城市空中交通及其新型基础设施低空公共航路研究综述

廖小罕，屈文秋，徐晨晨，贺洪波，王俊伟，石伟博

1.中国科学院 地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101

2.中国科学院大学 资源与环境学院，北京 100049

3.中国民用航空局 民航低空地理信息与航路重点实验室，北京 100101

4.中国科学院 无人机应用与管控研究中心，北京 100101

5.中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院 区域生态过程与环境演变实验室，武汉 430074

直升机自诞生起就被应用于城市短途运输，例如从机场到市中心的短途运输或空中观光等，这意味着城市空中交通早就存在［1］。近年来，远程机长驾驶系统、分布式电力推进系统以及自动控制系统等方面的技术取得突破，并成功应用于电推进垂直起降（electric Vertical Take-Off and Landing，eVTOL）航空器。以eVTOL 作为核心载运工具、以个人用户出行为特点的城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM）引起广泛关注［2］并于2018 年被美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）明确定义［3］。与直升机不同，eVTOL 航空器具有噪音小、环保、安全性高、维护成本低等特点，为UAM 的常态化运行提供了解决安全与管理痛点的关键。同时，航空器技术的快速突破和企业的持续关注预示着UAM 具有非常广阔的商业化应用前景。

UAM 运输优势是显而易见的，其主要使用的载运工具包括直升机、eVTOL 航空器、飞行汽车等，可在复杂的城市空间内进行垂直起降，能够确保UAM 可利用不同水平高度的垂直空间并兼容更加灵活的飞行路径。尤其是面向拥堵的城市交通场景，通过UAM 可实现点对点运输，使得飞行路线更短直，能够极大地提高运输效率、降低延误风险。然而，城市低空环境复杂，飞行约束要素众多且更新快，严重影响航空器的安全运行。同时，商业化运行背景下eVTOL 航空器运行将呈现出流量大、密度高、飞行性能及操控方式多样的交通流特性，这要求城市空中交通具备大规模集群飞行的高效管控能力。因此，如何保障复杂城市空中规模化航空器的安全、高效运行，是UAM 发展必须解决的瓶颈问题。

针对以上问题，国内外学者展开了诸多探索，并提出了一些解决方法，例如地理围栏［4］和无人机交通管理走廊［5-7］。然而，这些方法通常仅适用于小范围、典型性场景的UAM 管控，无法满足UAM 规模化运行需求。类似于AirMatrix［8］的规模化管控场景则对UAM 系统的自动化程度提出了较高的要求，但目前的技术很难满足实时更新UAM 空域网格与eVTOL 航空器状态的需求。鉴于低空空域资源的公共属性，通过国家所有权的代表对其进行管制是保证这一公共自然资源利用效率最大化的一种最直接有效的手段。因此，对UAM 的管控需要从系统层面入手，“自上而下”地解决问题。低空公共航路网就是这样一种由相关部门通过顶层规划来实现安全、高效管控UAM 规模化运行的可行解决方案。低空公共航路［9］是在低空和超低空空域内，为多航空器同时飞行划设的公共空中通道。它是根据低空地理信息约束要素、低空飞行环境、多种载运工具特性、UAM 需求等因素综合划设的航路网络，具有结构化特征。与其他航路不同，低空公共航路是一种面向社会大众多类型航空器、多用户、多行业共享使用的固定的UAM 基础设施。通过合理规划低空公共航路网，可以从顶层设计上约束不同类型、不同任务需求的UAM 载运工具的飞行路径，以此确保UAM 规模化运行的有序性、安全性。因此，本文将聚焦基于低空公共航路的UAM 管控，并对UAM 的科学、高效管控进行综述性研究。

本文将从以下6 个部分阐述UAM 和低空公共航路的研究现状。第1 节探讨UAM 发展历程、商业化试点应用现状以及UAM 与其他交通方式的联系与区别。本节重点提出，UAM 具有地面交通的特性，不能简单纳入传统意义上的民用航空管理范畴。第2 节阐述UAM 所包含的基本问题，重点讨论了UAM 的基础设施、载运工具以及UAM 与UTM 的区别。第3 节对低空公共航路与UAM 的联系进行了分析，并对低空公共航路的研究现状与规划的关键技术进行综述性研究。第4 节提出了以共享运营为基础的UAM 管理与运营框架。第5 节讨论了建设以低空公共航路网为载体的低空无人机应用服务系统。第6 节提出了UAM 的罗落实建议。最后，对全文进行总结，对建设UAM 在政策、技术、市场以及社会方面的机遇与挑战进行讨论。

1 UAM 发展过程

UAM 是指利用具有自主驾驶能力或有人驾驶的航空器在城市空域内进行载人载货的运输［3］。承载人类飞天梦想的UAM 作为一种新型交通方式，因其按需响应的特性发展一直备受关注。在UAM 时代有望到来的今天，其商业化应用所涉及相关问题也需要进一步解决。UAM 是如何发展的，商业化应用现状如何，以及这种交通方式与现有交通方式的本质异同点是什么，对其进行剖析与思考都会对UAM 真正实现常态化运行有所启发。本节对UAM 的不同阶段的发展历程、商业化应用现状进行综述性研究，分析UAM 常态运行时与城市地面交通、民航运输的区别与联系，提出UAM 不能简单的纳入民航范畴，甚至更具城市地面交通的特性。

1.1 UAM 的发展历程

UAM 并非是新的概念，早在20 世纪40 年代纽约航空和洛杉矶航空就已经利用直升机进行城市空中交通的商业化运输［3，10-11］。通过回顾城市空中交通的发展历程，将城市空中交通运输的发展大致分为3 个阶段。

第1 阶段为1941—1979 年。这个阶段的城市空中运输服务主要依托直升机展开，纽约航空和洛杉矶航空分别于1947 年和1949 年开始利用直升机运输人员与邮件［10-11］，纽约航空公司的运营量甚至在1967 年达到120 万人次［12］。启发于直升机运输，此阶段是城市空中交通概念的萌芽阶段，诞生了对城市空中交通商业化运营、空中交通管制以及发展规划等方面的诸多思考。Davis［13］和Wood［14］分别在1964 年和1967 年对可用于城市空中交通运营的航空器进行了讨论。NASA 在1972 年对城市空中交通系统的管控与运营，引入城市交通系统中所产生的影响以及影响系统性能的因素等问题进行了深入探讨［15］。这个阶段城市空中交通运行航线少，且主要服务对象为支付得起高额费用的商务人士，后由于载运工具技术问题，事故频发，UAM 发展陷入低潮。

