曲小波：低空立體交通是城市交通的未來(lái)

文/娟子

編者按：

5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等創(chuàng)新科技走向成熟，使得智能化浪潮愈發(fā)洶涌。交通是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的血脈，在可持續(xù)發(fā)展和“雙碳”戰(zhàn)略的前提下，新時(shí)代智慧城市建設(shè)對(duì)交通發(fā)展提出了新要求，而隨著互聯(lián)網(wǎng)與交通融合步伐的提速，智能交通亦成為智慧城市建設(shè)需要突破的重要領(lǐng)域。

2022年11月初，清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院講席教授、歐洲科學(xué)院院士曲小波在第六屆“一帶一路”青少年創(chuàng)客營(yíng)與教師研討活動(dòng)可持續(xù)交通主題活動(dòng)的科學(xué)家系列講座上做了《下一代城市交通系統(tǒng)》為題的分享，為未來(lái)城市交通系統(tǒng)描繪藍(lán)圖。

當(dāng)下，全球城市化進(jìn)程正不可阻擋地向前推進(jìn)。一份來(lái)自聯(lián)合國(guó)人居署（un-habitat）的《2022年世界城市報(bào)告：展望城市未來(lái)》報(bào)告指出，未來(lái)30年，世界城市化步伐將繼續(xù)加快——預(yù)計(jì)到2050年，世界城市化率將從2021年的56%提高到68%。城市化的快速發(fā)展帶動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的同時(shí)，也引發(fā)諸多城市社會(huì)問(wèn)題，尤其是交通擁堵、空氣污染等，使得居民的通勤時(shí)間不斷延長(zhǎng)。

“造成這一現(xiàn)象的原因在于現(xiàn)有交通系統(tǒng)僅停留在二維階段，交通設(shè)施不能無(wú)限增長(zhǎng)，難以從根本上解決城市的交通擁堵問(wèn)題。怎么辦？向空中要答案！”曲小波提到。

在這場(chǎng)微型科普講座上，曲小波分享了交通及運(yùn)載領(lǐng)域最新的變革與發(fā)展趨勢(shì)，他以自己團(tuán)隊(duì)在過(guò)去幾年所承擔(dān)的科研項(xiàng)目及成果為例，分享了新型運(yùn)載模式、智能車輛如何賦能智慧城市建設(shè)，提出了模塊化車輛單元、新式公交系統(tǒng)、陸空協(xié)同客貨運(yùn)輸系統(tǒng)等未來(lái)出行方式，并進(jìn)行了概念展示。

智能運(yùn)載工具對(duì)下一代交通系統(tǒng)的影響

在曲小波看來(lái)，當(dāng)前城市公共交通系統(tǒng)有三個(gè)痛點(diǎn)：一是站站需要?？?，二是換乘不夠方便，三是容量的固定不變。

“目前我正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一種新型運(yùn)載工具——模塊化車，這種模塊化車可以使車輛單元和車輛單元之間在行進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行連接和分離?！鼻〔ń榻B說(shuō)，“利用這種模塊化車可以將下車乘客換乘到最后一節(jié)車廂，在行進(jìn)中把車廂甩掉用于上下乘客，這樣既能不影響其他乘客的出行時(shí)間，也能有效解決傳統(tǒng)公交車站站都停的問(wèn)題?！?/p>

據(jù)了解，有別于傳統(tǒng)城市公交系統(tǒng)以公交線路為設(shè)計(jì)單元，固定線路、固定車型、固定間隔的規(guī)劃，各模塊化車之間可以相互聯(lián)通，乘客可以根據(jù)換乘需要在各模塊單元之間移動(dòng)，通過(guò)模塊車之間重新相互分離、重組，無(wú)需下車即可實(shí)現(xiàn)不同線路間的換乘，減少換乘時(shí)間，提高換乘效率。同時(shí)，各模塊單元還能夠進(jìn)行重組或拆分，由此改變車輛容量，以應(yīng)對(duì)交通需求的變化。

