張洪海，鄒依原，張啟錢，劉皞

1.南京航空航天大學 民航學院，南京 210016 2.南京航空航天大學 理學院，南京 210016

1 城市空中交通發(fā)展概況

1.1 基本概念

城市交通是城市社會經(jīng)濟活動的重要支撐，是未來城市建設(shè)發(fā)展的關(guān)鍵所在。目前，人們提出了許多未來城市運行概念，但是，任何概念都離不開智能交通運輸系統(tǒng)[1]。城市空中交通(Urban Air Mobility, UAM)作為其中的重要一環(huán)，近些年來，在5G通信、自動駕駛與電力推進技術(shù)的推動下，引發(fā)了社會各界的廣泛關(guān)注。優(yōu)步(Uber)[2]、空客(Airbus)[3]、美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)[4]、麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)[5-7]、密歇根大學(University of Michigan, UMich)[8]、美國MITRE科技公司[9]、巴西航空工業(yè)公司(EmbraerX)[10]、中國億航智能[11]等相關(guān)研究組織與機構(gòu)分別對城市空中交通運行概念進行了不同程度的探討。NASA[4]指出城市空中交通作為按需交通(On-Demand Mobility)[12-13]的子集，是一種適用于載人航空器與無人航空器系統(tǒng)的新型交通運作模式。UMich[8]提出了未來城市空中交通的2種發(fā)展途徑：第1種是有人駕駛發(fā)展模式，通過拓展傳統(tǒng)空中交通管制(Air Traffic Control, ATC)職能[5]，探究駕駛員與管制員在新型城市空中交通運行模式下的相互關(guān)系，將現(xiàn)有空中交通管理(Air Traffic Management, ATM)概念推廣應(yīng)用到城市空中交通管理中，以此來推動城市空中交通的快速發(fā)展；第2種是無人駕駛發(fā)展模式，通過自動駕駛、自動控制等自動化、智能化技術(shù)的發(fā)展，在無人駕駛航空器系統(tǒng)(Unmanned Aircraft System, UAS)概念的基礎(chǔ)上，進一步提高城市空中交通系統(tǒng)保障能力，以確保城市空中交通載人載貨飛行的安全性與可靠性。

城市空中交通是指在城市低空空域內(nèi)主要利用垂直起降或短距起降航空器及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)施實現(xiàn)載人載貨空中運輸?shù)幕顒?。目前，城市空中交通空域范圍沒有明確定義。NASA[4]認為城市空中交通空域應(yīng)當主要包括E類與G類空域，視城市周邊機場規(guī)模，可能包含B類至D類空域。根據(jù)中國空域劃分特點，城市空中交通的活動范圍應(yīng)當主要集中于低空空域。低空空域一般是指真高1 000 m(含)以下的飛行區(qū)域，可分為管制空域、監(jiān)視空域、報告空域以及目視飛行航線。未來將實現(xiàn)真高3 000 m以下監(jiān)視空域和報告空域無縫銜接。城市空中交通的載運工具主要包括短距起降(Short Take Off and Landing, STOL)航空器[14-15]、垂直起降(Vertical Takeoff and Landing, VTOL)航空器[16]與電推進垂直起降(electric Vertical Takeoff and Landing, eVTOL)航空器[17]等。這些航空器的主要特點在于起降所需場地小，節(jié)省城市空間，且不易受城市復(fù)雜環(huán)境的影響，飛行沖突解脫自由度高，對自動駕駛技術(shù)更為友好，容易實現(xiàn)點到點的按需運行。城市空中交通具有立體、便捷、及時、高效等優(yōu)點，能有效緩解城市交通擁堵問題，可與地面道路交通、地下軌道交通形成互補和聯(lián)動，并將逐步發(fā)展成空地下三位一體的新型城市綜合交通體系。

1.2 市場需求

隨著城市化進程不斷加快，城市人口數(shù)量急劇增長，陸用空間日趨飽和，交通擁堵問題日益嚴重，有限的交通資源與不斷膨脹的交通需求之間矛盾激化，亟需開發(fā)城市空中可用空間，發(fā)展垂直式立體交通，逐步構(gòu)建以空中交通為基干的未來城市綜合交通系統(tǒng)。

2018年2月至4月，包豪斯航空[18]在德國慕尼黑對248名受訪者進行了城市交通出行偏好調(diào)查。結(jié)果表明，大眾對于城市空中交通出行方式表示普遍認可，其中，出行時間、出行成本以及交通安全性可能是決定城市空中交通能否運行的關(guān)鍵性因素?；始夷珷柋纠砉ご髮W(Royal Melbourne Institute of Technology, RMIT)[19]針對澳大利亞墨爾本地區(qū)進行了城市交通出行方式對比分析，研究表明，城市道路交通的擁堵現(xiàn)狀將使城市空中交通獲得巨大的潛在市場，城市空中交通在出行時間上具有顯著優(yōu)勢。據(jù)保時捷管理咨詢公司(Porsche Consulting)[20]預(yù)測，2035年將有2.3萬輛eVTOL航空器服務(wù)于價值740億美元的全球市場；據(jù)摩根士丹利(Morgan Stanley)[21]預(yù)測，2040年全球城市空中交通的產(chǎn)業(yè)規(guī)模可能達到1.5萬億美元。NASA在城市空中交通市場分析報告[22]中指出，空中公交車(Air Metro)市場運行預(yù)計將在2028年開始盈利，并且于2030年空中公交車旅客出行次數(shù)將達7.4億人次，而無人機物流市場將于2030年承擔5億單 “最后一公里” 配送運輸服務(wù)。

然而，盡管城市空中交通市場需求旺盛、應(yīng)用前景廣闊，城市空中交通生態(tài)體系在空域管理、適航條例、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及社會認知接受度等方面仍需進一步完善[23]。需采取有效的城市空中交通發(fā)展戰(zhàn)略，建立完善的城市空中交通管理體系，實現(xiàn)城市空中交通安全高效、自動智能、綠色環(huán)保的高質(zhì)量發(fā)展。

2 城市空中交通發(fā)展歷程

2.1 歷史沿革

城市空中交通的觀念由來已久，自1939年直升機問世以來，直升機的獨特優(yōu)勢不斷引發(fā)人們對于城市空中交通的思考。根據(jù)不同時期的研究熱點以及運行概念的不斷更迭，城市空中交通的發(fā)展歷史大致可分為以下3個階段：

第1階段:1947—1980年。1947年，洛杉磯航空公司首次進行有執(zhí)照的定期商用直升機飛行，主要用于郵件運輸。1951年，美國直升機航空公司開始提供首批貨運服務(wù)；1953年，開始提供首批客運與快遞服務(wù)[24]。1964年和1967年，美國航空[25]與美國西科斯基飛行器公司[26]分別提出了短距起降與垂直起降(S/VTOL)航空器在城市運營的初步構(gòu)想。1972年，NASA[27]分別從飛行器設(shè)計、噪音污染、通信導(dǎo)航、空中交通管制、機場運行模式等方面對城市空中交通系統(tǒng)進行了深入地探討。1973年，南加利福尼亞大學(University of Southern California, USC)出版了城市空中交通與城市規(guī)劃專著[28]，分別從形勢分析、法規(guī)政策、運行特點、環(huán)境影響等方面論述了城市空中交通發(fā)展的困難與可能性。1980年，休斯直升機公司[29]指出直升機運輸是滿足城市交通運輸需求的有力解決方式。總的來說，城市空中交通發(fā)展的第一階段主要源于直升機飛行服務(wù)的興起，在這一階段，城市空中交通運行概念初步形成。然而，由于直升機飛行事故頻發(fā)，最早進行直升機服務(wù)的洛杉磯航空公司與紐約航空公司分別于1971年[30]與1979年[4]停止運營，自此城市空中交通發(fā)展進入了低谷期。

第2階段:2003—2014年。2003年，伴隨著NASA個人飛行器(Personal Air Vehicle, PAV)概念的提出[31]以及按需運營(On-Demand)、門到門服務(wù)(Door-to-Door)空中交通運輸方式的興起[32]，城市空中交通再次進入研究人員的視野。2006年，英國蘭卡斯特大學(Lancaster University)[33]分析了當代人們對于門到門空中飛行的渴望與需求，研究了巴西圣保羅直升機旅行服務(wù)的興起過程，展望了城市直升機航空旅行的未來與前景。2009年，美國Terrafugiai公司推出的全球首輛飛行汽車“飛躍/變形者”(Transition)[34]成功試飛，并于2012年進行換代升級。總的來說，由于城市人口不斷增長，人們對于城市空中交通運輸需求不斷增加，并且隨著航空技術(shù)的發(fā)展，航空事故率相較于20世紀80年代以前已經(jīng)大幅度降低[35]。飛行汽車的概念，推動了汽車與航空器的融合，為城市空中交通運行帶來了新的可能。

第3階段:2014年至今。2014年，NASA首次提出了無人機交通管理(UAS Traffic Management, UTM)的概念[36]，并于2016年對UTM運行概念(Concept of Operations, ConOps)進行了全面的闡述[37]，這標志著無人機時代全面降臨。2016～2017年，南洋理工大學針對新加坡城市特點，也相應(yīng)提出面向城市環(huán)境的無人機交通管理(TM-UAS)運行概念[38-39]，促使小型無人機融入城市空中交通系統(tǒng)。與此同時，2016年，Uber發(fā)布了未來城市空中交通計劃白皮書[2]，全面闡述了未來城市飛行汽車運營構(gòu)想，引發(fā)了全球城市空中交通研究熱潮。2017年，NASA正式提出了Urban Air Mobility(UAM)這一專業(yè)術(shù)語[40]，自此關(guān)于城市空中交通的研究層出不窮。

