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2021-08-09 15:26
交通拥堵的终极解决方案,可能是搭建空中交通网

本文来自微信公众号:Engineering(ID:engineering2015),作者:吴志强等,原文标题:《城市按需空中交通的综合网络设计与需求预测丨Engineering》,头图来自:视觉中国


交通拥堵是影响全球交通可持续发展的首要问题。INRIX公司发布的一份报告显示,2018年,美国人平均 堵车97 h,耗费近870亿美元,平均每个司机耗费1348 美元。与此同时,传统道路的容量扩大带来的积极效应已经被人口和车辆的增长以及城市扩张导致的车辆行驶里程(VMT)的增加所抵消。最近的研究集中在运用新兴技术和概念,通过更有效地使用现有的道路系统来缓解拥堵。


例如,自动驾驶和联网车辆有望缓解交通拥堵、减少车辆行驶时间以及扩大现有道路系统的容 量。交通运输网络公司(TNC)的共享交通及合并功能鼓励客户共享交通。包括共享自行车、电动摩托车和电动自行车在内的可以使用人行道与自行车道的微型交通 已经得到了应用,这有望减少VMT。政府机构和研究团体意识到了开发利用低空空间的必要性和可能性,低空空间是目前尚未得到充分利用的宝贵资源。


2017年, 美国国家航空航天局(NASA)提出了城市空中交通(UAM)的概念,并呼吁对这种交通方式进行市场研究。从那时起,包括政府机构、制造商和研究团队在内的不同单位都在这一交通方式上投入了大量精力。


UAM概念可以追溯到20世纪60年代,当时有几家公司在美国的洛杉矶、旧金山、纽约和芝加哥等大都市地区用飞机提供点对点的通勤服务。由于这些通勤服务的社区接纳程度低、伤亡事故高发和财务问题严重等原因,这些运输公司最终被迫大幅减少或终止运营这些通勤服务,上述原因直到今天仍然限制着UAM的大规模发展。 


近年来提出的UAM概念是以新型的垂直起降电动飞行器(eVTOL)为基础的。这种新型飞机目前处于成熟阶段,集成了先进的自主和分布式电力推进技术,可以在低空空间提供更安全、更安静、更高效的空中运输服务。一些工业公司对此的预测相对乐观,他们认为其服务价格可以通过规模经济得到控制,并且潜在的接纳度很高。一些研究声称,考虑到不同的限制因素,空中出租车和机场班车服务的年度营业额接近25亿美元, 而且只要有足够的市场渗透,其服务成本将与UberX 不相上下。


然而,公众认知、基础设施的可用性和可达性、服务质量和服务成本,以及许多其他因素,都可能对UAM的潜在需求产生极大的不确定性。因此,研究人员对UAM采用率的态度不那么乐观,他们认为从目前的地面模式切换到UAM服务的行程占比是有限的, 因为UAM的维持需要高成本,另外基于站点的运营需要使用地面交通方式进出,而且当天气条件恶劣时,其可靠性较低。


尽管各种不确定因素会影响UAM的普及率,但是政府当局和学术界已达成共识,即UAM将克服地面交通模式的地理限制,为旅客提供一种机动性得到极大改善的交通方式。例如,Antcliff等以硅谷地区为例,证实了UAM服务能将旅客每日长途的“门到门”(DtD)的交通时间缩短至地面交通的三分之一。 


人们已经投入许多努力来促进新型UAM服务的发展。NASA和联邦航空管理局(FAA)领导了市场可行性研究和UAM的推广。全球超过70家制造商,包括波音、空客和贝尔直升机,一直致力于设计更好的eVTOL飞机,截至2018年9月,已投资超过10亿美元。美国、中国、阿拉伯联合酋长国、新加坡等地进行了各类飞机的试飞。此外,世界各地还组织了一些备受瞩目的活动,讨论UAM应用的问题和解决方案, 如Uber Elevate峰会和洛杉矶市市长会议。UAM的潜在市场包括但不仅限于救护车服务、空中出租车服务、 机场接送服务、旅游、调查检验以及货物运输等。 


最近在UAM概念定义、潜在市场分析和应用约束识别方面取得了重大进展。UAM按需服务面临的最大挑战之一是需要建立一个分布良好的地面基础设施,以支持eVTOL飞机的运营。为了满足UAM乘客的需求,主要的地面基础设施是eVTOL飞机用来起降、上下客和缴费的垂直起降机场(或直升机机场)。城市地区的密集土地利用、飞机运营需求和社区接纳度等因素严重限制了垂直起降机场的数量,使得只通过纯航空运输提供门到门的服务难以实现。因此,UAM的网络设计需要整合多种运输方式:垂直起降机场进出的地面交通以及垂直起降机场之间的空中交通。这种多模态特性增加了UAM网络设计的复杂性。此外,垂直起降场的数目和位置也会吸引不同级别的用户。在 UAM网络设计中需要明确考虑供需的相互作用。


南佛罗里达大学的吴志强研究团队主要研究UAM按需服务的网络设计,在考虑垂直起降机场位置和潜在的UAM交通需求之间的相互作用的同时,使用整数规划和一种求解算法来确定垂直起降机场的最佳位置、用户分配以及进出模式的选择。另外,还从供应方面分析了UAM潜在需求的关键促进因素, 以及UAM运营商的不同定价策略,并利用一个基于美国佛罗里达州坦帕湾地区模拟分解交通需求数据的案例研究验证了该模型的有效性。


图1. 按需城市空中交通网络设计模型。TBRPM:坦帕湾区域规划模型;OD:起点和终点


图2. 城市空中交通轴辐式网络


关键词:先进空中交通;楼顶停机坪;交通方式的选择;低空空域;无人驾驶系统


以上内容节选自:Zhiqiang Wu, Yu Zhang. Integrated Network Design and Demand Forecast for On-Demand Urban Air Mobility[J]. Engineering,2021,7(4):473-487.


本文来自微信公众号:Engineering(ID:engineering2015),作者:吴志强等

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