三、UAM 基础设施建设

基础设施的布局、数量会极大影响交通网络的运行效率，因此，本小节将对UAM 的基础设施进行综述性研究，并提出低空公共航路这一关键基础设施。

1、地面基础设施

地面基础设施包括垂直起降机场（Vertiport）、eVTOL 航空器机库、eVTOL 航空器应急服务站、eVTOL 航空器物流集散地、eVTOL 航空器综合验证场，还可以包括防护栏、隔音屏、eVTOL 航空器隧道悬索等装置，本节将重点讨论垂直起降机场。

1）垂直起降机场的布局选址

垂直起降机场作为进入与离开航路重要节点，其布局设计将会反作用于公共航路网络的布局设计与发展方向。Uber 白皮书中提出了UAM将会通过多式联运来耦合于城市交通系统中并考虑以站点拼车的共享方式来达到更好的经济效益和规模化运行效果，这意味着垂直起降机场的布局及其选址分析将会成为UAM 管理中的重要一环。

UAM 地面基础设施可充分利用现有的城市设施，例如垂直起降机场可选用在火车站等重要交通枢纽处，也可以是建筑物顶层、直升机位等已有基础设施处，这有利于降低前期基础设施建设成本。但对于建筑物顶层所带来的场地使用权限、飞行器噪音、空间隐私问题及其商业化可用性问题需要进一步研究讨论或政府部门进行协调。垂直起降机场的布局选址与多种因素有关，其中包括需求、交通系统性能，运营模式等。Fadhil基于GIS 对垂直起降场的选址问题进行分析，对影响UAM 基础设施建设的因素的权重进行分析，研究了2 个大都市和3 种不同场景的案例。结果表明，市中心、机场和城际火车站适合UAM 的初始运营，这可为选址实际操作提供参考和借鉴。Rothfeld 等将UAM 与城市交通系统整合，提出利用一种基于平台MATSim的多智能体仿真的建模方法，通过分析城市交通系统的性能来确定垂直起降机场的布局变化。屈文秋从交通需求发生的角度，以现有城市道路网为基础，对UAM 在成都市的需求进行了预测，预测结果可为垂直起降机场和航路的布局选址提供建议。

2）垂直起降机场的设计

关于垂直起降机场的设计，诸多国际组织从不同角度对此展开了探索。欧洲航空安全局（European Union Aviation Safety Agency，EASA）发布了世界首个针对不同机型eVTOL 航空器的垂直起降机场设计规范，FAA 发布了垂直起降机场的工程设计指南，国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）发布了垂起机场的运行标准。此外，企业与个人学者也对此十分关注。Uber提出了多种垂直起降机场的布局模式，其重点考虑的因素是停车点与起降点之间的空间最小、效率最高。Vascik 和Hansman参考直升机机场的设计思想，将垂直起降机场设计为起降台（TLOF Pads），登机口（Gates），停机位（Staging Stands）三类区域，对垂直起降机场的运行流程进行了设计，分析了机场容量包络线，评估了机场吞吐量及其敏感性因素等。这种进近点、离场点以及登机口分开的设计，采用比较传统的机场场面设计思想导致航空器频繁的滑行和旅客在垂直起降机场内的多段出行，会大大降低垂直起降机场的场面运行效率。该问题在Shao 等对垂直起降场的设计中得到了很好解决，此垂直起降机场集起飞、降落以及停机功能于一体，减少了滑行与乘客通勤时间，从而降低了eVTOL 航空器因在垂直起降机场停留过长时间而带来的安全风险。

2、低空公共航路

低空公共航路，是一种基于精准地理信息、动态地理围栏、近地面气候条件以及高速路网、移动公网等基础设施，为多航空器预先规划的结构化航路网络，是安全高效运行的保障性新型基础设施。相比航路，“公共”航路特点在于其“公共”属性。公共航路具有包容性，是面向多航空器、多机型、多行业、多用户“共享”的航路，具备多航道，有严格的航路准入规则与eVTOL 航空器准入标准。低空公共航路网需能满足各种类型的eVTOL 航空器的需求，比如固定翼在航路中运行要求更大的尾流安全间隔。

