作者：闫艺萍、王凯、曲小波配资资金
单位：清华大学车辆与运载学院，北京100000，中国
电子邮件：xiaobo@tsinghua.edu.cn
引用：Yiping YAN, Kai WANG, Xiaobo QU. Urban air mobility (UAM) and ground transportation integration: A survey. Front. Eng, 2024, 11(4): 734‒758 https://doi.org/10.1007/s42524-024-0298-0
文章链接：
https://journal.hep.com.cn/fem/EN/10.1007/s42524-024-0298-0
https://link.springer.com/article/10.1007/s42524-024-0298-0
摘要：本研究探讨了城市空中交通 (UAM) 作为缓解主要城市地区日益严重的交通拥堵问题的一种策略，这种拥堵现象主要源于静态交通供给与动态需求增长之间的矛盾。本文深入概述了UAM的发展，重点分析了其现状及与现有城市交通系统融合所面临的挑战。关键研究领域包括电动垂直起降 (eVTOL) 飞行器的技术进展及障碍，这些飞行器是UAM在城市环境中运营的核心。此外，本文探讨了UAM的基础设施需求，包括垂直起降机场（vertiport）的部署以及高效空中交通控制 (ATC) 系统的创建。这些发展必须与城市布局相融合，避免加剧土地使用冲突。本文还研究了UAM的监管框架，包括现有航空法规以及为城市空中交通专门设计的新政策的必要性。研究为政策制定者和城市规划者等各利益相关方提供了全面的视角，强调了对UAM潜力的深入理解以及将其有效融合到城市交通框架中的必要性。
展开剩余98%关键词：城市空中交通，eVTOL，地面交通，飞行汽车
1.引言全球城市化进程加速，导致经济和社会活动集中于城市地区。如图1所示，高收入国家（包括西欧、美洲、澳大利亚、日本、英国和中东）的城市人口比例显著，其中超过80%的人口居住在城市地区。同样，在中国和南非等上中等收入国家，城市人口比例也超过了60%。然而，印度和南亚地区相对滞后，仅有略高于35%的人口居住在城市环境中。城市中心提供了广泛的高质量服务，提高了整体生活质量 (Bloom et al., 2008; Ritchie and Roser, 2018)。然而，这种集中化也带来了诸如交通拥堵、环境恶化和人口过剩等问题（Rijnders et al., 2001; Carlsten and Rider, 2017; Han et al., 2018）。交通作为城市的核心组成部分，不仅占用大量土地，还加剧了交通拥堵，导致严重的经济和环境后果。根据INRIX（2022年）的拥堵报告，美国芝加哥、波士顿和纽约等城市的拥堵影响排名居首。这些交通延误的经济成本急剧增加，2022年全国拥堵成本达810亿美元，比前一年增长了53%。然而，这一数字仍低于2019年创下的880亿美元峰值。这些经济损失突显了城市交通系统的固有低效性
图 1 2021全球城市人口比例（source: UN Population Division (via World Bank) ）
根据百度地图发布的《2022年中国城市交通报告》（2023年），重庆在2022年超越北京，成为中国最拥堵的城市。表1显示，在高峰通勤时段，重庆的实际行驶速度为29.84公里/小时，而北京为31.11公里/小时。在通勤时间方面，北京和重庆均排名前列。报告显示，2022年，北京是唯一一个单程通勤时间超过40分钟的城市。重庆、天津、广州和成都等城市的单程通勤时间平均均超过36分钟。中华人民共和国住房和城乡建设部（2022年）发布的《2022年中国主要城市通勤监测报告》指出，在44个主要中国城市中，有超过1400万人面临极端通勤，其中13%的人通勤时间超过60分钟。在北京，30%的人口的通勤时间超过60分钟，使其成为全国极端通勤人数最多的城市，同比增加了3个百分点。上海紧随其后，18%的人面临超过60分钟的通勤。天津和重庆的比例均为17%。
表1 中国城市2022年交通拥堵排名（来源：百度地图）
鉴于这些挑战，探索空中空间作为缓解地面拥堵并减少对广泛道路基础设施需求的潜力显得尤为重要。随着城市化进程的加快，人口密集的城市中交通拥堵已成为普遍问题。日益严重的环境问题和传统地面交通对土地使用的限制进一步突显了采用基于电力的垂直城市交通系统的必要性。
城市空中出行（Urban Air Mobility，UAM）在这一背景下成为了一种有前景的解决方案。UAM最初受到20世纪早期“飞行汽车”和城市空中交通的构想启发，已经发展成一个成熟且切实可行的系统，具有在城市区域提供安全、可持续和经济的空中交通的潜力（Cohen et al., 2021）。UAM的核心是使用电动垂直起降（eVTOL）飞行器，这些飞行器代表了电气化、自动化和垂直起降（VTOL）技术的最新进展（Straubinger et al., 2020）。作为更广泛的先进空中出行（AAM）类别的一部分，UAM承诺带来多重益处，例如减少城市拥堵、通过电动推进系统减少碳排放，并改善城市之间的连接性（National Aeronautics and Space Administration, 2021）。
然而，尽管UAM具有巨大的潜力，它的实现仍面临许多挑战。过去，直升机曾被视为潜在的城市空中交通工具，但它们遇到了噪音污染、高运营成本和安全问题等显著障碍。此外，飞机和地面车辆的生产动态存在显著差异。飞机通常采用低量、按计划生产的方式，而地面车辆则遵循高量、规则化的生产模式。这种差异影响了它们的成本结构、可扩展性以及公共可访问性。
尽管面临这些挑战，电池技术和推进系统的进步为创新的VTOL飞行器设计铺平了道路。总之，UAM结合了历史经验和现代技术创新，提供了一种可行的解决方案，能够重新定义城市交通，解决快速增长的城市中的拥堵和环境可持续性问题。
