美國城市空中交通運(yùn)行體系研究

近年來，隨著自動駕駛技術(shù)、電力推進(jìn)技術(shù)以及寬帶通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，城市空中交通（UAM）引起了社會各界的廣泛關(guān)注。各種研究機(jī)構(gòu)和組織紛紛對城市空中交通運(yùn)行概念進(jìn)行了大量的研究和探討，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，有限的交通資源與不斷增長的交通需求之間的矛盾亟待解決，開發(fā)城市空中可用空間，發(fā)展垂直式立體交通，逐步構(gòu)建融合空中交通的未來城市綜合交通系統(tǒng)是目前面臨的一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)和機(jī)遇的新課題。

城市空中交通是解決城市交通擁堵問題最有力的方式之一，未來必定在社會各界的共同努力下迎來繁榮興盛的局面。目前，世界各國在城市空中交通領(lǐng)域的發(fā)展和研究均處于起步階段，城市空中交通作為一種新型交通模式，必將為未來的運(yùn)行管理帶來挑戰(zhàn)。本文在梳理美國聯(lián)邦航空局（FAA）和國家航空航天局（NASA）有關(guān)城市空中交通運(yùn)行相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，總結(jié)研究分析美國城市空中交通運(yùn)行體系，為我國推動城市空中交通運(yùn)行提供參考借鑒。

UAM概念

城市空中交通是指在城市低空空域內(nèi)主要利用垂直起降或短距起降航空器及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)施實(shí)現(xiàn)載人載貨空中運(yùn)輸?shù)幕顒印３鞘锌罩薪煌ǖ妮d運(yùn)工具主要包括短距起降（STOL）航空器、垂直起降（VTOL）航空器和電推進(jìn)垂直起降（eVTOL）航空器等。這些航空器的特點(diǎn)在于起降所需場地少，節(jié)省城市空間，且不易受城市復(fù)雜環(huán)境的影響，飛行沖突解脫自由度高，對自動駕駛技術(shù)更為友好，容易實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的按需運(yùn)行，此外，航空器可以為有人駕駛航空器和無人駕駛航空器，航空器的駕駛模式取決于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展成熟度和城市空中交通系統(tǒng)的綜合要求。

美國城市空中交通進(jìn)展

2014年，NASA首次提出了無人機(jī)交通管理（UTM）的概念，并對UTM運(yùn)行概念進(jìn)行了全面闡述。2016年，Uber發(fā)布了未來城市空中交通計(jì)劃白皮書，全面闡述了未來城市飛行汽車運(yùn)營構(gòu)想。2017年，NASA正式提出了城市空中交通（UAM）這一專業(yè)術(shù)語。2018年，NASA正式提出了空域融合概念，并將UAM發(fā)展分為了3個(gè)階段：（1）新興階段：沿固定航線進(jìn)行低速度、低密度飛行；（2）發(fā)展階段：圍繞某一樞紐，實(shí)現(xiàn)小型立體網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行；（3）成熟階段：多樞紐、高速度、高密度運(yùn)行。此外，美國MIT、UMich等也分別針對UAM的運(yùn)行限制與發(fā)展途徑做出了進(jìn)一步深入研究。2020年FAA正式發(fā)布UAM運(yùn)行概念1.0，詳細(xì)論述了UAM運(yùn)行相關(guān)方及職責(zé)、運(yùn)行空域、運(yùn)行場景、體系架構(gòu)等內(nèi)容。2022年，F(xiàn)AA通過工程簡報(bào)發(fā)布了臨時(shí)指導(dǎo)材料，用于指導(dǎo)電動垂直起降機(jī)場的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。2023年4月，F(xiàn)AA發(fā)布針對先進(jìn)空中交通（AAM）運(yùn)行的空域和程序變更的新版藍(lán)圖UAM運(yùn)行概念（ 2.01_o

美國城市空中交通運(yùn)行體系運(yùn)行流程

（1）計(jì)劃階段

根據(jù)客戶的飛行請求，UAM運(yùn)營人從UAM服務(wù)提供者獲取當(dāng)前條件信息，包括空域、氣象、情報(bào)及其他數(shù)據(jù)，來制訂運(yùn)行計(jì)劃。

UAM運(yùn)營人將UAM運(yùn)行意圖信息（如識別信息、機(jī)場位置、飛行路線、起降時(shí)間）提交給UAM服務(wù)提供者。UAM服務(wù)提供者收到UAM運(yùn)行意圖信息后，首先會根據(jù)已知的信息對意圖信息進(jìn)行評估，如果意圖信息滿足相關(guān)限制，并不會造成戰(zhàn)略沖突，UAM服務(wù)提供者會通知UAM運(yùn)營人其運(yùn)行意圖得到確認(rèn)。如果不滿足相關(guān)限制，UAM服務(wù)提供者會通知UAM運(yùn)營人調(diào)整其運(yùn)行意圖。