3、运行基础设施

除了低空公共航路、垂直起降机场，还需要通信、导航、监视等基础设施支撑UAM 安全运行和管控，包括基于5G 移动通信技术及其设施的低空通信能力、高精度位置RTK 服务网、高精度气象预报服务以及eVTOL 航空器监测等。

低时延、高稳定的通讯链路是保障eVTOL 航空器在复杂城市低空环境下安全运行的有效前提条件。相比较甚高频通信系统（Very high frequency，VHF）、卫星通信等传统航空通信方式，地面移动通信中的5G 毫米波蜂窝数据链路在低成本、高可靠、广覆盖等方面具备突出优势。但目前5G 通讯基站主要针对地面用户需求，不能满足低空的通信覆盖需求。因此，UAM 基于5G 网络通讯的实现，需要针对UAM 航路的布设来进行地面通讯基站的基础布局和针对低空航路运行的加强性布局。导航能帮助eVTOL 航空器根据其周围环境，包括所处位置、飞行速度、航向、航路分布以及目标位置等，引导eVTOL 航空器安全、快速的完成任务。主要可分为三类：惯性导航（Inertial Navigation System，INS）、卫星导航（Global Navigation Satellite System，GNSS）和基于视觉的导航。民用航空常用的监视技术包括：一次雷达、二次雷达、广播式自动相关监控（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）。相比于雷达技术，ADS-B 作为合作式监控系统，定位精度更高，射程更远，建设投资成本低，寿命更长，且发送信息更新频率快，是自动实时发送，因而对减小航空器的间隔标准，优化航路设置，提高空域容量等都具有积极作用。但ADS-B 需要依赖于GNSS 与地面基站工作，本身不具备对目标位置的验证功能，且带宽有限，因此中国民用航空局明确规定所有民用微型、轻型和小型无人驾驶航空器禁止在任何空域使用 ADS-B 发射机广播运行识别数据，但允许在无人驾驶航空器上加装 ADS-B接收机来实现无人驾驶航空器对有人驾驶航空器的感知和识别。

现阶段，低空飞行安全气象保障技术发展滞后，低空公共航路周围气象站点数量少，而自动气象站只能监测无法预警。气象卫星监测航路气象状况受云影响较大且不能连续监测，因此低空公共航路的气象保障仍需要进一步讨论。为保障低空空域内公共航路运行的安全可靠，保障公众的人身安全与隐私，还需要对非法eVTOL 航空器进行监测，但对于违法eVTOL 航空器的处理，常用的无人机反制措施并不适用，还未曾出现一种行之有效且无附带损伤的技术手段。此外，与低空公共航路反制息息相关的还包括针对低空公共航路的飞行情报服务和告警服务等。

4、UAM 管控系统

按照现有的空域分级，UAM 所使用的空域为B、C、D 类无管制空域或程序管制空域，与城市地形空间耦合程度较高，且可能采用无人驾驶或远程遥控驾驶，远期的流量密度将会远超现有运输航空的仪表飞行规则的空域容量，若如传统民航般由管制员提供间隔管制服务，管制员工作负荷较大，甚至有可能无法完成管制服务。因此，需要由无管制或粗放式的程序管制转向精细的自动管理与路径规划，进行空地协同式监视与控制，研发可靠的UAM 管控系统至关重要。