2.地面交通系统概述在城市出行领域，地面交通系统因对效率、环境可持续性和以用户为中心的需求而经历了显著的演变。
公共交通：城市出行的基石
公共交通在历史上对塑造城市出行格局发挥了重要作用。从简单的马车到如今复杂的地铁系统，公共交通始终致力于为城市居民提供高效、经济且便利的出行选择（Ibrahim, 2003）。公交车、有轨电车、地铁和通勤列车构成了公共交通的基础，也是全球城市出行的重要组成部分。这些系统不仅为基本服务提供了可达性，还帮助缓解了交通拥堵并减少了环境危害。公共交通系统专为大规模人口运输而设计，通常运行在专用路线或轨道上，从而最大程度地减少了其他车辆的干扰。这些系统通过减少道路上的个体车辆数量，在应对拥堵和环境问题方面具有重要意义。
私人交通：便捷但代价高昂
与此同时，以个体车辆为特征的交通系统提供了无与伦比的灵活性和便利性，使个人能够根据自己的时间表定制出行。然而，这种自由也伴随着显著的成本。传统车辆，尤其是依赖化石燃料驱动的车辆，是温室气体排放的主要来源，严重影响空气质量并加速全球气候变化（Carlsten and Rider, 2017）。许多城市因基础设施陈旧或不足而难以满足日益增长的车辆数量和公共交通使用者的需求（Han et al., 2018）。随着道路车辆数量的增加，交通事故的风险也随之上升。在缺乏专用行人和骑行者基础设施的地区，这些群体面临显著的安全威胁（Stoker et al., 2015）。
交通领域的创新
为了应对公共交通面临的挑战，交通领域出现了重要的创新和进步。电动车辆的趋势正在加速发展，这些车辆因其零尾气排放显著降低了道路交通对环境的影响（Becker and Axhausen, 2017; Hu et al., 2021）。例如，电动公交车、无接触支付系统和实时跟踪技术的出现是现代化公共交通的具体进展（Ongkittikul and Geerlings, 2006; Camacho et al., 2016; Bakker and Konings, 2018; Lusikka et al., 2020）。自动驾驶或自主车辆（AVs）有望彻底改变城市交通，提高安全性、缓解拥堵并优化交通流量（Lin et al., 2023）。
随着物联网（IoT）的兴起，城市正在向智能交通系统过渡，这些系统利用数据分析和实时监测来管理交通流量、缓解拥堵并提升整体运输效率（Sumalee and Ho, 2018）。“出行即服务” （MaaS）将各种交通服务整合到一个便捷的平台中，使用户能够轻松规划和支付多种交通方式的出行（Smith and Hensher, 2020）。在城市扩张覆盖广阔距离的地区，高速铁路为快速城际旅行提供了解决方案，减少了对短途航班或长途驾车旅行的依赖。
地面交通的挑战
尽管传统交通系统无疑带来了许多益处，例如提高出行自主性和改善可达性，但它们也带来了一系列挑战。这些挑战包括基础设施压力、环境问题等。在快速城市化和人口增长的背景下，高峰时段的过度拥挤问题尤为严重（Han et al., 2018）。此外，环境考量、基础设施维护以及可持续资金模式的探索也为城市出行问题增加了复杂性。确保全面的可达性，尤其是针对老年人和残疾人等弱势群体，仍然是一项持续存在的挑战。
城市空中出行（UAM）的必要性
对这些问题的理解为城市空中出行（UAM）的出现铺平了道路。最近的学术研究表明，UAM 是对地面系统局限性的有力补充。通过利用空中通道，UAM 有潜力缓解拥堵、缩短出行时间，并为城市出行引入新的维度（Wang and Qu, 2023）。从本质上讲，地面交通的演变及其固有的挑战突显了像 UAM 这样的创新解决方案在城市出行格局中的必要性。
3.飞行汽车与城市空中交通系统 (UAM) 的发展城市空中出行的概念长期以来吸引着人类的想象力，其历史以持续不断的创新和演变为特点。这个概念诞生于航空与汽车工程的交汇点，最初被称为“飞行汽车”或“可行驶飞机”（roadable aircraft），即既能在空中飞行又能在道路上行驶的车辆。这一构想最早可追溯到1841年，由威廉·塞缪尔·亨森（William Samuel Henson）和约翰·斯特林菲洛（John Stringfellow）等先驱提出，甚至早于莱特兄弟的著名飞行（Ballantyne and Pritchard, 1956）。到1917年，格伦·哈蒙德·柯蒂斯（Glenn Hammond Curtis）在纽约全美航空展上展示了“自动飞机”（Autoplane），这一概念开始从简单的设计图转向实际应用（Lally, 2013）。这款铝质燃料驱动、配备固定翼的设备标志着实用化UAM的开端。
在整个20世纪，各种飞行汽车不断涌现，例如1937年的瓦尔多·沃特曼（Waldo Waterman）“箭型汽车”（Arrowbile）和1946年的罗伯特·富尔顿（Robert Fulton）“空中两栖车”（Airphibian）（Chana, 1996）。然而，20世纪末和21世纪初，随着电动垂直起降（eVTOL）技术的兴起，飞行汽车的发展发生了范式转变。1991年，保罗·莫勒（Paul Moller）推出“M400”，开启了这一新时代，强调了垂直起降技术的潜力（Moller, 1998）。在接下来的几十年里，技术进步显著加速。从斯洛伐克的AeroMobil到中国的小鹏汇天，全球公司不仅提出了创新构想，还逐步将这些愿景变为现实，为城市空中出行的历史开辟了新篇章。在全球寻求更加可持续和高效交通解决方案的背景下，eVTOL技术位于UAM发展的最前沿。
eVTOL：航空技术的变革性进化
eVTOL（电动垂直起降）飞行器代表了航空技术的一次革命性进化，融合了无人机与传统飞机的元素。这些先进飞行器具备垂直起降能力、电动推进系统以及自动化控制功能。eVTOL飞行器旨在通过提供空中出租车、紧急响应车辆和休闲飞行器等服务，彻底改变乘客运输方式，同时相比传统无人机，提供更大的货运能力。