2.2 發(fā)展現(xiàn)狀

近些年來，隨著自動駕駛、人工智能、5G通信等技術(shù)的興起，城市空中交通迎來了新一批的研究熱潮。目前世界各國對于城市空中交通的研究進度不一，主要集中于城市低空小型無人駕駛航空器系統(tǒng)(small UAS, sUAS)的交通管理(UTM[37]、U-space[41]等)以及基于空中出租車、空中公交車等載人eVTOL航空器的UAM運行概念等方面。本文主要從美國、歐洲、中國以及其他國家和地區(qū)這4個角度對世界各國的城市空中交通發(fā)展現(xiàn)狀進行梳理。

1)美國。2016年，NASA、美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration, FAA)以及美國工業(yè)界、學術(shù)界聯(lián)合研制了UTM運行概念框架[37,42]，論述了UAS從非管制空域運行到管制隔離空域運行再到管制空域混合運行的階段性發(fā)展過程，制定了UAS技術(shù)能力(Technical Capability Levels, TCL)發(fā)展的4個等級，以此來逐步實現(xiàn)從視距內(nèi)運行(Visual Line of Sight, VLOS)到超視距運行(Beyond VLOS, BVLOS)、從城郊人口稀疏區(qū)到城區(qū)人口稠密區(qū)、從人工手動控制到智能自動管理的轉(zhuǎn)變。目前，美國已經(jīng)完成了TCL2與TCL3飛行測試與論證[43-45]。隨之，美國Uber公司在NASA以及學術(shù)界的幫助下，發(fā)布了未來城市空中交通計劃白皮書[2]，結(jié)合VTOL航空器發(fā)展潮流，探究按需運行的城市空中交通運行模式，提出要建立像UTM一般的空中交通管理框架，實現(xiàn)城市空中交通與機場終端區(qū)的無縫銜接。2017年，NASA在此基礎(chǔ)上對按需運行的交通模式作出了更深入的探討[12,13]。2018年，NASA正式提出了UAM空域融合概念[4]，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(xiàn)小型立體網(wǎng)絡(luò)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[5-7]與發(fā)展途徑[8]作出了進一步深入研究。

2)歐洲。2017年，歐盟與歐控成立的歐洲單一天空計劃(Single European Sky ATM Research, SESAR)聯(lián)合企業(yè)發(fā)布了U-space設(shè)計藍圖[41]，旨在為歐洲未來無人機安全、高效、大規(guī)?；旌线\行提供一套新型智能服務(wù)程序。與美國UTM類似，U-space根據(jù)UAS自動化與連通等級的不同，將UAS服務(wù)發(fā)展分為了4個階段：基礎(chǔ)服務(wù)階段、初級服務(wù)階段、高級服務(wù)階段與全域服務(wù)階段。為了更好地推進U-space研究，同年9月，SESAR啟動了歐洲無人機交通管理系統(tǒng)運行概念(Concept of Operations for European UTM Systems, CORUS)項目，旨在面向包括機場附近超低空空域(Very Low Level, VLL)，提出一套完善的歐洲UTM運行概念體系，該項目于2019年8月底結(jié)束，并于同年9月發(fā)布了U-space運行概念研究報告最終版[46-47]。目前，U-space下已啟動了19個項目來進行UTM第2階段論證與第3、第4階段的研究與探索[48]。此外，空客也在2018年發(fā)布了天空藍圖[3]，從空域結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)架構(gòu)、規(guī)則標準、發(fā)展規(guī)劃4個角度對未來城市自主航空器運行提出了一定的設(shè)計構(gòu)想。

3)中國。中國目前正在逐步形成全國統(tǒng)一的民用無人駕駛航空器運行管理綜合平臺(Civil UAS Operation Management, UOM)[49]，2018年1月，國家空中交通管制委員會辦公室組織起草了《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例(征求意見稿)》，旨在規(guī)范無人機飛行活動，限制無人機活動范圍，明確無人機運行的法律責任，促進無人機產(chǎn)業(yè)安全健康發(fā)展。同年11月，中國民航局在深圳地區(qū)啟動了無人機飛行管理試點工作，正式上線了中國民航局無人駕駛航空器空中交通管理信息服務(wù)系統(tǒng)(Civil Aviation Administration of China UTM Information Service System, UTMISS)。通過UTMISS系統(tǒng)，可實現(xiàn)無人機限制區(qū)劃設(shè)，飛行計劃申請、信息數(shù)據(jù)共享等服務(wù)。2019年2月，民航局發(fā)布《特定類無人機試運行管理規(guī)程(暫行)》，使用無人系統(tǒng)規(guī)則制定聯(lián)合體(Joint Authorities for Rulemaking of Unmanned Systems, JARUS)推出的特定運行風險評估(SORA)方法[50]，實施無人機安全風險管理，鼓勵并有序推進典型運行情景下無人機的試點與示范運行。2020年1月，億航智能發(fā)布《未來交通：城市空中交通系統(tǒng)白皮書》[11]，從eVTOL飛行器設(shè)計、現(xiàn)實運行限制因素、未來應(yīng)用與發(fā)展前景等方面對城市空中交通運行概念進行了多方位的闡述，展現(xiàn)了城市空中交通巨大的市場潛力，提出了全自動無人駕駛飛行器(Autonomous Aerial Vehicle, AAV)的概念，著重強調(diào)全自動無人駕駛且應(yīng)用于載人載貨的飛行器設(shè)計理念。中國民用航空飛行學院的李誠龍等[51]提出了一種面向eVTOL航空器的城市空中交通運輸管理基本框架，綜述了空域規(guī)劃、地面基礎(chǔ)設(shè)施、交通運行控制3方面的研究現(xiàn)狀，初步探討了城市空中交通管理中的關(guān)鍵問題。本文結(jié)合自身研究基礎(chǔ)和初步成果，設(shè)計城市空中交通運行概念，構(gòu)建適合我國的未來城市空中交通管理體系架構(gòu)，圍繞空域規(guī)劃、流量控制、交通服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等四個核心內(nèi)容，深入論述城市空中交通管理的研究領(lǐng)域、面臨挑戰(zhàn)和發(fā)展建議。

4)其他國家及地區(qū)。除了美國、歐洲與中國之外，日本、新加坡等國家及地區(qū)也發(fā)展了相應(yīng)的城市空中交通系統(tǒng)。2016年4月，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省(Ministry of Economy, Trade and Industry, METI)發(fā)布了日本UAS運行四級發(fā)展規(guī)劃，力爭至2018年實現(xiàn)第3階段發(fā)展目標[52]。同年8月，日本無人機運行管理聯(lián)合體(Japan Unmanned System Traffic & Radio Management Consortium, JUTM)成立，并于2017年在福島進行UTM運行概念飛行試驗[53-54]。2018年12月，METI發(fā)布了日本未來空中交通變革路線圖，促進城市空中交通大規(guī)模商業(yè)化運營的逐步實現(xiàn)[55]。同樣地，新加坡民航局(Civil Aviation Authority of Singapore, CAAS)與南洋理工大學面向新加坡城市人口密度極高的獨特環(huán)境，聯(lián)合研制了面向城市的無人機交通管理系統(tǒng)(Traffic Management of UAS, TM-UAS)[38,39]。

3 城市空中交通管理體系框架

盡管中國在無人機交通管理方面有著較為豐碩的成果[56]，大疆無人機、億航全自動無人駕駛飛行器的研制方面也處于世界領(lǐng)先地位，然而中國對于城市空中交通管理的研究才剛剛起步，城市空中交通的管理模式也尚不明確。因此，本文將結(jié)合無人機交通管理(UTM)的前沿理念與傳統(tǒng)空中交通管理(ATM)的成熟經(jīng)驗，對中國城市空中交通管理體系框架進行初步的研究與探索。

3.1 運行概念設(shè)計

3.1.1 設(shè)計范圍

在進行城市空中交通(UAM)管理運行概念設(shè)計之前，首先需要明確UAM運行的范圍與狀態(tài)，設(shè)計規(guī)劃未來UAM發(fā)展的不同等級與階段。NASA[4]基于飛行密度與公眾接受度將UAM的發(fā)展分為了新興、發(fā)展與成熟3個階段，無人機交通管理(UTM)基于運行環(huán)境與自動化水平也被劃分為了4個技術(shù)能力等級[37]。雖然目前城市范圍內(nèi)無人駕駛航空器系統(tǒng)(UAS)、垂直起降航空器(VTOL)與傳統(tǒng)通用航空器的運行模式相互獨立發(fā)展，但是未來UAM所面臨的必然是這3種類型航空器高密度、大規(guī)?；旌巷w行。因此，本文參考NASA關(guān)于UAM與UTM的發(fā)展階段劃分方法，根據(jù)運行環(huán)境、自動化等級以及空域融合程度的不同，將UAM的發(fā)展劃分為興起、初級、高級、成熟4個階段。

1)UAM興起階段：在該階段，UAS與VTOL各自獨立運行，且均在機場管制空域以外的低空區(qū)域。根據(jù)無人機交通管理(UTM/UOM)的運行限制，UAS主要在120 m以下的城市低人口密度區(qū)進行視距內(nèi)(VLOS)運行，無人機的安全運行責任主要由地面飛手承擔；120～150 m為過渡緩沖地帶，VTOL應(yīng)當在150 m以上的低空空域運行，且與通用航空類似，VTOL的安全能力主要依靠航空器駕駛員提供。此時，UAM基本處于試運營階段，城市空中交通管理部門主要負責提供可用空域劃設(shè)、飛行計劃審批、空域動態(tài)監(jiān)視、靜態(tài)電子圍欄等服務(wù)。