对于UAM 的管控系统，新加坡南洋理工大学Mohamed Low提出通过空域网格化来使用和界定城市低空可用空域。通过相关通讯、导航、监视设备在网格化空域中监视eVTOL 航空器并根据不同的情况自主的进行空中避让；根据空域流量密度，自动的转换空域航线规划结构。NASA 认为可以通过建立第三方运营平台来管理UAM 和调度载运工具，并基于高度自主的AutoResolver 算法将eVTOL 航空器整合到城市交通网络中，使其与其他交通方式无缝衔接实现多式联运，统一调度整个网络中的eVTOL 航空器的出发和到达时间，并对空中载运工具进行轨迹管理和间隔保持服务。文献［83］提出了基于MATSim 仿真软件改进的多智能体城市空中交通流模拟仿真，它能够考虑到eVTOL 航空器特性和专用eVTOL 航空器基础设施位置变化的影响，对系统范围的城市交通运输性能进行分析、建模，并在分析过后针对道路状况重新对eVTOL 航空器路线进行计划安排。中国民用航空建设无人驾驶航空器空管信息服务系统（Unmanned Aircraft Traffic Management Information Service System，UTMISS），简化了空域和飞行计划的申请审批流程，提高了运行效率，为中国进一步加强无人机管控创造了条件。

交通出行的首要原则是安全，一种交通方式的安全性将直接决定其是否能够实现运营。传统民航的管制方式效率太低，UAM 的流量密度特性使得其不再适用，但自动化管制方式的技术壁垒较高，如何在技术难度范围，实现UAM 安全、高效的常态化运行是需要思考的重要课题。本文提出利用低空公共航路是可行选项之一，本节将对发展低空公共航路的必要性、研究现状以及低空公共航路规划的关键技术进行综述性研究。

一、发展低空公共航路的必要性

在一定的空域范围内，航空器数量较少时，单架航空器规划航线时无需考虑其他航空器运行动态，自主性较强，能实现单架航空器的最大运行效率。然而，商业化运行背景下，规模化的航空器运行将产生海量的航线规划与多航空器冲突消减需求，eVTOL 航空器自主避撞能力有限，自由规划路线的方式冲突概率将呈指数形式增长，无法支撑大流量系统下的安全性与高效性需求，严重威胁低空运行安全。低空空域通常是指真高1 000 m（含）以下的空间范围，城市低空空域内有诸多建筑物，环境复杂。有限的低空空域资源与eVTOL 航空器庞大的空域需求之间的矛盾也将会严重制约UAM 的产业化发展。低空公共航路可以更好的保障eVTOL 航空器高效、有序利用低空空域资源，使有限的低空空域能够在零冲突前提下容纳更多的eVTOL 航空器。总之，由于缺乏满足发展需求的技术体系和相适应的科技基础设施支撑，规模化航空器在紧邻复杂地理环境的低空无法做到常态化安全、高效运行，本文提出将低空公共航路作为UAM 安全高效运行的保障性新型基础设施。

低空公共航路的划设综合考虑低空空域的环境信息以及城市内UAM 的交通需求量，其空间布局对智能交通系统的发展具有重要意义。一方面，公共航路的布局可以反映当前居民出行的空间分布情况，合理的布局有助于促进多式联运，实现城市交通与空中交通的耦合，构建一体化的城市立体交通；另一方面，低空公共航路可以约束规模化运行的eVTOL 航空器的飞行路径及方向，使无序飞行的eVTOL 航空器变得有序，提高运行安全性。此外，公共航路的划设意味着城市可达性的增加，进而促进城区规模进一步扩大，催生与UAM 相关的产业，带动城区原有无人机制造产业和服务业的发展，甚至能增强城区与郊区、周边城市的经济联动，拓展城市沿着线路轴向发展方向，城市结构和布局也会因此发展改变。因此，低空公共航路不仅是UAM 安全运行的必要手段，是与城市内其他交通方式耦合的桥梁，更是带动低空经济发展的“动脉”。