eVTOL技术的快速发展得益于汽车行业推动的电池和电机技术进步，以及无人机自动驾驶系统和轻质碳纤维材料的应用。与直升机类似，eVTOL飞行器也具备垂直起降能力，但在航程和载客量上有显著差异，其优势在于更低的噪音、更低的运营成本以及更高的安全性。eVTOL领域吸引了初创企业与传统航空巨头的共同参与，例如Volocopter、亿航（EHang）和Joby Aviation等初创企业在创新方面不断突破，而空客、波音和贝尔直升机等传统航空巨头则利用其现有技术与供应链巩固其在这一新兴市场中的地位。
空客的创新引领
空客通过“Vahana”和“City Airbus”项目取得了显著的里程碑，例如成功完成这些机型的试飞。空客的战略不仅限于制造，还包括更广泛的eVTOL相关服务。通过与Voom合作推出空中出租车服务，以及与奥迪合作开发空地一体化出行解决方案，空客展现了其全面的布局。例如，其模块化“Pop. Up Next”概念设想了空中与地面交通的无缝衔接。这些举措突显了eVTOL开发的动态性和快速演变，并预示着未来城市出行与航空旅行的新格局。
图2. Volocopter 2X (image source: https://en.wikipedia.org/wiki/Volocopter_2X#/media/File:Volocopter, IAA_2017, _Frankfurt_(1Y7A1911).jpg)
图3. Ehang 184 (image source: https://en.wikipedia.org/wiki/EHang#/media/File:Ehang184.png)
图4. Joby S4 (image source: https://en.wikipedia.org/wiki/Joby_Aviation#/media/File:Joby_Aviation_S4_experimental_eVTOL_aircraft_at_Edwards_AFB.jpg)
图5. Airbus CityAirbus (image source: https://en.wikipedia.org/wiki/Airbus_CityAirbus#/media/File:CityAirbus_NextGen.jpeg)
图6. Audi Pop. Up Next (image source: https://en.wikipedia.org/wiki/Audi_Pop.Up_Next#/media/File:Audi_Pop.Up_Next,_GIMS_2018,_Le_Grand-Saconnex_(1X7A1558).jpg)
UAM发展的四个阶段
eVTOL（电动垂直起降飞行器）的发展，承诺提供更安静、更安全、更便宜的交通方式，复兴了城市空中出行（UAM）的概念，将城市空域用于城市内部的乘客运输。UAM的演变经历了过去70年中四个独特的阶段，每个阶段都伴随着不同的技术进步和交通管理特点：1960年代的直升机，1980年代的倾转旋翼机，2000年代的轻型喷气机和个人空中车辆，以及2010年代的eVTOL。
第一个商业直升机航空公司纽约航空公司成立于1953年，开始运输乘客往返纽约市的主要机场。到1956年，该公司的服务扩展到包括曼哈顿。此创新很快在洛杉矶、旧金山和芝加哥得到复制，这些公司主要提供主要机场和附近市中心之间的连接。该行业经历了显著增长，年乘客人数从1957年的不到15.5万增加到1967年的超过120万（Joint DOT-NASA Civil Aviation Research and Development Policy Study, 1970）。然而，1960年代和1970年代，直升机航空业面临了重大挑战，导致多个公司衰退（Vascik, 2020）。洛杉矶航空公司和芝加哥直升机航空公司分别在1970年和1965年因发生致命事故而关闭。尽管旧金山和奥克兰直升机航空公司没有发生事故，但由于财务困难，它们在1970年宣布破产。纽约航空公司作为最大的公司，面临着致命事故和运营挑战，包括1973年的能源危机以及主直升机场的通行问题，最终在1979年关闭。波士顿的Air General公司也因需求低迷和天气相关的服务不可靠，在1969年停运，尽管没有发生致命事故。这些事件突显了直升机航空业在这一时期面临的经济和安全挑战。
第二阶段始于民用倾转旋翼（CTR）飞行器概念的出现，这被视为直升机的有前景的替代方案。CTR飞行器提供了更高的巡航速度和更长的航程等优势。垂直起降、合理的速度、具有乘客设施的加压舱、可接受的安全水平、高可靠性和竞争力的运营成本是CTR商业可行性的六大关键要求。与之前的直升机概念相比，基于CTR的UAM系统的愿景包括为常规航班提供独立的空中交通管制（ATC）服务，并使用9-40座的飞机（Vascik, 2020）。美国NASA在2000到2005年间开发的小型飞行器运输系统（SATS）旨在通过提供按需的点对点服务，彻底改变个人和商务旅行 (Holmes et al., 2004; Viken et al., 2006)。该系统设想使用4至9座的小型螺旋桨或喷气飞行器，在地区机场、转机机场和普通航空机场或直升机机场之间运营。SATS的概念基于两种新型飞机：非常轻型喷气飞行器（Trani et al., 2006）和个人空中车辆（Moore，2003）。SATS的基本前提是优化利用广泛但未充分利用的现有航空基础设施，这些基础设施已经广泛接受用于飞行操作。SATS优先发展技术进步，解决通过直升机航空和CTR飞行器的经验所发现的各种挑战。这些挑战包括高效的ATC、抗天气的运营和网络物流，这些都是有效扩展系统的关键因素。
