曹春泉

中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司

0 引 言

隨著中國(guó)城市化的進(jìn)展和經(jīng)濟(jì)水平的提高，現(xiàn)有的城市交通運(yùn)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(jí)城市經(jīng)濟(jì)效率的提升，造成了經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染[1～3]。

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

為了緩解城市交通擁堵，各級(jí)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(wèn)題不是簡(jiǎn)單的擴(kuò)大道路設(shè)施供給所能解決的”[5]。各學(xué)科領(lǐng)域的專(zhuān)家以及新興的企業(yè)參考發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，提出了更多可能的解決方案，比如推動(dòng)公交體系建設(shè)[6]、征收擁堵費(fèi)[7]、錯(cuò)峰出行、限制車(chē)輛牌照、發(fā)展軌道交通、共享汽車(chē)[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(guān)注和資本投入。據(jù)《飛行汽車(chē)的研究發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)》統(tǒng)計(jì)，全球有兩百多家科技創(chuàng)新公司在研發(fā)城市空中運(yùn)輸載具——飛行汽車(chē)和垂直起降飛行器（Vertical take-off and landing aircraft，VTOL）。

有關(guān)飛行汽車(chē)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(wèn)題等，很多文獻(xiàn)進(jìn)行了不同程度的闡述[13～16]。近年，國(guó)內(nèi)有兩家企業(yè)分別在飛行汽車(chē)和垂直起降飛行器的產(chǎn)業(yè)化方面取得了較大的進(jìn)展。一是吉利汽車(chē)公司下屬的太力飛車(chē)有限公司，正在推動(dòng)太力飛車(chē)TF-2的產(chǎn)業(yè)化（見(jiàn)圖1）；另一是廣州億航智能技術(shù)有限公司，正在推動(dòng)多旋翼垂直起降飛行器Ehang216（見(jiàn)圖2）在國(guó)內(nèi)外開(kāi)展飛行試驗(yàn)和適航取證工作。

圖1 太力飛車(chē)TF-2 （來(lái)源https://mp.weixin.qq.com）

圖2 億航216（ 來(lái)源https://www.ehang.com）

已有的大部分文獻(xiàn)資料，重點(diǎn)關(guān)注交通擁堵的原因、可能的解決途徑、城市空中運(yùn)輸載具（后文簡(jiǎn)稱(chēng)：載具）的發(fā)展?fàn)顟B(tài)和設(shè)計(jì)方案以及對(duì)公眾的影響，很少?gòu)恼w出發(fā)探討民眾和政府對(duì)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(lái)的額外影響。本文從我國(guó)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(yùn)體系設(shè)計(jì)構(gòu)想，并簡(jiǎn)單評(píng)估現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)的可行性。

1 城市空中客運(yùn)體系的需求分析與設(shè)想的架構(gòu)

1.1 需求分析

從我國(guó)的實(shí)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(huì)非常多。為了降低載具對(duì)地面建筑物、行人的安全影響，降低對(duì)乘員的技術(shù)要求，降低空域的管理難度，以及從居民的隱私保護(hù)考慮，載具必須進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管，城市空中客運(yùn)體系必然歸屬于公共交通。從降低社會(huì)總成本考慮，城市空中客運(yùn)體系應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)目標(biāo)：

① 在現(xiàn)有的道路寬度限制下，提高交通工具的運(yùn)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(duì)載具進(jìn)行統(tǒng)一管理和飛行控制。

1.2 城市空中客運(yùn)體系

基于上述需求，提出有以下組成部分的城市空中客運(yùn)體系：

① 運(yùn)輸載具，運(yùn)營(yíng)在整個(gè)體系中的交通設(shè)備，用于在飛行管理中心的統(tǒng)一控制下將居民運(yùn)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(shè)備對(duì)載具進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)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(diǎn)狀分布在城市不同干道上，用于對(duì)載具進(jìn)行存放、能源補(bǔ)充、維護(hù)以及居民的換乘。