曲小波表示，該模塊化車還可應(yīng)用于陸空協(xié)同客貨運(yùn)輸系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了在行進(jìn)中無(wú)人機(jī)降落到模塊化車輛車頂?shù)乃惴?，并探索了無(wú)人機(jī)與公共交通車輛協(xié)同的貨物配送模式，通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果顯示：該模式之下可節(jié)省80%的時(shí)間，在成本基本不變的情況下，能量消耗減少；在城市物流運(yùn)輸領(lǐng)域，對(duì)于小包裹而言，傳統(tǒng)配送模式或?qū)⒈蝗〈瑥亩蟠蠼档同F(xiàn)有交通量，進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)輸成本和效率。

圖片來(lái)源：清華大學(xué)智能交通實(shí)驗(yàn)室（ETS）

圖片來(lái)源：清華大學(xué)智能交通實(shí)驗(yàn)室（ETS）

低空立體交通是未來(lái)的必然趨勢(shì)

從低空協(xié)同物流無(wú)人機(jī)，到商業(yè)化運(yùn)行的垂直起降飛行器，再到陸空兩棲飛行器，曲小波認(rèn)為，未來(lái)城市交通向三維立體發(fā)展是大勢(shì)所趨。所謂“三維立體”指的就是低空立體交通，“它將補(bǔ)充地面交通的短板，有效分擔(dān)地面交通需求，從根本上解決交通擁堵問(wèn)題，因此也是未來(lái)的必然趨勢(shì)”。

據(jù)介紹，低空立體交通系統(tǒng)主要包括城市空中交通、無(wú)人機(jī)物流等；與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，其載具的飛行高度主要在1 公里以下，可以根據(jù)城市地形及建筑物高度進(jìn)行調(diào)整。從發(fā)展階段看，低空立體交通系統(tǒng)需經(jīng)歷無(wú)人機(jī)物流、有人駕駛飛行汽車、無(wú)人駕駛飛行汽車三個(gè)階段。

然而，相較于傳統(tǒng)地面交通系統(tǒng)，由于低空立體交通系統(tǒng)面向三維空間，其復(fù)雜性與不確定性更高，曲小波以飛行汽車垂直起降停機(jī)坪的選址為例進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述。

圖片來(lái)源：清華大學(xué)智能交通實(shí)驗(yàn)室（ETS）

“飛行汽車垂直起降停機(jī)坪的選址問(wèn)題遠(yuǎn)比其他交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施選址問(wèn)題復(fù)雜，主要原因在于，城市空中交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)運(yùn)作將充滿大量的動(dòng)態(tài)性、不確定性以及隨機(jī)性，如飛行汽車性能的動(dòng)態(tài)性、空中通行能力的不確定性以及出行需求的隨機(jī)性。因此，在戰(zhàn)略層面進(jìn)行垂直起降停機(jī)坪選址優(yōu)化時(shí)，需充分考慮選址決策與城市空中交通系統(tǒng)運(yùn)作方式、通行能力以及出行需求之間的相關(guān)性，構(gòu)建整合優(yōu)化模型。在整合優(yōu)化模型中，選址問(wèn)題為核心決策，但同時(shí)需要運(yùn)營(yíng)運(yùn)作模型以及出行需求模型為選址決策提供反饋，以引導(dǎo)整合優(yōu)化模型構(gòu)建高效的、便捷的飛行汽車垂直起降停機(jī)坪網(wǎng)絡(luò)。”

因此，未來(lái)低空立體交通的發(fā)展需要提前在戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)和運(yùn)作三個(gè)層面做好準(zhǔn)備，以解決航道設(shè)計(jì)、交通流量管理、路徑規(guī)劃、沖突規(guī)避、空中飛行隔離、起降控制、地面交通協(xié)同等問(wèn)題。