摘要

 

随着垂直起降(VTOL)航空器的快速发展,城市空中交通(UAM)逐渐引起了人们的关注。UAM作为一种新型交通运输模式,将给未来城市发展增加无尽的活力。然而,现有的空中交通系统不能满足城市空中交通需求的发展要求,必须针对城市空中交通特点,构建未来城市空中交通体系。首先，从研究区域交通运输市场现状与发展进程，简要概述了城市空中交通的发展前景；其次,分别从气象条件、空域资源与管制情况、出行成本等方面系统论述了UAM的市场需求与可行性。最后,提出空中交通管理目前所面临的问题与挑战,给出发展建议,为城市空中交通深入研究提供参考借鉴。

 

 

引言

 

 

未来,按需出行(ODM)可能会改变人们未来的出行方式,车辆路线和时间表将不再是预先固定的,它们将动态地适应服务于传入的运输请求[1]。当今社会我们已经见证了ODM通过基于互联网应用的打车APP的乘车服务的实现,包括美团打车、T3出行等。垂直起降电动机(eVTOL)由于其对时间敏感、价格无弹性的旅客的吸引力,近年来受到了广泛关注,它将为旅行者的选择集增加模式,并在高峰通勤期间提高现有交通系统的运营效率[2]。本研究的目的是为UAM服务的通勤市场在上海地区提供一个可行性分析。

 

研究区域交通运输市场现状

 

上海地区经济保持持续增长态势

2019年,上海浦东机场继续保持平稳的增长态势,全年浦东机场旅客吞吐量全国排名第二。作为内地最大的空中口岸,浦东机场航空客货运量跻身世界超大型枢纽机场“俱乐部”,国际和地区旅客客运量和货邮吞吐量稳居全国第一,货运优势明显。2019年浦东机场出入境旅客吞吐量超过50%,继续保持内地最大空中口岸地位。为e VTOL在上海地区率先商用化提供了大量的实践经验

 

 

2020年,受疫情影响,全年实现上海市生产总值(GDP) 38700.58亿元,比上年增长1.7%(见图1)。其中,第一产业增加值103.57亿元,下降8.2%;然而,第二产业增加值10 289.47亿元,增长1.3%;同时,第三产业增加值28 307.54亿元,增长1.8%。第三产业增加值占上海市生产总值的比重为73.1%,比上年提高0.2个百分点。由第二产业为依托,第三产业为支撑的整个经济体系,庞大的经济体量为e VTOL出行提供了可靠的经济基础。

表1 上海市不同产业人员分布情况单位:万人

 

 

数据来源:2020年上海统计年鉴

 

 

图1 2016～2020年上海市生产总值及其增长速度

数据来源:2020年上海市国民经济和社会发展统计公报

 

 

人们出行需求对市场形成有效刺激

 

上海市轨道交通2019年全年日均客运量1 064.2万乘次,同比增长4.7%。截至2019年底,全市运营轨道交通线路(含磁浮线)共17条,全部轨道交通运营线路长度704.9 km。公共汽(电)车日均客运量为571.2万乘次,同比下降0.8%。2019年,公共汽(电)车线路数共计增加32条,线路数多达到1 575条,市公交汽(电)车线网长度8 997km。截至2019年底,上海市互联网预约出租车监管平台平均每日在线车辆数为7.9万辆,平均每日客运量为170万乘次,同比增长51.8%。2018年底,市互联网租赁自行车监管平台平均每日在线车辆数为30.5万辆,平均每日骑行量为100万次。上海公共交通人流量持续稳定增加,而人们花费在通勤的时间长度位于全国第二,严重制约了出行效率和出行体验。进一步,由于近年来对新能源领域的大力投资与推动,新能源汽车在我国进入了高速发展阶段,与之配套的充电桩已建立高度化的城市快速充电网络。垂直起降电动机(eVTOL)可以利用已经建立的充电桩,减少基础设施资金投入,增加充电桩的利用率,建立起完善的城市三维立体交通。

 

 

空中交通运输需求技术不断成熟

 

