城市空中交通及其新型基礎設施低空公共航路研究綜述

廖小罕，屈文秋，徐晨晨，賀洪波，王俊偉，石偉博

1.中國科學院 地理科學與資源研究所 資源與環境信息系統國家重點實驗室，北京 100101

2.中國科學院大學 資源與環境學院，北京 100049

3.中國民用航空局 民航低空地理信息與航路重點實驗室，北京 100101

4.中國科學院 無人機應用與管控研究中心，北京 100101

5.中國地質大學（武漢）地理與信息工程學院 區域生態過程與環境演變實驗室，武漢 430074

直升機自誕生起就被應用于城市短途運輸，例如從機場到市中心的短途運輸或空中觀光等，這意味著城市空中交通早就存在［1］。近年來，遠程機長駕駛系統、分布式電力推進系統以及自動控制系統等方面的技術取得突破，并成功應用于電推進垂直起降（electric Vertical Take-Off and Landing，eVTOL）航空器。以eVTOL 作為核心載運工具、以個人用戶出行為特點的城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM）引起廣泛關注［2］并于2018 年被美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）明確定義［3］。與直升機不同，eVTOL 航空器具有噪音小、環保、安全性高、維護成本低等特點，為UAM 的常態化運行提供了解決安全與管理痛點的關鍵。同時，航空器技術的快速突破和企業的持續關注預示著UAM 具有非常廣闊的商業化應用前景。

UAM 運輸優勢是顯而易見的，其主要使用的載運工具包括直升機、eVTOL 航空器、飛行汽車等，可在復雜的城市空間內進行垂直起降，能夠確保UAM 可利用不同水平高度的垂直空間并兼容更加靈活的飛行路徑。尤其是面向擁堵的城市交通場景，通過UAM 可實現點對點運輸，使得飛行路線更短直，能夠極大地提高運輸效率、降低延誤風險。然而，城市低空環境復雜，飛行約束要素眾多且更新快，嚴重影響航空器的安全運行。同時，商業化運行背景下eVTOL 航空器運行將呈現出流量大、密度高、飛行性能及操控方式多樣的交通流特性，這要求城市空中交通具備大規模集群飛行的高效管控能力。因此，如何保障復雜城市空中規?；娇掌鞯陌踩?、高效運行，是UAM 發展必須解決的瓶頸問題。

針對以上問題，國內外學者展開了諸多探索，并提出了一些解決方法，例如地理圍欄［4］和無人機交通管理走廊［5-7］。然而，這些方法通常僅適用于小范圍、典型性場景的UAM 管控，無法滿足UAM 規?；\行需求。類似于AirMatrix［8］的規?；芸貓鼍皠t對UAM 系統的自動化程度提出了較高的要求，但目前的技術很難滿足實時更新UAM 空域網格與eVTOL 航空器狀態的需求。鑒于低空空域資源的公共屬性，通過國家所有權的代表對其進行管制是保證這一公共自然資源利用效率最大化的一種最直接有效的手段。因此，對UAM 的管控需要從系統層面入手，“自上而下”地解決問題。低空公共航路網就是這樣一種由相關部門通過頂層規劃來實現安全、高效管控UAM 規?；\行的可行解決方案。低空公共航路［9］是在低空和超低空空域內，為多航空器同時飛行劃設的公共空中通道。它是根據低空地理信息約束要素、低空飛行環境、多種載運工具特性、UAM 需求等因素綜合劃設的航路網絡，具有結構化特征。與其他航路不同，低空公共航路是一種面向社會大眾多類型航空器、多用戶、多行業共享使用的固定的UAM 基礎設施。通過合理規劃低空公共航路網，可以從頂層設計上約束不同類型、不同任務需求的UAM 載運工具的飛行路徑，以此確保UAM 規?；\行的有序性、安全性。因此，本文將聚焦基于低空公共航路的UAM 管控，并對UAM 的科學、高效管控進行綜述性研究。

本文將從以下6 個部分闡述UAM 和低空公共航路的研究現狀。第1 節探討UAM 發展歷程、商業化試點應用現狀以及UAM 與其他交通方式的聯系與區別。本節重點提出，UAM 具有地面交通的特性，不能簡單納入傳統意義上的民用航空管理范疇。第2 節闡述UAM 所包含的基本問題，重點討論了UAM 的基礎設施、載運工具以及UAM 與UTM 的區別。第3 節對低空公共航路與UAM 的聯系進行了分析，并對低空公共航路的研究現狀與規劃的關鍵技術進行綜述性研究。第4 節提出了以共享運營為基礎的UAM 管理與運營框架。第5 節討論了建設以低空公共航路網為載體的低空無人機應用服務系統。第6 節提出了UAM 的羅落實建議。最后，對全文進行總結，對建設UAM 在政策、技術、市場以及社會方面的機遇與挑戰進行討論。

1 UAM 發展過程

UAM 是指利用具有自主駕駛能力或有人駕駛的航空器在城市空域內進行載人載貨的運輸［3］。承載人類飛天夢想的UAM 作為一種新型交通方式，因其按需響應的特性發展一直備受關注。在UAM 時代有望到來的今天，其商業化應用所涉及相關問題也需要進一步解決。UAM 是如何發展的，商業化應用現狀如何，以及這種交通方式與現有交通方式的本質異同點是什么，對其進行剖析與思考都會對UAM 真正實現常態化運行有所啟發。本節對UAM 的不同階段的發展歷程、商業化應用現狀進行綜述性研究，分析UAM 常態運行時與城市地面交通、民航運輸的區別與聯系，提出UAM 不能簡單的納入民航范疇，甚至更具城市地面交通的特性。

1.1 UAM 的發展歷程

UAM 并非是新的概念，早在20 世紀40 年代紐約航空和洛杉磯航空就已經利用直升機進行城市空中交通的商業化運輸［3，10-11］。通過回顧城市空中交通的發展歷程，將城市空中交通運輸的發展大致分為3 個階段。

第1 階段為1941—1979 年。這個階段的城市空中運輸服務主要依托直升機展開，紐約航空和洛杉磯航空分別于1947 年和1949 年開始利用直升機運輸人員與郵件［10-11］，紐約航空公司的運營量甚至在1967 年達到120 萬人次［12］。啟發于直升機運輸，此階段是城市空中交通概念的萌芽階段，誕生了對城市空中交通商業化運營、空中交通管制以及發展規劃等方面的諸多思考。Davis［13］和Wood［14］分別在1964 年和1967 年對可用于城市空中交通運營的航空器進行了討論。NASA 在1972 年對城市空中交通系統的管控與運營，引入城市交通系統中所產生的影響以及影響系統性能的因素等問題進行了深入探討［15］。這個階段城市空中交通運行航線少，且主要服務對象為支付得起高額費用的商務人士，后由于載運工具技術問題，事故頻發，UAM 發展陷入低潮。

第2 階段大致為2000—2014 年。該階段的主要標志是Moore［16］首次提出了針對個人出行的航空器（Personal Aerial Vehicles，PAV）概念。這一概念的提出將垂直起降航空器賦予私人屬性，其按需運行，支持居民在城市內部或郊區間短途通行，所產生的通勤成本被認為在個人家庭的可承受范圍內。Cwerner［17］以巴西圣保羅直升機發展史為例，分析了人們對于門到門空中運輸服務的需求，他指出無論這種交通方式是否能夠得到大規模發展，但仍是城市交通十分具備發展前景的方向之一。

第3階段大致為2014年至今，是無人機全面來臨的時代。此階段關于無人機交通管理的理論體系開始逐步建立與完善，用于城市空中運輸的載運工具研發也得到了極大的關注。2014 年，NASA［18］正式提出城市低空空域無人機交通管理系統（Unmanned Aircraft System（UAS）Traffic Management（UTM）），其目的是從風險保障角度來確保大規模、高密度的無人機在城市低空空域內安全高效運行［19］。由歐洲單一天空空中交通管理研究計劃（SESAR 3 Joint Undertaking，SESAR JU）研發的U-space則側重于在指定空域內為飛行的航空器提供系統所集成的多種服務［20］。南洋理工大學［4］與Uber［21］也相繼提出了關于城市空中交通管控的相關設想。此階段是UAM 全面發展的新時期，但隨著eVTOL 航空器自動化水平的提高，管控系統的進一步完善，UAM 在管制方式、航路規劃、空域設計以及空域容量等方面必然會提出新的要求。NASA［22］從載運工具、空域以及社會接受度3 個方面入手，提出了UAM 成熟度模型（UAM Maturity Levels，UML）。該模型將UAM 的發展分為初始階段、中間階段以及成熟階段，每個階段包含2 個層級，同時闡述了每個層級UAM 將要面對的挑戰。對于eVTOL 航空器的管控問題，雖未有成熟的管控措施，但NASA 開發無人機交通管理系統并將其開發驗證分為4 個技術階段（Technical Capability Level，TCL）［23-25］，其中包括運行概念、數據傳輸、無人機動態避讓以及無人機通訊導航監視驗證等方面的內容。

