美國城市空中交通運行體系研究

近年來，隨著自動駕駛技術、電力推進技術以及寬帶通信技術的蓬勃發(fā)展，城市空中交通（UAM）引起了社會各界的廣泛關注。各種研究機構和組織紛紛對城市空中交通運行概念進行了大量的研究和探討，隨著城市化進程的不斷加快，有限的交通資源與不斷增長的交通需求之間的矛盾亟待解決，開發(fā)城市空中可用空間，發(fā)展垂直式立體交通，逐步構建融合空中交通的未來城市綜合交通系統是目前面臨的一項具有挑戰(zhàn)和機遇的新課題。

城市空中交通是解決城市交通擁堵問題最有力的方式之一，未來必定在社會各界的共同努力下迎來繁榮興盛的局面。目前，世界各國在城市空中交通領域的發(fā)展和研究均處于起步階段，城市空中交通作為一種新型交通模式，必將為未來的運行管理帶來挑戰(zhàn)。本文在梳理美國聯邦航空局（FAA）和國家航空航天局（NASA）有關城市空中交通運行相關資料的基礎上，總結研究分析美國城市空中交通運行體系，為我國推動城市空中交通運行提供參考借鑒。

UAM概念

城市空中交通是指在城市低空空域內主要利用垂直起降或短距起降航空器及相關系統設施實現載人載貨空中運輸的活動。城市空中交通的載運工具主要包括短距起降（STOL）航空器、垂直起降（VTOL）航空器和電推進垂直起降（eVTOL）航空器等。這些航空器的特點在于起降所需場地少，節(jié)省城市空間，且不易受城市復雜環(huán)境的影響，飛行沖突解脫自由度高，對自動駕駛技術更為友好，容易實現點到點的按需運行，此外，航空器可以為有人駕駛航空器和無人駕駛航空器，航空器的駕駛模式取決于相關技術的發(fā)展成熟度和城市空中交通系統的綜合要求。

美國城市空中交通進展

2014年，NASA首次提出了無人機交通管理（UTM）的概念，并對UTM運行概念進行了全面闡述。2016年，Uber發(fā)布了未來城市空中交通計劃白皮書，全面闡述了未來城市飛行汽車運營構想。2017年，NASA正式提出了城市空中交通（UAM）這一專業(yè)術語。2018年，NASA正式提出了空域融合概念，并將UAM發(fā)展分為了3個階段：（1）新興階段：沿固定航線進行低速度、低密度飛行；（2）發(fā)展階段：圍繞某一樞紐，實現小型立體網絡運行；（3）成熟階段：多樞紐、高速度、高密度運行。此外，美國MIT、UMich等也分別針對UAM的運行限制與發(fā)展途徑做出了進一步深入研究。2020年FAA正式發(fā)布UAM運行概念1.0，詳細論述了UAM運行相關方及職責、運行空域、運行場景、體系架構等內容。2022年，FAA通過工程簡報發(fā)布了臨時指導材料，用于指導電動垂直起降機場的設計和運行。2023年4月，FAA發(fā)布針對先進空中交通（AAM）運行的空域和程序變更的新版藍圖UAM運行概念（ 2.01_o

美國城市空中交通運行體系運行流程

（1）計劃階段

根據客戶的飛行請求，UAM運營人從UAM服務提供者獲取當前條件信息，包括空域、氣象、情報及其他數據，來制訂運行計劃。

UAM運營人將UAM運行意圖信息（如識別信息、機場位置、飛行路線、起降時間）提交給UAM服務提供者。UAM服務提供者收到UAM運行意圖信息后，首先會根據已知的信息對意圖信息進行評估，如果意圖信息滿足相關限制，并不會造成戰(zhàn)略沖突，UAM服務提供者會通知UAM運營人其運行意圖得到確認。如果不滿足相關限制，UAM服務提供者會通知UAM運營人調整其運行意圖。

（2）飛行階段

飛行階段UAM航空器駕駛員和運營人監(jiān)視航空器性能以識別非正常事件，UAM服務提供者監(jiān)視運行一致性。

① 起飛階段UAM航空器在起飛時隙內從UAM

8|無人機2025No.1/總第126期機場起飛并進入UAM空域。

② 航路階段

UAM航空器駕駛員根據確認的運行意圖在UAM空域內飛行，并基于機載探測與避讓功能，或UAM服務提供者的間隔服務保持與其他UAM航空器的間隔。

③ 到達階段

當UAM航空器抵達降落機場時，駕駛員、UAM運營人、服務提供者和UAM機場共同確認降落點可用，駕駛員將航空器降落在指定位置。

（3）事后分析

UAM運營人向UAM服務提供者報告任務完成情況，UAM服務提供者對所需的運行數據進行歸檔。

空域規(guī)劃

UAM運行空域與傳統高空管制空域不同，需要特別考慮由建筑物、地形等固定障礙物以及飛鳥、氣球、煙花等移動障礙物所產生的地理空間復雜性。合適的UAM空域結構將大大提升UAM運行的經濟性與安全性。目前UAM空域范圍與空域結構均沒有明確定義。在UAM發(fā)展初級階段，空域劃設范圍主要參考現有民航空域劃設標準。以美國為例，其對UAM、UTM、ATM運行空域進行了分類，UAM航空器主要運行在UAM走廊，該走廊為一個有相關性能要求的三維航路段空間；UTM航空器主要運行在約122m及以下空域；固定翼航空器和直升機可以全空域運行，如圖3所示。

（1）在UAM走廊空域內

① 所有航空器都在UAM特定的規(guī)則、程序和性能要求下運行；② 固定翼航空器和UTM航空器可穿越UAM走廊空域運行；③ 直升機和UAM航空器可穿越或在UAM走廊空域內運行。