2)UAM初級階段：在該階段，UAS與VTOL依然是各自獨立運行，但可在機場附近劃設(shè)隔離空域作為UAS活動區(qū)，且VTOL能夠進入機場管制空域并實現(xiàn)機場起降。隨著自動化技術(shù)的提升，UAS的飛行控制權(quán)逐漸移交到機載飛控系統(tǒng)，地面飛手主要起飛行監(jiān)視與應(yīng)急處理的作用，UAS可以進行低密度、低流量的超視距(BVLOS)運行。相應(yīng)地，VTOL開始具備巡航自動駕駛功能，且能夠在限定的中低人口密度區(qū)，實現(xiàn)低流量的點對點按需運行。此時，UAM處于運營初級階段，已初步形成UAM航路網(wǎng)絡(luò)干線結(jié)構(gòu)，如圖1所示。城市空中交通管理部門主要負責提供可用空域規(guī)劃、飛行計劃管理、空域?qū)崟r監(jiān)控、動態(tài)電子圍欄等服務(wù)。

圖1 城市空中交通發(fā)展初級階段概念圖

3)UAM高級階段：在該階段，UAS與VTOL開始逐步混合運行，VTOL運行空域與機場附近管制空域開始融合，滿足所需性能的VTOL在管制員許可下可以在管制空域與傳統(tǒng)飛機進行混合飛行。UAS的飛行高度將不再限制為120 m以下，VTOL也逐漸發(fā)展為全自動無人駕駛飛行器(AAV)，具備完全自主的無人駕駛飛行功能。地面飛手可以在系統(tǒng)輔助下進行一對多的BVLOS飛行，VTOL駕駛員將主要承擔飛行過程中應(yīng)急監(jiān)控的責任。此時，UAM處于運營高級階段，已形成UAS/VTOL相互融合的城市低空航路網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)中等密度、中等流量點對點按需運行。由于UAM運輸需求具有實時性，該階段UAM飛行計劃無需審批，僅需報備，皆由信息系統(tǒng)自動提交處理。飛行沖突主要依靠機載探測與防撞系統(tǒng)(Detect and Avoid, DAA)或駕駛員協(xié)商避讓解決。城市空中交通管理部門主要提供航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、終端或航路流量控制、防撞避險告警、事故應(yīng)急處置等服務(wù)。

4)UAM成熟階段：在該階段，城市低空空域與機場管制空域高度融合且無縫銜接，所有類型的UAM航空器均為全自動無人駕駛飛行器(AAV)。UAS與VTOL合并，形成垂直起降無人駕駛航空器系統(tǒng)(VTOL UAS)，為UAM提供載人載貨的運輸服務(wù)。此時，UAM處于高度智能自主的成熟階段，城市空域已形成高密度、高流量的精細柔性動態(tài)航路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。UAM的運行調(diào)度、優(yōu)化排序、航跡規(guī)劃等一系列最優(yōu)化問題均由城市空中交通管理系統(tǒng)統(tǒng)一處理。由于風切變、系統(tǒng)故障等不可控原因，UAM航空器發(fā)生飛行沖突，由DAA系統(tǒng)進行自主避讓調(diào)控。城市空中交通管理部門主要提供UAM系統(tǒng)監(jiān)控與事故應(yīng)急管理等服務(wù)。

3.1.2 設(shè)計內(nèi)容

根據(jù)上述UAM發(fā)展階段劃分，目前中國正處于UAM發(fā)展的興起階段。由于中國無人機交通管理平臺UOM建設(shè)起步較早，無人機設(shè)計、制造、適航、生產(chǎn)、運營、管理等已形成一條較為完整的無人機產(chǎn)業(yè)鏈，而電推進垂直起降航空器(eVTOL)還處于設(shè)計與試飛階段。然而，考慮到未來UAM運行管理需求以及UAS與VTOL混合運行趨勢，本文將主要針對UAM發(fā)展前3個階段(尤其是UAM高級階段)，從空域規(guī)劃、流量控制、交通服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)4個方面，設(shè)計城市空中交通管理運行概念。

1)空域規(guī)劃

空域規(guī)劃應(yīng)當是一種偏向戰(zhàn)略型的城市空中交通管理模式，但是有時也會根據(jù)實際運行需要，進行實時動態(tài)調(diào)整，通常涉及以下3個方面：

① 空域劃設(shè)：根據(jù)某種分類標準，規(guī)定不同類型空域的運行限制，從而劃設(shè)空域的時空范圍。比如根據(jù)是否可飛，可以將空域劃分為禁飛區(qū)、限飛區(qū)、適飛區(qū)等；根據(jù)飛行自由度，可以將空域劃分為自由空域、分層空域、扇形空域、管道空域等[57]。空域類型決定了空域的用途，在同一類型空域內(nèi)運行的航空器具有相似的特點，某一塊空域可能對應(yīng)多種空域類型。

② 航路網(wǎng)絡(luò)：由于城市低空時空環(huán)境復(fù)雜多變，在UAM中，航路應(yīng)當具有更加廣泛的含義。根據(jù)空域結(jié)構(gòu)的不同，(廣義)航路可相應(yīng)分為：自由航路、分層航路、扇形航路、管道航路等。已知某一空域的結(jié)構(gòu)與進出點對，即可確定該空域內(nèi)(廣義)航路的連通特征[58]。因此，航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃可定義如下：以某種特定的運行方式，通過相鄰空域進出節(jié)點，將不同類型或不同結(jié)構(gòu)的空域順次連通，在達到空域安全目標水平的同時，盡可能地提高空域運行效率，滿足用戶需求。航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃示意圖如圖2所示。

圖2 城市空中交通航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃示意圖[58]

③ 容量評估：UAM容量評估主要是評估航路網(wǎng)絡(luò)的通行能力。其中包括UAM計劃階段的半靜態(tài)容量評估與UAM運行階段的動態(tài)容量評估。一方面，容量評估為流量控制與交通服務(wù)奠定基礎(chǔ)；另一方面，它也反映航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是否合理，能否滿足實際飛行需求。

2)流量控制

流量控制應(yīng)當是一種戰(zhàn)術(shù)與實時并存型的城市空中交通管理模式。傳統(tǒng)空中交通流量管理根據(jù)實施時間不同，可分為先期流量管理、飛行前流量管理與實時流量管理，且以先期與飛行前流量管理為主，而實時流量管理為輔，主要采取的流量控制措施有地面等待策略、空中等待策略、改航策略等。然而，在城市空中交通發(fā)展高級階段，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(fù)雜，可預(yù)測性相對較低，僅通過先期或飛行前的流量控制策略，難以適應(yīng)UAM的實時變化，從而無法解決UAM容流不平衡問題。因此，城市空中交通流量控制應(yīng)當以實時流量控制為主：將流量控制作用于航路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，實現(xiàn)類似于地面交通的信號控制作用[59]，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(xiàn)航路網(wǎng)絡(luò)交通流的自適應(yīng)調(diào)控，其示意圖如圖3所示[59]。

圖3 城市空中交通流量控制示意圖[59]

3)交通服務(wù)

交通服務(wù)應(yīng)當主要包括交通信息服務(wù)、交通規(guī)劃服務(wù)、交通安全服務(wù)等。

① 交通信息服務(wù)是指向用戶提供航行情報等一切與UAM用戶飛行相關(guān)的信息或數(shù)據(jù)，可由用戶通過網(wǎng)絡(luò)進行查詢或由系統(tǒng)智能通告。

② 交通規(guī)劃服務(wù)主要是指航跡規(guī)劃：在已知起訖點的情況下，能夠通過既有航路網(wǎng)絡(luò)來提供一條時間最短或能耗最低的可行航線，以確保航空器能夠順利完成交通運輸任務(wù)。

③ 交通安全服務(wù)是交通服務(wù)的核心業(yè)務(wù)，主要包括安全間隔、防撞告警、風險預(yù)警、應(yīng)急處置等服務(wù)。其中，風險預(yù)警服務(wù)除了對非法侵入、系統(tǒng)失效、危險接近等風險進行預(yù)警之外，還包括對公共安全的風險預(yù)警，若航空器接近人口密集區(qū)且無法達到等效目標安全水平(Equivalent Level of Safety, ELOS)[60]，則系統(tǒng)自動啟動風險緊急預(yù)警。通過交通安全服務(wù)，可以確保城市空中交通安全有效運行。

4)基礎(chǔ)設(shè)施

基礎(chǔ)設(shè)施主要分為垂直起降機場(Vertiport)與通信導(dǎo)航監(jiān)視(Communication, Navigation, Surveillance, CNS)設(shè)施：

① 垂直起降機場布局應(yīng)當考慮UAM運輸需求，建立垂直起降場、垂直起降站、垂直起降點的三級協(xié)同布局運輸體系，科學配置公共運輸航空器數(shù)量、起降站與起降點布局以及三級場址之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，實現(xiàn)UAM高效運行。其中，垂直起降點可分為機動型與固定型，機動型主要分布在地面道路附近，可實現(xiàn)汽車到飛行汽車的靈活轉(zhuǎn)換[61]，示意圖如圖4所示；固定型可分布在樓頂、公園、社區(qū)等可用空間狹小的公共區(qū)域。

圖4 城市空中交通機動型垂直起降點示意圖[61]

② 通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施可在現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上進一步拓展。通信：充分利用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議技術(shù)標準IPv6(Internet Protocol version 6)以及 5G通信技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)空對空、空對地、地對地通信網(wǎng)絡(luò)的無縫銜接，從而提供端到端的通信服務(wù)[4]。導(dǎo)航：在傳統(tǒng)地基導(dǎo)航的基礎(chǔ)上，利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)，尤其是中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)，在北斗地基與星基增強系統(tǒng)的作用下，可為未來UAM大規(guī)模運行提供精準定位與導(dǎo)航。監(jiān)視：利用廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, ADS-B)等協(xié)作式監(jiān)視技術(shù)與高分辨率攝像機監(jiān)視系統(tǒng)、紅外探測系統(tǒng)等非協(xié)作式監(jiān)視技術(shù)，為UAM運行提供全方位精密監(jiān)視服務(wù)。此外，UAM航空器本身也可作為城市智能交通運輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，與地面通信導(dǎo)航監(jiān)視系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)同運作、信息共享，促進城市空間信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通[1,62-63]。