1.2 UAM 的商業化試點現狀

經歷過去幾十年的發展，關于UAM 的理論體系已經得到逐步完善。近年來，隨著分布式電力推進、自動駕駛、電池、電機等載運工具技術的快速突破，許多公司開始致力于設計eVTOL 航空器，該領域的投資目前已經超過20 億美元［26］。技術上的保障催生了載運工具的快速發展，也加快了UAM 發展進程，UAM 商業化試點工作也在全球范圍內陸續開展。

國外如刀鋒（Blade）［27］與優步（Uber）［28］均開通了曼哈頓至紐約市機場之間的城市空中交通運輸服務；Flytrex 與包括Just Wings 和El Pollo Loco 在內的多家美國餐廳合作，通過eVTOL 航空器進行食品配送服務［29］；Urban Footprint 已與美國聯邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）合作在農村地區開展藥物和疫苗運輸［30］。除了直接配送外，空客（Airbus）通過Voom 平臺響應訂單，利用直升機在巴西［31］、墨西哥［32］提供按需響應的城市空中運輸服務。

中國對UAM 的發展也十分重視，中國民航局［33］于2022 年8 月發布《民用無人駕駛航空發展路線圖V1.0（征求意見稿）》提出了先載貨后載人，先通用后運輸，先隔離后融合的發展路線。上海市政協十三屆三十五次常委會議［34］提出建設以浦東機場和鐵路東站為核心的綜合交通樞紐建設，率先引入新型交通工具和交通方式，推廣eVTOL 航空器。國家發改委、商務部以深圳作為先行先試單位，打造海陸空三位一體的新興城市綜合交通體系［35］。除了政府外，許多企業也積極推動UAM 的發展。億航智能與天行健達成合作，將在中國湖南吉首矮寨奇觀旅游區開展EH216 自動駕駛飛行器低空游覽項目［36］，且億航216 獲得來自日本、新加坡以及印尼等多國的訂單［37］。美團與上海市金山區合作推動全國首個城市低空物流運營示范中心落地［38］；迅蟻在杭州開展全國首條常態化城市空中急救送血航線，在疫情期間打開了一條“空中通道”［39］。國內外對于城市低空空域內利用eVTOL 航空器進行載人運輸和物流運輸的探索，都表明UAM 實現商業化運營勢在必行。

1.3 UAM 與其他交通方式區別與聯系

雖然UAM 已經開始進行商業化試點工作，但UAM 與現有交通方式在流量特性、服務目的、管控方式等方面的區別與聯系、是否與現有交通方式形成互補或競爭關系均尚未明晰，這些都是真正實現UAM 常態化運營所必須考慮的問題。關于UAM 管理與運營，更多的學者將其納入民航運輸的范疇。但本文認為UAM 與出租車、公交以及地鐵等地面交通的交通工具的實質區別是以不同空間維度的載運工具服務于城市交通系統，即使其運行空域與現有的運輸航空或通用航空有部分重合，但其服務目的、服務區域、載運工具流量特性等多方面因素融合了城市交通的屬性，因此不能簡單的將UAM 歸入傳統意義上的民用航空管理范疇。本小節將對UAM 與其他交通方式的區別與聯系進行闡述，如表1 所示。

表1 UAM 與地面交通、民航運輸的區別與聯系Table 1 Difference and connection between UAM，ground transportation and civil aviation transportation

1.3.1 UAM 與城市地面交通

在交通出行方面，UAM 服務目的和交通發生原因與城市地面交通一致。兩者的服務目的都是為城市內部有出行需求的居民提供一種出行的可能，只是在表現形式、運行空間、服務水平上各有優劣。兩者交通發生的原因均為以個體居民為基本單位，不同出行目的的交通發生行為，居民根據其出行目的的緊要性、自身收入水平、不同出行方式的可達性等因素綜合考量對城市中各種交通方式進行選擇。在流量管控方面，兩者均為高流量密度的交通方式，設置統一的交通規則對流量統一管控，出行的過程由駕駛員自主負責。在服務特性方面，兩者主要的服務范圍是城區內、城郊的短距離出行，具有按需響應、可達性高的特性?；谝陨先c，本文推測兩者極大概率上會是統一的管控主體。一方面，統一的管控主體有助于UAM 加快融入城市交通系統的進程，為構建綜合化、立體化的城市交通系統提供便利。另一方面，深圳市民用無人機管理暫行辦法（征求意見稿）明確指出［40］市政府對無人機管理工作進行統一領導，組織建設低空領域無人機空中感知系統［41］，明確公安、工信、市場監督管理等各部門職責分工，建立與相關軍民航空管單位的信息共享和協調聯動機制，協調解決無人機管理中的重大問題。

在載運工具方面，現有城市交通方式載運工具類型相對比較固定。由于UAM 尚未運營，實施技術細節并未明晰等原因，載運工具的動力模式、氣動布局方式與應用場景之間的關系還有待進一步探討。當前eVTOL 航空器類型有多旋翼、傾轉旋翼、復合翼以及垂起固定翼等［42］，動力模式、氣動布局方式不同，起飛重量、巡航速度、續航時間以及機體尺寸差距也十分明顯且無統一規律。在運行維度方面，城市現有交通方式還處于二維運行的階段，UAM 為拓展現有城市交通的維度，實現立體化的交通運輸場景提供了可能。這更好地利用了城市低空空域資源，提高了交通運輸量。但需要注意的是，三維場景也給城市交通帶來了更多的不確定性，UAM 的前期接受度相較于其他交通方式更低。有調查表示，教育程度更高、更年輕以及收入更高的人會對這種交通方式接受度更高［43］。

1.3.2 UAM 與民航運輸

UAM 與民航運輸均在三維空間內運行，具備計劃性特點，其在運行維度與運行方式的相似性，可為UAM 的管控提供參考，即通過設置飛行計劃來提高空域監管能力。但2 種交通方式本身差異較大，在管制方式方面，UAM 更側重于自動化的系統設計與運行機制，而非人力監管運行過程，這從源頭上提升了整體安全水平［8］。城市三維運行場景復雜，UAM 運行風險遠大于民用航空，這也要求UAM 管控系統對于科學性、有效性、可靠性等方面要求更高。因此，打破民航運輸監管的傳統思維模式，逐步建立針對UAM 應用場景的管控系統，完善UAM運行管理的法規標準和技術工具至關重要。在服務范圍方面，現階段eVTOL 航空器的續航時間決定了其單架次運行距離只能滿足執行大城市區域內或城郊的運送任務，運行區域以城市為主要范圍，沿途?？康臋C動性能力是其特點和滿足未來需求的優勢。在服務方式方面，民用航空單架次服務量通常大于UAM，屬于廣義的公共交通范疇。eVTOL 航空器體積小，靈活性更高，可以利用低空空域建筑物上方的空間，路線更短直，延誤風險低，具有按需響應的特性，因此在執行末端配送和緊急配送任務時，可以發揮更好的效果。正是由于這種特性，UAM相比于民航運輸與地面聯系更緊密，對于構建智能化、立體化、信息化的城市交通系統大有裨益。

2 UAM 的構成

一種新型交通方式的實現，必然需要了解其組成，以幫助充分理解UAM 的特點，明晰其實現運營的關鍵點。本節對UAM 所涉及的基本內容、最受關注的載運工具eVTOL 航空器、以及UAM 的基礎設施進行綜述。

2.1 UAM 基本概念

為加強對無人機駕駛航空器的管理，NASA在2013 年首次提出UTM 的概念，2015 年NASA和小型無人機系統（Small Unmanned Aircraft System，sUAS）運營人明確提出建立超低空域的UTM 系統。UAM 與UTM 不同，但又有相似之處，為探究此問題，本節首先對UAM 設計的基本內容進行分析，后對UAM 與UTM 的區別進行綜述性研究。

2.1.1 UAM 涉及的基本內容

UAM 作為一種新型交通方式，其運行范圍不再局限于水平空間，且與地面交通聯系緊密，兼具運輸航空的計劃性特征和地面交通按需響應的特性，其引入必然會給城市內部交通系統帶來根本性變革。同時，UAM 在點到點的出行需求鏈中，如小汽車、地鐵一樣，是可選擇的出行方式中的一種。將UAM 融入城市交通系統中，不僅需要考慮UAM 本身的特性，更要通過合理設置UAM 地面基礎設施，將UAM 與包括地鐵、公交、小汽車等地面交通的實現無縫耦合與精細化管理，幫助乘客便捷換乘，實現多式聯運。為保證其運行安全與高校管控，需要系統性、全方位對UAM 涉及的基本內容進行討論，其框架如圖1 所示，各個模塊定義如下所示。