（2）飛行階段

飛行階段UAM航空器駕駛員和運(yùn)營人監(jiān)視航空器性能以識別非正常事件，UAM服務(wù)提供者監(jiān)視運(yùn)行一致性。

① 起飛階段UAM航空器在起飛時(shí)隙內(nèi)從UAM

8|無人機(jī)2025No.1/總第126期機(jī)場起飛并進(jìn)入U(xiǎn)AM空域。

② 航路階段

UAM航空器駕駛員根據(jù)確認(rèn)的運(yùn)行意圖在UAM空域內(nèi)飛行，并基于機(jī)載探測與避讓功能，或UAM服務(wù)提供者的間隔服務(wù)保持與其他UAM航空器的間隔。

③ 到達(dá)階段

當(dāng)UAM航空器抵達(dá)降落機(jī)場時(shí)，駕駛員、UAM運(yùn)營人、服務(wù)提供者和UAM機(jī)場共同確認(rèn)降落點(diǎn)可用，駕駛員將航空器降落在指定位置。

（3）事后分析

UAM運(yùn)營人向UAM服務(wù)提供者報(bào)告任務(wù)完成情況，UAM服務(wù)提供者對所需的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔。

空域規(guī)劃

UAM運(yùn)行空域與傳統(tǒng)高空管制空域不同，需要特別考慮由建筑物、地形等固定障礙物以及飛鳥、氣球、煙花等移動障礙物所產(chǎn)生的地理空間復(fù)雜性。合適的UAM空域結(jié)構(gòu)將大大提升UAM運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性。目前UAM空域范圍與空域結(jié)構(gòu)均沒有明確定義。在UAM發(fā)展初級階段，空域劃設(shè)范圍主要參考現(xiàn)有民航空域劃設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。以美國為例，其對UAM、UTM、ATM運(yùn)行空域進(jìn)行了分類，UAM航空器主要運(yùn)行在UAM走廊，該走廊為一個(gè)有相關(guān)性能要求的三維航路段空間；UTM航空器主要運(yùn)行在約122m及以下空域；固定翼航空器和直升機(jī)可以全空域運(yùn)行，如圖3所示。

（1）在UAM走廊空域內(nèi)

① 所有航空器都在UAM特定的規(guī)則、程序和性能要求下運(yùn)行；② 固定翼航空器和UTM航空器可穿越UAM走廊空域運(yùn)行；③ 直升機(jī)和UAM航空器可穿越或在UAM走廊空域內(nèi)運(yùn)行。

（2）在UAM走廊空域外

在UAM走廊空域外，所有運(yùn)行必須滿足相關(guān)ATM或者UTM的規(guī)則、程序和性能要求。

流量控制

傳統(tǒng)空中交通流量管理根據(jù)實(shí)施時(shí)間不同，可分為戰(zhàn)略管理、預(yù)戰(zhàn)術(shù)管理、戰(zhàn)術(shù)管理和事后分析4個(gè)階段，且以戰(zhàn)略和預(yù)戰(zhàn)術(shù)管理為主，而戰(zhàn)術(shù)流量管理為輔，主要采取的流量控制措施有地面等待策略、空中等待策略和改航策略等。然而，在城市空中交通運(yùn)行中，UAM多為按需運(yùn)行，其實(shí)時(shí)性、動態(tài)性較強(qiáng)，空域態(tài)勢較為復(fù)雜，可預(yù)測性相對較低，僅通過戰(zhàn)略和預(yù)戰(zhàn)術(shù)的流量控制策略，難以適應(yīng)UAM的實(shí)時(shí)變化，無法解決UAM容流不平衡問題。因此，城市空中交通流量控制應(yīng)當(dāng)以戰(zhàn)術(shù)流量控制為主：將流量控制作用于航路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)類似于地面交通的信號控制，促使航空器實(shí)施改航、空中等待、地面等待等策略，以此來實(shí)現(xiàn)航路網(wǎng)絡(luò)交通流的自適應(yīng)調(diào)控。

UAM交通服務(wù)提供者向UAM運(yùn)行提供信息服務(wù)、間隔服務(wù)、航跡規(guī)劃服務(wù)和應(yīng)急管理服務(wù)等交通服務(wù)，具體如下：

（1）在UAM相關(guān)參與方間提供通信橋梁，支持UAM相關(guān)方協(xié)同運(yùn)行；（2）向UAM運(yùn)營人提供信息服務(wù)，包括空域限制、起降點(diǎn)可用性、氣象條件等信息；（3）分析UAM運(yùn)營人的意圖信息是否完整，是否滿足當(dāng)前的相關(guān)限制，并從戰(zhàn)略上消除與其他UAM運(yùn)營人、UAM空域容量、空域限制、起降點(diǎn)可用性等因素的沖突；（4）提供協(xié)同間隔管理服務(wù)，以及一致性監(jiān)視、咨詢服務(wù)等；（5）決定UAM空域適用狀態(tài)（激活、非激活）；（6）存儲、分析UAM運(yùn)行數(shù)據(jù)。