3.2 體系結(jié)構(gòu)框架

目前，中國城市空中交通的發(fā)展才剛剛起步，遠未形成一個完整的城市空中交通管理體系框架。因此，在UAM運行概念設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)中國空情特點與空管政策，參考國內(nèi)外無人機交通管理(UOM/UTM)體系的建設(shè)經(jīng)驗以及UAM的發(fā)展方向，提出了中國未來城市空中交通管理體系框架，該體系框架主要由城市空中交通管理平臺、城市空中交通信息網(wǎng)絡(luò)、城市空中交通運營商以及數(shù)據(jù)支持共享服務(wù)方等組成，體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中：城市空中交通管理平臺主要由各級管理部門組成，包括空管局、交通局、公安局等。城市空中交通信息網(wǎng)絡(luò)與國家空域信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對接，集成城市空中交通管理、運營與服務(wù)所需的空域信息。城市空中交通管理平臺通過城市空中交通信息網(wǎng)絡(luò)為各城市空中交通運營商提供流量控制、間隔保持、風險預(yù)警、航行情報等交通服務(wù)。城市空中交通運營商提供自身飛行計劃信息并接受城市空中交通管理平臺的各類服務(wù)。數(shù)據(jù)支持共享服務(wù)方利用5G網(wǎng)絡(luò)、北斗衛(wèi)星等通信、導(dǎo)航、監(jiān)視設(shè)施為城市空中交通管理方與運營方提供運行數(shù)據(jù)支持。

圖5 中國未來城市空中交通管理體系框架

1)城市空中交通管理平臺：城市空中交通管理平臺由國家信息管理系統(tǒng)、區(qū)域信息集成系統(tǒng)、城市空中交通管理系統(tǒng)共同組成，形成三級城市空中交通管理體系。

① 國家信息管理系統(tǒng)主要由民航局或空管局負責統(tǒng)籌建設(shè)，主要功能包括：收集全國UAM運行區(qū)域氣象情報、航空情報原始資料，制作并發(fā)布UAM航空情報產(chǎn)品；掌握全國UAM空域使用信息，匯總?cè)珖鳸AM飛行計劃及運行數(shù)據(jù)，不定期發(fā)布空域調(diào)整計劃。

② 區(qū)域信息集成系統(tǒng)主要由地區(qū)空管局負責統(tǒng)籌建設(shè)，其主要功能包括：收集并上報區(qū)域內(nèi)UAM航空情報原始資料、飛行計劃及運行數(shù)據(jù)等信息，向區(qū)域內(nèi)各類城市空中交通管理系統(tǒng)提供UAM航空情報產(chǎn)品，負責協(xié)調(diào)集成各類城市空中交通管理系統(tǒng)，著重協(xié)調(diào)管理城市交界處的交通服務(wù)或管制移交程序。

③ 城市空中交通管理系統(tǒng)主要由地區(qū)空管局協(xié)調(diào)、空管分局(站)與市交通局、公安局等共同建設(shè)。城市空中交通管理系統(tǒng)是城市空中交通管理體系的重要支撐，是面向UAM運營商與用戶的終端服務(wù)管理平臺。城市空中交通管理系統(tǒng)主要功能包括：向所在城市服務(wù)范圍內(nèi)各項飛行活動提供空域管理、流量控制、航行情報、安全間隔、防撞告警、風險預(yù)警、應(yīng)急處置等服務(wù)，向區(qū)域信息集成系統(tǒng)提供UAM飛行計劃及運行數(shù)據(jù)等信息。

2)城市空中交通信息網(wǎng)絡(luò)：城市空中交通信息網(wǎng)絡(luò)是一個由民航局統(tǒng)一構(gòu)建與管理的信息共享網(wǎng)絡(luò)平臺。城市空中交通管理平臺可通過該信息網(wǎng)絡(luò)直接與UAM運營商對接，發(fā)布交通管制指令，響應(yīng)用戶實時需求，收集動態(tài)運行數(shù)據(jù)，向運營商及用戶提供相關(guān)飛行服務(wù)。

3)城市空中交通運營商：城市空中交通運營商是實體單位，包括城市VTOL航空器制造商、城市空中公交車運營商、城市空中出租車運營商、城市VTOL機場運營商，以及城市空中物流運營商等。運營商之間進行內(nèi)部溝通與協(xié)作，以協(xié)同、重疊或耦合的方式，增強UAM整體運營服務(wù)能力，從而有助于城市空中交通安全、高效、有序運行。

4)數(shù)據(jù)支持共享服務(wù)方：用戶可通過城市空中交通運營商網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)支持共享服務(wù)方以獲取必要的或增強的數(shù)據(jù)服務(wù)，如地理信息、氣象信息、監(jiān)視信息、性能信息等。數(shù)據(jù)支持共享服務(wù)方還可以通過其他網(wǎng)絡(luò)(如公共或私有網(wǎng)絡(luò)站點)直接向用戶提供數(shù)據(jù)支持。

4 城市空中交通管理研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外關(guān)于城市空中交通管理的研究仍處于起步階段，相關(guān)新興概念與方法可歸納成空域規(guī)劃、流量控制、交通服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)4個方面，下面分別綜述其研究現(xiàn)狀，以期為中國城市空中交通發(fā)展提供參考和借鑒。

4.1 空域規(guī)劃

空域是一種重要的自然資源，是航空器運行的必不可少的環(huán)境空間。相較于傳統(tǒng)高空空域，城市空域資源更加有限，航空器運行更加密集。因此，如何合理地進行城市空域規(guī)劃配置以增大城市空域容量、有效利用空域資源是城市空中交通首要解決的問題。本節(jié)將從空域劃設(shè)、航路網(wǎng)絡(luò)與容量評估3個方面綜述當前關(guān)于城市空中交通空域規(guī)劃方面的研究。

4.1.1 空域劃設(shè)

目前UAM空域范圍與空域結(jié)構(gòu)均沒有明確定義。在UAM發(fā)展初級階段，空域劃設(shè)范圍主要參考現(xiàn)有民航空域劃設(shè)標準。正如1.1節(jié)中所述，中國UAM主要在低空空域運行。北京航空航天大學的全權(quán)等[56]在低空無人機交通管理的研究中提出將無人機的飛行高度限制由120 m拓展至300 m，根據(jù)機型與任務(wù)類型劃分無人機飛行高度層。這一空域范圍劃設(shè)思路也符合本文所設(shè)計的UAM高級階段的發(fā)展要求。

城市空域與傳統(tǒng)高空管制空域不同，必須考慮由建筑物、地形等固定障礙物以及飛鳥、氣球、煙花等移動障礙物所產(chǎn)生的地理空間復(fù)雜性[64]。合適的城市空域結(jié)構(gòu)將大大提升UAM運行的經(jīng)濟性與安全性。荷蘭代爾夫特理工大學(Delft University of Technology, TU Delft)與荷蘭國家航空航天實驗室(National Aerospace Laboratory, NLR)等研究機構(gòu)提出了自由空域(Full Mix)、分層空域(Layers)、扇形空域(Zones)、管道空域(Tubes)4種城市空域結(jié)構(gòu)概念如圖6所示[57,65-71]，分別研究了空域結(jié)構(gòu)對于城市空域安全[68,71]、容量[57,65,68-69]、噪聲[66]、復(fù)雜性[67]的影響，提出了有別于地理圍欄(Geofencing)、空域圍欄(Geocaging)的向量圍欄(Geovectoring)的概念[70]，通過限制航空器的相對飛行速度，以此來減少空域結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，從而提高城市空域容量與運行效率。TU Delft與NLR的諸多研究結(jié)果表明，分層空域在安全、效率、噪音等各方面表現(xiàn)皆為最優(yōu)，是目前最適合城市空域運行的概念結(jié)構(gòu)。

圖6 4種空域結(jié)構(gòu)設(shè)計概念[65]

NASA的Jang等[59]受到了地面道路交通的啟發(fā)，提出了3種應(yīng)用于高層建筑之間的多層通道型空域結(jié)構(gòu)設(shè)計概念：空中車道(Sky-lane)、空中管道(Sky-tube)和空中走廊(Sky-corridor)。其中，每種設(shè)計概念均有不同的飛行自由度，用以約束與限制航空器運行，且在通道交叉口設(shè)置“空中紅綠燈”進行城市空中交通流的引導(dǎo)與控制。隨之，NASA的Lowry[72]提出了螺旋式空中電梯(Elevators)的概念，通過減少航空器爬升與下降所占空域體積，來提升城市可用空域容量。韓國科學技術(shù)高級研究所(Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST)[73]提出了基于地形圖與骨架圖的城市空域幾何與拓撲特征提取方法，通過地形圖提供城市空域三維可用空間的數(shù)字度量，通過骨架圖挖掘城市空域各個組成部分的潛在連通性，從而更好地抽象與結(jié)構(gòu)化城市空域，提升空域的運作能力。

4.1.2 航路網(wǎng)絡(luò)

城市空中交通航路網(wǎng)絡(luò)主要由空中航路結(jié)構(gòu)與地面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成，其中地面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點代指垂直起降機場，而關(guān)于垂直起降機場布局規(guī)劃的研究將在4.4.1小節(jié)進行重點討論。本小節(jié)主要針對航路網(wǎng)絡(luò)的空中航路結(jié)構(gòu)，對現(xiàn)有研究進行梳理和總結(jié)。