第三阶段没有明确的时间界限，但一个重要的标志是行业在eVTOL飞行器原型上的投资。近年来，"UAM"、"按需移动"和"eVTOL"等术语在文献中变得流行，尤其是在过去五年中。2016年举行的首届Elevate峰会上，优步（Uber）发布的白皮书重新定义并构想了城市空中运输系统（Holden和Goel，2016）。NASA的"UAM成熟度等级"模型将UAM的发展划分为六个阶段，每个阶段都解决了车辆技术、空域系统整合和社区接受度等具体挑战。该模型为UAM在城市地区的系统演变提供了路线图（Goodrich and Theodore, 2021）。与此同时，像空中客车（Airbus）、优步（Uber）和Blade UAM等交通网络公司，在圣保罗和纽约等城市开展了空中共享出行和包机服务，结合了新技术和商业模式（Haynes and Alerigi, 2016; Uber, 2019）。尽管面临空中交通管制（ATC）限制和社区噪音投诉等挑战，这些操作正在为未来的UAM系统奠定基础。此外，NASA与联邦航空管理局（FAA）的合作，以及其"按需移动"的愿景，促成了在电动推进、空域整合和社区接受度等领域的重要研究和路线图（Federal Aviation Administration, 2018; National Aeronautics and Space Administration, 2021）。到2019年底，超过十家制造商正在测试全尺寸的垂直起降（VTOL）或短距起降飞机，这标志着UAM操作向更加先进且具有潜力的方向迈进。随着自主空中运输变得可行并逐步扩大规模，传统的ATC和航空规则将需要演变以适应UAM。这个阶段面临新的挑战，包括为UAM开发城市低空空域、建立飞行规则、建设基础设施以及开发通信和导航系统。
这些阶段展示了UAM系统不断发展的景象，突显了技术创新、监管环境和市场动态之间的互动。
4.集成综合交通生态系统的愿景城市交通正在经历一场变革，城市空中出行（UAM）范式成为创新与效率的象征。这一变革的核心是“飞行汽车”的发展以及UAM与地面交通的整合。“飞行汽车” 是指为低空、三维智能交通设计的交通工具；这些交通工具主要包括eVTOL（电动垂直起降飞行器）和两栖汽车。
飞行汽车作为一种低空智能交通工具，预计将在未来的电动航空领域中发挥至关重要的作用。这一进程是地面车辆电气化和智能化发展的自然结果。目前，主流的研究集中在eVTOL的普及上，这些飞行器将承担货物和乘客运输的任务（German et al., 2018）。过去，尝试将汽车和飞机的特性整合起来，通常导致设计复杂且实用性有限（Chana，1996）。然而，近期电动和智能汽车技术的进步为创新飞机设计铺平了道路。智能技术的引入有望解决航空领域的可扩展性和安全性问题。电动VTOL飞行器采用分布式推进系统，能够提供更高的安全性、减少噪音，并提高成本效益（German et al., 2018）。这些飞行器有望使航空旅行像汽车出行一样普及。这一eVTOL研究趋势吸引了航空、汽车行业以及技术初创企业的广泛关注（Porsche Consulting, 2018; Straubinger et al., 2020; National Aeronautics and Space Administration, 2021）。作为eVTOL的进化版本，两栖飞行汽车代表了由三个关键因素推动的汽车创新的巅峰：1）技术可行性，得益于电气化和智能系统的发展，支持自动化的空中导航；2）需求，突出了解决城市拥堵问题的迫切需求，通过将交通选项从地面扩展到空中；3）便利性，强调这些汽车能够在陆地和空中之间无缝过渡的能力（Rajashekara et al., 2016; Luo et al., 2021; Pan and Alouini, 2021）。
现代城市建筑已经在三维空间中运作，人们在摩天大楼中居住和工作。然而，现有的交通基础设施只运作于两个主要维度（Booz Allen Hamilton，2018）。2016年，Uber发布了《快速前进：走向按需城市空中交通的未来》一文，指出就像摩天大楼优化了有限的城市土地一样，城市空中交通也能利用三维空域来缓解地面交通拥堵。两栖飞行汽车的出现将开启人类出行的变革阶段。城市将从现有的二维交通系统转向一个统一的框架，包含陆地和空中维度。这一范式的转变有望提高出行的便利性和安全性。城市和乡村的开发将更加紧密地互联，通过优化资源利用，显著提高居民的生活质量。
正如表2所示，从空中俯瞰一座城市，呈现出一个动态的世界，永不停息，由交通这一关键要素驱动。交通是城市生活得以维持的核心，它使得人员和货物的流动成为可能。城市交通网络的核心由强大的公共交通系统组成，如地铁、火车和公交车，每天沿着预定路线运送成千上万的人。与此相对，私人交通，包括私家车和出租车，则以更加灵活的方式运作，模式不断演变。这一复杂的流动交织更加复杂，因为卡车负责货物运输、垃圾收集和其他物流任务。此外，步行和骑行等较为柔和的交通模式，在复杂的网络中也在穿行，通常借助共享单车和滑板车等工具。更高空的直升机则满足特定的紧急和运输需求，而乘客无人机则通过共享行程和整合综合交通平台，更高效地利用现有资源。例如，乘客无人机因其迅速和按需可用，提供了一种高效的解决方案，尤其是在超过20公里的距离上，考虑到其对基础设施的最低要求（Porsche Consulting，2018）。这一城市交通的转型有望带来深刻的变化。随着自动化和共享交通系统等技术的进步，传统的汽车将让位于自动驾驶汽车（AV）和共享出行平台，而传统的出租车将转变为打车和共享出行服务（Tafreshian et al., 2020; Mitropoulos et al., 2021;Liu et al., 2023; Qu et al., 2023）。传统的自行车将面临来自电动自行车和共享单车项目的竞争，直升机也将很快与eVTOL飞行器共享空域。对于所有人而言，垂直出行的概念正从幻想转变为切实可行的现实，全球范围内已取得了显著进展。