第2 阶段大致为2000—2014 年。该阶段的主要标志是Moore［16］首次提出了针对个人出行的航空器（Personal Aerial Vehicles，PAV）概念。这一概念的提出将垂直起降航空器赋予私人属性，其按需运行，支持居民在城市内部或郊区间短途通行，所产生的通勤成本被认为在个人家庭的可承受范围内。Cwerner［17］以巴西圣保罗直升机发展史为例，分析了人们对于门到门空中运输服务的需求，他指出无论这种交通方式是否能够得到大规模发展，但仍是城市交通十分具备发展前景的方向之一。

第3阶段大致为2014年至今，是无人机全面来临的时代。此阶段关于无人机交通管理的理论体系开始逐步建立与完善，用于城市空中运输的载运工具研发也得到了极大的关注。2014 年，NASA［18］正式提出城市低空空域无人机交通管理系统（Unmanned Aircraft System（UAS）Traffic Management（UTM）），其目的是从风险保障角度来确保大规模、高密度的无人机在城市低空空域内安全高效运行［19］。由欧洲单一天空空中交通管理研究计划（SESAR 3 Joint Undertaking，SESAR JU）研发的U-space则侧重于在指定空域内为飞行的航空器提供系统所集成的多种服务［20］。南洋理工大学［4］与Uber［21］也相继提出了关于城市空中交通管控的相关设想。此阶段是UAM 全面发展的新时期，但随着eVTOL 航空器自动化水平的提高，管控系统的进一步完善，UAM 在管制方式、航路规划、空域设计以及空域容量等方面必然会提出新的要求。NASA［22］从载运工具、空域以及社会接受度3 个方面入手，提出了UAM 成熟度模型（UAM Maturity Levels，UML）。该模型将UAM 的发展分为初始阶段、中间阶段以及成熟阶段，每个阶段包含2 个层级，同时阐述了每个层级UAM 将要面对的挑战。对于eVTOL 航空器的管控问题，虽未有成熟的管控措施，但NASA 开发无人机交通管理系统并将其开发验证分为4 个技术阶段（Technical Capability Level，TCL）［23-25］，其中包括运行概念、数据传输、无人机动态避让以及无人机通讯导航监视验证等方面的内容。

1.2 UAM 的商业化试点现状

经历过去几十年的发展，关于UAM 的理论体系已经得到逐步完善。近年来，随着分布式电力推进、自动驾驶、电池、电机等载运工具技术的快速突破，许多公司开始致力于设计eVTOL 航空器，该领域的投资目前已经超过20 亿美元［26］。技术上的保障催生了载运工具的快速发展，也加快了UAM 发展进程，UAM 商业化试点工作也在全球范围内陆续开展。

国外如刀锋（Blade）［27］与优步（Uber）［28］均开通了曼哈顿至纽约市机场之间的城市空中交通运输服务；Flytrex 与包括Just Wings 和El Pollo Loco 在内的多家美国餐厅合作，通过eVTOL 航空器进行食品配送服务［29］；Urban Footprint 已与美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）合作在农村地区开展药物和疫苗运输［30］。除了直接配送外，空客（Airbus）通过Voom 平台响应订单，利用直升机在巴西［31］、墨西哥［32］提供按需响应的城市空中运输服务。

中国对UAM 的发展也十分重视，中国民航局［33］于2022 年8 月发布《民用无人驾驶航空发展路线图V1.0（征求意见稿）》提出了先载货后载人，先通用后运输，先隔离后融合的发展路线。上海市政协十三届三十五次常委会议［34］提出建设以浦东机场和铁路东站为核心的综合交通枢纽建设，率先引入新型交通工具和交通方式，推广eVTOL 航空器。国家发改委、商务部以深圳作为先行先试单位，打造海陆空三位一体的新兴城市综合交通体系［35］。除了政府外，许多企业也积极推动UAM 的发展。亿航智能与天行健达成合作，将在中国湖南吉首矮寨奇观旅游区开展EH216 自动驾驶飞行器低空游览项目［36］，且亿航216 获得来自日本、新加坡以及印尼等多国的订单［37］。美团与上海市金山区合作推动全国首个城市低空物流运营示范中心落地［38］；迅蚁在杭州开展全国首条常态化城市空中急救送血航线，在疫情期间打开了一条“空中通道”［39］。国内外对于城市低空空域内利用eVTOL 航空器进行载人运输和物流运输的探索，都表明UAM 实现商业化运营势在必行。

1.3 UAM 与其他交通方式区别与联系

虽然UAM 已经开始进行商业化试点工作，但UAM 与现有交通方式在流量特性、服务目的、管控方式等方面的区别与联系、是否与现有交通方式形成互补或竞争关系均尚未明晰，这些都是真正实现UAM 常态化运营所必须考虑的问题。关于UAM 管理与运营，更多的学者将其纳入民航运输的范畴。但本文认为UAM 与出租车、公交以及地铁等地面交通的交通工具的实质区别是以不同空间维度的载运工具服务于城市交通系统，即使其运行空域与现有的运输航空或通用航空有部分重合，但其服务目的、服务区域、载运工具流量特性等多方面因素融合了城市交通的属性，因此不能简单的将UAM 归入传统意义上的民用航空管理范畴。本小节将对UAM 与其他交通方式的区别与联系进行阐述，如表1 所示。

表1 UAM 与地面交通、民航运输的区别与联系Table 1 Difference and connection between UAM，ground transportation and civil aviation transportation

1.3.1 UAM 与城市地面交通

在交通出行方面，UAM 服务目的和交通发生原因与城市地面交通一致。两者的服务目的都是为城市内部有出行需求的居民提供一种出行的可能，只是在表现形式、运行空间、服务水平上各有优劣。两者交通发生的原因均为以个体居民为基本单位，不同出行目的的交通发生行为，居民根据其出行目的的紧要性、自身收入水平、不同出行方式的可达性等因素综合考量对城市中各种交通方式进行选择。在流量管控方面，两者均为高流量密度的交通方式，设置统一的交通规则对流量统一管控，出行的过程由驾驶员自主负责。在服务特性方面，两者主要的服务范围是城区内、城郊的短距离出行，具有按需响应、可达性高的特性。基于以上三点，本文推测两者极大概率上会是统一的管控主体。一方面，统一的管控主体有助于UAM 加快融入城市交通系统的进程，为构建综合化、立体化的城市交通系统提供便利。另一方面，深圳市民用无人机管理暂行办法（征求意见稿）明确指出［40］市政府对无人机管理工作进行统一领导，组织建设低空领域无人机空中感知系统［41］，明确公安、工信、市场监督管理等各部门职责分工，建立与相关军民航空管单位的信息共享和协调联动机制，协调解决无人机管理中的重大问题。