目前關(guān)于城市交通航路網(wǎng)絡(luò)的研究尚不多見，2016年，加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo, UW)[58]針對航路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行了初步的定義與設(shè)計，提出了航路(Airways)、航路交叉口(Intersections)、航路節(jié)點(Nodes)、空域區(qū)域(Zones)、區(qū)域進出口(Inbound and Outbound Gates)等概念，將航路網(wǎng)絡(luò)拆分成若干通過進出口(Gates)相互連接的區(qū)域，通過航路與航路交叉口的有序交替序列實現(xiàn)地面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的連通。這種設(shè)計思路與本文3.1.2節(jié)中對航路網(wǎng)絡(luò)的定義類似，然而它僅僅將航路定義為一條具有寬度的空中通道，而沒有考慮航路的多樣化結(jié)構(gòu)。2017年，澳大利亞昆士蘭科技大學(Queensland University of Technology, QUT)[74]做出了世界上首次關(guān)于UAS航路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建模的嘗試：首先，采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模與分析方法，在不影響現(xiàn)有空中交通運行狀況的條件下，選擇適合嵌入UAS航路網(wǎng)絡(luò)的城市低空可行區(qū)域；然后，利用改進K-centers聚類算法，搜索候選網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置；最后，基于圖論與K最近鄰(KNN)分類算法，確定無人駕駛交通網(wǎng)絡(luò)的航路結(jié)構(gòu)。2018年，新加坡南洋理工大學[75]提出了3種類型的城市低空航路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計概念：矩陣節(jié)點型航路網(wǎng)絡(luò)(AirMatrix Network)、建筑節(jié)點型航路網(wǎng)絡(luò)(Over-buildings Network)、道路沿線型航路網(wǎng)絡(luò)(Over-roads Network)，并通過容量與吞吐量指標，比較了這3種航路網(wǎng)絡(luò)的運行能力。緊接著，提出了適應(yīng)性城市空域的概念(Adaptive Urban Airspace, AdUrA)，以不同類型的航路網(wǎng)絡(luò)來滿足不同的城市空中交通運輸需求。

4.1.3 容量評估

空域容量評估通常建立在空域劃設(shè)與航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，用以評估空域可用性以及航路網(wǎng)絡(luò)通行能力。只有明確空域最大或最佳可容納航空器數(shù)量，才能更好地進行城市空域管理、流量管理以及空中交通服務(wù)。

在城市低空空域容量評估的研究方面，加州大學伯克利分校(University of California, Berkeley)的Bulusu等做出了許多貢獻[76-80]。2017年，Bulusu和Polishchuk[76]提出了一種基于閾值的低空空域容量評估數(shù)學方法。該方法將空域容量定義為：隨著交通密度的增加，使空域評估指標(比如沖突率等)發(fā)生相變的空中交通量最小值。因此，通過確定空域評估指標與空中交通模型(用于構(gòu)建仿真場景)，即可利用仿真實驗評估低空空域容量。Bulusu和Polishchuk[76]選取了多機沖突率(四機或四機以上同時發(fā)生沖突的概率)作為空域安全性評估指標，用以驗證其所提出的空域容量評估方法的合理性與可行性。隨之，Bulusu等[77]又在此基礎(chǔ)上加入了每飛行小時危險接近率安全評估指標與成本增加量效益評估指標[81]，進一步完善了基于閾值的空域容量評估方法，并且發(fā)現(xiàn)安全可能是空域容量的決定性因素。此外，Bulusu等[78]還對比研究了非合作類與合作類無人機在城市環(huán)境下的空域容量變化，結(jié)果表明，合作類無人機可以有效提高空域容量，并且減少機載沖突探測、解脫、避讓系統(tǒng)的計算復(fù)雜度。2018年，Bulusu等[79]又提出了吞吐量空域容量評估指標，并且將效益指標中的成本增加量修改為飛行時間延長百分比。在基于懸停避讓、人工勢場和ICAROUS[82]3種沖突解脫算法的仿真實驗下，分別從安全、效益與吞吐量3個角度，對比分析了基于閾值的空域容量評估方法所得出的容量評估結(jié)果，最終表明，吞吐量指標可以用來度量空域容量，并且相較于安全與效益指標，吞吐量可能更適合作為沖突探測與解脫算法的有效性評價指標。南洋理工大學[75]在比較航路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計概念時，除空域容量之外，也采用了吞吐量指標來描述城市空域的性能。除了Berkeley之外，KAIST[65]提出了一個城市空域容量拓撲分析框架，能夠有效地識別城市可用空域。該文獻對比分析了禁止飛入(Keep-out)、禁止飛出(Keep-in)以及二者混合的地理圍欄概念，結(jié)果表明，禁止飛出地理圍欄具有更強的魯棒性，且能夠為城市空域提供最大空域容量。(其中，禁止飛入地理圍欄通常指地理圍欄(Geofencing)[70]，而禁止飛出地理圍欄通常指空域圍欄(Geocaging)[70]，有時也指動態(tài)地理圍欄[83])。

4.2 流量控制

空域規(guī)劃為城市空中交通運行構(gòu)建了可行的物理空間，充分利用了空域的空間資源。然而，隨著未來城市空中交通發(fā)展規(guī)模不斷擴大，如何合理地分配空域時間乃至時空資源，是城市空中交通運行下一步需要解決的關(guān)鍵問題，這也就是流量控制問題。本節(jié)將主要從運行調(diào)度與終端排序這2個方面綜述當前關(guān)于城市空中交通流量控制方面的研究

4.2.1 運行調(diào)度

關(guān)于城市空中交通運行調(diào)度方面的研究，2017年，Balakrishnan和Chandran[84]首次嘗試在空域與機場資源配置問題中考慮無人駕駛航空器系統(tǒng)(UAS)，并提出了一種分布式整數(shù)規(guī)劃方法來解決無人機存在時大規(guī)?？罩薪煌髁抗芾韱栴}，該方法考慮了飛行連通性約束、機場和空域容量約束以及地理圍欄約束，使用列生成算法確定航空器群體最佳時空軌跡。2018年，愛荷華州立大學(Iowa State University, ISU)的Brittain和Wei[85]提出了一種新穎的分層深度強化學習算法，將航空器作為智能空中交通控制系統(tǒng)的核心組成部分進行間隔和排序，安全、自主、高效地解決了航空器在運行調(diào)度中的改航、調(diào)速等問題，實現(xiàn)了全自動空中交通管制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)化空域中對航空器的自動間隔和排序功能。2019年，ISU[86]針對UAM按需運行特性，提出了一種按需服務(wù)與計劃服務(wù)相結(jié)合的UAM混合運營概念，構(gòu)建了滿足UAM運行限制與市場需求的新型運行管理模型，采用混合整數(shù)二次規(guī)劃方法，在利潤最大化目標下，解決了UAM運行調(diào)度問題。普渡大學(Purdue University, PU)[87]提出了一種基于流體排隊模型的彈性無人機流量控制算法，建立了符合實際且易于處理的無人機交通流模型，分析了無人機交通系統(tǒng)性能，解決了未來城市空中交通系統(tǒng)在天氣不確定條件下的擁堵問題。斯蒂文斯理工學院(Stevens Institute of Technology, SIT)[88]針對智慧城市中無人機調(diào)度問題，提出了3種低復(fù)雜度算法，該算法采用降維方法將原問題求解運行時間最小化，通過一種迭代式方法來減少混合整數(shù)線性規(guī)劃的計算復(fù)雜度，提高了無人機運行調(diào)度效率。2020年，佐治亞理工學院(Georgia Institute of Technology, GT)[89]提出了一種多物網(wǎng)絡(luò)流框架，用于優(yōu)化未來UAM機場空中出租車服務(wù)運行調(diào)度問題，該框架在亞特蘭大地區(qū)機場空中出租車系統(tǒng)的應(yīng)用中取得了良好的效果。

此外，為了更好地研究城市空中交通運行方面的問題，NASA分別為低空空域運行[90]、UTM[91]、UAM[92]設(shè)計并開發(fā)了仿真研究平臺與算法。其中，針對城市空中交通網(wǎng)絡(luò)的自動化管理，NASA[92]擴展了為傳統(tǒng)民航開發(fā)的高度自動化的自動調(diào)節(jié)器(AutoResolver)，用以對城市自動駕駛航空器進行持續(xù)飛行軌跡管理，保證了航空器之間的安全間隔，減少了高密度空域下空中交通的延誤。UAM自動調(diào)節(jié)器應(yīng)用結(jié)果表明，自動調(diào)節(jié)器可有效地避免UAM航空器危險接近，并且當計劃調(diào)度時間范圍大于UAM航班持續(xù)時間時，大部分沖突均在起飛前得以解決，從而產(chǎn)生地面延誤；而當計劃調(diào)度時間較短時，大部分沖突在起飛后得以解決，從而產(chǎn)生空中延誤。

4.2.2 終端排序

關(guān)于城市空中交通終端排序方面的研究，目前主要以ISU與TU Delft大學為主[93-98]。首先，ISU的Pradeep與Wei研究了雙傾轉(zhuǎn)旋翼縱列式(Tandem Tilt-wing)eVTOL航空器[96]與多旋翼eVTOL航空器[97-98]的終端到達軌跡問題，提出了一種以能量消耗為性能指標的多相最優(yōu)控制算法，在所需到達時間(Required Time of Arrival, RTA)的約束下，構(gòu)建了一種優(yōu)化控制框架，確保eVTOL航空器在RTA約束下能夠生成最為高效節(jié)能的終端到達軌跡。Pradeep與Wei重點以Airbus Vahana[96]與EHang 184[97-98]進行了案例分析與框架驗證。然后，TU Delft的Kleinbekman等與ISU的Wei等[94]針對eVTOL航空器最佳RTA計算問題，以最小化延誤為目標，考慮eVTOL電池剩余電量約束與垂直起降場容量約束，在保證航空器安全間隔的情況下，首次提出了基于混合整數(shù)線性規(guī)劃的最佳RTA計算方法。并且在之前構(gòu)建的效能最優(yōu)軌跡生成工具[96-97]的基礎(chǔ)上，提出了垂直終端區(qū)空域設(shè)計概念，為城市空中交通eVTOL終端排序的研究奠定了基礎(chǔ)。與此同時，ISU的Pradeep與Wei[95]也提出了一種用于終端著陸排序的啟發(fā)式算法，該算法采用插入局部搜索，結(jié)合混合整數(shù)線性規(guī)劃與時間推進算法，對混合eVTOL機群的著陸時序進行優(yōu)化。經(jīng)驗證分析，該算法具有實時優(yōu)化排序的能力。2020年，ISU的Bertram與Wei[93]又提出了一種垂直起降機場終端區(qū)進場運行概念，如圖7所示，通過環(huán)(Ring)與門(Gate)控制eVTOL進場順序。在此運行概念基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種基于馬爾可夫決策過程的城市空中交通自組織終端排序算法，可以及時處理高密度情況下UAM航空器接近垂直起降點的情況，能夠很好地解決UAM終端排序問題。

