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有限公司

0 引 言

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

根據各項資料的總結，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 經濟水平的提高，導致車輛的增加；③人類商業活動時間的一致性，導致在某些固定的時間段出現群體性的相同需求；④ 舊城區的道路設施陳舊；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參考發達國家的發展經驗，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、發展軌道交通、共享汽車[8]、發展城市空中交通[9～12]等等。在各種討論和嘗試中，發展城市空中交通，在全球獲得了較多的關注和資本投入。據《飛行汽車的研究發展與關鍵技術》統計，全球有兩百多家科技創新公司在研發城市空中運輸載具——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展歷史、發展現狀、發展展望、存在的問題等，很多文獻進行了不同程度的闡述[13～16]。近年，國內有兩家企業分別在飛行汽車和垂直起降飛行器的產業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的產業化（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）的發展狀態和設計方案以及對公眾的影響，很少從整體出發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，提出歸屬于公共交通的城市空中客運體系設計構想，并簡單評估現階段實現的可行性。

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，若采用城市空中交通，一定是為提高絕大多數居民的出行效率，所需的載具數量將會非常多。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，載具必須進行統一監管，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以下三個目標：

① 在現有的道路寬度限制下，提高交通工具的運行效率。

② 在現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一控制下將居民運送到規定的位置。

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，實現載具調配、健康管理、飛行控制、路徑規劃等工作。

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 停靠站，設置在非交通干道上，更加接近居民的生活工作區域，比如社區、學校等，以更密集的點分布在城市各通行區域，在經濟可行范圍內為居民提供服務。

⑤ 信息傳輸網絡，設置在載具運行路徑上，用于在城市復雜的電磁環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 乘客在樞紐站或停靠站，通過智能終端（比如手機）發出搭乘需求，并注明成員數量、行李預估重量、目的地等搭乘信息。

② 飛行管理中心根據乘客提供的信息，開展路徑規劃、評估所需的載具類型，并調配載具。

③ 乘客進入載具后，載具在飛行管理中心的控制下按照規劃的路徑運行。飛行管理中心將監控和控制整個城市上空的載具，統一調配載具的運行路線和運行速度，避免可能出現的碰撞和擁堵。

④ 飛行管理中心與載具之間的信息將通過信息傳輸網絡進行交互。

⑤ 乘客到達目的地后，旅程結束。該載具重新進入調配序列。

⑥ 若在運行過程中，載具通過自檢測發現其存在設備故障，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——需要通過大數據分析，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——滿足城市環保排放要求。

⑤ 六性——安全性、可靠性、測試性、維護性、保障性、經濟性。

⑥ 抗側風能力——在七級大風下安全、穩定運行。

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——載具發生故障，在撞擊到地面時應保證乘客的安全，不發生致命事故。

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 轉子包容——對于不同的主動力系統，其要求有所不同。對于采用常規電動機構的載具，主要考慮槳葉整體飛出或者出現破損導致碎片飛出，對載具持續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定的運行。

本文詳細的論述有關安全性目標的要求。結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生導致災難性事故。

根據航空史的統計數據，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發生概率應低于1×10-9/FH。目前這個要求用于航班飛機是商業可行的，即通過設備冗余、比較監控、自檢測等手段能夠實現且成本可接受；更高的安全性要求將導致成本和設備重量的急劇增加。考慮到載具已經剔除了駕駛員的人為因素影響，通過簡化設備和規范化的管理，實際發生災難性事故的平均概率能降低到1×10-7/FH；該數據值可以通過中國近十年內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，根據孟昌、龐燕嶺在《北京市出租車需求量測算與數量規制》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量和時長的載具來替代出租車，按每千萬飛行小時發生一次的概率計算，每年發生的災難性事故約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。據統計，2012年遼寧省居民在搭乘公共汽車過程中發生交通事故的死亡率是0.01每10萬人，搭乘小汽車發生交通事故的死亡率是0.04每10萬人[20]。可以發現，實現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籌控制，根據居民的出行需求、載具的能源狀態和健康狀態、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點，所有的載具均在規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 強大的數據處理能力；② 快速的解算頻率；③ 高余度的數據解算-監控能力；④ 高帶寬的數據網絡。

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 不同的城市應根據城市的規模設置不同數量的樞紐站。

② 交通樞紐站應靠近大型的交通中心點，如地鐵換乘點、縣區級公交系統的集散點、機場候機大廳、火車站，便于實現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、工業區、大型社區，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，配置無線導引系統引導載具的進站和出站。

2.4 停靠站的設計要求

停靠站服務于在非交通樞紐點的上下乘客。作為公共交通，停靠站的位置在城市中應是固定的，并不會根據乘客的需求在任意位置起飛和著陸。考慮到停靠站不會配置維護人員監督候機乘客，為了保證公眾的安全，停靠站應是半封閉的，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 信息傳輸網絡的設計要求

信息傳輸網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，應布置多個信號站。這些信號站間互為備份，同時向傳輸區域內的載具發送相同的信號，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。

信息傳輸網絡的帶寬應足夠，保證飛行管理中心與載具間信息傳輸的延遲盡可能低。

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出現故障/事故的情況下，及時趕到現場取回載具，并將可能出現的傷者送往醫院。

應急管理體系可以根據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已經日趨成熟，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 續航里程。億航216的續航里程目前僅有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，現有的續航里程也是個問題。

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。可見載具需要更大的停放空間。

4 結 語

從空域管理、公眾安全、低操作技巧等需求出發，設想的采用受統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城市交通的立體化，提升城市效率。目前實現這一體系所需的飛行器設計，遠程通信，自動駕駛，路徑規劃等關鍵技術均已成熟。若能夠提升續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。