丰田在2020年1月向e VTOL初创公司Joby Aviation投资了近4亿美元,英国资管巨头Baillie Gifford也参与了这一轮融资,助其完成这一轮5.9亿美元融资。BaillieGifford早年曾以每股6美元的价格投资了特斯拉的股票。Baillie Gifford认识到这一变革性新兴市场的长期潜力,还向德国e VTOL初创OEM制造商Lilium投资了3 500万美元。

 

 

 

图2 2012Q1百城通勤时耗榜

数据来源:《2021年第2季度中国城市交通报告》

图3 2020年一线和新一线城市公共充电桩密度排行

数据来源:《2020年度中国城市交通报告》

 

除了Joby Aviation和Lilium之外,全球成立多家值得关注的e VTOL初创公司,包括德国Volocopter、中国亿航智能(EHang)、日本Sky Drive、英国Vertical Aerospace以及美国Jaunt Air Mobility和Beta Technologies,这些公司正处于e VTOL商业开发的不同阶段。其中一些已经正在进行他们e VTOL飞机的载人试飞,并取得良好效果。

 

 

美国e VTOL初创OEM企业Archer Aviation最近宣布,公司计划通过与一家特殊目的收购公司(SPAC)合并完成曲线上市。这笔交易进而将使Archer Aviation的估值达到38亿美元。除此之外,Archer Aviation还宣布,美国联合航空公司(United Airlines)已向其下订价值10亿美元的e VTOL飞行器。随着第一批e VTOL飞行器离飞行认证距离越来越近,市场对垂直起降电动机兴趣正在上升。

 

城市空中交通运输市场需求估计

 

江苏南部,浙江北部,以上海为中心,被定义为这一分析的研究领域,考虑到它的UAM潜在的通勤行程。在高峰时段,上海地区的通勤者每年因交通拥堵损失数千亿人民币。该地区独特的多中心通勤模式在高峰时间通过地面模式通勤更加困难。此外,由于长三角地区是中国家庭收入第二高的地区,因此大部分人口可以负担得起UAM。

 

气象条件对城市空中交通的影响

 

长三角的天气也有利于UAM模式,减少恶劣天气事件。恶劣的天气条件可能会妨碍UAM的运行,类似于今天的航空运输。即使有先进的航空电子设备和自动化,在恶劣天气条件下提供可靠的乘客服务也将是一项挑战。利用中国国家气象中心数据纪律的最近10年内的汇总天气数据,发现平均而言,降雪量仅31天,仅占总天数的0.8%。然而,上海地区受到风的影响,其中11%的风速超过四级风。上海地区且温度较为稳定,极少出现极寒或极热等极端天气。雾和地震活动可能会影响UAM系统运行,与中国其他地区相比,有希望的通勤模式、人口统计数据以及总体上有利的天气条件支持上海地区选择UAM运营。

 

图4 上海及周边行政区域地图

 

 

空域资源和管制情况

 

低空空域划设原则上是指真高(离地高度) 1 000 m(含)以下空域,超低空空域划设一般是指真高120 m(含)以下空域,主要用于视距飞行高度限制。根据中国民用航空局2019年第一季度无人机云相关数据统计:运行高度在120 m以下的航空器占96.5%,1 000 m以下的航空器占据99.9%。

当代民用无人系统技术发展迅猛,这是由于电池技术和电力推进等技术的快速进步,无人机自动驾驶飞行技术等自动化技术的日趋成熟及稳定,以及图像数据处理和人工智能数字处理的发展。由于无人机的性能得到了极大快速改进,无人机由视距内人工远程遥控操作,发展为超视距内的远程网络系统操作。伴随着4G通信技术的日渐成熟和面向相关行业应用的5G技术的逐步商用化,民用无人机大规模应用离人们日常生活也将越来越近[4]。

无人机空中交通服务包括以下:容量管理、空域管理、流量管理、空中交通管制、飞行监视(针对消费级的无人机)、飞行情报服务、无人机围栏、告警与通知等。与传统民用航空空中交通管制不同之处在于低空无人机的空中交通管制相关功能将进行适当简化,部分功能适当融入到容量管理和流量管理当中,由后台远程控制计算机进行负责。

 

空中出行成本

 