圖7 垂直升降機場終端區(qū)運行概念[93]

4.3 交通服務(wù)

空域規(guī)劃與流量控制主要從宏觀層面優(yōu)化配置城市空域時空資源，在實現(xiàn)UAM運行的同時盡可能地提高城市空域資源的利用效率；而交通服務(wù)主要從微觀層面銜接引導(dǎo)航空器無縫融入城市空域系統(tǒng)，為UAM運行帶來實際的可能。由于交通安全問題是UAM的首要問題，防撞告警、風險預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)應(yīng)當是交通服務(wù)的核心業(yè)務(wù)。因此，本節(jié)將主要從航跡規(guī)劃、防撞避險、應(yīng)急管理3個方面綜述當前關(guān)于城市空中交通服務(wù)方面的研究。

4.3.1 航跡規(guī)劃

傳統(tǒng)航跡規(guī)劃算法主要可分為2大類：最優(yōu)化算法與啟發(fā)式算法。最優(yōu)化算法適用于小范圍局部搜索，可以求得航跡規(guī)劃問題的最優(yōu)解。然而，隨著算法搜索區(qū)域的增加，其計算量呈指數(shù)倍增長。相對地，啟發(fā)式算法引入了啟發(fā)式函數(shù)，能夠在可接受的時間范圍內(nèi)給出一個可行解，這樣的處理方式大大減少了實際運算量，提高了航跡規(guī)劃的效率，然而，正因如此，啟發(fā)式算法很難規(guī)劃出全局最優(yōu)航跡。啟發(fā)式算法可以分為隨機型搜索算法和確定型搜索算法，具體包括人工勢場法、遺傳算法、蟻群算法、啟發(fā)式A*算法、動態(tài)規(guī)劃等。

2017年，美國航天研究所(National Institute of Aerospace, NIA)與NASA[99]為無人機在低空空域超視距(BVLOS)飛行設(shè)計了一種動態(tài)航跡規(guī)劃算法，該算法將快速探索隨機樹規(guī)劃技術(shù)與形式化驗證方法相結(jié)合，能夠保證無人機在動態(tài)航跡規(guī)劃過程中與其他航空器或地理圍欄之間保持一定的安全間隔。該算法還應(yīng)用了一個啟發(fā)式函數(shù)，用以判斷何時終止隨機樹擴展，能夠有效地減少航跡規(guī)劃算法的運行時間。賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania, UPenn)[100]提出了一種基于搜索的航跡規(guī)劃算法，該算法利用最優(yōu)控制思想，能夠在合理的時間范圍內(nèi)規(guī)劃出高維空間的最優(yōu)飛行航跡，解決了基于搜索的航跡規(guī)劃算法普遍的擴展節(jié)點數(shù)量龐大的問題。通過求解線性二次最小時間問題的顯式解，能夠有效地生成復(fù)雜障礙環(huán)境下四旋翼無人機在離散空間最優(yōu)的動態(tài)可行航跡。此外，該算法還能夠在動態(tài)環(huán)境中，對四旋翼無人機飛行航跡進行快速在線重新規(guī)劃。Berkeley[101]也將多旋翼無人機系統(tǒng)的航跡規(guī)劃問題看作是最優(yōu)控制問題，提出了一種基于能耗最低的航跡規(guī)劃方法：在航跡規(guī)劃一般公式的基礎(chǔ)上，考慮無人機地速不變，僅優(yōu)化無人機航跡導(dǎo)航方向，采用有序迎風法，實現(xiàn)多旋翼無人機最優(yōu)航跡的數(shù)值求解。2019年，SIT等[102]考慮了城市環(huán)境下多旋翼無人機的航跡規(guī)劃問題，提出了無人機在航跡規(guī)劃過程中的3種防撞方式：懸停、調(diào)高與改航。于是，在考慮無人機防撞與充電站約束條件下，分別采用了混合整數(shù)線性規(guī)劃、有序迭代與步進迭代的啟發(fā)式算法求解多旋翼無人機最優(yōu)與次優(yōu)航跡。仿真結(jié)果表明，啟發(fā)式算法不僅能夠提供較快的收斂速度，其結(jié)果也接近于最優(yōu)。NASA[103]根據(jù)其UTM第四級技術(shù)能力(TCL4)的要求，提出了一種基于遞歸樹的無人機實時局部航跡規(guī)劃算法。該算法能夠通過V2V(Vehicle to Vehicle)通信與航跡預(yù)測模塊，實時感知周圍航空器的飛行動態(tài)，從而能夠在城市復(fù)雜空間環(huán)境下規(guī)劃出一條安全可行的飛行航跡。2020年，ISU的Bertram與Wei[104]提出了一種基于馬爾科夫決策過程的UAM航跡規(guī)劃算法，該算法能夠在UAM航跡規(guī)劃過程中有效地解決高密度UAM多機航跡協(xié)作式與非協(xié)作式碰撞避免問題。圣地亞哥州立大學(San Diego State University, SDSU)[105]考慮了UAM電動飛行器(Electric Aerial Vehicles, EAV)的電池續(xù)航性，提出了一種電池充電計劃與EAV飛行航跡聯(lián)合規(guī)劃方法：首先建立EAV航跡規(guī)劃的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，然后采用分布式的啟發(fā)式算法，實現(xiàn)EAV能耗最低航跡的快速規(guī)劃。

4.3.2 防撞避險

城市空中交通的防撞避險問題主要涵蓋2個方面：空中風險(防撞)與地面風險(避險)。其中，空中風險主要是指載人航空器之間碰撞所帶來的機載人員的安全風險，而地面風險主要是指由于系統(tǒng)故障、空中碰撞等原因而導(dǎo)致航空器墜機所帶來的地面人員的安全風險。關(guān)于這兩種安全風險的研究與應(yīng)用可以細分為風險評估與風險緩解或風險規(guī)避。其中，對于空中風險而言，風險評估特指沖突概率估計或碰撞風險評估，主要用于沖突探測告警或安全間隔標定，而風險緩解或風險規(guī)避特指沖突解脫或碰撞避免，防止航空器發(fā)生相撞，保障航空器安全運行。

1)空中風險

傳統(tǒng)高空航空器的沖突探測與解脫方法研究較為成熟，比如美國的空中交通預(yù)警與防撞系統(tǒng)(Traffic Alert and Collision Avoidance System, TCAS)、歐洲的機載防撞系統(tǒng)(Airborne Collision Avoidance System, ACAS)以及MIT林肯實驗室提出的下一代機載防撞系統(tǒng)ACAS-X[106]等。1997—1999年，NASA的Paielli和Erzberger[107-108]提出了面向自由飛行的航空器沖突概率估計方法，通過多維高斯分布飛行誤差概率分布假設(shè)與直角坐標系線性變換，建立了航空器相遇沖突概率估計解析計算模型，為概率型沖突探測的幾何分析方法奠定了堅實的研究基礎(chǔ)。2000年，MIT的Kuchar與Yang[109]在NASA的支持下，分別從飛行維度、沖突探測、沖突解脫、解脫行為與是否多機沖突等方面，對63篇關(guān)于沖突探測與解脫方面的文獻進行了綜述與總結(jié)，為2000年以后的研究提供了重要的參考價值。

近年來，隨著多旋翼無人機的興起，關(guān)于無人機沖突探測與解脫方面的研究也愈發(fā)火熱。2016年，斯坦福大學(Stanford University)的Mueller和Kochenderfer[110]針對多旋翼無人機系統(tǒng)，提出了一種基于ACAS-X拓展的防撞算法：將多旋翼無人機的防撞問題建立為部分可觀測的馬爾科夫決策過程模型，針對ACAS-X防撞算法只能進行調(diào)向和調(diào)高的限制與不足，將水平面的二維速度調(diào)整策略加入到防撞算法中，并利用動態(tài)規(guī)劃方法對無人機防撞機動策略進行優(yōu)化求解。與此同時，Mueller和Kochenderfer[111]又對比分析了4種可以應(yīng)用于多旋翼無人機的防撞算法：基于部分可觀測馬爾科夫決策過程的防撞算法(QMDP)[110]、基于模型預(yù)測控制的滾動時域方法(MPC)、人工勢場法(PF)、改進水平矢量轉(zhuǎn)彎算法(HVT)。仿真分析結(jié)果表明，這4種算法都能夠在航線偏離與間隔保持之間做出很好的權(quán)衡，其中，QMDP在速度調(diào)整幅度上具有明顯優(yōu)勢。2017年，斯坦福大學的Ong和Kochenderfer[112]基于多智能體的馬爾科夫決策過程描述無人機動力學、外部環(huán)境與飛手的不確定性，采用多線性插值、最壞情況效用融合、交替最大化等啟發(fā)式原理，為無人機交通管理提供了一種魯棒高效的多機沖突解脫方法。2018年，韓國世宗大學(Sejong University)[113]提出了一種基于幾何約束與動力學方程的多旋翼無人機動態(tài)環(huán)境防撞算法，該算法在進行避碰的同時還會利用目標位置逼近方法引導(dǎo)無人機飛往目標點。2020年，NASA[114]提出了基于設(shè)計安全間隔(Design Separation)的城市空中交通管理概念：在不同類型航空器混合飛行時(載人/載貨無人機與不同飛行規(guī)則的有人機)，通過設(shè)計安全間隔的自適應(yīng)調(diào)整，保障UAM自主運行安全。

