城市空中客運體系的設計構想

曹春泉

中航通飛華南飛機工業(yè)有限公司

0 引 言

隨著中國城市化的進展和經(jīng)濟水平的提高，現(xiàn)有的城市交通運輸體系與人民的出行需求之間出現(xiàn)了較大的缺口，交通擁堵阻礙了各級城市經(jīng)濟效率的提升，造成了經(jīng)濟損失和環(huán)境污染[1～3]。

根據(jù)各項資料的總結(jié)，導致城市交通擁堵的原因，主要是：①城市化導致人口的集中；② 經(jīng)濟水平的提高，導致車輛的增加；③人類商業(yè)活動時間的一致性，導致在某些固定的時間段出現(xiàn)群體性的相同需求；④ 舊城區(qū)的道路設施陳舊；⑤ 停車位不足，導致車輛占道。

為了緩解城市交通擁堵，各級政府在大力發(fā)展城市交通道路體系[4]。但就如郭繼孚所闡述的“解決交通擁堵的問題不是簡單的擴大道路設施供給所能解決的”[5]。各學科領域的專家以及新興的企業(yè)參考發(fā)達國家的發(fā)展經(jīng)驗，提出了更多可能的解決方案，比如推動公交體系建設[6]、征收擁堵費[7]、錯峰出行、限制車輛牌照、發(fā)展軌道交通、共享汽車[8]、發(fā)展城市空中交通[9～12]等等。在各種討論和嘗試中，發(fā)展城市空中交通，在全球獲得了較多的關注和資本投入。據(jù)《飛行汽車的研究發(fā)展與關鍵技術》統(tǒng)計，全球有兩百多家科技創(chuàng)新公司在研發(fā)城市空中運輸載具——飛行汽車和垂直起降飛行器（Vertical take-off and landing aircraft，VTOL）。

有關飛行汽車和垂直起降飛行器的發(fā)展歷史、發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展展望、存在的問題等，很多文獻進行了不同程度的闡述[13～16]。近年，國內(nèi)有兩家企業(yè)分別在飛行汽車和垂直起降飛行器的產(chǎn)業(yè)化方面取得了較大的進展。一是吉利汽車公司下屬的太力飛車有限公司，正在推動太力飛車TF-2的產(chǎn)業(yè)化（見圖1）；另一是廣州億航智能技術有限公司，正在推動多旋翼垂直起降飛行器Ehang216（見圖2）在國內(nèi)外開展飛行試驗和適航取證工作。

圖1 太力飛車TF-2 （來源https://mp.weixin.qq.com）

圖2 億航216（ 來源https://www.ehang.com）

已有的大部分文獻資料，重點關注交通擁堵的原因、可能的解決途徑、城市空中運輸載具（后文簡稱：載具）的發(fā)展狀態(tài)和設計方案以及對公眾的影響，很少從整體出發(fā)探討民眾和政府對城市空中交通的需求，以及為滿足這些需求，需要采取的措施以及帶來的額外影響。本文從我國大中型城市居民的交通出行需求出發(fā)，提出歸屬于公共交通的城市空中客運體系設計構想，并簡單評估現(xiàn)階段實現(xiàn)的可行性。

1 城市空中客運體系的需求分析與設想的架構

1.1 需求分析

從我國的實際出發(fā)，若采用城市空中交通，一定是為提高絕大多數(shù)居民的出行效率，所需的載具數(shù)量將會非常多。為了降低載具對地面建筑物、行人的安全影響，降低對乘員的技術要求，降低空域的管理難度，以及從居民的隱私保護考慮，載具必須進行統(tǒng)一監(jiān)管，城市空中客運體系必然歸屬于公共交通。從降低社會總成本考慮，城市空中客運體系應實現(xiàn)以下三個目標：