在载运工具方面，现有城市交通方式载运工具类型相对比较固定。由于UAM 尚未运营，实施技术细节并未明晰等原因，载运工具的动力模式、气动布局方式与应用场景之间的关系还有待进一步探讨。当前eVTOL 航空器类型有多旋翼、倾转旋翼、复合翼以及垂起固定翼等［42］，动力模式、气动布局方式不同，起飞重量、巡航速度、续航时间以及机体尺寸差距也十分明显且无统一规律。在运行维度方面，城市现有交通方式还处于二维运行的阶段，UAM 为拓展现有城市交通的维度，实现立体化的交通运输场景提供了可能。这更好地利用了城市低空空域资源，提高了交通运输量。但需要注意的是，三维场景也给城市交通带来了更多的不确定性，UAM 的前期接受度相较于其他交通方式更低。有调查表示，教育程度更高、更年轻以及收入更高的人会对这种交通方式接受度更高［43］。

1.3.2 UAM 与民航运输

UAM 与民航运输均在三维空间内运行，具备计划性特点，其在运行维度与运行方式的相似性，可为UAM 的管控提供参考，即通过设置飞行计划来提高空域监管能力。但2 种交通方式本身差异较大，在管制方式方面，UAM 更侧重于自动化的系统设计与运行机制，而非人力监管运行过程，这从源头上提升了整体安全水平［8］。城市三维运行场景复杂，UAM 运行风险远大于民用航空，这也要求UAM 管控系统对于科学性、有效性、可靠性等方面要求更高。因此，打破民航运输监管的传统思维模式，逐步建立针对UAM 应用场景的管控系统，完善UAM运行管理的法规标准和技术工具至关重要。在服务范围方面，现阶段eVTOL 航空器的续航时间决定了其单架次运行距离只能满足执行大城市区域内或城郊的运送任务，运行区域以城市为主要范围，沿途停靠的机动性能力是其特点和满足未来需求的优势。在服务方式方面，民用航空单架次服务量通常大于UAM，属于广义的公共交通范畴。eVTOL 航空器体积小，灵活性更高，可以利用低空空域建筑物上方的空间，路线更短直，延误风险低，具有按需响应的特性，因此在执行末端配送和紧急配送任务时，可以发挥更好的效果。正是由于这种特性，UAM相比于民航运输与地面联系更紧密，对于构建智能化、立体化、信息化的城市交通系统大有裨益。

2 UAM 的构成

一种新型交通方式的实现，必然需要了解其组成，以帮助充分理解UAM 的特点，明晰其实现运营的关键点。本节对UAM 所涉及的基本内容、最受关注的载运工具eVTOL 航空器、以及UAM 的基础设施进行综述。

2.1 UAM 基本概念

为加强对无人机驾驶航空器的管理，NASA在2013 年首次提出UTM 的概念，2015 年NASA和小型无人机系统（Small Unmanned Aircraft System，sUAS）运营人明确提出建立超低空域的UTM 系统。UAM 与UTM 不同，但又有相似之处，为探究此问题，本节首先对UAM 设计的基本内容进行分析，后对UAM 与UTM 的区别进行综述性研究。

2.1.1 UAM 涉及的基本内容

UAM 作为一种新型交通方式，其运行范围不再局限于水平空间，且与地面交通联系紧密，兼具运输航空的计划性特征和地面交通按需响应的特性，其引入必然会给城市内部交通系统带来根本性变革。同时，UAM 在点到点的出行需求链中，如小汽车、地铁一样，是可选择的出行方式中的一种。将UAM 融入城市交通系统中，不仅需要考虑UAM 本身的特性，更要通过合理设置UAM 地面基础设施，将UAM 与包括地铁、公交、小汽车等地面交通的实现无缝耦合与精细化管理，帮助乘客便捷换乘，实现多式联运。为保证其运行安全与高校管控，需要系统性、全方位对UAM 涉及的基本内容进行讨论，其框架如图1 所示，各个模块定义如下所示。

图1 UAM 涉及的基本内容Fig.1 Basic composition of UAM

1）空域规划

空域规划可对UAM 运行范围及其所占空域资源的边界进行界定，通过设计空域结构可有效分离航线方向，从而降低UAM 管控难度［44］。UAM 的运行空域通常定义为城市内真高1 000 m以下的低空空域，由于UAM 尚未形成行业体系，目前其空域分类与民用航空空域分类保持一致［45］。在现有的空域分类中，UAM 可能在B、C、D 类空域内运行，与用于运输航空巡航的A 类空域无交集。

2）航路规划

在规定的空域范围内，eVTOL 航空器飞行路径的规划关系到UAM 流量密度、安全以及效率的平衡，对航路进行合理的设计能够有效降低因航线增加造成的碰撞概率指数倍增长。

3）飞行规则与流量控制

UAM 系统中飞行规则能更具体的约束航路中eVTOL 航空器的飞行行为。飞行规则的设计与规范是UAM 进入航路局部精细化管理和飞行流量控制的第一步。对eVTOL 航空器进行流量控制的根本目的与运输航空一致，即对eVTOL航空器进行航向分离与安全间隔保障，防止航路容量过饱和，确保运行安全。

4）容量评估

低空空域是空间上普遍存在的非消耗性自然资源，其可再生性强，具有时间和空间的属性［46］。因此，空域容量具有时变的特征，随着时间的变化，空域容量会有所不同，对空域容量进行实时评估可以避免空域流量过饱和而发生碰撞事故。此外，空域容量与空域结构化方式紧密相关，空域水平方向上路径过度结构化会制约空域容量的提高，而每一层空域eVTOL 航空器航向的垂直分离则有助于最大化空域容量［47］。

5）空中交通管制

一旦城市空中交通运输商业化运输得到规模化推广，传统的空中交通管制方式将不再适用于高流量、高密度的eVTOL 航空器航路管制［48］。城市空中交通管制应涵盖且不限于非法入侵eVTOL 航空器的检测与驱逐服务、特殊任务eVTOL 航空器专机引导服务、紧急情况应急降落引导服务以及间隔管理与指挥服务。

6）风险评估

风险评估是针对eVTOL 航空器、UAM 管控系统以及航路运行等方面风险的分析、评估、处理及监督的系统性应用，目标是确保相关风险控制在一个可接受的水平。低空运行风险主要包括低空运行对其他eVTOL 航空器的空中风险和对地面第三方公共财产造成直接或间接的风险。其中，对地风险主要来自eVTOL 航空器坠地伤人［49］、螺旋桨运行噪声污染［50］和机载摄像窥探隐私［51］等直接或间接风险。