圖1 UAM 涉及的基本內容Fig.1 Basic composition of UAM

1）空域規劃

空域規劃可對UAM 運行范圍及其所占空域資源的邊界進行界定，通過設計空域結構可有效分離航線方向，從而降低UAM 管控難度［44］。UAM 的運行空域通常定義為城市內真高1 000 m以下的低空空域，由于UAM 尚未形成行業體系，目前其空域分類與民用航空空域分類保持一致［45］。在現有的空域分類中，UAM 可能在B、C、D 類空域內運行，與用于運輸航空巡航的A 類空域無交集。

2）航路規劃

在規定的空域范圍內，eVTOL 航空器飛行路徑的規劃關系到UAM 流量密度、安全以及效率的平衡，對航路進行合理的設計能夠有效降低因航線增加造成的碰撞概率指數倍增長。

3）飛行規則與流量控制

UAM 系統中飛行規則能更具體的約束航路中eVTOL 航空器的飛行行為。飛行規則的設計與規范是UAM 進入航路局部精細化管理和飛行流量控制的第一步。對eVTOL 航空器進行流量控制的根本目的與運輸航空一致，即對eVTOL航空器進行航向分離與安全間隔保障，防止航路容量過飽和，確保運行安全。

4）容量評估

低空空域是空間上普遍存在的非消耗性自然資源，其可再生性強，具有時間和空間的屬性［46］。因此，空域容量具有時變的特征，隨著時間的變化，空域容量會有所不同，對空域容量進行實時評估可以避免空域流量過飽和而發生碰撞事故。此外，空域容量與空域結構化方式緊密相關，空域水平方向上路徑過度結構化會制約空域容量的提高，而每一層空域eVTOL 航空器航向的垂直分離則有助于最大化空域容量［47］。

5）空中交通管制

一旦城市空中交通運輸商業化運輸得到規?；茝V，傳統的空中交通管制方式將不再適用于高流量、高密度的eVTOL 航空器航路管制［48］。城市空中交通管制應涵蓋且不限于非法入侵eVTOL 航空器的檢測與驅逐服務、特殊任務eVTOL 航空器專機引導服務、緊急情況應急降落引導服務以及間隔管理與指揮服務。

6）風險評估

風險評估是針對eVTOL 航空器、UAM 管控系統以及航路運行等方面風險的分析、評估、處理及監督的系統性應用，目標是確保相關風險控制在一個可接受的水平。低空運行風險主要包括低空運行對其他eVTOL 航空器的空中風險和對地面第三方公共財產造成直接或間接的風險。其中，對地風險主要來自eVTOL 航空器墜地傷人［49］、螺旋槳運行噪聲污染［50］和機載攝像窺探隱私［51］等直接或間接風險。

7）基礎設施

UAM 的基礎設施僅包括供eVTOL 起降的地面基礎設施、UAM 管控系統、公共航路網和用于滿足飛行通訊、導航、監視等需求的運行基礎設施。UAM 的運行需要依托基礎設施完成，但同樣基礎設施的布局會反作用于UAM 影響其發展。地面基礎設施如何布局，用何種通信導航監視技術，怎樣實現對如此龐大數量的eVTOL 航空器的全覆蓋具有重要的應用研究意義。

8）載運工具

UAM 載運工具數量多，類型豐富，但多數試飛場地環境較好，航線單一，無需考慮安全避撞問題，UAM 商業化市場的到來對UAM 載運工具的自主感知避撞提出了較高的要求。Uber 白皮書［21］指出，UAM 實現運營的關鍵是運行事故率低于汽車事故率的2 倍，甚至達到民航運輸事故率水平，更進一步eVTOL 航空器的發展方向決定未來UAM 的管控方式與發展潛力，因此打造“安全可靠、便捷高效、經濟舒適”的eVTOL 航空器對UAM 市場的進一步發展至關重要。

2.1.2 UAM 與UTM 的區別與聯系

相比于傳統有人駕駛航空器，eVTOL 航空器是一種顛覆性的創新，給空中交通管理的運行概念與規則、管制要求以及基礎設施布局與建設都帶來了新的挑戰。如何構建UAM 與UTM 運行概念，使不同類型的eVTOL 航空器與傳統有人駕駛航空器進行空域協調與融合運行，中國尚未明晰實施路徑，但NASA 和美國聯邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）在這些方面的研究為我國UAM 整合工作提供了建議，本文將從運行概念，管控模式以及空域范圍3 個方面闡述UATM 與UTM 的區別。

在運行概念上，這兩者均允許大規模的載運工具同時運行，通過數字化的方式將所有載運工具交互連接，并為其提供分離服務。UTM 系統［52］對超低空空域內大規模運行的所有無人機提供交通管理服務航空器類型更豐富，UAM 則只為進行載人載貨運輸的載運工具提供服務。在管理模式上，UTM 系統主要有3 個角色：管理者（FAA），運營商，無人機操作員。運營商通過共享飛行計劃進行軌跡分離與沖突解脫，信息共享和數據交換通過飛行員與飛行員、無人機與無人機、飛行員與FAA 直接溝通完成。FAA 向飛行員提供實時空域信息，飛行員可在規定空域內自主飛行，不接受空中交通管制（Air Traffic Control，ATC）。UAM 比UTM 更嚴格，其運行概念主要對照有人駕駛航空器的運行規則，ATC系統可對UAM 進行實時管制。在空域范圍上，UTM 的運行范圍為400 ft（1 ft=0.304 8 m）以下的高度，在G 類空域內有UTM 向無人機和有人機提供管控服務，且無人機和有人機的權限等級相同。UAM 的運行空域一般在400 ft 以上的空域［53］，除非在起降場地周圍才會延伸到400 ft以下直至地面的高度范圍，起降場地的確定也建議盡量選在400 ft 以上的區域，運行范圍主要在1 500～4 000 ft 高度內。

2.2 UAM 載運工具

UAM 各類型載運工具在機型、氣動布局、動力模式等方面差距很大，載運工具作為UAM 能否實現運營的關鍵，對此進行討論是必要的。本文將對不同的載運工具進行對比，分析eVTOL航空器受到關注的原因，并闡述eVTOL 航空器的市場應用現狀。

2.2.1 載運工具對比與分析

eVTOL 航空器的成功研發促進了UAM 快速走進大眾視野，對于UAM 載運工具的討論從未停止。UAM 載運工具中，直升機最早得到應用，但關注度遠低于eVTOL 航空器，主要原因是eVTOL 航空器具有噪音小、環保、安全、維護成本低，機型多樣等特點，其主要技術優勢可歸納為以下幾點，如表2 所示。

表2 UAM 載運工具對比Table 2 Comparison of UAM vehicles

1）分布式電推進動力系統（Distributed Electric Propulsion，DEP）

DEP 系統動力冗余設計使得飛行器不會因某個發動機故障而發生意外，例如六旋翼eVTOL 航空器在失效1～2 個旋翼仍能正常降落，安全性遠高于直升機。動力系統的分布式布局同樣能夠提高飛機的氣動效率和升阻比［54］，其效率遠高于直升機。此外，小尺寸電機大幅簡化動力系統的機械結構，再加上電機自身出色的耐用性，維護成本更低。

2）電池技術

eVTOL 航空器沒有發動機，只有電池，很好的解決排放問題的同時噪音更小。因為其沒有發動機噪音僅產生氣動噪音，噪音值遠低于直升機。NASA 測試Joby 預生產的四座eVTOL 航空器以185 km/h 巡航速度，在500 m 的高度巡航時產生的噪音為45.2 dB，城市街道幾乎聽不到噪音［55］。

3）氣動布局

eVTOL 航空器與直升機氣動布局差距大，機型多，面對不同需求的任務有更多的選擇。多旋翼構型將復雜度集中在飛行控制上，能以極少的運動部件實現垂直起降能力；復合翼和傾轉旋翼構型可以緩解多旋翼續航里程短的問題，且傾轉旋翼構型的eVTOL 航空器死重小。

除eVTOL 航空器外，飛行汽車也是新興的UAM 載運工具，但其市場關注度遠低于eVTOL航空器，主要是以下幾個原因。

1）概念與功能

eVTOL 航空器只能在空中運行，飛行汽車可以陸、空兩棲使用。但車輛和飛機的設計要求存在諸多矛盾，陸空兩用飛行汽車設計需要兼顧車輛和飛機2 種需求，這也是陸空兩用飛行汽車的根本性設計難點。最終的產品設計上也必然會傾向于其中一種使用場景而犧牲另一種使用場景的需求，結果要不就是行駛性能相對更好（Flying Car），要不就是飛行性能相對更好（Roadable Aircraft）。

