房頂上垂直起降是未來載人飛行垂直起降場的一種選擇

從考慮使用不同的機場基礎設施的角度來看，垂直起降場的占地面積緊湊，無人駕駛載人飛行器可以大下滑角飛行，避免在鄰近物業(yè)的上空飛行。使用除了具有垂直飛行能力的飛機之外的任何其他飛機都需要使用大量的地面資源和土地。美國國家航空航天局在他們的城市無人駕駛載人飛行器研究中，考慮了常規(guī)、短距離和極短距離跑道飛機解決方案，但他們發(fā)現(xiàn)，這些方法在已建成的都市區(qū)域均不可行，原因是土地購置成本過高，而且存在其他土地使用問題，例如，避免在低于500ft的高度飛越鄰近的私人物業(yè)。小角度導致進場路徑長的低空飛行會加重鄰近物業(yè)的負擔，而這并不只是運營會干擾鄰居的問題。法律判例不允許低空飛越私人物業(yè)。美國最高法院的裁決確立了個人財產(chǎn)所有權可延伸至該財產(chǎn)上方的直接空域，同時駁斥所有權無限向上延伸的訴求。盡管所有權可延伸至多高的空域在法律方面仍然有很大的爭議.麻省理工學院的按需出行運營研究正在對此進行調研，但無人駕駛載人飛行器的運營必須尊重地面上其他人及土地所有者的權利。

拼機基礎設施設計

垂直起降能力對城市運營至關重要的另一個原因，飛機在起降過程中要適應不同的風向和陣風。雖然短距起降和極短距起降飛機需要的起降功率較小，但如果這些飛機要在各種風向和條件下飛行，那么它們可能需要多個方向的跑道。這是因為在低速起飛和著陸時，側風著陸特別困難。由于風的原因，某些地區(qū)的短距起降或極短距起降機場可能需要更多設施而不只是一條跑道，并且由于爬升角度比無人駕駛載人飛行器小，可能需要多個方向的越地飛行權，相比之下，無人駕駛載人飛行器不依賴跑道，可以在懸停、起飛或著陸時過程中使其自身和風向相同。

優(yōu)步公司繪制了渲染圖，展示了垂直起降場可能具備的特征，同時更清楚地展示拼機網(wǎng)絡中的按需無人駕駛載人飛行器用到的各類基礎設施。在這個示例中，一個8層的市中心停車場的頂部被改建為能為12架無人駕駛載人飛行器提供支持的垂直起降場。在這張圖中，假設該城市區(qū)域必須能夠滿足美國聯(lián)邦航空局的直升機停機坪指導標準，即在預想的進出路徑中有一個無障礙的下滑道。根據(jù)這一要求，垂直起降場的選址地點四周不能有高層建筑物。

由于無人駕駛載人飛行器拼機運營商將在特定的垂直起降場提供常規(guī)服務，優(yōu)步公司繪制了兩個直徑為50ft的著陸區(qū)。雖然對間距沒有正式要求，但應最大限度地增加著陸區(qū)之間的間距，以將運營風險降至最低。隔離有助于避免兩個著陸區(qū)相互干擾，還能同時進行起降。著陸區(qū)為美國聯(lián)邦航空局分類中的接地和離地區(qū)，另一個較大的區(qū)域為美國聯(lián)邦航空局分類中的最終進近和起飛區(qū)。進近和起飛區(qū)的直徑約為100ft，要求沒有任何構筑物、燈桿或其他障礙物，以確保飛行安全。通常，垂直起降場或垂直起降站還設有公共安全區(qū)，提供直徑約為200ft的附加后退區(qū)域，這一區(qū)域必須進行管制。不過，對于屋頂位置，則無需公共安全區(qū)，原因是這一區(qū)域會延伸到屋頂之外(該區(qū)域在管制范圍內(nèi)) 。

除了抵達和出發(fā)之外，處于停放狀態(tài)的無人駕駛載人飛行器需要遠離著陸區(qū)。每個停放位均提供一個傳統(tǒng)充電器，其中有兩個位置提供快速充電器。在高峰時段，無人駕駛載人飛行器都處于飛行狀態(tài)，因此大多數(shù)停放位將是空的。兩個著陸區(qū)也各自提供快速充電器。這些快速充電器可供只是短暫降落接著繼續(xù)載客的無人駕駛載人飛行器在短時間內(nèi)再次充電，從而最大限度地增加飛行時間。嵌入式充電插頭甚至可以在電機停止后自動展開。

有效的飛行運營區(qū)將有配套的建筑物，該建筑物承擔安保、安檢、修機區(qū)及其他功能，而且只能通過該建筑物才能進入著陸區(qū)。乘客只需步行很短距離即可到達著陸區(qū)，且能在飛機的推進系統(tǒng)關閉時靠近。停放的無人駕駛載人飛行器將遠離用戶，盡量避免用戶接觸到飛機。無人駕駛載人飛行器需要能借助輪殻電機在地面進行短距離滑行，以在著陸區(qū)和停放區(qū)之間移動。屋頂?shù)牧硪粔K區(qū)域供乘客下機并到達汽車或行人出口位置，從而結束他們的行程。