① 在現(xiàn)有的道路寬度限制下，提高交通工具的運行效率。

② 在現(xiàn)有的軌道交通覆蓋密度下，提高公共交通覆蓋的范圍。

③ 由飛行管理中心對載具進行統(tǒng)一管理和飛行控制。

1.2 城市空中客運體系

基于上述需求，提出有以下組成部分的城市空中客運體系：

① 運輸載具，運營在整個體系中的交通設備，用于在飛行管理中心的統(tǒng)一控制下將居民運送到規(guī)定的位置。

② 飛行管理中心，利用高安全性的控制管理設備對載具進行遠程控制，實現(xiàn)載具調(diào)配、健康管理、飛行控制、路徑規(guī)劃等工作。

③ 交通樞紐站，以點狀分布在城市不同干道上，用于對載具進行存放、能源補充、維護以及居民的換乘。

④ ?？空荆O置在非交通干道上，更加接近居民的生活工作區(qū)域，比如社區(qū)、學校等，以更密集的點分布在城市各通行區(qū)域，在經(jīng)濟可行范圍內(nèi)為居民提供服務。

⑤ 信息傳輸網(wǎng)絡，設置在載具運行路徑上，用于在城市復雜的電磁環(huán)境下有效的傳遞飛行管理中心與載具之間的信息。

上述城市空中客運體系的日常運營場景如下：

① 乘客在樞紐站或?？空?，通過智能終端（比如手機）發(fā)出搭乘需求，并注明成員數(shù)量、行李預估重量、目的地等搭乘信息。

② 飛行管理中心根據(jù)乘客提供的信息，開展路徑規(guī)劃、評估所需的載具類型，并調(diào)配載具。

③ 乘客進入載具后，載具在飛行管理中心的控制下按照規(guī)劃的路徑運行。飛行管理中心將監(jiān)控和控制整個城市上空的載具，統(tǒng)一調(diào)配載具的運行路線和運行速度，避免可能出現(xiàn)的碰撞和擁堵。

④ 飛行管理中心與載具之間的信息將通過信息傳輸網(wǎng)絡進行交互。

⑤ 乘客到達目的地后，旅程結(jié)束。該載具重新進入調(diào)配序列。

⑥ 若在運行過程中，載具通過自檢測發(fā)現(xiàn)其存在設備故障，安全余度不足時，飛行管理中心將控制載具就近停止在停靠站，并調(diào)配其他載具供乘客換乘，同時通知應急處理中心進行處理。

⑦ 當載具的能源低于規(guī)定值時，應在飛行管理中心的控制下返回就近的樞紐站，進行能源的補充，并在能源補充過程中開展深度的自檢測和必要的人工檢查。

⑧ 當交通出行需求下降時，無運輸任務的載具將停放在樞紐站，減少能源消耗。

2 體系中各組成部分的設計要求

2.1 運輸載具的設計要求

前文已論述，采用城市空中客運體系的目的是為了提高全民的出行效率，需要起降跑道的運輸載具不管是從實用性還是城市空間的現(xiàn)實考慮，都完全不可行。從歐洲航空安全局（EASA，European Union Aviation Safety Agency）頒布《Special Condition for small-category VTOL aircraft》的行為，以及觀察空客公司、波音公司、貝爾公司（Bell）和巴西航空工業(yè)公司（Embraer）在各自預研型號的選擇，可以確定未來城市空中運行的載具將是垂直起降型式（VTOL）。有關此類載具的詳細描述可見張揚軍等的《飛行汽車的研究發(fā)展與關鍵技術》。

設想中的運輸載具是自動駕駛的，具有最小組成及基本功能（見圖3）。

圖3 運輸載具的最小組成及基本功能

結(jié)合《Special Condition for smallcategory VTOL aircraft》[17]，提出載具的基本技術特征：

① 航程——需要通過大數(shù)據(jù)分析，確定適合大、中型城市的航程要求，在能源配置與航程需求方面做出優(yōu)化。

② 低速和低運行高度——適應城市的交通出行需要。

③ 載荷——采用多種配置構型，適用于不同的人群出行要求，如單人、多人等。

④ 排放——滿足城市環(huán)保排放要求。

⑤ 六性——安全性、可靠性、測試性、維護性、保障性、經(jīng)濟性。

⑥ 抗側(cè)風能力——在七級大風下安全、穩(wěn)定運行。

⑦ 抗鳥撞能力——在撞擊到飛鳥的情況下，保證乘客和載具的安全。

⑧ 墜撞安全——載具發(fā)生故障，在撞擊到地面時應保證乘客的安全，不發(fā)生致命事故。

⑨ 應急能源——在正常能源故障或耗盡后，應能利用應急能源使載具安全地飛行到最近的停靠站/樞紐站。

⑩ 轉(zhuǎn)子包容——對于不同的主動力系統(tǒng)，其要求有所不同。對于采用常規(guī)電動機構的載具，主要考慮槳葉整體飛出或者出現(xiàn)破損導致碎片飛出，對載具持續(xù)安全飛行和乘客安全的影響。