2）技術底層

飛行汽車是以傳統機械設計為主，eVTOL航空器是以電氣和自動控制為主。飛行汽車傳統的技術難點是解決行駛和飛行的功能切換，涉及動力傳動、機翼折疊存放和重心位置等問題，而這些主要設計問題屬于傳統機械領域。eVTOL 航空器的技術基礎是飛控、電機、鋰電池等，這些因素與自動控制和電氣化技術密切相關，而這些相關技術在最近幾十年才發展成熟到可以應用在載人航空器上。也正因此，eVTOL 航空器設計才能在最近十余年開始出現。

3）市場因素

雖然飛行汽車功能比eVTOL 航空器多，能用于地面行駛與空中飛行，但其技術難度決定了面世的產品較少。目前全球唯一一款真正完成試飛的飛行汽車小鵬X3 尚未實現量產，其研發進度上遠慢于eVTOL 航空器［56］。

2.2.2 eVTOL 航空器

作為UAM 系統中最受關注的載運工具，eVTOL 航空器對起降場地面積要求更低，產生的噪音較小，操作簡單且安全性更高。由于空中載運工具單位載運成本更高，在保障安全的前提下UAM 將更傾向于采用自主駕駛或遠程遙控駕駛（Remotely Piloted Aircraft Systems，RPAS）技術［57］，這與近年來地面載運工具采用自動化與智能化駕駛技術的發展趨勢相一致。因此，eVTOL 航空器將迅速成為城市地區短途通勤的首選交通工具。

據垂直飛行協會（The Vertical Flight Society）統計，市面上電推進垂直起降eVTOL 航空器和混合動力模式的eVTOL 航空器已經超過650 種，初步形成4 種主流機型［58］，并應用于交通監控、災害監測、火災監視、檢查等多種場景的運輸［59］。摩根士丹利預測2040 年eVTOL 航空器市場高達萬億美元［60］。中國UAM 企業以廣州的億航智能和小鵬匯天，上海的峰飛，以及浙江的吉利汽車為代表。億航216 技術上已經實現了載人飛行器的自動駕駛，獲得中國民航局批準成為國內首個自動飛行物流試運行許可，可率先開展150 kg 以上大載重空中物流商業化試運行［61］，并協助民航局開展載人eVTOL 航空器的運行風險分析、適航標準制定和驗證［62］。

2022 年10 月小鵬匯天完成5 億美金A 輪融資，是迄今為止亞洲低空載人飛行器設備生產領域獲得的最大的單筆融資［63］，其旅航者X2 是中國首款獲得民航局特飛許可的有人駕駛eVTOL航空器［64］。峰飛航空科技獲國際航空資本融資1億美元，其研發的首款自動駕駛eVTOL 航空器V1500M 已獲得260 架訂單［65］。吉利沃飛長空自主研發的5 座級純電動力eVTOL 航空器AE200第2 次試飛已成功完成［66］。國外eVTOL 航空器初創企業包括美國的喬比航空（Joby Aviation）、Archer Aviation（ACHR）、Wisk，德國的Lilium Aviation、Volocopter、巴西Eve UAM 等。Joby Aviation 是全球第一家上市的民用空中交通工具初創公司，已經獲得FAA 的135 部航空承運人認證［67］，并完成了FAA 審查5 階段中的第2 階段［68］，預計于2024 年開展空中拼車服務。Volocopter 獲1.82 億美元E 輪融資［69］，已經研發VoloConnect、Volocopter 等多款eVTOL 航空器。Airbus 與意大利航空預計利用正在研發的CityAirbus NextGen eVTOL 航空器，就意大利的UAM 服務展開合作［70］。

現有的eVTOL 航空器在巡航時間、載重、體積大小等方面各有差別［71］。載人eVTOL 航空器的載運能力一般為1～5 座，物流eVTOL 航空器載荷可達500 kg［72］。因此，針對不同的機型設定相同的適航標準是有必要的。通過適航標準統一不同生產制造商eVTOL 航空器的性能包線范圍，讓載運工具運行中采用相同的巡航速度、爬升下降率等參數將更有利于減小空中交通管理難度，提高城市空中交通的系統級運行安全程度［73］。中國民航局立項建設無人駕駛航空器綜合管理平臺（Unmanned Aerial Vehicle Operation Management，UOM 系統），此系統實名登記了國內各類無人駕駛航空器的相關信息，為管理eVTOL 航空提供了數據基礎［74］。市面上4 種主流eVTOL 航空器如表3［75-78］所示。

表3 市面上4 種主流eVTOL 航空器類型Table 3 Main types of eVTOL aircraft in market

2.3 UAM 基礎設施建設

基礎設施的布局、數量會極大影響交通網絡的運行效率，因此，本小節將對UAM 的基礎設施進行綜述性研究，并提出低空公共航路這一關鍵基礎設施。

2.3.1 地面基礎設施

地面基礎設施包括垂直起降機場（Vertiport）、eVTOL 航空器機庫、eVTOL 航空器應急服務站、eVTOL 航空器物流集散地、eVTOL 航空器綜合驗證場，還可以包括防護欄、隔音屏、eVTOL 航空器隧道懸索等裝置，本節將重點討論垂直起降機場。

1）垂直起降機場的布局選址

垂直起降機場作為進入與離開航路重要節點，其布局設計將會反作用于公共航路網絡的布局設計與發展方向。Uber 白皮書中提出了UAM將會通過多式聯運來耦合于城市交通系統中并考慮以站點拼車的共享方式來達到更好的經濟效益和規?；\行效果［21］，這意味著垂直起降機場的布局及其選址分析將會成為UAM 管理中的重要一環。

UAM 地面基礎設施可充分利用現有的城市設施，例如垂直起降機場可選用在火車站等重要交通樞紐處，也可以是建筑物頂層、直升機位等已有基礎設施處，這有利于降低前期基礎設施建設成本。但對于建筑物頂層所帶來的場地使用權限、飛行器噪音、空間隱私問題［79-81］及其商業化可用性問題需要進一步研究討論或政府部門進行協調。垂直起降機場的布局選址與多種因素有關，其中包括需求、交通系統性能，運營模式等。Fadhil［82］基于GIS 對垂直起降場的選址問題進行分析，對影響UAM 基礎設施建設的因素的權重進行分析，研究了2 個大都市和3 種不同場景的案例。結果表明，市中心、機場和城際火車站適合UAM 的初始運營，這可為選址實際操作提供參考和借鑒。Rothfeld 等［83］將UAM 與城市交通系統整合，提出利用一種基于平臺MATSim的多智能體仿真的建模方法，通過分析城市交通系統的性能來確定垂直起降機場的布局變化。屈文秋［84］從交通需求發生的角度，以現有城市道路網為基礎，對UAM 在成都市的需求進行了預測，預測結果可為垂直起降機場和航路的布局選址提供建議。

2）垂直起降機場的設計

關于垂直起降機場的設計，諸多國際組織從不同角度對此展開了探索。歐洲航空安全局（European Union Aviation Safety Agency，EASA）發布了世界首個針對不同機型eVTOL 航空器的垂直起降機場設計規范［85］，FAA 發布了垂直起降機場的工程設計指南［86］，國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）發布了垂起機場的運行標準［87］。此外，企業與個人學者也對此十分關注。Uber［88］提出了多種垂直起降機場的布局模式，其重點考慮的因素是停車點與起降點之間的空間最小、效率最高。Vascik 和Hansman［89］參考直升機機場的設計思想，將垂直起降機場設計為起降臺（TLOF Pads），登機口（Gates），停機位（Staging Stands）三類區域，對垂直起降機場的運行流程進行了設計，分析了機場容量包絡線，評估了機場吞吐量及其敏感性因素等。這種進近點、離場點以及登機口分開的設計，采用比較傳統的機場場面設計思想導致航空器頻繁的滑行和旅客在垂直起降機場內的多段出行，會大大降低垂直起降機場的場面運行效率。該問題在Shao 等［90］對垂直起降場的設計中得到了很好解決，此垂直起降機場集起飛、降落以及停機功能于一體，減少了滑行與乘客通勤時間，從而降低了eVTOL 航空器因在垂直起降機場停留過長時間而帶來的安全風險。

2.3.2 低空公共航路

低空公共航路，是一種基于精準地理信息、動態地理圍欄、近地面氣候條件以及高速路網、移動公網等基礎設施，為多航空器預先規劃的結構化航路網絡，是安全高效運行的保障性新型基礎設施［9］。相比航路，“公共”航路特點在于其“公共”屬性。公共航路具有包容性，是面向多航空器、多機型、多行業、多用戶“共享”的航路，具備多航道，有嚴格的航路準入規則與eVTOL 航空器準入標準。低空公共航路網需能滿足各種類型的eVTOL 航空器的需求，比如固定翼在航路中運行要求更大的尾流安全間隔。