選址

最初，無人駕駛載人飛行器不可能直接上門接送乘客，而是在垂直起降場和垂直起降站之間運行。不過，根據(jù)當?shù)胤ㄒ?guī)和空間限制，無人駕駛載人飛行器可能會在私人住宅起飛和降落。這些地點需要登記在冊并考察其進近和出發(fā)路線。例如，在加利福尼亞州，非企業(yè)區(qū)域的個人“機場”是完全合法的。也就是說，點對點的行程將不太可能與其他行程重疊(與擁有有限的高吞吐量節(jié)點的垂直起降場/起降站網(wǎng)絡相比) ，因此這些乘客需要愿意支付相對高昂的費用。

有鑒于此，運營商可能會主要關注拼機的無人駕駛載人飛行器網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡只包含垂直起降場/起降站之間的多模式行程。目前優(yōu)步公司提供與公共交通相結合的第1mile/最后1mile接駁，而且在紐約，優(yōu)步已成功要求乘客步行至優(yōu)步拼車的上車區(qū)(作為交換，乘客更有可能共享一程，這樣所有乘客的費用都會減少) 。多模式交通可以最大限度地提高網(wǎng)絡吞吐量，節(jié)省更多時間，同時將步行/驅車前往/離開站點的時間縮至最短。

在城市部署無人駕駛載人飛行器機隊的最大運營障礙是缺少足夠的空間來建立降落點。即使今天無人駕駛載人飛行器已獲得飛行資格，城市也沒有足夠的起飛和著陸地點讓飛機以機隊規(guī)模運行。少數(shù)城市已經(jīng)擁有多個直升機場，并可能有足夠的能力來提供有限的初始載人飛行服務，前提是這些機場位置合適，可以很容易從街道抵達，且擁有增設充電站所需的空間。但是如果希望發(fā)揮無人駕駛載人飛行器的全部潛力，還需要增加基礎設施。

優(yōu)步等運營商可以幫助尋找位置并消除障礙，以建立垂直起降場和垂直起降站，讓載人飛行服務成為現(xiàn)實。雖然通勤通道的城市遠郊一端有更多更便宜的土地，但密集的市中心空間非常有限，而且現(xiàn)有的屋頂可能不能進行改造。周圍的高層建筑可能會導致起飛時的垂直爬升速度必須提升，從而顯著增加對動力的需求，還可能造成風洞等微氣候，需要慎重考慮。

許多城市嚴格限制只能在特定地點使用直升機，而且只允許直升機在有限的時間范圍內(nèi)飛行。然而，導致這些限制的大多數(shù)公眾反對意見并不適用于電動無人駕駛載人飛行器。例如，關于醫(yī)院直升機選址的公眾意見表明，所討論的飛機所產(chǎn)生的短期噪聲遠高于無人駕駛載人飛行器。

機場和維護中心設計

大多數(shù)城市區(qū)域都有各種現(xiàn)成的機場。以舊金山灣區(qū)為例，該地區(qū)有三個大的航空公司基地、兩個已退役的軍用機場、一個聯(lián)邦/民用機場、7個通用航空機場、一個私人機場和一個私人水上飛機基地，這些都在離舊金山約35mile的范圍內(nèi)。其中的每個地點都是進行初始運營的不錯備選地址，優(yōu)步公司在洛杉磯地區(qū)進行的第一性原理分析得出了同樣的結論。

任何城市或地區(qū)都需要設立維護和保障點，以便能在停飛期間停放數(shù)百架無人駕駛載人飛行器并進行維修和檢查。垂直起降場或起降站肯定不會承擔這些功能(雖然維護基地也可以作為面向乘客的垂直起降場) ，可能要由當?shù)氐墓潭ɑ剡\營商來為這個新興市場提供支持。任何垂直起降場都需要機動維護人員，以處理非適航飛機的問題。在緊急著陸或設備故障導致無人駕駛載人飛行器需要維修時，維修人員要到達指定地點，類似于當前的直升機運營。也正是因為這個原因，無人駕駛載人飛行器要采用完全冗余推進系統(tǒng)和可以提供“跛行回家”操作模式的控制設計。

路線規(guī)劃

除了垂直起降場和垂直起降站的選址和建設之外，無人駕駛載人飛行器還將需要從一個位置到其他位置的航線規(guī)劃，以便與實際的空中交通管制相融合。雖然美國國家空域系統(tǒng)中還沒有專門針對無人駕駛載人飛行器航線的規(guī)定，通過與空中交通管制機構的協(xié)商，很容易定義相同的結構，就像為新聞和醫(yī)療飛機制定航線時一樣。在可預見的未來，在城市區(qū)域內(nèi)飛行的飛機仍將與空中交通管制機構通過語音進行通信，以實現(xiàn)交通的多樣性，但在未來幾年內(nèi)，所有飛機都將配有現(xiàn)成的座艙顯示器，可顯示附近所有其他飛機。隨著在同一航線中有人駕駛飛機的經(jīng)驗積累，運營商有可能為自動駕駛航線規(guī)劃奠定基礎，可以避免與現(xiàn)有飛機運營發(fā)生沖突。

在一些類似舊金山灣區(qū)這樣的地區(qū)，某些自然特征本身(如灣區(qū)本身) 就能夠為無人駕駛載人飛行器路線規(guī)劃提供幫助。用以制定路線的工具與現(xiàn)今其他低空交通所采用的工具相同。這是必須進行謹慎的路線優(yōu)化的又一個領域。例如，如果在一定程度上隨機排列路線結構，同時保留符合空中交通管制機構規(guī)定的走廊內(nèi)結構，便有可能規(guī)避美國聯(lián)邦航空局在將下一代路線規(guī)劃方法應用于舊金山國際機場時所遇到的噪聲等問題。安靜且容易操縱的低空飛行器帶來了以往空中交通規(guī)劃情景中從未呈現(xiàn)的獨特機遇。