7）基础设施

UAM 的基础设施仅包括供eVTOL 起降的地面基础设施、UAM 管控系统、公共航路网和用于满足飞行通讯、导航、监视等需求的运行基础设施。UAM 的运行需要依托基础设施完成，但同样基础设施的布局会反作用于UAM 影响其发展。地面基础设施如何布局，用何种通信导航监视技术，怎样实现对如此庞大数量的eVTOL 航空器的全覆盖具有重要的应用研究意义。

8）载运工具

UAM 载运工具数量多，类型丰富，但多数试飞场地环境较好，航线单一，无需考虑安全避撞问题，UAM 商业化市场的到来对UAM 载运工具的自主感知避撞提出了较高的要求。Uber 白皮书［21］指出，UAM 实现运营的关键是运行事故率低于汽车事故率的2 倍，甚至达到民航运输事故率水平，更进一步eVTOL 航空器的发展方向决定未来UAM 的管控方式与发展潜力，因此打造“安全可靠、便捷高效、经济舒适”的eVTOL 航空器对UAM 市场的进一步发展至关重要。

2.1.2 UAM 与UTM 的区别与联系

相比于传统有人驾驶航空器，eVTOL 航空器是一种颠覆性的创新，给空中交通管理的运行概念与规则、管制要求以及基础设施布局与建设都带来了新的挑战。如何构建UAM 与UTM 运行概念，使不同类型的eVTOL 航空器与传统有人驾驶航空器进行空域协调与融合运行，中国尚未明晰实施路径，但NASA 和美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）在这些方面的研究为我国UAM 整合工作提供了建议，本文将从运行概念，管控模式以及空域范围3 个方面阐述UATM 与UTM 的区别。

在运行概念上，这两者均允许大规模的载运工具同时运行，通过数字化的方式将所有载运工具交互连接，并为其提供分离服务。UTM 系统［52］对超低空空域内大规模运行的所有无人机提供交通管理服务航空器类型更丰富，UAM 则只为进行载人载货运输的载运工具提供服务。在管理模式上，UTM 系统主要有3 个角色：管理者（FAA），运营商，无人机操作员。运营商通过共享飞行计划进行轨迹分离与冲突解脱，信息共享和数据交换通过飞行员与飞行员、无人机与无人机、飞行员与FAA 直接沟通完成。FAA 向飞行员提供实时空域信息，飞行员可在规定空域内自主飞行，不接受空中交通管制（Air Traffic Control，ATC）。UAM 比UTM 更严格，其运行概念主要对照有人驾驶航空器的运行规则，ATC系统可对UAM 进行实时管制。在空域范围上，UTM 的运行范围为400 ft（1 ft=0.304 8 m）以下的高度，在G 类空域内有UTM 向无人机和有人机提供管控服务，且无人机和有人机的权限等级相同。UAM 的运行空域一般在400 ft 以上的空域［53］，除非在起降场地周围才会延伸到400 ft以下直至地面的高度范围，起降场地的确定也建议尽量选在400 ft 以上的区域，运行范围主要在1 500～4 000 ft 高度内。

2.2 UAM 载运工具

UAM 各类型载运工具在机型、气动布局、动力模式等方面差距很大，载运工具作为UAM 能否实现运营的关键，对此进行讨论是必要的。本文将对不同的载运工具进行对比，分析eVTOL航空器受到关注的原因，并阐述eVTOL 航空器的市场应用现状。

2.2.1 载运工具对比与分析

eVTOL 航空器的成功研发促进了UAM 快速走进大众视野，对于UAM 载运工具的讨论从未停止。UAM 载运工具中，直升机最早得到应用，但关注度远低于eVTOL 航空器，主要原因是eVTOL 航空器具有噪音小、环保、安全、维护成本低，机型多样等特点，其主要技术优势可归纳为以下几点，如表2 所示。

表2 UAM 载运工具对比Table 2 Comparison of UAM vehicles

1）分布式电推进动力系统（Distributed Electric Propulsion，DEP）

DEP 系统动力冗余设计使得飞行器不会因某个发动机故障而发生意外，例如六旋翼eVTOL 航空器在失效1～2 个旋翼仍能正常降落，安全性远高于直升机。动力系统的分布式布局同样能够提高飞机的气动效率和升阻比［54］，其效率远高于直升机。此外，小尺寸电机大幅简化动力系统的机械结构，再加上电机自身出色的耐用性，维护成本更低。

2）电池技术

eVTOL 航空器没有发动机，只有电池，很好的解决排放问题的同时噪音更小。因为其没有发动机噪音仅产生气动噪音，噪音值远低于直升机。NASA 测试Joby 预生产的四座eVTOL 航空器以185 km/h 巡航速度，在500 m 的高度巡航时产生的噪音为45.2 dB，城市街道几乎听不到噪音［55］。

3）气动布局

eVTOL 航空器与直升机气动布局差距大，机型多，面对不同需求的任务有更多的选择。多旋翼构型将复杂度集中在飞行控制上，能以极少的运动部件实现垂直起降能力；复合翼和倾转旋翼构型可以缓解多旋翼续航里程短的问题，且倾转旋翼构型的eVTOL 航空器死重小。

除eVTOL 航空器外，飞行汽车也是新兴的UAM 载运工具，但其市场关注度远低于eVTOL航空器，主要是以下几个原因。

1）概念与功能

eVTOL 航空器只能在空中运行，飞行汽车可以陆、空两栖使用。但车辆和飞机的设计要求存在诸多矛盾，陆空两用飞行汽车设计需要兼顾车辆和飞机2 种需求，这也是陆空两用飞行汽车的根本性设计难点。最终的产品设计上也必然会倾向于其中一种使用场景而牺牲另一种使用场景的需求，结果要不就是行驶性能相对更好（Flying Car），要不就是飞行性能相对更好（Roadable Aircraft）。

2）技术底层

飞行汽车是以传统机械设计为主，eVTOL航空器是以电气和自动控制为主。飞行汽车传统的技术难点是解决行驶和飞行的功能切换，涉及动力传动、机翼折叠存放和重心位置等问题，而这些主要设计问题属于传统机械领域。eVTOL 航空器的技术基础是飞控、电机、锂电池等，这些因素与自动控制和电气化技术密切相关，而这些相关技术在最近几十年才发展成熟到可以应用在载人航空器上。也正因此，eVTOL 航空器设计才能在最近十余年开始出现。

3）市场因素

虽然飞行汽车功能比eVTOL 航空器多，能用于地面行驶与空中飞行，但其技术难度决定了面世的产品较少。目前全球唯一一款真正完成试飞的飞行汽车小鹏X3 尚未实现量产，其研发进度上远慢于eVTOL 航空器［56］。