但是,在民用航空运输(固定翼)和城市直升机比较发达以及运行比较成熟的前景下,e VTOL制造商想要轻松“起飞”运营,迎来大规模商用化并不容易。随着UAM市场日益成熟,城市空中交通何时到来的问题也引起相关监管机构、制造商,运营企业等不同主体的大量广泛讨论,但是业界目前尚无统一的定论。根据美国国家航空航天局(NASA)发布的UAM行业成熟度(UAM maturity level,UML)预测,2021年左右自动驾驶飞行器可以实现在指定区域内部进行认证测试或者操作演示,目前已经快要实现。为了追求尽快投入商业运营的目标,中国亿航正在世界各地开展广泛的载人飞行测试。该公司称,其已在广州、贺州、深圳、肇庆、三亚等7个地方完成了约2 800次空中试飞,后续有望为顾客提供空中观光和短途通勤服务。如果一切顺利,有望未来几个月内为其EH216 e VTOL机型完成商业运营前的认证工作,从而获得领先欧美竞争对手数年的优势。NASA空中出行项目经理Davis Hackenberg预测在2028～2030年,自动驾驶飞行器可以在低空中等密度空域内实现商业化应用。

目前,整个城市低空交通产业正在高速发展。在国内外,整个UAM的发展环境是加速发展,包括中国、美国、韩国、日本、法国在内的各国政府和企业都对UAM这个产业非常重视,在政策和资金一直在鼓励企业创新、积极推进垂直起降电动机的发展。城市空中出行服务面向巨大的市场,电动化带来的低成本促使这种商业模式成为可能[5]。e VTOL使用电力提供动力除了能节省大量燃油,机身的震动相比较也更小,因此可以大量采用复合材料,进一步降低整体成本。

按照我们目前消费习惯,乘坐一趟飞行出租车,价格大概相当于乘坐一次豪华版出行车辆所需费用,最开始定位服务对象主要面向时间敏感型而非价格敏感型的商务人士。

 

问题与挑战

 

然而,城市空中交通管理作为一种新兴的交通管理模式,其管理必然面临诸多重要挑战。

城市空中交通环境复杂。复杂的城市空间,不同于一般的低空空域和传统的高空空域,城市空中交通管理需要考虑各种复杂环境的影响及其带来的公共安全、噪音污染、隐私保护等现实问题[6]。城市空中交通载运工具研制生产虽然已经取得较大进展,但其适航性能、人机模式等仍有待深入验证,商用化应用仍有较大困难。城市空中交通航迹规划精度要求较高,如何与城市空间设施、道路交通系统等进行高校衔接,确保空中交通运载工具精确起降,仍有待研究。城市空中交通管制模式尚不明确以及相关法律法规标准空白等问题亦面临诸多重要挑战。

在推动e VTOL商业化落地的进程中,会面临诸如续航里程不足、垂直起降过程能耗较高、运行监管政策、空域管辖等多种问题。当前制约e VTOL商业化应用最大的领域在于其续航里程上不能满足日常需求的不足。空中的自动驾驶飞行器e VTOL跟地面不同,有任何环节出现问题都可能导致十分严重的灾难性的后果。所以更多冗余、更周密的安全性以及历经各种复杂环境还能保持稳定可靠的总体设计,是目前e VTOL最大的门槛和难点。

 

 

总结

 

城市空中交通是解决城市交通拥堵问题最有力的方式之一,未来必将在社会各界的共同努力下迎来繁荣兴盛的局面。目前城市空中交通管理的发展在世界各国均处于起步阶段,UAM仍面临许多问题和挑战,本文为未来城市空中交通管理发展提供一定的参考依据。

本文中的研究结果针对的场景不包括天气条件对需求和运行的影响、垂直港或空域容量问题、无航向航班到达的额外等待时间以及UAM的可靠性问题。本研究假设这些区域的条件都很理想。但是,将这些因素添加到分析中可以提高需求估计的准确性。建议针对未来特定地区的UAM需求模型。该研究的另一个局限性是无法解释发生的动态延迟,但考虑到拥堵的动态性质,肯定可以改进驾驶出行的驾驶时间估计和UAM出行的联运连接。最后,未来的研究应该考虑额外的旅行目的,包括个人旅行。这将增加对系统的需求,而不会通过增加非高峰时段的出行量来扩展UAM系统基础设施。添加这些行程将为UAM系统提供更多理由。