基礎設施模擬

在基礎設施建設開始之前，確定最優(yōu)的基礎設施是運營商必做的功課之一。這不僅可以確定最初方案的不足，而且可以找到最佳的盈利途徑。

優(yōu)步公司通過其核心業(yè)務了解到網(wǎng)絡優(yōu)化是復雜運輸系統(tǒng)功效的最基本驅動因素之一。如果符合要求的垂直起降場數(shù)量較多，那么選擇使用其中特定的一部分對設施和運輸成本都會產(chǎn)生絕對的影響。垂直起降場的選擇也會影響載人飛行服務的人口總數(shù)，以及相較于其他交通方式他們對垂直起降場所抱有的期望。優(yōu)步公司利用2016年9月一周的長途優(yōu)步行程對大洛杉磯和倫敦地區(qū)可能的垂直起降場位置進行了初步分析，行程的半正矢(“直線距離”) 距離超過20mile。但遺憾的是，優(yōu)步公司的長途行程對普通消費者來說仍然過于昂貴，因此數(shù)據(jù)量有限。也就是說，經(jīng)過多年服務的積累才會獲得足夠的行程數(shù)據(jù)來分析傳統(tǒng)非優(yōu)步長途路線通勤的潛在需求。

優(yōu)步公司基于一系列候選垂直起降場位置研制了一種模型，用于選出一部分理想的位置，能在滿足各種限制條件的情況下，最大程度提高行程的覆蓋范圍。這些限制包括相對于開車所節(jié)省的時間(限制了所選垂直起降場的總數(shù)) 和垂直起降場選擇的空間限制。優(yōu)步公司使用大規(guī)模優(yōu)化模型從這些位置中選出25個，最大限度地提高無人駕駛載人飛行器路線的可達性，最終得到的符合要求位置的預計用時比地面行程節(jié)省40%以上。

地形圖回放調繪內(nèi)容和方法與傳統(tǒng)方法一致，地形圖編輯過程根據(jù)成果地形圖要求可使用iData數(shù)據(jù)工廠、清華山維EPS和南方CASS等軟件進行。

隨著城市中的機場增多，每個邊緣機場的吞吐量將減少；規(guī)模較小的機場主要用于提高運輸網(wǎng)絡的效率，而不是用作帶有充電設施的關鍵高吞吐量節(jié)點，因此，最好作為垂直起降站。

場景設想

為實現(xiàn)模擬，優(yōu)步公司提出了以下設想：

(1) 所有乘客都將經(jīng)歷一段沒有中途停留的載人飛行行程。

(2) 最大飛行距離為120mile。

(3) 行程中的空速為170mile/h。

(4) 將起飛時間和降落時間分別增加了60s和75s。

(5) 乘客登機和下機分別需要3min和2min的時間。

(7) 當且僅當路線的預計歷時至少比地面行程的預計歷時縮短40%時，乘客才是乘坐此飛行路線的潛在顧客。

(8) 通過按需服務可滿足所有搭乘請求(不考慮提前預約行程的情況) 。

飛行路線規(guī)劃

為了確定最佳的垂直起降場位置組合，運營商要考慮為每個乘客分配特定的行程路線。該行程路線由以下任一路線組成：地面行程和包含三個路段的飛行路線，即飛行路線一般是從乘客的出發(fā)點到出發(fā)機場路段、垂直飛行路段和抵達機場到乘客的目的地路段。運營商要力圖確保從中選出的機場組合能夠最大限度擴大整個網(wǎng)絡中長途乘客的總體行程覆蓋范圍。

該模型可確保滿足以下條件：

● 所選垂直起降場的數(shù)量不會超過可允許的最大值；

● 所有乘客的行程能夠剛好由一個行程路線覆蓋；

● 正如用戶規(guī)范所規(guī)定的那樣，不會同時選擇兩對位置足夠接近的垂直起降場；

● 未選擇的垂直起降場均不得分配給任何乘客；

● 采用第三方商業(yè)優(yōu)化求解器，通過大規(guī)模整數(shù)規(guī)劃進行解算。

不同場景部署計劃不同

不同城市基礎設施的部署計劃不同。主要區(qū)別尤其集中在以下幾方面：

城市地理和設計特征對城市或其遠郊和近郊地區(qū)需求提升的促進方式和現(xiàn)有公共交通節(jié)點對于基礎設施選址和多模式行程可能起到的作用，以及基于地面的有限基礎設施以次優(yōu)的方式服務于現(xiàn)有(或抑制潛在) 需求，可由替代基礎設施選項進行補充。

優(yōu)步公司選擇了分別覆蓋洛杉磯60%的長途行程和倫敦35%的長途行程的25個垂直起降場。優(yōu)步公司發(fā)現(xiàn)，隨著垂直起降場數(shù)量不斷增加，這兩個城市的長途行程覆蓋范圍將不斷擴大。不出所料，以中心商務區(qū)和公共交通樞紐機場為起點和目的地的長途行程密度很高。特別是在洛杉磯國際機場、倫敦希思羅機場和倫敦蓋特維克機場等大型機場，這種現(xiàn)象尤為明顯。