地面打车和共享出行服务已被用作更高效的货物和人员运输创新方式（Agatz et al., 2012; Fagnant and Kockelman, 2018）。过去十年，全球多个城市已成功部署了空中出租车应用。特别是，像Uber这样的交通网络公司已经在圣保罗和纽约等城市推出了按需城市空中出行服务（Haynes and Alerigi, 2016）。此外，包括澳大利亚墨尔本CBD转机（Microflite，2020）、日本Hiratagakuen（2020）、印度Helitaxii（2020）和新西兰Helicopter Me（2020）等多家直升机服务公司，提供连接主要城市与机场的接驳服务。在这一领域的一个重要里程碑是，EHang的EH216-S两座无人驾驶空中飞行器，于2023年10月13日获得了中国民用航空局颁发的全球首个型号认证。这一认证验证了EH216-S符合安全和适航标准，可以用于商业载客运营。这些空中出租车公司采用的商业模式，专注于通过整合地面和空中交通，提供端到端的服务。通常包括将乘客运送到垂直起降站（vertiport），进行eVTOL飞行，然后通过最终的打车服务送达目的地。
虽然空中出租车直升机服务的潜在优势得到了广泛认可，但对该商业模式可持续性的担忧依然存在。一个主要的担忧是，这些服务所提供的总时间节约是否与客户对整个行程的期望相符（Shah, 2019）。预计与实际时间节约之间的差距可能会显著影响客户满意度以及该商业模式的长期可行性。因此，UAM（城市空中出行）的成功取决于其与现有交通系统的无缝整合、市场规模以及可及性。其可行性需要通过探索各种未来情景来评估。正如Nneji et al. (2017)、Straubinger et al. (2021) 以及Vascik（2017）的研究所示，该领域的广泛研究已经探讨了多个应用场景和商业模式。这些研究涵盖了不同类型的服务（通勤和非通勤）、市场参与者（私人、个人或商业）以及用户群体，并评估了UAM在按需服务中的适用性。构建有效的UAM商业模式需要全面理解用户需求，并认识到推动采用和使用的因素在不同情景下会显著变化。这突出了根据每个独特应用背景量身定制策略的重要性。
NASA于2018年委托Crown Consulting进行的一项研究（NASA, 201a8）旨在评估三个UAM用例在美国15个城市中的可行性。这些用例包括最后一公里配送（从本地枢纽到特定接收地点的非计划实时包裹配送，基于在线订单立即生成路线）、空中地铁（类似公共交通的自动化通勤系统）以及空中出租车（自动化按需拼车系统）服务。
根据研究显示，几乎一半的受访消费者对UAM的概念及其潜在应用持开放态度。然而，关于安全、隐私、工作保障、环境影响、噪音和视觉污染的重大担忧也被提出。
特别是在最后一公里配送的背景下，受访者担心车辆故障、包裹盗窃以及由于车辆摄像头导致的隐私泄露等潜在风险。而在UAM交通场景中，主要担忧是乘客和旁观者的安全，以及这些系统的高运营成本。
为了缓解这些担忧并提高消费者对UAM技术的信任，必须为这些系统建立经过验证的安全记录。此外，实践中对这些技术进行示范有助于解决公众的疑虑并增强接受度。
另一项由Booz Allen Hamilton于2018年（NASA委托）进行的研究专注于十个特定城市地区的UAM市场。该研究旨在评估市场规模和障碍，分析机场接驳、空中出租车和空中救护等UAM应用的可行性，并分析UAM的社会和环境影响。研究方法包括问卷调查、焦点小组和利益相关者访谈。分析概述了若干不确定性，包括技术可用性、空中交通管制（ATC）能力、基础设施发展、公众接受度以及法律框架。这些不确定性，加上自动驾驶汽车的出现和人们对旅行时间的个人感知，极大地影响了空中出租车的需求。
建议未来研究应关注交通领域的新兴技术趋势如何影响UAM市场，特别强调环境可持续性。此外，将研究范围扩展到包括更多城市区域，对于准确评估不同地区的市场可行性以及更精确地了解UAM的潜在规模和影响至关重要。同样，Roland Berger识别了UAM的三大主要未来用途：用于直接按需旅行的空中出租车、用于预定航班的机场接驳服务，以及适用于区域航空不适用的短途城际航班（Baur et al., 2018）。他们预测一个分阶段的发展时间表，首先是人类驾驶的短途（20-50公里）UAM，用于城市内部交通和机场接驳。从2025年到2030年，随着eVTOL技术的进步，航程将扩大到250公里，乘客容量提高到3-5人。这一时期将见证城市空中出租车的全球扩展，包括郊区通勤。最终阶段涉及自动化乘客无人机和小型城际航空服务的引入，将UAM全面整合到城市交通中。然而，这种方式仍然是一种高端选择，其成功依赖于满足若干关键成功标准。
UAM 商业模式的探索与发展
UAM（城市空中出行）商业模式吸引了学术界和产业界的广泛关注。Straubinger et al. (2021) 基于Osterwalder & Pigneur (2010) 的创新乘客UAM模型开发了三种主要模式：机场接驳、公司班车和区域公共交通班车。这三种模式分别为UAM的实施提供了独特的路径。
在这些模式中，由航空公司运营的机场接驳服务依托现有客户群，但需要高额的初始成本并要求与机场基础设施无缝集成。相比之下，公司班车服务模式专注于人员和货物的高效运输，通过针对私人公司财团的合资企业进行实施。这种方式需要详细的协调，在专属服务和广泛可及性之间找到平衡点。与之不同的是，公共交通模式旨在连接农村和城市地区，提供一种具有社会包容性的选择。然而，该模式面临基础设施投资的挑战，同时需要在运营成本和公共服务需求之间寻求平衡。尽管这些模式在实施策略上各不相同，但它们都体现了UAM的多面潜力，考虑了成本、可及性和社会影响等因素。
值得注意的是，Straubinger等的研究强调了开发UAM商业模式所需的结构化和迭代过程，这一过程需要通过经验数据不断完善这些模式。这种方法提供了一个全面的框架，用于理解UAM运营的复杂性，并确保这些模式与特定客户群体保持一致，从而实现更有针对性、更有效的UAM服务应用。