二、低空公共航路研究现状

低空公共航路的概念在2017 年9 月由廖小罕于四川德阳举办的“民用航空器驾驶系统发展之路”论坛上首次提出。该概念提出后，低空公共航路概念在多方推动下进一步普及和深化研究。2018 年廖小罕等首次提出低空eVTOL 航空器公共航路概念与多级航路规划研究方法，2019 年中国民用航空局在《关于促进民用无人驾驶航空发展的指导意见》中明确提出“重点开展低空无人机公共航线划设和运行研究示范”和“开展低空航路航线规划与构建技术”研究。2020 年Xu 等首次提出城市低空空域eVTOL 航空器公共航路网构建方法。同时，面向UAM 的所有eVTOL 航空器类型来制订具有一定包容性的低空公共航路和空中交通管理规则，并将试点运行过程中的试错不断总结修改，由点及面推开，形成统一的行业性标准也十分重要。2021 年，IEEE正式颁布了第一个低空公共航路国际标准《A Framework for Structuring Low Altitude Airspace for Unmanned Aerial Vehicle（UAV）Operations》。2020 年中国民用航空局首批13 个民用无人驾驶航空试验基地，2022 年又增加批准建立7 个试验基地，这为UAM 制定政策法规、实现运营并应用于城市交通深度融合进行了先行先试。2022 年民航局提出分阶段建立航路的发展路线，并希望能在2030 年之前形成数字化空域，拓展航线网络，进一步为低空公共航路的发展提供了政策上的可行性。

三、城市场景下低空公共航路规划的关键技术

低空公共航路规划是指利用地面遥感影像提取包含自然下界面、人工附属物、政策规定禁飞区、适飞区以及大气边界层湍流等影响eVTOL 航空器飞行的约束要素，对低空空域内环境进行网格化处理，通过一定的航路规划算法计算最优航线，对规划后的航线进行飞行仿真验证以及实际飞行验证后进行迭代优化，得到最终航线方案。航路规划需要综合考虑诸多因素，构建的路径规划模型约束条件、目标函数、算法各不相同，一般通过2 个角度进行路径规划，eVTOL 航空器避撞和eVTOL 航空器路径全局规划。李安醍等从eVTOL 航空器实时避撞角度，通过建立离散的路径引导点，来实时为eVTOL 航空器的路径进行规划。徐晨晨等改进蚁群算法，在预先构建的低空地理信息环境中对eVTOL 航空器路径进行全局规划。

除了单一eVTOL 航空器的路径规划，结构化的航路网布局也受到广泛关注。南洋理工大学Mohamed提出3 种航路的划设方法：基于Air-Matrix 仿真的路网布局、基于建筑物楼顶的路网布局以及基于道路河流布局的航路布局方式，并评估了3 种航路规划方式的空域容量和吞吐量。对于在道路上空进行航路网划设的问题，部分学者认为道路本身就对城市低空空域内的建筑物进行了规避，是一种值得考虑的航路规划方式，但也有学者对eVTOL 航空器对地可能造成的二次伤亡表示担忧。NASA则针对UAM 的不同发展阶段提出不同密度的的航路网规划方式，总体可概括为一种以eVTOL 航空器起降机场为枢纽节点的放射性城际空中交通网络结构。以上团队对于航路网络结构化设计方式更接近于概念性输出，徐晨晨等对中国低空公共航路网进行了规划，并提出低空公共航路网需要根据地理环境考虑航路级别，设置不同级别航路的限制速度、高度等信息。同时提出地理约束要素并非都是阻碍航路规划的，还有一些有利条件，比如城市内绿化带有助于降低坠地风险。

航路规划还存在许多社会性问题有待解决，比如eVTOL 航空器飞行所带来的噪音问题。虽然eVTOL 航空器相比于直升机更安静，但公众对UAM 整合到城市空域中产生的噪音仍存在担忧。为研究这个问题，NASA 收集了Joby 的eVTOL 航空器在悬停、起飞、巡航和着陆的各个阶段噪声数据，从声压测量值、分贝水平、音频等客观角度对UAM 规模化运行时eVTOL 航空器机体各部分所产生的噪音进行分析。这些数据将帮助定义和优化满足社区需求的低噪声飞行航线，协助政府管理部门制定政策，为正在进行的运营和空域整合工作提供信息。