2)地面風險

目前關(guān)于地面風險評估的研究較為成熟。早在2006—2007年，MIT的Weibel和John[115]與QUT 的Clothier等[60]分別建立了基于事件與基于條件概率的地面風險評估模型，該模型主要包括無人機系統(tǒng)故障率、致命碎片覆蓋面積、區(qū)域人口密度、碎片穿透系數(shù)(或環(huán)境遮蔽系數(shù))和墜落緩解措施等參數(shù)，搭建了無人機地面風險評估一般框架。2017年，RMIT[116]對33種不同的地面風險模型進行了全面綜述，將這些模型分解為失效模型(Failure)、撞擊模型(Impact Location)、恢復(fù)模型(Recovery)、壓力模型(Stress)、暴露模型(Exposure)、事故壓力模型(Incident Stress)和傷害模型(Harm)這7個子模型，從不確定性等級、模型特征與模型假設(shè)等角度，對比分析了現(xiàn)有33種地面風險模型的優(yōu)勢與不足。NASA等[117]提出了一個無人機運行風險實時評估框架，將無人機系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)與動態(tài)環(huán)境信息相結(jié)合，通過基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的概率圖模型和無人機地面撞擊模型，實現(xiàn)了無人機運行風險的實時評估。丹麥奧爾堡大學(Aalborg University)的la Cour-Harbo[118]通過計算無人機拋體運動微分方程的近似解析解來建立無人機墜機彈道下降情況下的數(shù)學模型，為無人機墜落地點預(yù)測提供了一種理論計算可能。2019年，意大利都靈理工大學(POLITO)的Primatesta等[119]在已有研究基礎(chǔ)上，利用開放地圖(OpenStreetMap)獲取地理信息數(shù)據(jù)，提出了一種面向城市環(huán)境的無人機運行風險地圖繪制方法，初步搭建了無人機運行風險可視化框架。la Cour-Harbo[120]在前期研究[118-119]基礎(chǔ)上，針對小型無人機系統(tǒng)超視距飛行，建立基于飛機尺寸、風力風向、參數(shù)不確定性的高保真度墜落地點分布模型，以丹麥空域為例，針對單架無人機飛行任務(wù)與飛行航跡，進行了實際地面風險分析，以此來衡量小型無人機超視距飛行的可行性。在上述模型中，大多只考慮了無人機系統(tǒng)失效而產(chǎn)生的地面風險，沒有將空中碰撞納入到地面風險的事故致因中。于是，韓國航空宇宙研究院的Kim[121]基于無人機碰撞模型對空中碰撞導(dǎo)致的地面風險評估作出了初步嘗試，北京航空航天大學的全權(quán)等[56]綜合考慮了系統(tǒng)失效、空中碰撞以及其他導(dǎo)致無人機墜機的因素，搭建了無人機地面風險通用模型。此外，為了控制由于各種原因而產(chǎn)生的地面風險，NASA[122]針對傳統(tǒng)風險緩解措施(避開人口密集區(qū))的局限性，提出了一個基于實時感知與自主飛行控制的風險緩解框架，通過識別與利用臨時安全走廊，使無人機能夠進入人口密集區(qū)運行。后來，NASA等[123]又針對UAM安全設(shè)計提出了危險分析技術(shù)，通過功能危險性分析(Functional Hazard Assessment, FHA)與系統(tǒng)理論過程分析(Systems Theoretic Process Analysis, STPA)相結(jié)合的方式，評估分析UAM運行的風險環(huán)節(jié)并有針對性地進行風險緩解，從而為eVTOL適航認證與監(jiān)管審批提供技術(shù)支持。

4.3.3 應(yīng)急管理

為了更好地提供城市空中交通服務(wù)，必須考慮UAM應(yīng)急管理措施，以保證UAM在發(fā)生事故、自然災(zāi)害等一系列特殊情況時依然能夠平穩(wěn)有效運行，不至于系統(tǒng)癱瘓，從而形成從空域資源規(guī)劃到流量調(diào)度控制再到運營服務(wù)保障的UAM運行管理體系，因此，本文將應(yīng)急管理作為單獨一部分，總結(jié)梳理關(guān)于UAM應(yīng)急管理方面的研究。

2004年，美國的Ge等[124]利用MATLAB中SIMULINK模塊開發(fā)了一個無人機自動應(yīng)急管理仿真實驗工具，將無人機動力學與控制模型、綜合預(yù)測與自適應(yīng)智能控制方法集成到實驗環(huán)境中，可用于開發(fā)、測試和驗證各種自動化平臺。2009年，西班牙的Pastor等[125]提出了一種結(jié)構(gòu)化方法來進行UAS應(yīng)急響應(yīng)實驗?？紤]到突發(fā)事件可能與飛行、任務(wù)、有效載荷與感知系統(tǒng)4個方面有關(guān)，該方法將突發(fā)事件來源進行分類，并通過更新飛行包線來抽象描述突發(fā)事件對于UAS的影響。根據(jù)突發(fā)事件嚴重程度，應(yīng)急響應(yīng)范圍可能從改變或取消任務(wù)目標到取消飛行活動本身。2014年，圣何塞州立大學(San Jose State University, SJSU)與NASA[126]設(shè)計了一項模擬實驗，用于檢驗?zāi)壳癠AS應(yīng)急程序?qū)τ诳罩薪煌ò踩?、效率以及管制員工作量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，UAS突發(fā)事件對于當前空中交通沒有顯著影響，并且根據(jù)受訪者建議，未來UAS標準化應(yīng)急程序應(yīng)當盡可能地減少航向與高度變化。2017年，西班牙的Usach等[127]提出了一種將自動應(yīng)急管理集成到UAS的方法，以結(jié)構(gòu)化和偽形式化的方式表達了應(yīng)急程序的高質(zhì)量需求，該方法能夠提高應(yīng)急程序的適用性、一致性、完整性和正確性。2019年，NASA的Baculi等[128]針對UTM的TCL4，提出了一個sUAS機載決策架構(gòu)，用于實現(xiàn)自主飛行控制系統(tǒng)的安全飛行。sUAS決策器通過監(jiān)控各項指標，以確定飛行任務(wù)的安全性與可行性，并在有限狀態(tài)機中將飛行狀態(tài)分為標稱、非標稱、變更著陸與立即著陸4個部分。NASA通過導(dǎo)航降級與通信故障仿真實驗，驗證了該決策框架在應(yīng)急飛行中適時切換飛行狀態(tài)的可行性。2020年，NASA、FAA、工業(yè)界與學術(shù)界[129]聯(lián)合制定了通信導(dǎo)航非標稱情況(比如指揮控制通信中斷與導(dǎo)航降級)的九項管理要求，由于在2019年UTM的TCL4飛行論證過程中[130]，通信導(dǎo)航非標稱情況的一些要求無法被滿足，于是，NASA[129]提出了通信導(dǎo)航自動應(yīng)急管理建議，包括標準化通訊導(dǎo)航非標稱情況的監(jiān)測方法以及整合UAS與UAS服務(wù)提供商的非標稱情況緩解流程。

4.4 基礎(chǔ)設(shè)施

城市空中交通的有效運行離不開地面基礎(chǔ)設(shè)施的全面支持。未來城市空中交通應(yīng)當是空地協(xié)同式的交通運輸模式，航路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃必須考慮地面垂直起降機場布局，UAM運行也必須保持在通信、導(dǎo)航、監(jiān)視(CNS)的有效范圍之內(nèi)。因此，本節(jié)將主要從垂直起降機場與通信導(dǎo)航監(jiān)視2個方面綜述當前關(guān)于城市空中交通基礎(chǔ)設(shè)施方面的研究。

4.4.1 垂直起降機場

目前關(guān)于垂直起降機場的研究主要以機場概念設(shè)計、機場布局選址、機場容量評估與機場網(wǎng)絡(luò)分析等為主。2017年，卡塔爾大學(Qatar University)[131]在考慮任務(wù)時間約束與電池電量約束的條件下，建立了無人機?？砍潆娬具x址覆蓋模型，提出了懲罰加權(quán)K-means聚類算法與粒子群優(yōu)化算法以實現(xiàn)模型快速求解。2018年，慕尼黑工業(yè)大學(Technical University of Munich, TUM)的Fadhil[132]基于地理信息系統(tǒng)(GIS)，對UAM垂直起降機場布局進行了研究。結(jié)合供需標準，采用加權(quán)線性組合與層次分析法分析評估了UAM垂直起降機場的最佳布局地點，并針對洛杉磯和慕尼黑地區(qū)，提出了多種UAM地面基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計方案。此外，根據(jù)停機位、航站樓與起降場面布局的不同，F(xiàn)adhil還提出了垂直起降機場的三種設(shè)計概念：垂直起降站(Vertistop)、垂直起降場(Vertiport)、垂直起降中心(Vertihub)。GT的Daskilewicz等[133]主要以舊金山與洛杉磯為例，基于人口普查數(shù)據(jù)，計算UAM出行需求與通勤時間，并以相較于汽車通勤時間的減少量最大化為目標函數(shù)，利用整數(shù)線性規(guī)劃進行模型求解，最終得到了舊金山與洛杉磯垂直起降機場的最佳分布位置與eVTOL通勤潛在出行次數(shù)。NASA的Kohlman等[134-135]建立了一個系統(tǒng)級UAM機場網(wǎng)絡(luò)模型，該模型可用于估計：滿足需求所需航空器數(shù)量、給定時間空中交通量以及航空器著陸徘徊所需等待時間等參數(shù)。此外，Kohlman等[134-136]還對UAM航空器的能源動力系統(tǒng)做出了初步研究與探索，結(jié)果表明混合動力航空器相較于純電力航空器在運行成本、系統(tǒng)重量等方面具有更大的優(yōu)勢。2019年，MIT的Vascik和John[137]提出了4種拓撲類型的垂直起降機場設(shè)計概念，并利用整數(shù)規(guī)劃方法研究不同運營參數(shù)下垂直起降機場的運力與容量。GT的Yilmaz等[138]從能量消耗和著陸精度兩方面探討了在大氣湍流條件下eVTOL航空器的垂直進近運行，通過構(gòu)建動力學仿真環(huán)境，建立eVTOL自動飛行控制模型來估計著陸精度，研究結(jié)果表明，在不同進近剖面和天氣條件下，eVTOL著陸精度誤差呈橢圓型概率分布。美國航空航天系統(tǒng)設(shè)計實驗室(Aerospace Systems Design Laboratory)[14,15]考慮VTOL航空器目前存在噪音過大、效率低下等問題，提出了更容易投入運營的STOL航空器起降機場選址方法，并分析了氣象(尤其是風)與障礙物對機場布局選址的影響。