2.2.2 eVTOL 航空器

作为UAM 系统中最受关注的载运工具，eVTOL 航空器对起降场地面积要求更低，产生的噪音较小，操作简单且安全性更高。由于空中载运工具单位载运成本更高，在保障安全的前提下UAM 将更倾向于采用自主驾驶或远程遥控驾驶（Remotely Piloted Aircraft Systems，RPAS）技术［57］，这与近年来地面载运工具采用自动化与智能化驾驶技术的发展趋势相一致。因此，eVTOL 航空器将迅速成为城市地区短途通勤的首选交通工具。

据垂直飞行协会（The Vertical Flight Society）统计，市面上电推进垂直起降eVTOL 航空器和混合动力模式的eVTOL 航空器已经超过650 种，初步形成4 种主流机型［58］，并应用于交通监控、灾害监测、火灾监视、检查等多种场景的运输［59］。摩根士丹利预测2040 年eVTOL 航空器市场高达万亿美元［60］。中国UAM 企业以广州的亿航智能和小鹏汇天，上海的峰飞，以及浙江的吉利汽车为代表。亿航216 技术上已经实现了载人飞行器的自动驾驶，获得中国民航局批准成为国内首个自动飞行物流试运行许可，可率先开展150 kg 以上大载重空中物流商业化试运行［61］，并协助民航局开展载人eVTOL 航空器的运行风险分析、适航标准制定和验证［62］。

2022 年10 月小鹏汇天完成5 亿美金A 轮融资，是迄今为止亚洲低空载人飞行器设备生产领域获得的最大的单笔融资［63］，其旅航者X2 是中国首款获得民航局特飞许可的有人驾驶eVTOL航空器［64］。峰飞航空科技获国际航空资本融资1亿美元，其研发的首款自动驾驶eVTOL 航空器V1500M 已获得260 架订单［65］。吉利沃飞长空自主研发的5 座级纯电动力eVTOL 航空器AE200第2 次试飞已成功完成［66］。国外eVTOL 航空器初创企业包括美国的乔比航空（Joby Aviation）、Archer Aviation（ACHR）、Wisk，德国的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创公司，已经获得FAA 的135 部航空承运人认证［67］，并完成了FAA 审查5 阶段中的第2 阶段［68］，预计于2024 年开展空中拼车服务。Volocopter 获1.82 亿美元E 轮融资［69］，已经研发VoloConnect、Volocopter 等多款eVTOL 航空器。Airbus 与意大利航空预计利用正在研发的CityAirbus NextGen eVTOL 航空器，就意大利的UAM 服务展开合作［70］。

现有的eVTOL 航空器在巡航时间、载重、体积大小等方面各有差别［71］。载人eVTOL 航空器的载运能力一般为1～5 座，物流eVTOL 航空器载荷可达500 kg［72］。因此，针对不同的机型设定相同的适航标准是有必要的。通过适航标准统一不同生产制造商eVTOL 航空器的性能包线范围，让载运工具运行中采用相同的巡航速度、爬升下降率等参数将更有利于减小空中交通管理难度，提高城市空中交通的系统级运行安全程度［73］。中国民航局立项建设无人驾驶航空器综合管理平台（Unmanned Aerial Vehicle Operation Management，UOM 系统），此系统实名登记了国内各类无人驾驶航空器的相关信息，为管理eVTOL 航空提供了数据基础［74］。市面上4 种主流eVTOL 航空器如表3［75-78］所示。

表3 市面上4 种主流eVTOL 航空器类型Table 3 Main types of eVTOL aircraft in market

2.3 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。

2.3.1 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［21］，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［79-81］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［82］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［83］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［84］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［85］，FAA 发布了垂直起降机场的工程设计指南［86］，国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）发布了垂起机场的运行标准［87］。此外，企业与个人学者也对此十分关注。Uber［88］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［89］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［90］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。

2.3.2 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［9］。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。

2.3.3 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［9］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［91］。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［92］。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［93］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［94］，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［95］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。

2.3.4 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［96］，进行空地协同式监视与控制［97］，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［98］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［3］，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［48］。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）［99］，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。

3 低空公共航路

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。

3.1 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”。

3.2 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［100］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［101］。2020 年Xu 等［102］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》［103］。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［104］，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［33］，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。

3.3 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［105］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［106］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［8］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［3］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［107］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［50］。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［108］。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。

4 基于低空航路的UAM 管理与运营

一种新型交通方式的出现需要企业和研究机构多年的研究投入，但其产业化应用更需要政府有关部门进行相应的建设、管理、监管、运营，UAM 也不例外。提供给大众用户使用的城市物流、空中交通运输低空公共航路，需经过有关管理部门的认可才具有权威性与合法性。目前国家没有低空公共航路规划和运行主管部门，最有可能的就是市政交通部门开展规划与建设，民航部门对准入eVTOL 航空器进行适航审定和空域使用政策的制定，有资质的服务商提供航路地图在线商业化服务。借鉴现有的城市交通管理体系，本文提出一种面向未来的UAM 的行政管理机构建设及运营模式框架，如图2 所示。

图2 UAM 运营管理框架Fig.2 UAM operations and management frameworks

4.1 UAM 的行政管理

对于UAM 的行政管理，现在尚未有定论，但确立UAM 管控主体对促进其行业健康、有序发展具有重要意义，本文将根据我国现有的行政部门，提出UAM 的行政管理模式，如图3 所示。UAM 的运行区域以一座城市为主要范围，因此本文提出未来UAM 可以因城施策，考虑以地方交通局为管理主体制定UAM 发展规划战略与地方政策法规，地方市政部门负责组织UAM 基础设施建设，民用航空管理部门负责载运工具、空域相关标准与准则的制定。此外，还应考虑下设UAM 监管部门，对包括载运工具的适航审定、运行空域管控、事故责任认定、违法行为处罚在内的UAM 运行全流程进行监管。

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

作为管理主体的地方交通局是UAM 发展方向与发展战略的主要规划者，其制定的UAM 相关政策、标准、基础设施布局规划不仅能反映地方发展需求，也具有一定的参考意义和普适性。市政部门组织UAM 基础设施建设时，需综合考虑城市现在交通方式的特性和UAM 更适合城区内部中远距离出行的特性。在进行地面站点选址与建设、运行基础设施布设、低空公共航路规划与建设时，考虑与其他交通方式进行有效衔接，帮助乘客无缝衔接进行多式联运，形成一体化的立体交通枢纽。民航局需要对UAM、民航、通航使用空域的范围进行界定，并制定相应的申请准入规则。根据UAM 使用空域的范围与准入规则，制定UAM 整体性行业标准、载运工具适航标准制定、载运具生产制造标准。