④ ?？空荆O(shè)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(xué)校等，以更密集的點(diǎn)分布在城市各通行區(qū)域，在經(jīng)濟(jì)可行范圍內(nèi)為居民提供服務(wù)。

⑤ 信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置在載具運(yùn)行路徑上，用于在城市復(fù)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(yùn)體系的日常運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景如下：

① 乘客在樞紐站或停靠站，通過(guò)智能終端（比如手機(jī)）發(fā)出搭乘需求，并注明成員數(shù)量、行李預(yù)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(kāi)展路徑規(guī)劃、評(píng)估所需的載具類(lèi)型，并調(diào)配載具。

③ 乘客進(jìn)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(yùn)行。飛行管理中心將監(jiān)控和控制整個(gè)城市上空的載具，統(tǒng)一調(diào)配載具的運(yùn)行路線和運(yùn)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(guò)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。

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

⑥ 若在運(yùn)行過(guò)程中，載具通過(guò)自檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其存在設(shè)備故障，安全余度不足時(shí)，飛行管理中心將控制載具就近停止在?？空?，并調(diào)配其他載具供乘客換乘，同時(shí)通知應(yīng)急處理中心進(jìn)行處理。

⑦ 當(dāng)載具的能源低于規(guī)定值時(shí)，應(yīng)在飛行管理中心的控制下返回就近的樞紐站，進(jìn)行能源的補(bǔ)充，并在能源補(bǔ)充過(guò)程中開(kāi)展深度的自檢測(cè)和必要的人工檢查。

⑧ 當(dāng)交通出行需求下降時(shí)，無(wú)運(yùn)輸任務(wù)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(shè)計(jì)要求

2.1 運(yùn)輸載具的設(shè)計(jì)要求

前文已論述，采用城市空中客運(yùn)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(yùn)輸載具不管是從實(shí)用性還是城市空間的現(xiàn)實(shí)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(yù)研型號(hào)的選擇，可以確定未來(lái)城市空中運(yùn)行的載具將是垂直起降型式（VTOL）。有關(guān)此類(lèi)載具的詳細(xì)描述可見(jiàn)張揚(yáng)軍等的《飛行汽車(chē)的研究發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)》。

設(shè)想中的運(yùn)輸載具是自動(dòng)駕駛的，具有最小組成及基本功能（見(jiàn)圖3）。

圖3 運(yùn)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(shù)特征：

① 航程——需要通過(guò)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(yùn)行高度——適應(yīng)城市的交通出行需要。

③ 載荷——采用多種配置構(gòu)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(cè)試性、維護(hù)性、保障性、經(jīng)濟(jì)性。

⑥ 抗側(cè)風(fēng)能力——在七級(jí)大風(fēng)下安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

⑦ 抗鳥(niǎo)撞能力——在撞擊到飛鳥(niǎo)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(shí)應(yīng)保證乘客的安全，不發(fā)生致命事故。

⑨ 應(yīng)急能源——在正常能源故障或耗盡后，應(yīng)能利用應(yīng)急能源使載具安全地飛行到最近的?？空?樞紐站。

⑩ 轉(zhuǎn)子包容——對(duì)于不同的主動(dòng)力系統(tǒng)，其要求有所不同。對(duì)于采用常規(guī)電動(dòng)機(jī)構(gòu)的載具，主要考慮槳葉整體飛出或者出現(xiàn)破損導(dǎo)致碎片飛出，對(duì)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(shè)計(jì)考慮。

? 電磁兼容（高強(qiáng)輻射場(chǎng)）——在城市電磁環(huán)境下，電氣電子設(shè)備安全、準(zhǔn)確的運(yùn)行。

? 閃電防護(hù)——載具在運(yùn)行中受到直接雷擊和雷電間接效應(yīng)時(shí)應(yīng)能安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

本文詳細(xì)的論述有關(guān)安全性目標(biāo)的要求。結(jié)合載具的目標(biāo)使用頻次和EASA提供的《Proposed Means of Compliance with the Special Condition VTOL》，載具應(yīng)具備的安全性設(shè)計(jì)要求如下：