? 防火——載具使用的燃油或者電池的防火設計考慮。

? 電磁兼容（高強輻射場）——在城市電磁環(huán)境下，電氣電子設備安全、準確的運行。

? 閃電防護——載具在運行中受到直接雷擊和雷電間接效應時應能安全穩(wěn)定的運行。

本文詳細的論述有關安全性目標的要求。結(jié)合載具的目標使用頻次和EASA提供的《Proposed Means of Compliance with the Special Condition VTOL》，載具應具備的安全性設計要求如下：

① 發(fā)生災難性事故（機毀人亡）的平均概率應低于1×10-6/FH（FH——飛行小時）。

② 不會因為單個故障的發(fā)生導致災難性事故。

根據(jù)航空史的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截止到2010年，全世界運行的航班飛機平均每百萬飛行小時發(fā)生一次災難性事故[18]。按航班飛機的安全性設計要求分配假設，由設備本身故障導致的單個災難性的失效狀態(tài)發(fā)生概率應低于1×10-9/FH。目前這個要求用于航班飛機是商業(yè)可行的，即通過設備冗余、比較監(jiān)控、自檢測等手段能夠?qū)崿F(xiàn)且成本可接受；更高的安全性要求將導致成本和設備重量的急劇增加。考慮到載具已經(jīng)剔除了駕駛員的人為因素影響，通過簡化設備和規(guī)范化的管理，實際發(fā)生災難性事故的平均概率能降低到1×10-7/FH；該數(shù)據(jù)值可以通過中國近十年內(nèi)運營航班飛機的災難性事故率（4.9×10-8/FH）進行驗證[18]。

以北京為例，根據(jù)孟昌、龐燕嶺在《北京市出租車需求量測算與數(shù)量規(guī)制》中的描述，北京市在2017年有68 484輛出租車，出租車司機的人均每天工作時間是14小時，有66%的載客率，運送旅客3.94億人次[19]。若在北京市運營相同數(shù)量和時長的載具來替代出租車，按每千萬飛行小時發(fā)生一次的概率計算，每年發(fā)生的災難性事故約23次；按每次搭乘兩名乘客計算，死亡率約為0.005 8每10萬人。據(jù)統(tǒng)計，2012年遼寧省居民在搭乘公共汽車過程中發(fā)生交通事故的死亡率是0.01每10萬人，搭乘小汽車發(fā)生交通事故的死亡率是0.04每10萬人[20]?？梢园l(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)上述安全性指標的載具是非常安全的。

2.2 飛行管理中心的設計要求

飛行管理中心用于對載具進行統(tǒng)籌控制，根據(jù)居民的出行需求、載具的能源狀態(tài)和健康狀態(tài)、交通情況對載具進行飛行指引和目標分配。載具將是飛行管理中心下屬的子節(jié)點，所有的載具均在規(guī)劃的飛行路徑下運行。在理想的情況下，載具將是交通路線圖上的運動點，按飛行管理中心的的要求在指定時間到達指定位置。

飛行管理中心應具備：① 強大的數(shù)據(jù)處理能力；② 快速的解算頻率；③ 高余度的數(shù)據(jù)解算-監(jiān)控能力；④ 高帶寬的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。

2.3 交通樞紐站的設計要求

交通樞紐站是停放、存儲、維護載具，以及集散乘客的場所。交通樞紐站的設立和設計要求有：

① 不同的城市應根據(jù)城市的規(guī)模設置不同數(shù)量的樞紐站。

② 交通樞紐站應靠近大型的交通中心點，如地鐵換乘點、縣區(qū)級公交系統(tǒng)的集散點、機場候機大廳、火車站，便于實現(xiàn)不同交通工具的換乘要求。