现有的行政管理部门能从顶层设计上对UAM 的发展进行掌控，但还需要专门的执行部门根据UAM 的运输特性综合地面交通和空中交通的技术手段对空中交通流进行管控，以应对UAM 非正常运行情况和违法违规情况的发生。其职能主要包括监管、沟通、审查和处罚。监管是指对载运工具禁止进入的空域和规划好的航路进行监管，若发现禁区内或者航线上出现“黑飞”航空器入侵，则可采取相应的措施进行阻止，警告或强迫备降等。沟通是指UAM 与民航运输、通航飞行共用同一空域时，管控部门需与民航、通航管制员进行沟通，以分离UAM 载运工具和民航运输航班、通航飞机。审定是指一旦UAM 载运工具之间发生意外事故，监管部门需要根据每起不同的事故起因进行责任认定。此外，监管部门有权利在UAM 载运工具运营前审定eVTOL 航空器的适航资质，并在起飞前后随机抽查UAM 载运工具的资质。处罚是指监管部门有权对运行过程中发生的违法违规行为的UAM 载运工具的责任主体进行处罚，处罚的形式可仿照现有道路交通对载运工具和运营人的处罚形式，主要表现为罚款和飞行允许资格。

4.2 UAM 的运营

UAM 的运营还有诸多问题未得到解决，本文将从UAM 运营框架、运营模式以及运营过程中各角色所承担的责任等方面对UAM 运营相关问题进行讨论。

在运营框架方面，是否开放私人购买eVTOL 航空器权这一问题始终备受争议，不开放eVTOL 航空器个人购买权在运营方面将会是开放个人对eVTOL 航空器购买权的子集，本文将以此为基础进行UAM 运营框架的讨论。在运营模式方面，Uber 指出，UAM 使用拼车模式费用有望低至1.5 元/km，即Uber X 的水平［21］。在UAM 的发展前期，出行成本相比与其他交通方式较高，UAM 的票价的降低能有效促进出行需求的增长［109］，共享运行模式将有助于UAM的运营。且乘客只能在固定位置的专用登机站起飞和降落，如图4［110］所示。这聚合了乘客行程的起止点选择范围，为共享使用eVTOL 航空器创造了有利条件。因此，本文认为最适合UAM 运营的方式是将eVTOL 航空器作为一种公共的共享式的交通载运工具向公众开放。通过统一的承运商、统一制式的载运工具在一座城市范围内开展相关服务，能够确保在UAM 发展初期阶段具有更高安全水平的运营能力，这是保证UAM 行业健康有序向前发展的关键。关于UAM 运营过程中的不同角色，本文提出大致有3 个：用户、私有eVTOL 航空器拥有者以及第三方运营平台。用户是指使用UAM 出行服务的乘客与货物，其可以根据需求选择私人定制运输服务或共享出行，货物的配送依靠物流中心完成。私有eVTOL 航空器拥有者可根据自身需求选择盈利性运营或私用，其运营需要依靠平台并向平台提交相关适航资质，同时，私用也相应需要进行空域申请、航路申请、飞行计划报备。但如果人人以私有形式占有eVTOL 航空器，这将浪费过多的地面停放空间。这与NASA 提出UAM 概念之初所强调的按需供应（Ondemand）和共享出行（Riding-share）概念有所违背，不利于载运具利用率的提升，因此私用eVTOL 航空器拥有者情况应尽量避免。第三方运营平台拥有购买eVTOL 航空器并进行运营的权利，负责办理、审核eVTOL 航空器的相关适航证明，匹配用户与eVTOL 航空器，与航路监管部门进行沟通反馈

图4 eVTOL 航空器登机站示意图［110］Fig.4 Schematic diagram of eVTOL aircraft boarding station［110］

对于UAM 如何进行共享运营（图5），本文根据实时出租、网络约机［111］、P2P 租赁［112］、定制公交［113］这4 种城市交通现有共享出行模式，提出高端定制飞行服务、起降点拼机、网络约机、P2P 租用以及定制空中巴士这5 种UAM 的共享模式。

图5 UAM 的运营框架Fig.5 Operation structure of UAM

高端定制飞行服务根据用户的出行需求在指定地点专机接送，适合时间敏感、经济条件良好的人群，这种模式共享车辆但不共享行程。起降点拼机是指用户未事先预约行程直接到达登机站点，UAM 运营方随机为其分配空闲eVTOL 航空器进行UAM 运输服务的运营模式。这种模式较难给予选择拼机的用户一个准确的等待时长预期，无法保证用户的共享出行体验，且很难保证站点随时都有空闲的航空器待命。网络约机是指用户利用智能终端设备向运营平台发起行程需求，运营平台根据用户位置信息、行程起讫点为乘客匹配周边处于空闲状态的eVTOL 航空器提供运输服务。该模式下，UAM 运营方能够提前掌握用户的出行需求，可以为选择接受共享出行方式的用户提前匹配拼机用户，调配机型资源，并以系统提醒等交互方式敦促共享乘机用户按预期登机时间到达站点。P2P 租用是指在成熟商业运作和完备的个人信用体系保障下，通过运营平台将闲置的私人eVTOL 航空器在物权人同意的前提下租赁给其他用户使用的模式。这种模式再次配置了载运工具资源，且UAM 运营情境中解决了在私家车共享方面存在的监管、个人信用体系不完善的问题。因为所有eVTOL 航空器都具备相关资质证明与机主信息，接受运营平台的统一调度。定制空中巴士是为出行起讫点、出行时间、服务水平需求相似的人群量身定做的一种公共交通运营服务方式。该种模式固定起止站点，一站送达，前期价格可能仍会远高于地面公交、地铁等交通方式，但可以通过增加eVTOL 航空器的座位数量来降低个人成本。

4.3 UAM 管理与运营的关键技术

UAM 安全、高效的管理与运营离不开技术的支持，其中包括但不限于基于低空公共航路的运行规则进行流量控制，对低空公共航路的运行风险进行评估，本小节将这2个问题进行综述性研究。