① 發(fā)生災(zāi)難性事故（機(jī)毀人亡）的平均概率應(yīng)低于1×10-6/FH（FH——飛行小時(shí)）。

② 不會(huì)因?yàn)閱蝹€(gè)故障的發(fā)生導(dǎo)致災(zāi)難性事故。

根據(jù)航空史的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截止到2010年，全世界運(yùn)行的航班飛機(jī)平均每百萬(wàn)飛行小時(shí)發(fā)生一次災(zāi)難性事故[18]。按航班飛機(jī)的安全性設(shè)計(jì)要求分配假設(shè)，由設(shè)備本身故障導(dǎo)致的單個(gè)災(zāi)難性的失效狀態(tài)發(fā)生概率應(yīng)低于1×10-9/FH。目前這個(gè)要求用于航班飛機(jī)是商業(yè)可行的，即通過(guò)設(shè)備冗余、比較監(jiān)控、自檢測(cè)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(dǎo)致成本和設(shè)備重量的急劇增加?？紤]到載具已經(jīng)剔除了駕駛員的人為因素影響，通過(guò)簡(jiǎn)化設(shè)備和規(guī)范化的管理，實(shí)際發(fā)生災(zāi)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(guò)中國(guó)近十年內(nèi)運(yùn)營(yíng)航班飛機(jī)的災(zāi)難性事故率（4.9×10-8/FH）進(jìn)行驗(yàn)證[18]。

以北京為例，根據(jù)孟昌、龐燕嶺在《北京市出租車(chē)需求量測(cè)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(chē)，出租車(chē)司機(jī)的人均每天工作時(shí)間是14小時(shí)，有66%的載客率，運(yùn)送旅客3.94億人次[19]。若在北京市運(yùn)營(yíng)相同數(shù)量和時(shí)長(zhǎng)的載具來(lái)替代出租車(chē)，按每千萬(wàn)飛行小時(shí)發(fā)生一次的概率計(jì)算，每年發(fā)生的災(zāi)難性事故約23次；按每次搭乘兩名乘客計(jì)算，死亡率約為0.005 8每10萬(wàn)人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年遼寧省居民在搭乘公共汽車(chē)過(guò)程中發(fā)生交通事故的死亡率是0.01每10萬(wàn)人，搭乘小汽車(chē)發(fā)生交通事故的死亡率是0.04每10萬(wàn)人[20]?？梢园l(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)上述安全性指標(biāo)的載具是非常安全的。

2.2 飛行管理中心的設(shè)計(jì)要求

飛行管理中心用于對(duì)載具進(jìn)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(duì)載具進(jìn)行飛行指引和目標(biāo)分配。載具將是飛行管理中心下屬的子節(jié)點(diǎn)，所有的載具均在規(guī)劃的飛行路徑下運(yùn)行。在理想的情況下，載具將是交通路線圖上的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)，按飛行管理中心的的要求在指定時(shí)間到達(dá)指定位置。

飛行管理中心應(yīng)具備：① 強(qiáng)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(luò)。

2.3 交通樞紐站的設(shè)計(jì)要求

交通樞紐站是停放、存儲(chǔ)、維護(hù)載具，以及集散乘客的場(chǎng)所。交通樞紐站的設(shè)立和設(shè)計(jì)要求有：

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

② 交通樞紐站應(yīng)靠近大型的交通中心點(diǎn)，如地鐵換乘點(diǎn)、縣區(qū)級(jí)公交系統(tǒng)的集散點(diǎn)、機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳、火車(chē)站，便于實(shí)現(xiàn)不同交通工具的換乘要求。

③ 交通樞紐站還應(yīng)靠近商務(wù)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(yīng)能夠同時(shí)容納城市中所有的載具，以避免極端天氣，如臺(tái)風(fēng)的影響。