有些行程的起點或目的地距垂直起降場很近，因此這些行程的起始路段或最終路段無需乘車。如果行程前后路段的半正矢距離小于一定的閾值(如250m、500m和1000m) ，將此行程路段定義為可步行。在倫敦，包含可步行路段的行程所占比例較高。這主要是因為與洛杉磯相比，到當?shù)貦C場的行程所占比例要高得多。

多模式效益

優(yōu)步公司發(fā)現(xiàn)，在洛杉磯，為數(shù)不多的垂直起降場可覆蓋很大部分長途行程，而在倫敦等大城市，相同數(shù)量的機場所覆蓋的行程數(shù)量要少得多。這意味著，呈現(xiàn)起點與目的地位置相距較遠的出行模式的倫敦等大城市，要想實現(xiàn)與其他城市相同的行程覆蓋可能會面臨更大的基礎設施壓力。

與此相反，倫敦250m閾值內(nèi)的可步行垂直起降行程所占凈百分比則更高，接近洛杉磯的五倍。這是因為倫敦的大量公共交通樞紐與預設的垂直起降場位置(地鐵、多個機場) 重疊，而在洛杉磯，地鐵幾乎不占主要地位，且主要的國際機場更靠近城市中心。因此，在公共交通和現(xiàn)有交通樞紐更為有限的城市，構建垂直起降場基礎設施實際上可能會加強現(xiàn)有交通模式的聚集。在過渡時期，這些城市中包含乘車路段(而非步行路段) 的多模式行程路線將占據(jù)更大的比例。

發(fā)現(xiàn)服務水平不足的路線

城市機場之間的路程是一種有趣的需求源，有可能利用與飛機相關的現(xiàn)有地面基礎設施支持航線補充次優(yōu)的地面基礎設施。模擬試驗數(shù)據(jù)顯示，倫敦幾個主要機場間的路程，希思羅機場到蓋特維克機場、希思羅機場到盧頓機場是最好的例子。例如，眾所周知，希思羅機場在倫敦西部，蓋特維克機場在倫敦南部，在兩個機場之間轉機頗具挑戰(zhàn)性，許多國際旅客要在有限的時間內(nèi)從一個機場出發(fā)到另一個機場轉機。但兩個機場間的地面路程大約為38mile，在交通高峰期最多要花費1.5h的時間，這就意味著轉機乘客可能會錯過轉機，還會增加焦慮情緒。而時速200mile的載人飛行則只需10min(包含起飛和降落時間) 。

圖4 節(jié)省時間是載人飛行最好的體驗之一

倫敦機場存在城市外圍存在的東西向和環(huán)線公路的出行難題。這些難題要么是由于現(xiàn)有公路和鐵路基礎設施有限，要么僅僅是由于高峰時段交通擁堵造成的。倫敦現(xiàn)有的直升機相關基礎設施非常有限，如果能利用面向城市外圍服務水平低下的經(jīng)濟中心開放的大量飛機網(wǎng)絡基礎設施和空中紐帶，將為載人飛行帶來巨大優(yōu)勢。在模擬試驗中，在洛杉磯，預想的垂直起降場模擬了居民上班或休閑時的出行模式。如果能對許多城市中心建筑上原先就存在的直升機停機坪重新加以利用，將滿足在模擬模型中看到的那一類需求。

影響城市交通需求模式的根本原因有很多，導致不同地方既存在差異又有相似性，這會對基礎設施網(wǎng)絡的設計產(chǎn)生影響?；A交通方式組合和公共與私人交通方式的基礎設施質量等因素往往會影響市民的生活地點，推動走廊地帶需求和人口密度增長。

地形難題也會影響中心商業(yè)區(qū)及周邊科技、商業(yè)和制造業(yè)園區(qū)的可達性。在給定關鍵地區(qū)位置的情況下，日?；顒由婕暗募兇饩嚯x和路線會對高峰需求流量影響典型通勤的時間和方式產(chǎn)生影響。

最終，運營商需要與各個特定城市的領導人員、交通專家和現(xiàn)有交通網(wǎng)絡管理者及規(guī)劃者密切合作，確定明確的短期和長期使用案例，爭取給城市內(nèi)部和周邊通勤帶來快速和潛在的根本性轉變。

如何節(jié)省時間

根據(jù)駕車完成整條路線與搭乘無人駕駛載人飛行器駕駛或步行前往/離開最近的垂直起降場(共25個)的速度對比，優(yōu)步公司用40%的時間節(jié)省閾值進行了模擬。

在從0%～100%的各種時間節(jié)省閾值的敏感度測試中，優(yōu)步公司發(fā)現(xiàn)超過倫敦70%和洛杉磯75%的節(jié)省閾值后，行程便不可能節(jié)省時間。這個結果十分合理，因為兩個垂直起降場/垂直起降站間的平均直線駕駛速度至少為40mile/h，而飛行速度則為170mile/h，因此任何特定路線都可以節(jié)省近70%～75%的時間。

優(yōu)步公司還發(fā)現(xiàn)，在上述條件下，洛杉磯的通勤行程(平均30.4mile) 總體來講比倫敦的通勤行程(26.0mile) 更長。此外，與倫敦相比，洛杉磯的超長距離行程節(jié)約的時間更長：分別為 75%(32.1與26.8mile) 、95%(53.1和 38.4mile) 、99%(82.5和51.9mile) 。行程距離越長，節(jié)省的時間越多。因此，在通勤端點間往來距離更遠的城市，對于采用城市航班替代駕車通勤的潛在需求可能會更大。