4.3.1 低空公共航路运行规则设计与流量控制

运行规则常常与流量控制一起讨论，运行规则是流量控制的前置条件，影响流量的布局与控制方式。对于航路上的运行规则设计与流量控制，通常可用速度控制、雷达引导排序、时间以及高度层分离等手段。Jang 等［114］对城市低空空域内交叉口的运行规则进行了讨论，仿真模拟了加载流量后的交叉口，对不同结构的交叉口的性能进行了分析。这种方式是对路面交叉口设计的延伸，具有一定的借鉴意义。Xue［115］通过研究发现集中式的控制架构性能略优于分布式控制架构，但其鲁棒性较差，分布式控制架构中，统一的运行规则性能优于混合运行，因为在混合规则的情况下，系统安全性能受到破坏，并由表现不佳的人主导。对于垂直起降点的的运行规则设计与流量控制，Shao 等［90］和Yeo 利用eVTOL 航空器能够悬停的特点，无需考虑垂直起降机场进出路径无障碍下滑角的问题，基于背压策略设计了多环模式的起降航线的自适应垂直起降站（图6［90］）。相比传统五边飞行，其鲁棒性与效率性更高。Song 和Yeo［116］设计了3 种不同进近过程的多环进近结构（图7［116］），仿真结果证明，分支排队法（Branch Queuing Approach，BQA）在准时性和分离风险上均表现出较好的性能。在亿航216 的试飞实验中，航空器在起飞与落地前均有一段垂直爬升或下降的阶段，这说明这种多环垂直起降设计结构在城市低空空域内实际运行过程中完全有可能实现，这大大降低了垂直起降机场周边障碍物高度的要求。

图6 MVS-TA 模型的三维运行示意图［90］Fig.6 Three-dimensional diagram of MVS-TA operation［90］

图7 3 种vertiport 的进近控制方法［116］Fig.7 Three proposed vertiport approach control concepts［116］

4.3.2 低空公共航路风险评估

eVTOL 航空器在公共航路内的适航安全性被定义为：①在特定航路内运行时，不会对地面财产和人员造成损失或构成危害；② eVTOL 航空器运行过程不能对其他正在进行航空活动的其他eVTOL 航空器或航空器的飞行安全造成影响［117］。低空公共航路的安全运行需要加入风险管理体系，经过系统性风险识别与评估后，针对特定场景开展风险缓控措施，可把残留风险降低到可接受水平。

风险识别目标是发现UAM 管控系统潜在的失效原因并分析后果，对与eVTOL 航空器运行相关联的风险场景进行特性总结，常用的方法包括故障模式与影响分析［118］、危险和可操作分析［119］、蝴蝶结分析［120-121］、事件树［122-123］、故障树［124-125］等。上述的风险识别技术与模型可以及时准确地识别eVTOL 航空器运行的直接风险，例如eVTOL 航空器自身故障、eVTOL 航空器与障碍物或低空其他航空器相撞造成的直接风险，但是对于噪声［126-127］、隐私侵犯［128-129］，坠地危害等潜在的风险识别分析效果并不理想。风险评估是在特定运行场景，基于专家知识经验，事故数据统计与分析结果，对eVTOL 航空器运行过程的各个环节进行建模，并量化评估风险性，具有很高的客观性和准确性［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］。对于风险缓控措施，可通过划设eVTOL 航空器禁飞区［141-143］，制定包含飞行高度、飞行时间、飞行区域等因素的飞行规则［144］，对硬件设备进行预防性维护与保养，设计高鲁棒性的软硬件系统［145］等方式来保障低空公共航路运行安全。

5 低空公共航路网的构建

以低空公共航路为核心，在当前基础设施水平和高新技术发展基础上，融合高精度多组合导航定位、5G 联网通信、精细气象预报等新一代技术，构建以航路为载体的低空无人机应用服务系统，升级完善固有基础设施或者新建基础设施形成新型基础设施体系，对于应对UAM 低空规模化运行十分重要。低空公共航路网建设关键主要包括：

5.1 低空空域网格化和数字化

为应对复杂的城市障碍物环境和低空空域管控限制问题，需要对低空空域资源进行精细划分和管理，即低空空域的网格化和数字化研究。采用基于统一网格剖分系统对格式和类型多样的约束要素进行多级网格剖分，剖分单元大小适应航路宽度要求。此外，为了对空间数据进行高效组织和管理，为每一层级的任一体块的空间位置赋予唯一编码构建数字化低空，每个体块除了空间位置信息，还包括空域性质、风险评级等属性。

5.2 基于低空地理信息的航路网规划系统

基于遥感、时空地理大数据、人工智能等技术开发三维地理信息系统，通过遥感智能解译技术精准甄别建筑物、道路等低空复杂环境飞行地理约束要素，形成构建地理约束要素特征库、影像识别与快速提取算法库。突破基于体元栅格的三维航路及环境高效表达技术，构建净空边界低空地理网格数据库，研发多级航路网迭代优化与快速构建技术，实现无人机低空公共航路网规划功能。研究复杂飞行环境下的动态仿真、真实场景下航路验证和虚拟现实等技术，进行多机型无人机航路三维仿真飞行验证与实际飞行风险评估，研发无人机低空公共航路规划与仿真验证系统，为国家、行业和区各级航路网规划提供技术支撑与验证评估。积极耦合支撑民用无人驾驶航空器综合管理平台的关键模块—飞行计划管理，以提升飞行计划审批效率、无人机运行效率与安全效益，为国家、行业和地区各级航路网规划提供不可或缺的技术支撑与验证评估。

5.3 城市低空数字化公共航路网（天路图）

针对国内外无人机运行共同缺失低空公共航路网的严峻现状和行业发展迫切需求，面向典型应用场景和特定机型，研究低空复杂环境下飞行地理约束要素（包括地形地貌、建筑物、禁飞区等）甄别、遥感提取和障碍区净空边界评价方法，形成无人机低空复杂飞行环境地理约束要素净空边界标准。突破复杂环境三维航路高效计算、地理约束要素迭代优化的高精度多级航路网构建、同一区域同一时段下多机多用户运行多航道时空资源配置、多机型多行业共享宽兼容公共航路设计等关键技术，形成无人机低空公共航路规划的技术体系，产出典型示范区航路网（天路图）。

5.4 基于高精度、高动态地理信息城市低空航路网运行监管系统

针对当前无人机监管无序、无有效监管手段等问题，可依托已获得中国民用航空局唯一公有云运行许可的中国科学院中科天网云系统和全国无人机遥感数据目录信息服务平台，围绕无人机的综合管理，基于三维地理信息、无人机遥感、海量动态时空对象高效自适应的实时三维可视化等前沿技术，结合云边端一体化的网络体系，在统一的时空基准下高度融合空天地一体化的数据，设计与构建云计算框架下的统一监管平台，实时获取接入云系统企业的无人机运行动态，助力无人机监管部门实现有效、高效和安全监管。该系统基于高精度、高动态的地理信息和空域信息基础研发，除了实时监管功能，还包括空地协同起降点网建设与布局、高精度气象快速预报等功能。