⑤ 交通樞紐站應(yīng)布置有維護(hù)人員，對(duì)載具進(jìn)行維護(hù)和補(bǔ)充能源，必要時(shí)可以進(jìn)行修理。

⑥ 交通樞紐站應(yīng)設(shè)計(jì)成多層或高層建筑，配置無(wú)線導(dǎo)引系統(tǒng)引導(dǎo)載具的進(jìn)站和出站。

2.4 停靠站的設(shè)計(jì)要求

?？空痉?wù)于在非交通樞紐點(diǎn)的上下乘客。作為公共交通，?？空镜奈恢迷诔鞘兄袘?yīng)是固定的，并不會(huì)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(huì)配置維護(hù)人員監(jiān)督候機(jī)乘客，為了保證公眾的安全，?？空緫?yīng)是半封閉的，僅能從空中進(jìn)出。乘客需要通過(guò)驗(yàn)證才能進(jìn)出地面圍欄上的出入口。

2.5 信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要求

信息傳輸網(wǎng)絡(luò)要考慮到高可靠性、高完整性和低延遲。

在單個(gè)信號(hào)站的信息覆蓋范圍內(nèi)，應(yīng)布置多個(gè)信號(hào)站。這些信號(hào)站間互為備份，同時(shí)向傳輸區(qū)域內(nèi)的載具發(fā)送相同的信號(hào)，也同時(shí)接收載具的反饋信號(hào)。單個(gè)載具將同時(shí)收到多個(gè)信號(hào)站的信號(hào)，在單個(gè)信號(hào)站故障時(shí)，可平滑地進(jìn)行信號(hào)切換。同一區(qū)域的信號(hào)站將布置在不同的地點(diǎn)，采用不同的電源并配置應(yīng)急電源，防止因?yàn)橄嗤耐獠坑绊懲瑫r(shí)失效。

信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的帶寬應(yīng)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(yīng)急管理體系的設(shè)計(jì)要求

應(yīng)急管理體系的設(shè)計(jì)要求就是要能夠及時(shí)響應(yīng)，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(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)取回載具，并將可能出現(xiàn)的傷者送往醫(yī)院。

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

3 可行性評(píng)估

考慮到目前科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展以及個(gè)人可獲得資料、信息的局限性，本文僅通過(guò)目前公開(kāi)發(fā)布的論文和新聞報(bào)道，定性地評(píng)估城市空中客運(yùn)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(guó)億航公司的億航216、日本電動(dòng)直升機(jī)公司SkyDrive的SD-03、空客公司的A3Vahana和City Air Bus均在開(kāi)展試飛工作。遠(yuǎn)程通信、編隊(duì)控制和路徑規(guī)劃也屬于成熟技術(shù)，在2018年中國(guó)電信公司就與華為開(kāi)展了基于5G網(wǎng)絡(luò)的無(wú)人機(jī)控制信號(hào)傳輸工作；億航公司組織過(guò)高達(dá)1 300余架無(wú)人機(jī)的編隊(duì)表演[21]。這些進(jìn)展表明，城市空中交通體系比以往更接近實(shí)際應(yīng)用。但是仍然存在實(shí)際應(yīng)用的兩個(gè)難點(diǎn)：

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(chē)單次服務(wù)的平均運(yùn)營(yíng)距離9.9公里[19]來(lái)考慮，現(xiàn)有的續(xù)航里程也是個(gè)問(wèn)題。

② 停放時(shí)的占地面積。標(biāo)準(zhǔn)的轎車(chē)停車(chē)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?jiàn)載具需要更大的停放空間。

4 結(jié) 語(yǔ)

從空域管理、公眾安全、低操作技巧等需求出發(fā)，設(shè)想的采用受統(tǒng)一管理的無(wú)人駕駛垂直起降飛行器的城市空中客運(yùn)體系將可以實(shí)現(xiàn)城市交通的立體化，提升城市效率。目前實(shí)現(xiàn)這一體系所需的飛行器設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程通信，自動(dòng)駕駛，路徑規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)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(shè)問(wèn)題，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，也許能夠看到這種城市空中客運(yùn)體系的成功應(yīng)用。