2.3.3 運行基礎設施

除了低空公共航路、垂直起降機場，還需要通信、導航、監視等基礎設施支撐UAM 安全運行和管控，包括基于5G 移動通信技術及其設施的低空通信能力、高精度位置RTK 服務網、高精度氣象預報服務以及eVTOL 航空器監測［9］等。

低時延、高穩定的通訊鏈路是保障eVTOL 航空器在復雜城市低空環境下安全運行的有效前提條件。相比較甚高頻通信系統（Very high frequency，VHF）、衛星通信等傳統航空通信方式，地面移動通信中的5G 毫米波蜂窩數據鏈路在低成本、高可靠、廣覆蓋等方面具備突出優勢［91］。但目前5G 通訊基站主要針對地面用戶需求，不能滿足低空的通信覆蓋需求。因此，UAM 基于5G 網絡通訊的實現，需要針對UAM 航路的布設來進行地面通訊基站的基礎布局和針對低空航路運行的加強性布局。導航能幫助eVTOL 航空器根據其周圍環境，包括所處位置、飛行速度、航向、航路分布以及目標位置等，引導eVTOL 航空器安全、快速的完成任務。主要可分為三類：慣性導航（Inertial Navigation System，INS）、衛星導航（Global Navigation Satellite System，GNSS）和基于視覺的導航［92］。民用航空常用的監視技術包括：一次雷達、二次雷達、廣播式自動相關監控（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）。相比于雷達技術，ADS-B 作為合作式監控系統，定位精度更高，射程更遠，建設投資成本低，壽命更長，且發送信息更新頻率快，是自動實時發送，因而對減小航空器的間隔標準，優化航路設置，提高空域容量等都具有積極作用。但ADS-B 需要依賴于GNSS 與地面基站工作，本身不具備對目標位置的驗證功能，且帶寬有限，因此中國民用航空局［93］明確規定所有民用微型、輕型和小型無人駕駛航空器禁止在任何空域使用 ADS-B 發射機廣播運行識別數據，但允許在無人駕駛航空器上加裝 ADS-B接收機來實現無人駕駛航空器對有人駕駛航空器的感知和識別。

現階段，低空飛行安全氣象保障技術發展滯后，低空公共航路周圍氣象站點數量少［94］，而自動氣象站只能監測無法預警。氣象衛星監測航路氣象狀況受云影響較大且不能連續監測，因此低空公共航路的氣象保障仍需要進一步討論。為保障低空空域內公共航路運行的安全可靠，保障公眾的人身安全與隱私，還需要對非法eVTOL 航空器進行監測，但對于違法eVTOL 航空器的處理，常用的無人機反制［95］措施并不適用，還未曾出現一種行之有效且無附帶損傷的技術手段。此外，與低空公共航路反制息息相關的還包括針對低空公共航路的飛行情報服務和告警服務等。

2.3.4 UAM 管控系統

按照現有的空域分級，UAM 所使用的空域為B、C、D 類無管制空域或程序管制空域，與城市地形空間耦合程度較高，且可能采用無人駕駛或遠程遙控駕駛，遠期的流量密度將會遠超現有運輸航空的儀表飛行規則的空域容量，若如傳統民航般由管制員提供間隔管制服務，管制員工作負荷較大，甚至有可能無法完成管制服務。因此，需要由無管制或粗放式的程序管制轉向精細的自動管理與路徑規劃［96］，進行空地協同式監視與控制［97］，研發可靠的UAM 管控系統至關重要。

對于UAM 的管控系統，新加坡南洋理工大學Mohamed Low［98］提出通過空域網格化來使用和界定城市低空可用空域。通過相關通訊、導航、監視設備在網格化空域中監視eVTOL 航空器并根據不同的情況自主的進行空中避讓；根據空域流量密度，自動的轉換空域航線規劃結構。NASA 認為可以通過建立第三方運營平臺來管理UAM 和調度載運工具［3］，并基于高度自主的AutoResolver 算法將eVTOL 航空器整合到城市交通網絡中，使其與其他交通方式無縫銜接實現多式聯運，統一調度整個網絡中的eVTOL 航空器的出發和到達時間，并對空中載運工具進行軌跡管理和間隔保持服務［48］。文獻［83］提出了基于MATSim 仿真軟件改進的多智能體城市空中交通流模擬仿真，它能夠考慮到eVTOL 航空器特性和專用eVTOL 航空器基礎設施位置變化的影響，對系統范圍的城市交通運輸性能進行分析、建模，并在分析過后針對道路狀況重新對eVTOL 航空器路線進行計劃安排。中國民用航空建設無人駕駛航空器空管信息服務系統（Unmanned Aircraft Traffic Management Information Service System，UTMISS）［99］，簡化了空域和飛行計劃的申請審批流程，提高了運行效率，為中國進一步加強無人機管控創造了條件。

3 低空公共航路

交通出行的首要原則是安全，一種交通方式的安全性將直接決定其是否能夠實現運營。傳統民航的管制方式效率太低，UAM 的流量密度特性使得其不再適用，但自動化管制方式的技術壁壘較高，如何在技術難度范圍，實現UAM 安全、高效的常態化運行是需要思考的重要課題。本文提出利用低空公共航路是可行選項之一，本節將對發展低空公共航路的必要性、研究現狀以及低空公共航路規劃的關鍵技術進行綜述性研究。

3.1 發展低空公共航路的必要性

在一定的空域范圍內，航空器數量較少時，單架航空器規劃航線時無需考慮其他航空器運行動態，自主性較強，能實現單架航空器的最大運行效率。然而，商業化運行背景下，規?；暮娇掌鬟\行將產生海量的航線規劃與多航空器沖突消減需求，eVTOL 航空器自主避撞能力有限，自由規劃路線的方式沖突概率將呈指數形式增長，無法支撐大流量系統下的安全性與高效性需求，嚴重威脅低空運行安全。低空空域通常是指真高1 000 m（含）以下的空間范圍，城市低空空域內有諸多建筑物，環境復雜。有限的低空空域資源與eVTOL 航空器龐大的空域需求之間的矛盾也將會嚴重制約UAM 的產業化發展。低空公共航路可以更好的保障eVTOL 航空器高效、有序利用低空空域資源，使有限的低空空域能夠在零沖突前提下容納更多的eVTOL 航空器?？傊?，由于缺乏滿足發展需求的技術體系和相適應的科技基礎設施支撐，規?；娇掌髟诰o鄰復雜地理環境的低空無法做到常態化安全、高效運行，本文提出將低空公共航路作為UAM 安全高效運行的保障性新型基礎設施。

低空公共航路的劃設綜合考慮低空空域的環境信息以及城市內UAM 的交通需求量，其空間布局對智能交通系統的發展具有重要意義。一方面，公共航路的布局可以反映當前居民出行的空間分布情況，合理的布局有助于促進多式聯運，實現城市交通與空中交通的耦合，構建一體化的城市立體交通；另一方面，低空公共航路可以約束規?；\行的eVTOL 航空器的飛行路徑及方向，使無序飛行的eVTOL 航空器變得有序，提高運行安全性。此外，公共航路的劃設意味著城市可達性的增加，進而促進城區規模進一步擴大，催生與UAM 相關的產業，帶動城區原有無人機制造產業和服務業的發展，甚至能增強城區與郊區、周邊城市的經濟聯動，拓展城市沿著線路軸向發展方向，城市結構和布局也會因此發展改變。因此，低空公共航路不僅是UAM 安全運行的必要手段，是與城市內其他交通方式耦合的橋梁，更是帶動低空經濟發展的“動脈”。

3.2 低空公共航路研究現狀

低空公共航路的概念在2017 年9 月由廖小罕于四川德陽舉辦的“民用航空器駕駛系統發展之路”論壇上首次提出。該概念提出后，低空公共航路概念在多方推動下進一步普及和深化研究。2018 年廖小罕等［100］首次提出低空eVTOL 航空器公共航路概念與多級航路規劃研究方法，2019 年中國民用航空局在《關于促進民用無人駕駛航空發展的指導意見》中明確提出“重點開展低空無人機公共航線劃設和運行研究示范”和“開展低空航路航線規劃與構建技術”研究［101］。2020 年Xu 等［102］首次提出城市低空空域eVTOL 航空器公共航路網構建方法。同時，面向UAM 的所有eVTOL 航空器類型來制訂具有一定包容性的低空公共航路和空中交通管理規則，并將試點運行過程中的試錯不斷總結修改，由點及面推開，形成統一的行業性標準也十分重要。2021 年，IEEE正式頒布了第一個低空公共航路國際標準《A Framework for Structuring Low Altitude Airspace for Unmanned Aerial Vehicle（UAV）Operations》［103］。2020 年中國民用航空局首批13 個民用無人駕駛航空試驗基地［104］，2022 年又增加批準建立7 個試驗基地，這為UAM 制定政策法規、實現運營并應用于城市交通深度融合進行了先行先試。2022 年民航局提出分階段建立航路的發展路線［33］，并希望能在2030 年之前形成數字化空域，拓展航線網絡，進一步為低空公共航路的發展提供了政策上的可行性。