显然，UAM系统的实施需要一种综合性的方法，涵盖技术创新、监管框架和社会接受度。关键在于建立可行的用例，例如用于城市出行的空中出租车、连接城市与机场的机场接驳服务，以及连接不同地区的区域公共交通。这些情景展示了UAM的实用性及其潜在优势。
此外，UAM系统的开发与整合必须优先考虑安全性、适航性以及对环境的最低影响。同样重要的是，应关注公众对安全、隐私和生态问题的担忧，以促进社会的接受度。最终，UAM的成功部署不仅依赖于技术突破，还需要与现有交通网络的和谐整合，从而优先考虑可及性和用户便利性。这种方法对于实现UAM在城市和区域交通中的变革潜力至关重要。
综上所述，一个以空中交通工具为核心的集成交通生态系统的概念，代表了城市交通的光明未来。这一愿景描绘了天空与城市道路无缝融合的情景，通过创新解决方案提升效率，创造无拥堵、可持续的城市环境（Qu et al., 2022a）。城市空中交通相比传统交通系统具有独特优势，能够在无需物理基础设施的情况下连接各个点。与道路和铁路等线性网络不同，空中交通作为一种灵活且具有弹性的节点网络，能够最大程度地减少资源消耗（Wang et al., 2023）。随着这一交通方式的不断发展，其整合将显著影响交通格局，提供一种不受物理基础设施限制的节点网络。这种内在的灵活性与地面线性交通网络形成鲜明对比，后者受地理限制、对环境产生长期影响并容易造成拥堵。
表2. 不同交通方式的典型出行距离 （来源：Porsche Consulting, 2018）
然而，城市空中交通（UAM）面临着许多挑战。航空领域的知名企业指出了一些对成功实施UAM至关重要的关键技术要素。
例如，Uber在其《Elevate》报告中（Holden and Goel, 2016）强调了电池、车辆设计、性能以及空中交通管理（ATC）的重要性。此外，报告还提及了噪音、排放、效率、可靠性和安全性等方面的考量。同样，空客公司（Airbus, 2018）指出，自动化、通信和空中交通管理是成功实施UAM的关键组成部分。波音公司（BOEING, 2018）也表达了类似的观点，特别强调了空中交通管理、通信、自动驾驶以及车辆性能的重要性。
总之，有三大主要层面的挑战需要关注。
首先是技术层面的挑战，包括电池技术和推进技术等方面。电池技术直接影响飞行汽车的续航里程、效率和可持续性。在这一领域取得进展对于确保足够的能量储备以及优化重量与动力比至关重要，这是实现UAM可行性的关键。此外，推进技术对产生必要的推力和升力至关重要，这能够实现垂直起降能力，并保障飞行的安全性和稳定性。
第二层挑战在于基础设施领域。将飞行汽车融入现有空域需要物理和数字基础设施的支持。例如，需要一个全面的协调系统来管理空中交通、减轻风险并解决与传统飞机可能发生的冲突。基础设施的建设，包括建立垂直起降停机坪（vertiports）和空中航线，对于支持UAM运营并实现空中与地面交通模式的无缝衔接非常重要。
第三个关键层面涉及法规和政策方面的考量，需要综合考虑社会和经济因素。UAM的成功依赖于人们对其安全性、可靠性和经济性的认可。制定一个健全的监管框架，解决诸如噪音污染、视觉干扰和隐私等问题至关重要。在这一过程中，赢得社区的信任与支持是不可或缺的。此外，设计可持续的商业模式、吸引投资并深入了解UAM的经济影响，对于该行业的长期可持续发展和增长具有重要意义。
接下来的章节将更详细地探讨与这三个层面相关的挑战和发展情况。
5.技术层面挑战与进展飞行汽车的概念化和设计面临着众多挑战，比设计传统汽车或小型飞机的难度更大。地面车辆与飞行器在设计要求上的固有差异使得将两者的要求整合为一个整体成为了一项艰巨的任务。这种整合需要在两种模式间实现无缝过渡，确保从空中到地面模式及其逆向转换的流畅性。历史上，许多设计在寻求平衡时遇到了困难，往往会牺牲一种模式的能力以换取另一种模式的性能（Chana, 1996）。动力技术在决定飞行汽车的有效载荷范围方面起着至关重要的作用，从而影响其适航性和安全性（Moller, 1998；Luo et al., 2021）。动力系统作为飞行汽车的“核心”，具有重要的意义。目前，飞行汽车的推进系统主要采用两种能源系统：第一种是纯电动推进系统，适用于轻型机型；第二种是混合电动推进系统，主要用于中型和重型机型。混合电动推进系统通常依赖于燃料电池、氢氨内燃机以及氢氨发动机作为动力源。这些新能源动力系统的关键部件包括电动机和电池，而随着电动车需求的增长，这些部件正在经历技术进步和产品开发。然而，这些能源系统有限的功率密度往往对飞行汽车的有效载荷能力和续航范围造成限制，从而在满足实际需求方面带来挑战。此外，电气安全、热安全、低空天气条件以及陆空运行条件的复杂性，也进一步增加了功能性飞行汽车开发的难度。因此，在电池技术、自主飞行机制、探测与规避系统（如LiDAR和摄像头视觉）、电动推进技术以及独立于GPS的技术方面取得技术突破，对于实现功能性飞行汽车至关重要（Straubinger et al., 2020）。基于推进机制，城市空中交通（UAM）车辆大致可分为两类：1）混合动力车辆：设计用于城际旅行，将传统燃料系统与电动推进系统结合。这种融合技术能够延长续航范围并通常实现更高的速度，可以根据运行需求交替使用或结合两种能源。尽管混合动力设计复杂且成本高昂，但其适应性使其成为飞行汽车商业化的可行选择；2）纯电动车辆：适用于城市内短途旅行，仅依赖电力驱动。这类车辆以安静运行、零排放和未来感设计著称，是城市短距离空中通勤的有力候选者（Kasliwal et al., 2019）。
尽管目前电池技术的限制使得飞行汽车的应用集中于城市内部或都市旅行，但预计未来将逐步扩展至区域和城际任务。正如Lascara等人（2018年）报告中所强调的，技术进步对于城市空中交通（UAM）的发展具有至关重要的意义。