充電

目前的無人駕駛載人飛行器續(xù)航時間有限，為了將乘客運送到目的地，無人駕駛載人飛行器必須保證擁有充足的電力。如何為無人駕駛載人飛行器充電？需要什么樣的基礎設施來為其提供保障？這是運營商面臨的重要問題。

如果其他無人駕駛載人飛行器需要充電，或下一個乘客行程還未預約，無人駕駛載人飛行器需要從垂直起降場的停機坪移走，為其他無人駕駛載人飛行器騰出位置。但是，如果電力充足且乘客已準備就緒，無人駕駛載人飛行器只能在停機坪上停留足以讓乘客上下飛機的時間?？s短周轉時間對實現(xiàn)較高的利用率十分重要。將無人駕駛載人飛行器滑行至垂直起降場停機位讓乘客下機不僅需要大量時間，還需要乘客在其他飛機運營期間到達停機坪。電池需要在下次飛行前充滿電，以盡可能提高利用率。每個垂直起降場都配有多個高壓快速充電器，以及數(shù)量充足的低壓充電器(可在每個垂直起降場停機位低速充電)。

圖5 充電是城市載人飛行網(wǎng)絡持續(xù)運營的關鍵

優(yōu)步公司目前的垂直起降場模型根據(jù)實現(xiàn)每年飛機使用時間超過2000h的所需充電比率設計，假定將有三分之一的充電器為高壓/高容量充電器。特斯拉已經(jīng)展現(xiàn)了快速充電的能力，研發(fā)的電池可以在 30min內(nèi)充滿 80%的電量。但是，高壓充電器比常規(guī)的慢速充電器價格更高，且快速充電可能對電池造成巨大損害，縮短預期電池使用壽命。提供適當配比的充電器是市場特定的機隊優(yōu)化問題。當然，基礎設施可能會為每架無人駕駛載人飛行器配備充電器，實現(xiàn)夜間充電。將電池充電特征與放電特征(功率系數(shù)和充放電率，表示電子進入電池或從電池中釋放的速度) 相匹配對于飛行器、飛行任務和基礎設施都是至關重要的。

電池更換是有助于最大限度提高飛機效率和利用率的另一個備選方案。特斯拉投資開發(fā)了一個機器人電池更換系統(tǒng)，能夠在90s內(nèi)完成電池更換。雖然更換電池可優(yōu)化飛行器性能，但會帶來嚴重的后勤壓力，這也是特斯拉公司終止其電池更換計劃的原因之一。如果采取電池更換方案，則要確保為所有垂直起降場妥善分配電池，這可能需要通過地面交通在垂直起降場之間運輸電池。另一個因素在于，電池是一項主要的開銷，每個飛行器需要多個電池組，這會產(chǎn)生一筆龐大的機隊附加費用。在添加新電池后，重新確認飛行器整體飛行安全性的認證難題是需要額外考慮的一個重要方面。

運營

持續(xù)運營是運營商的主要目標。如何解鎖城市載人飛行網(wǎng)絡的運營效率，解決運營效率以及惡劣天氣所帶來的空域挑戰(zhàn)？在安全性和公眾關注方面需要考慮哪些事情？運營商也面臨著一系列問題。

空中交通管理

根據(jù)無人機系統(tǒng)交通管理計劃，至少有三種強有力的發(fā)展路徑可以提升城市載人飛行網(wǎng)絡的運營效率，并解決這些網(wǎng)絡將帶來的空域難題：

(1) 高流量無人駕駛空中交通管理交互

對于載人飛行器，儀表飛行氣象條件下的飛行需要像目視飛行一樣，讓飛行員只需執(zhí)行簡單的低負荷操作?；谡Z音的飛行員操作對空域控制器會造成一系列容量瓶頸，限制空域系統(tǒng)的容量和可擴展性。未來空中導航系統(tǒng)中的管制員飛行員數(shù)據(jù)鏈通信等技術的成熟，可實現(xiàn)無人駕駛空中交通管理流程的自動化。

(2) 延伸至500ft高度類的無人機系統(tǒng)交通管理

美國國家航空航天局的無人機系統(tǒng)交通管理系統(tǒng)目前致力于打造一種空域管理系統(tǒng)，用于在500ft以下空域飛行的小型無人機。這種方法將小型無人機與通常在更高高度飛行的其他空中飛機隔離開來。但是，由于私有飛機高度限制，以及需要獲得與通用航空和商業(yè)交通隔離的保障，因此即使是小型無人機也很可能無法以完全隔離的形式運行。

美國國家航空航天局通過擴大與工業(yè)界和大學的合作，將無人機系統(tǒng)交通管理應用至通用航空飛機，提供一個涵蓋高達幾千英尺的全面的空中交通管理解決方案。