3.3 城市場景下低空公共航路規劃的關鍵技術

低空公共航路規劃是指利用地面遙感影像提取包含自然下界面、人工附屬物、政策規定禁飛區、適飛區以及大氣邊界層湍流等影響eVTOL 航空器飛行的約束要素，對低空空域內環境進行網格化處理，通過一定的航路規劃算法計算最優航線，對規劃后的航線進行飛行仿真驗證以及實際飛行驗證后進行迭代優化，得到最終航線方案。航路規劃需要綜合考慮諸多因素，構建的路徑規劃模型約束條件、目標函數、算法各不相同，一般通過2 個角度進行路徑規劃，eVTOL 航空器避撞和eVTOL 航空器路徑全局規劃。李安醍等［105］從eVTOL 航空器實時避撞角度，通過建立離散的路徑引導點，來實時為eVTOL 航空器的路徑進行規劃。徐晨晨等［106］改進蟻群算法，在預先構建的低空地理信息環境中對eVTOL 航空器路徑進行全局規劃。

除了單一eVTOL 航空器的路徑規劃，結構化的航路網布局也受到廣泛關注。南洋理工大學Mohamed［8］提出3 種航路的劃設方法：基于Air-Matrix 仿真的路網布局、基于建筑物樓頂的路網布局以及基于道路河流布局的航路布局方式，并評估了3 種航路規劃方式的空域容量和吞吐量。對于在道路上空進行航路網劃設的問題，部分學者認為道路本身就對城市低空空域內的建筑物進行了規避，是一種值得考慮的航路規劃方式，但也有學者對eVTOL 航空器對地可能造成的二次傷亡表示擔憂。NASA［3］則針對UAM 的不同發展階段提出不同密度的的航路網規劃方式，總體可概括為一種以eVTOL 航空器起降機場為樞紐節點的放射性城際空中交通網絡結構。以上團隊對于航路網絡結構化設計方式更接近于概念性輸出，徐晨晨等［107］對中國低空公共航路網進行了規劃，并提出低空公共航路網需要根據地理環境考慮航路級別，設置不同級別航路的限制速度、高度等信息。同時提出地理約束要素并非都是阻礙航路規劃的，還有一些有利條件，比如城市內綠化帶有助于降低墜地風險。

航路規劃還存在許多社會性問題有待解決，比如eVTOL 航空器飛行所帶來的噪音問題［50］。雖然eVTOL 航空器相比于直升機更安靜，但公眾對UAM 整合到城市空域中產生的噪音仍存在擔憂。為研究這個問題，NASA 收集了Joby 的eVTOL 航空器在懸停、起飛、巡航和著陸的各個階段噪聲數據，從聲壓測量值、分貝水平、音頻等客觀角度對UAM 規?；\行時eVTOL 航空器機體各部分所產生的噪音進行分析［108］。這些數據將幫助定義和優化滿足社區需求的低噪聲飛行航線，協助政府管理部門制定政策，為正在進行的運營和空域整合工作提供信息。

4 基于低空航路的UAM 管理與運營

一種新型交通方式的出現需要企業和研究機構多年的研究投入，但其產業化應用更需要政府有關部門進行相應的建設、管理、監管、運營，UAM 也不例外。提供給大眾用戶使用的城市物流、空中交通運輸低空公共航路，需經過有關管理部門的認可才具有權威性與合法性。目前國家沒有低空公共航路規劃和運行主管部門，最有可能的就是市政交通部門開展規劃與建設，民航部門對準入eVTOL 航空器進行適航審定和空域使用政策的制定，有資質的服務商提供航路地圖在線商業化服務。借鑒現有的城市交通管理體系，本文提出一種面向未來的UAM 的行政管理機構建設及運營模式框架，如圖2 所示。

圖2 UAM 運營管理框架Fig.2 UAM operations and management frameworks

4.1 UAM 的行政管理

對于UAM 的行政管理，現在尚未有定論，但確立UAM 管控主體對促進其行業健康、有序發展具有重要意義，本文將根據我國現有的行政部門，提出UAM 的行政管理模式，如圖3 所示。UAM 的運行區域以一座城市為主要范圍，因此本文提出未來UAM 可以因城施策，考慮以地方交通局為管理主體制定UAM 發展規劃戰略與地方政策法規，地方市政部門負責組織UAM 基礎設施建設，民用航空管理部門負責載運工具、空域相關標準與準則的制定。此外，還應考慮下設UAM 監管部門，對包括載運工具的適航審定、運行空域管控、事故責任認定、違法行為處罰在內的UAM 運行全流程進行監管。

圖3 UAM 的行政管理模式Fig.3 Management mode of UAM

作為管理主體的地方交通局是UAM 發展方向與發展戰略的主要規劃者，其制定的UAM 相關政策、標準、基礎設施布局規劃不僅能反映地方發展需求，也具有一定的參考意義和普適性。市政部門組織UAM 基礎設施建設時，需綜合考慮城市現在交通方式的特性和UAM 更適合城區內部中遠距離出行的特性。在進行地面站點選址與建設、運行基礎設施布設、低空公共航路規劃與建設時，考慮與其他交通方式進行有效銜接，幫助乘客無縫銜接進行多式聯運，形成一體化的立體交通樞紐。民航局需要對UAM、民航、通航使用空域的范圍進行界定，并制定相應的申請準入規則。根據UAM 使用空域的范圍與準入規則，制定UAM 整體性行業標準、載運工具適航標準制定、載運具生產制造標準。

現有的行政管理部門能從頂層設計上對UAM 的發展進行掌控，但還需要專門的執行部門根據UAM 的運輸特性綜合地面交通和空中交通的技術手段對空中交通流進行管控，以應對UAM 非正常運行情況和違法違規情況的發生。其職能主要包括監管、溝通、審查和處罰。監管是指對載運工具禁止進入的空域和規劃好的航路進行監管，若發現禁區內或者航線上出現“黑飛”航空器入侵，則可采取相應的措施進行阻止，警告或強迫備降等。溝通是指UAM 與民航運輸、通航飛行共用同一空域時，管控部門需與民航、通航管制員進行溝通，以分離UAM 載運工具和民航運輸航班、通航飛機。審定是指一旦UAM 載運工具之間發生意外事故，監管部門需要根據每起不同的事故起因進行責任認定。此外，監管部門有權利在UAM 載運工具運營前審定eVTOL 航空器的適航資質，并在起飛前后隨機抽查UAM 載運工具的資質。處罰是指監管部門有權對運行過程中發生的違法違規行為的UAM 載運工具的責任主體進行處罰，處罰的形式可仿照現有道路交通對載運工具和運營人的處罰形式，主要表現為罰款和飛行允許資格。

4.2 UAM 的運營

UAM 的運營還有諸多問題未得到解決，本文將從UAM 運營框架、運營模式以及運營過程中各角色所承擔的責任等方面對UAM 運營相關問題進行討論。

在運營框架方面，是否開放私人購買eVTOL 航空器權這一問題始終備受爭議，不開放eVTOL 航空器個人購買權在運營方面將會是開放個人對eVTOL 航空器購買權的子集，本文將以此為基礎進行UAM 運營框架的討論。在運營模式方面，Uber 指出，UAM 使用拼車模式費用有望低至1.5 元/km，即Uber X 的水平［21］。在UAM 的發展前期，出行成本相比與其他交通方式較高，UAM 的票價的降低能有效促進出行需求的增長［109］，共享運行模式將有助于UAM的運營。且乘客只能在固定位置的專用登機站起飛和降落，如圖4［110］所示。這聚合了乘客行程的起止點選擇范圍，為共享使用eVTOL 航空器創造了有利條件。因此，本文認為最適合UAM 運營的方式是將eVTOL 航空器作為一種公共的共享式的交通載運工具向公眾開放。通過統一的承運商、統一制式的載運工具在一座城市范圍內開展相關服務，能夠確保在UAM 發展初期階段具有更高安全水平的運營能力，這是保證UAM 行業健康有序向前發展的關鍵。關于UAM 運營過程中的不同角色，本文提出大致有3 個：用戶、私有eVTOL 航空器擁有者以及第三方運營平臺。用戶是指使用UAM 出行服務的乘客與貨物，其可以根據需求選擇私人定制運輸服務或共享出行，貨物的配送依靠物流中心完成。私有eVTOL 航空器擁有者可根據自身需求選擇盈利性運營或私用，其運營需要依靠平臺并向平臺提交相關適航資質，同時，私用也相應需要進行空域申請、航路申請、飛行計劃報備。但如果人人以私有形式占有eVTOL 航空器，這將浪費過多的地面停放空間。這與NASA 提出UAM 概念之初所強調的按需供應（Ondemand）和共享出行（Riding-share）概念有所違背，不利于載運具利用率的提升，因此私用eVTOL 航空器擁有者情況應盡量避免。第三方運營平臺擁有購買eVTOL 航空器并進行運營的權利，負責辦理、審核eVTOL 航空器的相關適航證明，匹配用戶與eVTOL 航空器，與航路監管部門進行溝通反饋