推进系统和电池技术的最新进展推动了许多个人航空运输设计和原型的开发（Warren et al., 2019）。电动推进系统在飞机中的引入为分布式电动推进（Distributed Electric Propulsion, DEP）开辟了新的可能性。与燃烧发动机不同，电动机无论规模如何，都能够保持一致的效率和功率密度。这种特性使得可以使用多个小型电动机替代少数几个大型燃烧式推进单元，从而降低阻力（Sripad and Viswanathan, 2021）。此外，电动机的效率是燃烧发动机的两到三倍，从而显著提高了电动飞机的整体效率。锂离子电池在特定能量和功率方面的进步，也为电动垂直起降飞机（eVTOL）的设计铺平了道路（Yang et al., 2021）。
eVTOL飞行器可以分为三种主要类型：1）多旋翼机型：类似直升机，但拥有多个旋翼，且没有固定翼；2）升力加巡航型：垂直飞行和水平飞行分别使用独立的旋翼，通常配备固定翼；3）矢量推力型：通过调整推力方向实现垂直飞行和前向飞行。这种类型的设计可以进一步细分为倾转旋翼、倾转翼和倾转管（SMG Consulting, 2023）。eVTOL飞行器的能耗模型概述了不同机型的设计参数。在eVTOL飞行器设计领域，有五种主要模型展现了其多样性（Sripad and Viswanathan, 2021）。其中，KH Heaviside是Kitty Hawk公司推出的一种倾转旋翼设计，专为单人乘坐设计，航程可达100英里，最大起飞重量（MTOM）为395千克，能耗低于13千瓦时（kWh）。Joby Aviation公司推出的Joby 5座机型是另一种倾转旋翼变体，可容纳5名乘客，航程150英里，MTOM为2,180千克，能耗低于150千瓦时（kWh）。Lilium GmbH公司推出的Lilium Jet采用倾转管设计，可容纳7名乘客，航程为172英里（150海里），MTOM为3,175千克，其电池比能量达到330瓦时每千克（Wh/kg）。Beta Technologies公司设计的Beta Alia-250是一种升力加巡航模式机型，可容纳6名乘客，航程288英里（250海里），MTOM为2,730千克。最后，Archer Aviation公司的Archer Maker结合了升力加巡航和倾转旋翼设计，可容纳2名乘客，航程60英里，MTOM为1,508千克，电池容量为75千瓦时（kWh）。
这些eVTOL在巡航距离、最大起飞重量（MTOM）、有效载荷能力和能耗率方面表现出显著差异，为不同应用场景提供了多样化的选择，展示了eVTOL技术在个人航空交通中的广阔前景。
电池是城市飞行汽车运行的核心部件，其在能量密度、充电时间、循环寿命和成本方面有着明确的要求（Yang et al., 2021；Bills et al., 2023）。一次eVTOL飞行通常分为五个阶段：起飞、悬停、爬升、巡航、下降和降落悬停。需要特别注意的是，起飞和降落悬停阶段的能耗最高，这决定了电池的峰值放电率，而巡航阶段的能耗则决定了电池的持续放电率（Luo et al., 2021）。飞行汽车的电池性能在不同的飞行阶段表现出显著的差异。例如，在垂直爬升阶段，由于导管风扇推进系统需要对抗重力，电池的功率输出达到峰值，比悬停阶段高出1.11倍。相反，在前向飞行阶段，随着速度增加气动升力的增强，电池的功率输出降低到悬停阶段的0.21倍。减速阶段的功率趋势较为独特，先下降后上升，这是惯性力与空气阻力相互作用的结果。在下降阶段，电池的功率输出与起飞阶段类似但略有降低，受到空气阻力方向和风扇气流速度的影响。电池的放电率受输出功率和内阻的影响，当内阻较高且电量下降时，放电率会显著增加。
在当前的电池技术进展中，一些电池组性能指标表现尤为突出（Sripad and Viswanathan, 2021；Bills et al., 2023）。例如，特斯拉Model S-Long Range电池组的功率为493千瓦，比能量为165瓦时每千克，标称能量为109.8千瓦时；保时捷Taycan Turbo电池组的功率为460千瓦，比能量为136瓦时每千克；Rimac Automobili Nevera的电池组以其强大的1,408千瓦功率和120千瓦时标称能量领先，但其重量达到830千克。而NASA X-57 Maxwell电池组则更轻，重量为350千克，功率为120千瓦；比亚迪（BYD）的刀片电池组具有1.5千瓦每千克的比功率和140瓦时每千克的比能量；最后，NASA宇航服电池组极为轻巧，仅重5千克，但能够提供2.4千瓦的功率。这些在电池能量密度、循环寿命和充电速度方面的技术进步，为未来城市飞行汽车的广泛应用奠定了坚实基础。
图7. eVTOL（电动垂直起降飞行器）的运行模式
此外，可充电电池技术的进步正在推动创新型电动城市空中交通（UAM）飞机的设计与发展。这些飞机有潜力实现高达300英里的航程，并可携带相当于七名乘客的有效载荷（Sripad and Viswanathan, 2021）。根据设计和用途的不同，这些新型UAM飞机的能耗范围从每乘客每英里130瓦时到约1,200瓦时不等。相比之下，地面电动车的预计能耗为每乘客每英里超过220瓦时，而燃油发动机车辆的能耗约为每乘客每英里1,000瓦时。值得注意的是，多个UAM设计在当前锂离子电池的特定功率和能量能力下已经接近技术可行性，但仍然存在关于电池可充性和使用寿命的担忧。总体而言，这些进展突显了这一新型交通领域的技术逐渐成熟。尽管技术有所突破，飞机电气化带来了电池尺寸与任务时长之间的复杂权衡，并对基础设施和能源消耗产生了更广泛的影响。更大的电池因其更高的储能容量能够支持更长的飞行任务（Faunce et al., 2018）。然而，这一优势被电池引入的额外重量所抵消，这可能会增加飞机的采购成本。鉴于当前电池技术的发展水平，eVTOL飞行器在每次任务后可能需要部分或完全充电。基于现有技术，充电时长可能会限制飞机在高需求时期的频繁使用。