(3) 與機場和航站樓區(qū)域的無縫集成

幾乎所有主要城市的周邊都有大型機場，部分城市(如洛杉磯) 在市中心建有樞紐機場。這些機場對在5～10mile半徑范圍(從地面延伸至約2000ft) 和高達35mile半徑的階梯狀范圍(達10000ft) 內(nèi)擁有B、C或D類進行空域擴展管制。在洛杉磯，城市的43%陸地區(qū)域在這些空中交通管制部門的管制范圍內(nèi)，部分地區(qū)的航班需要管制人員批準，語音交互無處不在。然而，這種由管制人員管理的空域大多利用率極低；根據(jù)按需出行的運營方面研究表明，航空公司運營僅使用了這些保留區(qū)域的5%。受管制的保留空域的使用率之所以受限，部分原因在于近來精確進近和出發(fā)的技術進步大大降低了航線的變更頻率。

隨著載人飛行交通量的提高，其他難題也需要得到重視。例如，如何以適當?shù)姆绞礁咝У毓芾盹w行器和垂直起降場資源的時間和順序安排，確保在實現(xiàn)高系統(tǒng)容量和效率的同時優(yōu)化該系統(tǒng)用戶的門到門行程次數(shù)和變動。此外，鑒于優(yōu)步公司對無人機的了解，還需要考慮管理不同機隊對其自主出行決策控制方式的標準，這一點非常重要。

(4) 以無人駕駛為目標的基礎設施建設

圖6 與機場和航站樓區(qū)域的無縫集成非常關鍵

優(yōu)步公司認為，無人駕駛飛行器將遵循民航規(guī)章的操作程序，擁有自己的內(nèi)部通信網(wǎng)絡，即使在沒有飛行員操作的情況下也能實現(xiàn)精確的導航和定位。試點階段的基礎設施開發(fā)將直接針對自主運行的要求。主導航系統(tǒng)將基于現(xiàn)有的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)，同時接收全球定位系統(tǒng)、GLONASS以及在此期間可用的GALILEO和北斗任何其他國際系統(tǒng)。此外，還可能需要組合使用WAAS增強的全球定位系統(tǒng)和微波轉發(fā)器技術，對前往垂直起降場和垂直起降站的飛行器進行精確定位。與用于無人機系統(tǒng)交通管理一樣，美國聯(lián)邦航空局并不會像對航空公司和通用航空交通那樣為低空無人駕駛飛行器提供隔離服務。無人駕駛飛行器在處于常規(guī)飛機未使用的空域中時必須能夠獨立于空中交通管制飛行。所有這些要求都會在無人機社區(qū)共享，并且適用于無人駕駛飛行器的相同方法可能會并行發(fā)展并達到更高的載客飛行可靠性水平。

通信或數(shù)據(jù)鏈路部分可能會結合ADS-B、現(xiàn)有手機和低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡以及低功率地面微波數(shù)據(jù)鏈路。一開始，系統(tǒng)預計將具有三重冗余，用以應對所有意外事件；即使在兩個網(wǎng)絡無法運行的情況下也將保有全部功能。對于需要網(wǎng)絡范圍可見性的基本功能，所需的數(shù)據(jù)帶寬相當?shù)?。當飛行器彼此非常接近時，需要提高帶寬，縮短延遲，但在無人機領域，已有幾種具有此功能的方法正在研發(fā)中。

排序和空間劃分必然需要通過優(yōu)步公司機載拼機生態(tài)系統(tǒng)垂直整合。不僅必須有可用的飛行器和垂直起降場/垂直起降站空間，還必須保留飛行空域，并實時監(jiān)測每架飛行器的狀態(tài)和位置。目前，這一領域的人員正通過美國國家航空航天局/美國聯(lián)邦航空局下一代計劃不斷研發(fā)體積更大的飛行器，而無人駕駛飛行器可以使用類似的方法來滿足飛行要求。

在這個領域中，微處理器速度和存儲器容量的持續(xù)發(fā)展直接體現(xiàn)為以更高的精度處理更密集空中交通的能力。

行程可靠性

行程可靠性是決定從預約到下機的端到端時間的主要因素之一，也是優(yōu)步公司想要實現(xiàn)的節(jié)省時間價值理念的主要技術路徑。行程可靠性是網(wǎng)絡狀態(tài)的一個函數(shù)，即在用飛行器的數(shù)量和分布與需求之間的函數(shù)。行程可靠性可以用從預約到抵達的時間來衡量，即從預約飛行器后到其出現(xiàn)期間用戶要等待的時間。反過來，行程可靠性又受許多因素的影響，例如，垂直起降場/垂直起降站的位置、飛機的空駛比，以及相較于汽車更易受其影響的天氣。

無人駕駛載人飛行器需要利用其他技術來增強可見性，在陣風條件下有效、安全地操縱。應對大多數(shù)結冰問題，運營商充分利用增強的天氣信息和預測功能最大限度地提高可用運行時間的百分比，所有這些反過來將實現(xiàn)飛行器利用率和經(jīng)濟可行性最大化。運營商可以利用從自動除冰到自主駕駛的各種技術，提高控制精度和飛行適宜性決策的一致性，進而顯著增加無人駕駛載人飛行器的可用性。

無論無人駕駛載人飛行器的可用性存在怎樣的差距，航線網(wǎng)絡的多模式特性都會對系統(tǒng)可靠性有所助益。如果飛行器由于某種問題必須著陸，該系統(tǒng)可以自動協(xié)調其他交通工具，從著陸點繼續(xù)行程。當然，這會構成降級的服務形式，因此無人駕駛載人飛行器可用性將存在一定的下限。低于該下限時，人們將認為載人飛行服務并不具備足以讓用戶依賴的可靠性。因此，在早期部署中，運營商將選擇具備有利于確?？捎眯詶l件的位置。