圖4 eVTOL 航空器登機站示意圖［110］Fig.4 Schematic diagram of eVTOL aircraft boarding station［110］

對于UAM 如何進行共享運營（圖5），本文根據實時出租、網絡約機［111］、P2P 租賃［112］、定制公交［113］這4 種城市交通現有共享出行模式，提出高端定制飛行服務、起降點拼機、網絡約機、P2P 租用以及定制空中巴士這5 種UAM 的共享模式。

圖5 UAM 的運營框架Fig.5 Operation structure of UAM

高端定制飛行服務根據用戶的出行需求在指定地點專機接送，適合時間敏感、經濟條件良好的人群，這種模式共享車輛但不共享行程。起降點拼機是指用戶未事先預約行程直接到達登機站點，UAM 運營方隨機為其分配空閑eVTOL 航空器進行UAM 運輸服務的運營模式。這種模式較難給予選擇拼機的用戶一個準確的等待時長預期，無法保證用戶的共享出行體驗，且很難保證站點隨時都有空閑的航空器待命。網絡約機是指用戶利用智能終端設備向運營平臺發起行程需求，運營平臺根據用戶位置信息、行程起訖點為乘客匹配周邊處于空閑狀態的eVTOL 航空器提供運輸服務。該模式下，UAM 運營方能夠提前掌握用戶的出行需求，可以為選擇接受共享出行方式的用戶提前匹配拼機用戶，調配機型資源，并以系統提醒等交互方式敦促共享乘機用戶按預期登機時間到達站點。P2P 租用是指在成熟商業運作和完備的個人信用體系保障下，通過運營平臺將閑置的私人eVTOL 航空器在物權人同意的前提下租賃給其他用戶使用的模式。這種模式再次配置了載運工具資源，且UAM 運營情境中解決了在私家車共享方面存在的監管、個人信用體系不完善的問題。因為所有eVTOL 航空器都具備相關資質證明與機主信息，接受運營平臺的統一調度。定制空中巴士是為出行起訖點、出行時間、服務水平需求相似的人群量身定做的一種公共交通運營服務方式。該種模式固定起止站點，一站送達，前期價格可能仍會遠高于地面公交、地鐵等交通方式，但可以通過增加eVTOL 航空器的座位數量來降低個人成本。

4.3 UAM 管理與運營的關鍵技術

UAM 安全、高效的管理與運營離不開技術的支持，其中包括但不限于基于低空公共航路的運行規則進行流量控制，對低空公共航路的運行風險進行評估，本小節將這2個問題進行綜述性研究。

4.3.1 低空公共航路運行規則設計與流量控制

運行規則常常與流量控制一起討論，運行規則是流量控制的前置條件，影響流量的布局與控制方式。對于航路上的運行規則設計與流量控制，通?？捎盟俣瓤刂?、雷達引導排序、時間以及高度層分離等手段。Jang 等［114］對城市低空空域內交叉口的運行規則進行了討論，仿真模擬了加載流量后的交叉口，對不同結構的交叉口的性能進行了分析。這種方式是對路面交叉口設計的延伸，具有一定的借鑒意義。Xue［115］通過研究發現集中式的控制架構性能略優于分布式控制架構，但其魯棒性較差，分布式控制架構中，統一的運行規則性能優于混合運行，因為在混合規則的情況下，系統安全性能受到破壞，并由表現不佳的人主導。對于垂直起降點的的運行規則設計與流量控制，Shao 等［90］和Yeo 利用eVTOL 航空器能夠懸停的特點，無需考慮垂直起降機場進出路徑無障礙下滑角的問題，基于背壓策略設計了多環模式的起降航線的自適應垂直起降站（圖6［90］）。相比傳統五邊飛行，其魯棒性與效率性更高。Song 和Yeo［116］設計了3 種不同進近過程的多環進近結構（圖7［116］），仿真結果證明，分支排隊法（Branch Queuing Approach，BQA）在準時性和分離風險上均表現出較好的性能。在億航216 的試飛實驗中，航空器在起飛與落地前均有一段垂直爬升或下降的階段，這說明這種多環垂直起降設計結構在城市低空空域內實際運行過程中完全有可能實現，這大大降低了垂直起降機場周邊障礙物高度的要求。

圖6 MVS-TA 模型的三維運行示意圖［90］Fig.6 Three-dimensional diagram of MVS-TA operation［90］

圖7 3 種vertiport 的進近控制方法［116］Fig.7 Three proposed vertiport approach control concepts［116］

4.3.2 低空公共航路風險評估

eVTOL 航空器在公共航路內的適航安全性被定義為：①在特定航路內運行時，不會對地面財產和人員造成損失或構成危害；② eVTOL 航空器運行過程不能對其他正在進行航空活動的其他eVTOL 航空器或航空器的飛行安全造成影響［117］。低空公共航路的安全運行需要加入風險管理體系，經過系統性風險識別與評估后，針對特定場景開展風險緩控措施，可把殘留風險降低到可接受水平。

風險識別目標是發現UAM 管控系統潛在的失效原因并分析后果，對與eVTOL 航空器運行相關聯的風險場景進行特性總結，常用的方法包括故障模式與影響分析［118］、危險和可操作分析［119］、蝴蝶結分析［120-121］、事件樹［122-123］、故障樹［124-125］等。上述的風險識別技術與模型可以及時準確地識別eVTOL 航空器運行的直接風險，例如eVTOL 航空器自身故障、eVTOL 航空器與障礙物或低空其他航空器相撞造成的直接風險，但是對于噪聲［126-127］、隱私侵犯［128-129］，墜地危害等潛在的風險識別分析效果并不理想。風險評估是在特定運行場景，基于專家知識經驗，事故數據統計與分析結果，對eVTOL 航空器運行過程的各個環節進行建模，并量化評估風險性，具有很高的客觀性和準確性［130-132］，主要模型包括eVTOL 航空器失效模型［132-134］、地面碰撞模型［135-136］、地面暴露模型［137］、eVTOL 航空器空中碰撞模型［138-140］。對于風險緩控措施，可通過劃設eVTOL 航空器禁飛區［141-143］，制定包含飛行高度、飛行時間、飛行區域等因素的飛行規則［144］，對硬件設備進行預防性維護與保養，設計高魯棒性的軟硬件系統［145］等方式來保障低空公共航路運行安全。

5 低空公共航路網的構建

以低空公共航路為核心，在當前基礎設施水平和高新技術發展基礎上，融合高精度多組合導航定位、5G 聯網通信、精細氣象預報等新一代技術，構建以航路為載體的低空無人機應用服務系統，升級完善固有基礎設施或者新建基礎設施形成新型基礎設施體系，對于應對UAM 低空規?；\行十分重要。低空公共航路網建設關鍵主要包括：

5.1 低空空域網格化和數字化

為應對復雜的城市障礙物環境和低空空域管控限制問題，需要對低空空域資源進行精細劃分和管理，即低空空域的網格化和數字化研究。采用基于統一網格剖分系統對格式和類型多樣的約束要素進行多級網格剖分，剖分單元大小適應航路寬度要求。此外，為了對空間數據進行高效組織和管理，為每一層級的任一體塊的空間位置賦予唯一編碼構建數字化低空，每個體塊除了空間位置信息，還包括空域性質、風險評級等屬性。

5.2 基于低空地理信息的航路網規劃系統

基于遙感、時空地理大數據、人工智能等技術開發三維地理信息系統，通過遙感智能解譯技術精準甄別建筑物、道路等低空復雜環境飛行地理約束要素，形成構建地理約束要素特征庫、影像識別與快速提取算法庫。突破基于體元柵格的三維航路及環境高效表達技術，構建凈空邊界低空地理網格數據庫，研發多級航路網迭代優化與快速構建技術，實現無人機低空公共航路網規劃功能。研究復雜飛行環境下的動態仿真、真實場景下航路驗證和虛擬現實等技術，進行多機型無人機航路三維仿真飛行驗證與實際飛行風險評估，研發無人機低空公共航路規劃與仿真驗證系統，為國家、行業和區各級航路網規劃提供技術支撐與驗證評估。積極耦合支撐民用無人駕駛航空器綜合管理平臺的關鍵模塊—飛行計劃管理，以提升飛行計劃審批效率、無人機運行效率與安全效益，為國家、行業和地區各級航路網規劃提供不可或缺的技術支撐與驗證評估。