（2）在UAM走廊空域外

在UAM走廊空域外，所有運行必須滿足相關ATM或者UTM的規(guī)則、程序和性能要求。

流量控制

傳統空中交通流量管理根據實施時間不同，可分為戰(zhàn)略管理、預戰(zhàn)術管理、戰(zhàn)術管理和事后分析4個階段，且以戰(zhàn)略和預戰(zhàn)術管理為主，而戰(zhàn)術流量管理為輔，主要采取的流量控制措施有地面等待策略、空中等待策略和改航策略等。然而，在城市空中交通運行中，UAM多為按需運行，其實時性、動態(tài)性較強，空域態(tài)勢較為復雜，可預測性相對較低，僅通過戰(zhàn)略和預戰(zhàn)術的流量控制策略，難以適應UAM的實時變化，無法解決UAM容流不平衡問題。因此，城市空中交通流量控制應當以戰(zhàn)術流量控制為主：將流量控制作用于航路網絡節(jié)點，實現類似于地面交通的信號控制，促使航空器實施改航、空中等待、地面等待等策略，以此來實現航路網絡交通流的自適應調控。

UAM交通服務提供者向UAM運行提供信息服務、間隔服務、航跡規(guī)劃服務和應急管理服務等交通服務，具體如下：

（1）在UAM相關參與方間提供通信橋梁，支持UAM相關方協同運行；（2）向UAM運營人提供信息服務，包括空域限制、起降點可用性、氣象條件等信息；（3）分析UAM運營人的意圖信息是否完整，是否滿足當前的相關限制，并從戰(zhàn)略上消除與其他UAM運營人、UAM空域容量、空域限制、起降點可用性等因素的沖突；（4）提供協同間隔管理服務，以及一致性監(jiān)視、咨詢服務等；（5）決定UAM空域適用狀態(tài)（激活、非激活）；（6）存儲、分析UAM運行數據。

運營人運行

運營人根據客戶需求提供按計劃或按需求的服務，運行過程需遵守相關法律法規(guī)及UAM運行規(guī)定。UAM運營人通過獲取當前限制條件及服務（環(huán)境、情景意識、戰(zhàn)略運行需求、UAM機場可用性及其他數據）來決定UAM運行意圖信息，即四維航跡信息，包括：起降點、航路、起降時間等內容。UAM意圖信息主要有以下功能：

（1）可有利于UAM服務提供者實現信息共享，以提升安全水平和情景意識；（2）可有利于UAM服務提供者加強戰(zhàn)略無沖突規(guī)劃；（3）可有利于UAM服務提供者識別和發(fā)布相關空域約束和限制；（4）可有利于UAM服務提供者提供間隔管理服務，以及一致性監(jiān)視、咨詢服務等。

起降場運行

UAM機場是一個滿足UAM航空器起降、乘客上下飛機，及為UAM飛機提供能源補充等服務的固定地點。機場管理人員負責機場日常運營，同時可向UAM運營者提供當前和未來資源可用性信息（例如：開放/關閉，停機坪可用性等），以支持UAM運營者規(guī)劃、UAM服務提供者戰(zhàn)略無沖突規(guī)劃等工作開展。

每個起降場需要在城市空中交通管理平臺中登記備案，從而使飛行器僅在已經登記批核并可以識別的起降場之間運行，確保運行的合法性。各個起降場的規(guī)模和重要性取決于該起降場的航線密度和客流量。起降場可以是單一的停機坪，也可以是配備多個停機坪、充電站、候機區(qū)和其他設施的樞紐。雖然目前城市空中交通路線僅采用點對點連接，但城市空中交通網絡的進一步擴張，

中國UAM發(fā)展建議

開展UAM相關研究

城市空中交通作為一種前所未有的新興交通模式，必然會帶來新需求、新問題和新挑戰(zhàn)，現階段需深入開展UAM相關理論研究。在技術層面，需重點研究城市空中交通特性、垂直起降航空器沖突智能感知避讓、自主飛行、機群路徑規(guī)劃和管理等相關基礎理論與關鍵技術。在運行層面，重點研究空域劃設、航路規(guī)劃、流量智能控制及與傳統空中交通管理的融合運行等問題。

規(guī)范相關標準體系

目前，城市空中交通在運行層面、技術層面和管理層面等方面的法律、標準、規(guī)范幾乎空白，亟須通過試點探索建立城市空中交通法律法規(guī)、行業(yè)標準、管理機制、運行規(guī)則等，逐步形成一套科學嚴謹、完整自洽的城市空中交通標準規(guī)范體系，例如各類航空器最小安全間隔標準和垂直起降機場最大運行容量規(guī)范等。

完善基礎設施建設

融合應用北斗、5G、物聯網、大數據、人工智能等新技術手段，推進UAM航空器、空地鏈路、垂直起降機場等基礎設施布局規(guī)劃建設，構建多方協同、空地一體、互聯互通的城市空中交通運行環(huán)境，研制國家信息管理系統、區(qū)域信息集成系統和城市空中交通管理系統三級城市空中交通管理平臺。

開展示范驗證活動

選擇空域條件良好、人口密度不大的中小城市或新城區(qū)，結合云大物智移等新一代ICT技術和基于航跡運行、全系統信息管理等行業(yè)新概念與新技術，按照由點及面、先行先試和逐步推廣的原則，開展城市空中交通示范性應用試驗，推動構建一個安全、高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展的城市空中交通體系，加快推進城市空中交通成為現實。

能夠為用戶提供更方便的乘機地點。