天氣

飛機比汽車更易受到環(huán)境條件和天氣的影響。在起飛、巡航和著陸過程中，雷暴會造成巨大亂流、結冰和低能見度，是干擾飛機運營的最大外部條件之一。在起飛和著陸期間，強降水和陣風形成的不穩(wěn)定條件會進一步造成干擾，導致難以保持飛行控制和合理的安全裕度。

一般來說，在最近的機場仍然能夠進行商業(yè)航空公司運營時，運營商期望載人飛行能隨時提供服務。惡劣的天氣條件(如強雷暴天氣) 下，包括載人飛行在內(nèi)的所有飛機都會延誤。所以，運營商可能會優(yōu)先考慮將最初的載人飛行運營部署在不存在阻止運營的環(huán)境或天氣條件的市場中。

隨著技術不斷發(fā)展，無人駕駛載人飛行器將可以在各種更具挑戰(zhàn)性的天氣環(huán)境下的運營，如果能夠克服一系列關鍵障礙，載人飛行就可能提高在各個市場的普及率。

(1) 密度和高度

在較高海拔和較低空氣密度環(huán)境下，環(huán)境通常會對運營產(chǎn)生兩大不利影響。第一，空氣密度減小意味著產(chǎn)生所需的升力需要更高的真實空速和/或旋翼速度。第二，空氣密度減小意味著可用的發(fā)動機功率降低。隨著空氣密度的減小，吸氣發(fā)動機的功率損失將超過30%以上，取決于具體設計(即機械齒輪箱限制) 。這使常規(guī)直升機面臨巨大的挑戰(zhàn)。雖然無人駕駛載人飛行名義上是在相對于地平面低于3000ft的低空運行，但在高海拔地區(qū)運行就相當于在標準大氣中10000ft以上的高空運行。

(2) 冰

雪和冰不僅會黏附在轉軸和機身部件上，還可能在這些部件上凍結成形，從而增加重量并改變機翼的形狀。結冰條件不僅僅是寒冷的氣候環(huán)境現(xiàn)象，在偶然出現(xiàn)的天氣條件下，某些高度也會發(fā)生這種狀況。雖然無人駕駛載人飛行器不太可能在較高的海拔高度運營，但電力推進提供了獨特的運行安全優(yōu)勢，可在短時間段內(nèi)產(chǎn)生很高的功率，直到電動機達到熱極限(通常需要運行30s到120s) 。這種能力可在緊急情況下用于短時間的功率突發(fā)，或者用于短期高速攀升，在冰凝結前快速穿過結冰層海拔高度。

(3) 可見度

即使采用傳統(tǒng)的儀表飛行操作，在飛行的最后幾秒也必須讓飛行員能夠查看著陸環(huán)境。機場“低于最低條件”意味著在最近的安全進近點，不具備這種查看著陸環(huán)境的條件。無人駕駛載人飛行器在進近時可以用比常規(guī)飛機慢得多的速度飛行，因此要求較低可見度，但在它們完全自動飛行前，仍然需要具備目視條件。

未來，我們可以利用已經(jīng)研發(fā)成功并部署在商務級噴氣飛機上的紅外光譜透視霧氣的視覺系統(tǒng)輔助飛行。這些類型的系統(tǒng)增強了低能見度條件下的運營能力。無人駕駛載人飛行器還可以利用激光雷達和激光掃描系統(tǒng)，規(guī)避其他飛機/障礙物，看清到達著陸點的路徑。我們完全有理由相信，隨著高性能合成視覺系統(tǒng)的快速發(fā)展，在較低可見度條件下的運營必將實現(xiàn)。

(4) 陣風

對于無人駕駛載人飛行器而言，城市環(huán)境中的高層建筑物周圍的陣風具有很大的威脅性。無人駕駛載人飛行器需要遵守與人造物體的安全間距，美國聯(lián)邦航空局要求所有固定翼飛機與建筑保持至少500ft的距離。無人駕駛載人飛行器的地圖系統(tǒng)中需要內(nèi)置此類緩沖器，確保它們可以避開這些安全區(qū)，特別是在不斷變化的城市環(huán)境中。在結冰問題中提到的短時間可用額外功率適用于這種情況，因為增加的控制力可用于抵消陣風條件的影響。相互連接的無人駕駛載人飛行器網(wǎng)絡可監(jiān)視和共享所經(jīng)歷的大氣條件。這種網(wǎng)絡可實現(xiàn)陣風位置的實時和歷史映射，啟用動態(tài)的路徑選擇和抵達程序，最大限度降低遭遇陣風的幾率。這種高度分散的天氣采樣類型還能提高當?shù)靥鞖忸A報的準確性。目前，航空天氣信息平臺還能利用其他機隊天氣數(shù)據(jù)提供局部地點的準確天氣狀況，讓飛行員在非最佳天氣條件下更自信地執(zhí)行短途飛行。

安檢

將安檢無縫融入到無人駕駛載人飛行器使得運營更加順利?；趹贸绦虻倪\營商具有獨特的優(yōu)勢，可利用技術來集成和最大限度地減少任何安全要求帶來的不便，同時減少乘客在乘坐飛機時所經(jīng)歷的耗時步驟。例如，優(yōu)步在匹茲堡的自動駕駛汽車后座設有平板電腦，將來它可用于驗證乘客身份，車內(nèi)不需要任何人為監(jiān)督。