5.3 城市低空數字化公共航路網（天路圖）

針對國內外無人機運行共同缺失低空公共航路網的嚴峻現狀和行業發展迫切需求，面向典型應用場景和特定機型，研究低空復雜環境下飛行地理約束要素（包括地形地貌、建筑物、禁飛區等）甄別、遙感提取和障礙區凈空邊界評價方法，形成無人機低空復雜飛行環境地理約束要素凈空邊界標準。突破復雜環境三維航路高效計算、地理約束要素迭代優化的高精度多級航路網構建、同一區域同一時段下多機多用戶運行多航道時空資源配置、多機型多行業共享寬兼容公共航路設計等關鍵技術，形成無人機低空公共航路規劃的技術體系，產出典型示范區航路網（天路圖）。

5.4 基于高精度、高動態地理信息城市低空航路網運行監管系統

針對當前無人機監管無序、無有效監管手段等問題，可依托已獲得中國民用航空局唯一公有云運行許可的中國科學院中科天網云系統和全國無人機遙感數據目錄信息服務平臺，圍繞無人機的綜合管理，基于三維地理信息、無人機遙感、海量動態時空對象高效自適應的實時三維可視化等前沿技術，結合云邊端一體化的網絡體系，在統一的時空基準下高度融合空天地一體化的數據，設計與構建云計算框架下的統一監管平臺，實時獲取接入云系統企業的無人機運行動態，助力無人機監管部門實現有效、高效和安全監管。該系統基于高精度、高動態的地理信息和空域信息基礎研發，除了實時監管功能，還包括空地協同起降點網建設與布局、高精度氣象快速預報等功能。

6 UAM 落實建議

對UAM 如何落實還需諸多實踐。一方面，明確UAM 的定位很重要。什么樣的場景適用于UAM，什么場景使用UAM 能彌補現有交通方式的缺點，達到更好的交通效益是需要考慮的問題之一。另一方面，不同的使用場景，其受眾群體、運行范圍、合作伙伴、運營規則以及風險因素等也大不相同，在不同的場景如何開展試點工作也需進一步考慮。

6.1 UAM 應用場景需求分析

為保障UAM 試點工作的順利開展，分析UAM 潛在市場以及應用潛在障礙應該從應用場景的分析開始。UAM 應用場景可能以下幾類：已有公共交通不可用或交通不便場景，時效性要求高場景，以及短途公務出行和觀光旅行等。已有公共交通不可用或交通不便場景包括郊區與市中心間的往返等；時效性要求高場景包括急救藥品和亟需救援病人的運輸、應急救援等。UAM 需求包括通用場景要求和特殊場景要求。特殊場景需要根據場景特征來決定，這里僅介紹通用場景需求，結合前文UAM 基礎設施組成，建議對以下幾個方面進行優先調研分析。

1）對于城市地區商業運行，安全要求和認證標準至關重要。

2）需要高質量的障礙物和地形數據庫。

3）基礎設施需求分析，調研現有基礎設施類型和服務能力，比如物流集散點分布和電網服務能力；調研現有UAM 航空器類型和空域現狀，據此分析UAM 對起降場硬件、尺寸、空域等具體要求。

4）當前地面交通流量、成本、能耗需求分析和預測。

5）UAM 對地面交通流的分流預測。

6）公眾對于UAM 建設接受度分析，根據EASA 調研報告，目前公眾最關心的要素是：地面人員的安全、車輛發出的噪音類型和水平、車輛行駛的時間和飛行的高度等。

6.2 探索支撐UAM 運行低空空域管理政策和運行機制

UAM 商業運行對低空空域資源的利用率和動態性要求高，如何高效、精細化地利用低空空域資源，需要進一步明確?？蓛炏仍圏c發展城市低空空域管理改革政策試點，進一步深化城市低空空域管理，賦予UAM 試驗示范區低空空域管理權。在試點工作中，首先需要確定UAM 利益相關者，比如UAM 平臺提供商、車主、車輛制造商、運維公司、保險公司、基礎設施提供商等；其次，確定UAM 運營商業模式，誰來建立、擁有和管理地面基礎設施？考慮到融資、擁有成本、維護和監管等關鍵方面，可能會出現不同的商業模式；最后，需要獲取精準的市場定位，進而掌握各類用戶需求，科學設計運輸網絡及全流程運營管理模式，在安全性、經濟性和可靠性等方面達到最優，輔以精細規范的管理，以滿足多方需求。試點工作可按照以下步驟展開。

1）確定試驗區和試驗場景。針對試驗區特點，設計適用于試驗區的典型運行場景。并在充分調研地面需求及評估運行環境風險的前提下，開展低空公共航路規劃、構建及地面輔助配套基礎設施建設。

2）測試航路通信、導航和監視能力，在監管平臺下開展應用測試，積累飛行數據支撐主流運行規則制定。

3）推進億航、小鵬匯天、峰飛等國內相關企業的UAM 試驗先行先試工作，融合企業豐富的實踐經驗，以及高校、科研院所的先進理論和核心技術研究，建立產學研用協作機制，由各單位聯合開展科技成果試點推廣，形成相關規范性文件和行業標準。

4）以點帶面，逐步推廣形成運營主體明確、布局合理、覆蓋面廣、銜接高效的UAM 低空航路網絡。

5）推進立法工作的建設，確立UAM 相關的違法行為與相應處罰措施。

7 結論

UAM 有關的基礎設施建設和商業化探索已被提上日程，低空公共航路作為進一步發展UAM 安全和高效商業化運行前置條件，與之相關的法律法規、行政管理機構、運營規則與模式等相關領域研究仍幾乎處于空白狀態。因此，對低空公共航路的研究探索對UAM 產業健康有序發展是必要且必須的。本文對UAM 的發展歷程、商業化試點現狀以及與城市交通和民航運輸的區別進行了綜述性研究，并在此基礎上提出了UAM 的基本概念、載運工具以及其發展所需要的基礎設施。為了進一步發展UAM，本文論證了UAM 與低空公共航路的關系，并對其研究現狀以及規劃的關鍵技術進行了梳理。此外，本文從商業化角度提出了可供參考的UAM 運營與行政管理框架，并從運行規則設計、流量控制以及風險評估等角度對其中的關鍵技術進行分析。最后，本文通過明晰UAM 未來可能面臨的機遇與挑戰對如何通過建設低空公共航路來發展UAM 進行了展望，以期能為后續的深入研究提供參考。

如何進一步推動低空公共航路的發展和UAM 的研究與實際應用，還有諸多問題有待探討。政策方面，目前低空公共航路的研究還屬于初級階段，雖然在民航局的推動下已經引起廣泛關注，但針對低空公共航路在不同場景下的技術細節標準基礎仍處于空白狀態。技術方面，飛機電氣化已成為航空技術發展的重要方向，分布式多電機動力系統可以促使eVTOL 航空器的航電和動力系統更加融合，也有助于實現噪音更小，安全程度更高，自主駕駛能力更強的新型航空器的生產制造。但eVTOL 航空器的適航標準很難界定，特別是安全文化長期以來已經根植于航空運輸業中，eVTOL 航空器的安全性決定著UAM的發展是否會再次陷入低潮。市場方面，Berger［146］和Deloitte［147］報告中提出了多種可行的應用場景，并預測了近未來十年左右UAM 的市場規模。毫無疑問，UAM 所描繪的商業化場景比傳統通用航空更具吸引力，可以說，基于eVTOL 航空器所定義的UAM 市場賦予了通用航空新的生命力。但近未來階段eVTOL 航空器的生產制造成本和初期所能提供運輸規模體量決定了它早期的受眾對象——即對時間敏感愿意支付更高服務費用的人群。至于以什么樣的模式運營能提高市場規模，增強消費活力，甚至融入城市交通體系中常態化運行，仍需進一步研究。社會方面，起降點設置的場地多為樓頂，樓頂的商業化使用權限問題，運行過程中帶來的隱私、噪音問題將會是提高公眾接受度一大難關。同時，還包括飛行過程中給乘客帶來的心理上的不安全感問題，登機和下機的時間過長而巡航時間所占比例過低的問題等。

總之，UAM 的發展還需要公眾接受、市場培育、相關法律標準的健全和相關從業人員的培養，但UAM 出現和發展是符合未來通用航空運輸的發展趨勢，即空中流量更加密集，運輸場景更加廣泛，空地協同管理能力更進一步提高，地面系統與機載電子信息系統耦合將變得更加緊密。雖然前路曲折，但依然值得期待，相信在不遠的將來，城市空中交通這樣一種新型交通方式將會真正融入人們的生活中。