③ 交通樞紐站還應靠近商務中心、工業(yè)區(qū)、大型社區(qū)，便于出行的選擇。

④ 交通樞紐站應能夠同時容納城市中所有的載具，以避免極端天氣，如臺風的影響。

⑤ 交通樞紐站應布置有維護人員，對載具進行維護和補充能源，必要時可以進行修理。

⑥ 交通樞紐站應設計成多層或高層建筑，配置無線導引系統(tǒng)引導載具的進站和出站。

2.4 ?？空镜脑O計要求

停靠站服務于在非交通樞紐點的上下乘客。作為公共交通，?？空镜奈恢迷诔鞘兄袘枪潭ǖ?，并不會根據(jù)乘客的需求在任意位置起飛和著陸?？紤]到停靠站不會配置維護人員監(jiān)督候機乘客，為了保證公眾的安全，?？空緫前敕忾]的，僅能從空中進出。乘客需要通過驗證才能進出地面圍欄上的出入口。

2.5 信息傳輸網(wǎng)絡的設計要求

信息傳輸網(wǎng)絡要考慮到高可靠性、高完整性和低延遲。

在單個信號站的信息覆蓋范圍內(nèi)，應布置多個信號站。這些信號站間互為備份，同時向傳輸區(qū)域內(nèi)的載具發(fā)送相同的信號，也同時接收載具的反饋信號。單個載具將同時收到多個信號站的信號，在單個信號站故障時，可平滑地進行信號切換。同一區(qū)域的信號站將布置在不同的地點，采用不同的電源并配置應急電源，防止因為相同的外部影響同時失效。

信息傳輸網(wǎng)絡的帶寬應足夠，保證飛行管理中心與載具間信息傳輸?shù)难舆t盡可能低。

2.6 應急管理體系的設計要求

應急管理體系的設計要求就是要能夠及時響應，能夠在載具的安全裕度降低或者已經(jīng)出現(xiàn)故障/事故的情況下，及時趕到現(xiàn)場取回載具，并將可能出現(xiàn)的傷者送往醫(yī)院。

應急管理體系可以根據(jù)城市的實際需要配置合適的運輸工具，比如更大的載具、卡車、直升機。

3 可行性評估

考慮到目前科學技術日新月異的發(fā)展以及個人可獲得資料、信息的局限性，本文僅通過目前公開發(fā)布的論文和新聞報道，定性地評估城市空中客運體系的可行性。

首先垂直起降飛行器的研發(fā)已經(jīng)日趨成熟，我國億航公司的億航216、日本電動直升機公司SkyDrive的SD-03、空客公司的A3Vahana和City Air Bus均在開展試飛工作。遠程通信、編隊控制和路徑規(guī)劃也屬于成熟技術，在2018年中國電信公司就與華為開展了基于5G網(wǎng)絡的無人機控制信號傳輸工作；億航公司組織過高達1 300余架無人機的編隊表演[21]。這些進展表明，城市空中交通體系比以往更接近實際應用。但是仍然存在實際應用的兩個難點：

① 續(xù)航里程。億航216的續(xù)航里程目前僅有35公里，A3Vahana也僅有100公里；即使按北京市出租車單次服務的平均運營距離9.9公里[19]來考慮，現(xiàn)有的續(xù)航里程也是個問題。

② 停放時的占地面積。標準的轎車停車位尺寸是2.5米×5.3米。億航216的尺寸是5.61米×5.61米；SD-03的尺寸是4米×4米?？梢娸d具需要更大的停放空間。

4 結(jié) 語

從空域管理、公眾安全、低操作技巧等需求出發(fā)，設想的采用受統(tǒng)一管理的無人駕駛垂直起降飛行器的城市空中客運體系將可以實現(xiàn)城市交通的立體化，提升城市效率。目前實現(xiàn)這一體系所需的飛行器設計，遠程通信，自動駕駛，路徑規(guī)劃等關鍵技術均已成熟。若能夠提升續(xù)航里程和解決交通樞紐站的建設問題，在不遠的未來，也許能夠看到這種城市空中客運體系的成功應用。