運(yùn)營人運(yùn)行

運(yùn)營人根據(jù)客戶需求提供按計(jì)劃或按需求的服務(wù)，運(yùn)行過程需遵守相關(guān)法律法規(guī)及UAM運(yùn)行規(guī)定。UAM運(yùn)營人通過獲取當(dāng)前限制條件及服務(wù)（環(huán)境、情景意識、戰(zhàn)略運(yùn)行需求、UAM機(jī)場可用性及其他數(shù)據(jù)）來決定UAM運(yùn)行意圖信息，即四維航跡信息，包括：起降點(diǎn)、航路、起降時(shí)間等內(nèi)容。UAM意圖信息主要有以下功能：

（1）可有利于UAM服務(wù)提供者實(shí)現(xiàn)信息共享，以提升安全水平和情景意識；（2）可有利于UAM服務(wù)提供者加強(qiáng)戰(zhàn)略無沖突規(guī)劃；（3）可有利于UAM服務(wù)提供者識別和發(fā)布相關(guān)空域約束和限制；（4）可有利于UAM服務(wù)提供者提供間隔管理服務(wù)，以及一致性監(jiān)視、咨詢服務(wù)等。

起降場運(yùn)行

UAM機(jī)場是一個(gè)滿足UAM航空器起降、乘客上下飛機(jī)，及為UAM飛機(jī)提供能源補(bǔ)充等服務(wù)的固定地點(diǎn)。機(jī)場管理人員負(fù)責(zé)機(jī)場日常運(yùn)營，同時(shí)可向UAM運(yùn)營者提供當(dāng)前和未來資源可用性信息（例如：開放/關(guān)閉，停機(jī)坪可用性等），以支持UAM運(yùn)營者規(guī)劃、UAM服務(wù)提供者戰(zhàn)略無沖突規(guī)劃等工作開展。

每個(gè)起降場需要在城市空中交通管理平臺中登記備案，從而使飛行器僅在已經(jīng)登記批核并可以識別的起降場之間運(yùn)行，確保運(yùn)行的合法性。各個(gè)起降場的規(guī)模和重要性取決于該起降場的航線密度和客流量。起降場可以是單一的停機(jī)坪，也可以是配備多個(gè)停機(jī)坪、充電站、候機(jī)區(qū)和其他設(shè)施的樞紐。雖然目前城市空中交通路線僅采用點(diǎn)對點(diǎn)連接，但城市空中交通網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步擴(kuò)張，

中國UAM發(fā)展建議

開展UAM相關(guān)研究

城市空中交通作為一種前所未有的新興交通模式，必然會帶來新需求、新問題和新挑戰(zhàn)，現(xiàn)階段需深入開展UAM相關(guān)理論研究。在技術(shù)層面，需重點(diǎn)研究城市空中交通特性、垂直起降航空器沖突智能感知避讓、自主飛行、機(jī)群路徑規(guī)劃和管理等相關(guān)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)。在運(yùn)行層面，重點(diǎn)研究空域劃設(shè)、航路規(guī)劃、流量智能控制及與傳統(tǒng)空中交通管理的融合運(yùn)行等問題。

規(guī)范相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系

目前，城市空中交通在運(yùn)行層面、技術(shù)層面和管理層面等方面的法律、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范幾乎空白，亟須通過試點(diǎn)探索建立城市空中交通法律法規(guī)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、管理機(jī)制、運(yùn)行規(guī)則等，逐步形成一套科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、完整自洽的城市空中交通標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，例如各類航空器最小安全間隔標(biāo)準(zhǔn)和垂直起降機(jī)場最大運(yùn)行容量規(guī)范等。

完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

融合應(yīng)用北斗、5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)手段，推進(jìn)UAM航空器、空地鏈路、垂直起降機(jī)場等基礎(chǔ)設(shè)施布局規(guī)劃建設(shè)，構(gòu)建多方協(xié)同、空地一體、互聯(lián)互通的城市空中交通運(yùn)行環(huán)境，研制國家信息管理系統(tǒng)、區(qū)域信息集成系統(tǒng)和城市空中交通管理系統(tǒng)三級城市空中交通管理平臺。

開展示范驗(yàn)證活動

選擇空域條件良好、人口密度不大的中小城市或新城區(qū)，結(jié)合云大物智移等新一代ICT技術(shù)和基于航跡運(yùn)行、全系統(tǒng)信息管理等行業(yè)新概念與新技術(shù)，按照由點(diǎn)及面、先行先試和逐步推廣的原則，開展城市空中交通示范性應(yīng)用試驗(yàn)，推動構(gòu)建一個(gè)安全、高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展的城市空中交通體系，加快推進(jìn)城市空中交通成為現(xiàn)實(shí)。

能夠?yàn)橛脩籼峁└奖愕某藱C(jī)地點(diǎn)。