4.4.2 通信導(dǎo)航監(jiān)視

通信導(dǎo)航監(jiān)視能力是UAM有效運行的重要支撐，目前NASA格倫研究中心正在研究先進通用、可靠安全且經(jīng)濟實惠的CNS系統(tǒng)，以適用于任何環(huán)境下的UAS運行。

2016年，Uber在描繪未來城市空中交通系統(tǒng)時[2]，提出要開發(fā)未來空中導(dǎo)航系統(tǒng)(Future Air Navigation Systems, FANS)，如管制員與飛行員的數(shù)據(jù)鏈路通信(Controller Pilot Data Link Communications, CPDLC)等，以對傳統(tǒng)語音通信方式進行補充完善。Uber擬建立內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)，將結(jié)合ADS-B、手機與近地軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以及低功率地面微波數(shù)據(jù)鏈路，以實現(xiàn)精確導(dǎo)航與實時通信。NASA[139]將國際民航組織(International Civil Aviation Organization, ICAO)所需導(dǎo)航性能(Required Navigation Performance, RNP)的概念拓展至sUAS中，將RNP不同級別的需求定義為關(guān)于sUAS運行風險的函數(shù)。通過系統(tǒng)總誤差(Total System Error, TSE)計算，能夠得出sUAS的RNP等級水平。2017年，NASA與波音公司[140]針對管制與非管制空域運行環(huán)境，為所有類型UAS的CNS體系架構(gòu)提供了設(shè)計指南。緊接著，2018年，NASA與波音公司在設(shè)計指南基礎(chǔ)上，為管制空域運行的大型UAS，設(shè)計了可靠安全的CNS體系架構(gòu)[141]，并提出了關(guān)于UAS CNS的九個技術(shù)成熟等級(Technology Readiness Level, TRL)[142]，針對UAS的通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)鏈路、系統(tǒng)導(dǎo)航、監(jiān)視技術(shù)等方面，分析了各個技術(shù)當前的TRL水平以及未來發(fā)展部署方式。與此同時，NASA[143]還探討了關(guān)于UTM命令與控制(Command and Control, C2)通信技術(shù)的可靠性、可用性、可拓展性以及其他性能要求，并提出基于商用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的UTM C2鏈路評估和分析方法。2019年，NASA與波音公司[144]針對ICAO與美國航空無線電技術(shù)委員會(Radio Technical Commission for Aeronautics, RTCA)在研究UAS通信網(wǎng)絡(luò)與航空數(shù)據(jù)鏈路過程中存在的CNS方案重疊問題，提出了適用于ICAO與RTCA的通用UAS CNS體系結(jié)構(gòu)概念，以確保全球航空具備一致且安全的CNS框架。NASA與路易斯維爾大學(University of Louisville, U of L)[145]論述了在基于蜂窩的sUAS通信中使用多輸入與多輸出(Multiple-input and Multiple-output, MIMO)技術(shù)的好處，并提出了適合NASA sUAS運行的兩種MIMO配置方式(比如天線的類型、大小和數(shù)量等)。

除了NASA等機構(gòu)的研究之外，RMIT的Bijjahalli等[146]以城市環(huán)境中UAS的失效模式作為研究對象，對UAS運行的GNSS性能進行了綜合分析。在此基礎(chǔ)上，提出了考慮城市結(jié)構(gòu)的GNSS導(dǎo)航策略。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)最小距離導(dǎo)航策略相比，該方法的精度(約25%)與有效性得到了明顯提高。RMIT的Syd[147]考慮到當前UAS飛行主要依托于地面飛手，認為UTM通信模式應(yīng)當主要為地對地通信，并且提出了建立冗余且高性能的監(jiān)視系統(tǒng)是UTM的關(guān)鍵所在，UTM監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當為分層網(wǎng)絡(luò)，包括ADS-B與4G等蜂窩技術(shù)，用以彌補不同網(wǎng)絡(luò)之間的差距。2020年，億航智能[11]提出建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強系統(tǒng)以增強GNSS定位功能來應(yīng)對城市復(fù)雜環(huán)境，實現(xiàn)UAM精準導(dǎo)航，并配備視覺導(dǎo)航系統(tǒng)以處理GNSS無法覆蓋的情況，確保UAM航空器安全，未來將引入5G通信技術(shù)以促進UAM系統(tǒng)的智能化發(fā)展。

5 總結(jié)與展望

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，未來必將在社會各界的共同努力下迎來繁榮興盛的局面。目前城市空中交通的發(fā)展在世界各國均處于起步階段，城市空中交通管理作為無人機交通管理(UTM)與傳統(tǒng)空中交通管理(ATM)的交叉領(lǐng)域，遠未形成一個統(tǒng)一且完善的框架體系。本文嘗試從無人駕駛航空器系統(tǒng)、城市空中交通系統(tǒng)與傳統(tǒng)空中交通系統(tǒng)相互融合的角度，提出城市空中交通發(fā)展的4個階段，并以此設(shè)計了城市空中交通管理的運行概念，構(gòu)建了城市空中交通管理體系結(jié)構(gòu)框架，明確城市空中交通管理的主要內(nèi)容，梳理總結(jié)了城市空中交通管理的主要研究進展(文獻見表1)，為未來城市空中交通管理發(fā)展奠定一定基礎(chǔ)。

表1 文獻總結(jié)

然而，城市空中交通作為一種前所未有的新興交通模式，其管理亦必面臨諸多重要挑戰(zhàn)：

1)城市空中交通環(huán)境隨機復(fù)雜多變。復(fù)雜多變的城市空間，不同于一般的低空空域和傳統(tǒng)的高空空域，樓宇密布、人口密集、惡劣天氣、飛鳥干擾等動靜態(tài)、不確定因素隨機影響，城市空中交通管理必須考慮各種復(fù)雜環(huán)境的影響及其帶來的公共安全、噪音污染、隱私保護等現(xiàn)實問題。

2)城市空中交通載運工具方興未艾。未來城市空中交通載運工具將以短距起降、垂直起降的航空器為主，包括無人駕駛航空器，盡管這種航空器研制生產(chǎn)已取得較大進展，但其適航性能、人機模式等仍待深入驗證，規(guī)模化應(yīng)用檢驗較為困難。

3)城市空中交通規(guī)劃精細化要求高。如何合理開發(fā)有限的城市空中資源，滿足高密度的城市空中交通需求，是城市空中交通管理的重要基礎(chǔ)。城市空中交通規(guī)劃既要考慮其體系內(nèi)部低空空域分類劃設(shè)、航路網(wǎng)絡(luò)精細設(shè)計、起降設(shè)施科學布局，也要考慮如何與城市空間設(shè)施、道路交通系統(tǒng)等無縫銜接，以確保城市空中交通載運工具精確起降和精準飛行。

4)城市空中交通管控模式尚不明確。雖然本文提出了一種城市空中交通管理體系結(jié)構(gòu)框架、各部分基本定位和協(xié)同關(guān)系，但其受低空空域管理改革、城市管理等多因素的制約，城市交通局、公安局及其與低空飛行服務(wù)保障體系等多部門協(xié)同機制仍不明確，城市空管與交通用戶之間相互關(guān)系尚不清楚，職責差異化、管控協(xié)同化、空地一體化的城市空中交通管控模式需深入研究。

5)城市空中交通法律法規(guī)標準空白。城市空中交通作為一種新型交通模式，相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)范、標準等幾乎空白，亟需通過先行先試的方式探索構(gòu)建一整套城市空中交通法律法規(guī)，通過理論研究與實驗驗證相結(jié)合的方式建立一系列標準規(guī)范，比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。

面向未來城市空中交通發(fā)展的需求、問題和挑戰(zhàn)，建議從理論研究、系統(tǒng)建設(shè)、試點應(yīng)用等方面全面開展城市空中交通管理研究：

1)加強理論研究。重點研究城市空中交通特性、空域精細規(guī)劃、流量智能控制、垂直起降航空器沖突智能感知與自主避險等相關(guān)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，探索建立城市空中交通運行規(guī)則、法律法規(guī)、行業(yè)標準、管理機制等，逐步形成一套科學嚴謹、完整自洽的城市空中交通管理理論、方法和技術(shù)體系。

2)加快系統(tǒng)研制。融合應(yīng)用北斗、5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)手段，開展垂直起降機場、站點及通信、導(dǎo)航、監(jiān)視等基礎(chǔ)設(shè)施布局規(guī)劃建設(shè)，構(gòu)建多方協(xié)同、空地一體、互聯(lián)互通的城市空中交通信息網(wǎng)絡(luò)，研制城市空中交通管理系統(tǒng)及其配套設(shè)施設(shè)備。

3)開展示范應(yīng)用。選擇空域條件良好、人口密度不大的中小城市或新城區(qū)，開展城市空中交通示范性應(yīng)用試驗，驗證研究成果和系統(tǒng)效果。走“小城包圍大城”的發(fā)展之路，由點及面，先行先試，逐步推廣，最終建成一個安全、高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展的城市空中交通管理體系，加快推動城市空中交通成為現(xiàn)實。