此外，驗證乘客身份和相關偏好所需的數(shù)據(jù)可能會繼續(xù)作為拼機服務商移動應用程序的一部分；因此，運營商可以開發(fā)類似于美國聯(lián)邦航空局運輸安全局預檢查的系統(tǒng)，在通過機器學習和其他輸入數(shù)據(jù)確定乘客為低風險乘客時，簡化安檢程序，讓乘客快速通過機場安檢。無人駕駛載人飛行運營不要求像乘客乘坐商業(yè)航空公司航班那樣的安檢水平，但運營商要在飛行前提供技術支持的安檢與合理的地面安全參數(shù)的理想組合方式，為乘客打造安全無憂、愉快的旅程。

圖7 將安檢融入到無人駕駛載人飛行器登機流程中

圖8 噪聲和隱私是大眾比較關注的問題

采納公眾意見

運營商、城市和政府、監(jiān)管機構和社區(qū)將仔細考慮無人駕駛載人飛行及其垂直起降場站對當?shù)厣鐓^(qū)的影響。無人機技術的出現(xiàn)及其日益廣泛的使用已經(jīng)帶來了一些問題，這將對無人駕駛載人飛行在城市環(huán)境的發(fā)展起到指導作用。對于確定會影響飛行器和基礎設施設計與運營的問題，當?shù)厣鐓^(qū)將給予有價值的反饋。運營商就無人駕駛載人飛行問題與潛在用戶和當?shù)厣鐓^(qū)開展對話，能讓運營商、監(jiān)管機構、制造商和社區(qū)與潛在用戶和當?shù)厣鐓^(qū)分享這種潛在的變革性交通解決方案的發(fā)展。相反，如果運營商、政府機構、飛機設計者、監(jiān)管機構和其他利益相關者從這場探索中一開始就沒有與正在從這種新型飛機中受益并為其做出貢獻的人群進行有效接觸，就會錯過一個重大機會。如果用戶和當?shù)厣鐓^(qū)沒有看到載人飛行在改善他們生活方面的潛在應用價值，那么他們對載人飛行運營的支持將有限。社區(qū)甚至可以采取各種各樣的手段延遲、限制甚至禁止運營活動。

安全

雖然安全不僅是政府機構關注的問題，而且也是社區(qū)擔憂的問題。運營商需要采用無人駕駛飛行器設計中固有的保障措施來建立所需的信任水平。當?shù)厣鐓^(qū)也會關注這些飛行器的安全性，以及它們易受劫持和黑客攻擊的弱點。政府機構必須密切參與所有載人飛行服務的運營環(huán)節(jié)，但當?shù)厣鐓^(qū)也要全面了解已經(jīng)實施的安全保障措施。雖然最初并非全自主飛行，但無人駕駛飛行器本身是由軌跡控制而不是由狀態(tài)控制的，這意味著如果需要，可以遠程修改飛行路徑。通過適當?shù)木W(wǎng)絡安全保障措施，可以在緊急情況下提供由遠程飛行員接管機載飛行員的功能。運營商會了解到，垂直起降場和垂直起降站將成為城市景觀的新特征或更顯著的特征。確保這些站點的安全和安保以實現(xiàn)運營目的和無縫低調地融入城市結構，這無疑將是當?shù)厣鐓^(qū)、地方執(zhí)法機構、國家安全機構和網(wǎng)絡運營商共同努力的結果。

噪聲

載人飛行給社區(qū)帶來的主要問題之一就是噪聲。在機場周圍建造新的垂直起降場/垂直起降站或改變飛行模式是可以理解的，也是重要的問題。運營商必須評估為了享受到載人飛行帶來的好處，社區(qū)可以接受什么樣的噪聲水平，無論是來自載人飛行運營還是與之相關的垂直起降場周邊交通流量增加。每個社區(qū)都有一個獨特的聲音場景，因此在提供無人駕駛載人飛行服務的同時不會帶來明顯的聲音影響十分重要。這需要在飛機設計、著陸點和路線規(guī)劃之間進行規(guī)劃和密切協(xié)調，并動態(tài)調度每次飛行?；A設施選址和載人飛行運營模式規(guī)劃將依靠實際聲音監(jiān)測，并確保飛行模式能夠在不超過終點和飛行航線的目標噪聲水平的情況下完成。通過實時測量生理音量和擾人時段，動態(tài)操作規(guī)劃可制定相應的社區(qū)噪聲標準。憑借動態(tài)噪聲測量和操作規(guī)劃，運營商可以在距離相等的前提下將交通量引導到噪聲較高的備用起降場(最近的航班較少或背景噪聲水平較高) 而不是較安靜的位置。

隱私

在美國，社區(qū)已對無人機帶來的隱私問題采取行動。迫于民眾壓力，各州的立法機構頒布了新的法律。由于無人駕駛飛行器大部分時間都處在高空，涉及隱私問題的主要是垂直起降的過程。運營商需要動態(tài)、精確地將每個航班路線規(guī)劃在較不敏感的區(qū)域，確保離私人領地之上始終留有適當?shù)木嚯x。在美國，在飛越人口密集地區(qū)時，固定翼飛機的飛行高度為最高的障礙物上方1000ft到2000ft之間。在人口較少的地區(qū)，高度限制為500ft。