6 UAM 落实建议

对UAM 如何落实还需诸多实践。一方面，明确UAM 的定位很重要。什么样的场景适用于UAM，什么场景使用UAM 能弥补现有交通方式的缺点，达到更好的交通效益是需要考虑的问题之一。另一方面，不同的使用场景，其受众群体、运行范围、合作伙伴、运营规则以及风险因素等也大不相同，在不同的场景如何开展试点工作也需进一步考虑。

6.1 UAM 应用场景需求分析

为保障UAM 试点工作的顺利开展，分析UAM 潜在市场以及应用潜在障碍应该从应用场景的分析开始。UAM 应用场景可能以下几类：已有公共交通不可用或交通不便场景，时效性要求高场景，以及短途公务出行和观光旅行等。已有公共交通不可用或交通不便场景包括郊区与市中心间的往返等；时效性要求高场景包括急救药品和亟需救援病人的运输、应急救援等。UAM 需求包括通用场景要求和特殊场景要求。特殊场景需要根据场景特征来决定，这里仅介绍通用场景需求，结合前文UAM 基础设施组成，建议对以下几个方面进行优先调研分析。

1）对于城市地区商业运行，安全要求和认证标准至关重要。

2）需要高质量的障碍物和地形数据库。

3）基础设施需求分析，调研现有基础设施类型和服务能力，比如物流集散点分布和电网服务能力；调研现有UAM 航空器类型和空域现状，据此分析UAM 对起降场硬件、尺寸、空域等具体要求。

4）当前地面交通流量、成本、能耗需求分析和预测。

5）UAM 对地面交通流的分流预测。

6）公众对于UAM 建设接受度分析，根据EASA 调研报告，目前公众最关心的要素是：地面人员的安全、车辆发出的噪音类型和水平、车辆行驶的时间和飞行的高度等。

6.2 探索支撑UAM 运行低空空域管理政策和运行机制

UAM 商业运行对低空空域资源的利用率和动态性要求高，如何高效、精细化地利用低空空域资源，需要进一步明确。可优先试点发展城市低空空域管理改革政策试点，进一步深化城市低空空域管理，赋予UAM 试验示范区低空空域管理权。在试点工作中，首先需要确定UAM 利益相关者，比如UAM 平台提供商、车主、车辆制造商、运维公司、保险公司、基础设施提供商等；其次，确定UAM 运营商业模式，谁来建立、拥有和管理地面基础设施？考虑到融资、拥有成本、维护和监管等关键方面，可能会出现不同的商业模式；最后，需要获取精准的市场定位，进而掌握各类用户需求，科学设计运输网络及全流程运营管理模式，在安全性、经济性和可靠性等方面达到最优，辅以精细规范的管理，以满足多方需求。试点工作可按照以下步骤展开。

1）确定试验区和试验场景。针对试验区特点，设计适用于试验区的典型运行场景。并在充分调研地面需求及评估运行环境风险的前提下，开展低空公共航路规划、构建及地面辅助配套基础设施建设。

2）测试航路通信、导航和监视能力，在监管平台下开展应用测试，积累飞行数据支撑主流运行规则制定。

3）推进亿航、小鹏汇天、峰飞等国内相关企业的UAM 试验先行先试工作，融合企业丰富的实践经验，以及高校、科研院所的先进理论和核心技术研究，建立产学研用协作机制，由各单位联合开展科技成果试点推广，形成相关规范性文件和行业标准。

4）以点带面，逐步推广形成运营主体明确、布局合理、覆盖面广、衔接高效的UAM 低空航路网络。

5）推进立法工作的建设，确立UAM 相关的违法行为与相应处罚措施。

7 结论

UAM 有关的基础设施建设和商业化探索已被提上日程，低空公共航路作为进一步发展UAM 安全和高效商业化运行前置条件，与之相关的法律法规、行政管理机构、运营规则与模式等相关领域研究仍几乎处于空白状态。因此，对低空公共航路的研究探索对UAM 产业健康有序发展是必要且必须的。本文对UAM 的发展历程、商业化试点现状以及与城市交通和民航运输的区别进行了综述性研究，并在此基础上提出了UAM 的基本概念、载运工具以及其发展所需要的基础设施。为了进一步发展UAM，本文论证了UAM 与低空公共航路的关系，并对其研究现状以及规划的关键技术进行了梳理。此外，本文从商业化角度提出了可供参考的UAM 运营与行政管理框架，并从运行规则设计、流量控制以及风险评估等角度对其中的关键技术进行分析。最后，本文通过明晰UAM 未来可能面临的机遇与挑战对如何通过建设低空公共航路来发展UAM 进行了展望，以期能为后续的深入研究提供参考。

如何进一步推动低空公共航路的发展和UAM 的研究与实际应用，还有诸多问题有待探讨。政策方面，目前低空公共航路的研究还属于初级阶段，虽然在民航局的推动下已经引起广泛关注，但针对低空公共航路在不同场景下的技术细节标准基础仍处于空白状态。技术方面，飞机电气化已成为航空技术发展的重要方向，分布式多电机动力系统可以促使eVTOL 航空器的航电和动力系统更加融合，也有助于实现噪音更小，安全程度更高，自主驾驶能力更强的新型航空器的生产制造。但eVTOL 航空器的适航标准很难界定，特别是安全文化长期以来已经根植于航空运输业中，eVTOL 航空器的安全性决定着UAM的发展是否会再次陷入低潮。市场方面，Berger［146］和Deloitte［147］报告中提出了多种可行的应用场景，并预测了近未来十年左右UAM 的市场规模。毫无疑问，UAM 所描绘的商业化场景比传统通用航空更具吸引力，可以说，基于eVTOL 航空器所定义的UAM 市场赋予了通用航空新的生命力。但近未来阶段eVTOL 航空器的生产制造成本和初期所能提供运输规模体量决定了它早期的受众对象——即对时间敏感愿意支付更高服务费用的人群。至于以什么样的模式运营能提高市场规模，增强消费活力，甚至融入城市交通体系中常态化运行，仍需进一步研究。社会方面，起降点设置的场地多为楼顶，楼顶的商业化使用权限问题，运行过程中带来的隐私、噪音问题将会是提高公众接受度一大难关。同时，还包括飞行过程中给乘客带来的心理上的不安全感问题，登机和下机的时间过长而巡航时间所占比例过低的问题等。

总之，UAM 的发展还需要公众接受、市场培育、相关法律标准的健全和相关从业人员的培养，但UAM 出现和发展是符合未来通用航空运输的发展趋势，即空中流量更加密集，运输场景更加广泛，空地协同管理能力更进一步提高，地面系统与机载电子信息系统耦合将变得更加紧密。虽然前路曲折，但依然值得期待，相信在不远的将来，城市空中交通这样一种新型交通方式将会真正融入人们的生活中。