电动飞机大规模运营的电力需求对现有电网构成了挑战。Kohlman和Patterson（2018）指出，较长的充电时间可能需要在垂直机场建设大量充电站，同时也需要较大的机队规模以满足UAM服务的需求。升级电网以支持UAM运营的财务成本也非常高。例如，Black & Veatch的一份报告显示，延长现有服务线路的费用在7.5万至10万美元之间，而新建变电站银行的成本可能高达8000万美元。
German et al. (2018) 在旧金山湾区对货运操作的研究表明，eVTOL模型的充电时间可能因充电器容量不同而在9.5分钟至23.1分钟之间。Justin et al. (2017) 的一项研究进一步强调了UAM运营对电网的潜在影响，其发现波士顿洛根国际机场等主要机场的峰值功率需求可与约1,000户家庭的用电量相当。他们还提出了一些策略，例如通过电池更换与优化充电相结合，可以将峰值功率需求减少约20%。因此，eVTOL运营的显著电力需求需要全面规划，包括优化充电站的分布，以及考虑不同地区电力成本的差异。
最终，最合适的电池充电解决方案可能需要根据每个城市特定的基础设施限制进行量身定制，以满足当地的需求。
6.基础设施层面的挑战与进展6.1 物理基础设施
垂直起降停机坪的部署与挑战
随着飞行汽车的概念逐步变为现实，其初步实施阶段将高度依赖垂直起降停机坪（Vertiports）作为起飞和降落的关键基础设施。这些垂直起降停机坪的战略选址对于构建高效的城市空中交通系统至关重要（Wei et al., 2020）。然而，确定垂直起降停机坪的最佳位置是一项复杂任务，其难度远超传统交通基础设施的决策过程。这种复杂性源于飞行汽车性能的动态特性、空中交通容量的不可预测性以及旅行需求的多样性和波动性（Kohlman and Patterson, 2018；Robinson et al., 2018；Somers et al., 2019）。因此，开发一个综合优化模型尤为必要，该模型需要平衡选址、运营模式、交通容量与旅行需求之间的相互作用（Kai et al., 2022）。
研究表明，垂直起降停机坪选址建模需考虑多种因素，包括乘客需求、地面旅行时间、乘客拼车机制、飞行器重新定位、电池充电物流、客户行为、排队管理以及乘客效用等。这些因素突出了垂直起降停机坪规划的战略意义，并强调需要通过创新模型优化UAM垂直起降停机坪的规划。该模型以选址决策为核心，同时结合运营和需求模型的反馈，力求创建一个高效的垂直起降停机坪网络。
垂直起降停机坪的部署在塑造UAM系统能力方面起着关键作用。不同设计的垂直起降停机坪将直接影响旅行需求、乘客体验以及整个交通系统的运行效率。因此，科学规划垂直起降停机坪不仅是支持城市空中交通发展的基础，也是提升服务质量与运营效率的重要环节。
空中走廊设计
在将空中交通引入城市环境时，优先建立空中走廊是至关重要的。这些空中走廊是精心规划的空域航线，旨在促进eVTOL飞行器和其他空中交通工具在指定的垂直起降停机坪或着陆区之间的高效通行（Tang et al., 2021）。设计的首要目标是安全性，确保空中交通工具按照特定路径飞行，最大限度降低碰撞风险。同时，这些走廊还追求高效性，通过优化交通流量来确保航班准点起降。空中走廊的设计受到多种因素的影响，包括根据运营需求设定的飞行高度、围绕敏感区域划定的禁飞区、对天气变化的适应性以及与现有空中交通系统的无缝整合。
技术进步在动态航线规划、空中交通工具与交通管理系统的持续通信以及利用传感器提升安全性等方面起着关键作用（Kim et al., 2022）。此外，法规要求也是设计过程中的重要组成部分，包括空域分类和对空中交通工具强制性的认证要求。为了减少对社区的影响，空中走廊的规划还注重降低噪音污染以及频繁空中交通活动的视觉影响。随着城市空中交通（UAM）的发展，设计框架也强调可扩展性，以容纳不断增长的空中交通工具数量，并能够与其他交通方式进行整合，为乘客提供一体化的出行体验。
与传统民航空中走廊相比，UAM空中走廊的设计需要在三维城市空间内规划“空中道路”。传统民航走廊由于城市低空环境的复杂性、大量飞行汽车的通行需求以及天气条件的影响，在灵活性和适应性上显得不足（Bauranov and Rakas, 2021；Wu and Zhang, 2021）。
综上所述，UAM空中走廊设计的挑战在于结合安全协议、技术创新、法规遵从与未来适应性，这些要素共同构成了城市空中交通成功融入城市环境的关键。
地面基础设施
在城市空中交通（UAM）的基础设施分析中，除了技术和运营方面，地面设施的研究也尤为重要。将UAM的核心基础设施融入现有城市结构面临着巨大的挑战，其中垂直起降停机坪（Vertiports）的选址问题，通常被称为“垂直起降停机坪选址问题”，是UAM网络设计的关键所在。在Maget et al. (2020) 的一项研究中，研究者采用了重力分布模型以确定基于需求的垂直起降停机坪网络，并在德国巴伐利亚地区进行了具体案例分析。这一方法强调了现有交通网络与拟议UAM系统之间的协同作用，同时突出了垂直起降停机坪的可达性以及其选址与潜在UAM旅行需求之间的关系。另一项研究由Venkatesh et al. (2020) 提出，他们通过混合整数规划开发了一种正式优化程序，用于确定适合的垂直起降停机坪位置，研究重点集中在南佛罗里达大都会地区。然而，目前的研究存在一些空白，例如许多研究忽略了基于航线的分析方法、机队规划算法以及地面操作流程的详细设计。Sun et al. (2021) 对UAM研究领域进行了全面分类，强调了多准则优化的必要性，并提出需要更深入地探索为特定旅行分配特定飞行器的模型。
尽管一些研究已经触及了垂直起降停机坪的选址问题，但在这一领域的实际经验仍然有限。建设新基础设施以支持VTOL（垂直起降）飞行器运行的主要挑战在于空间的可用性。在高需求区域，特别是城市核心地带，可能面临严重的空间限制。此外，由于城市运营环境的复杂性，安全性是另一个关键问题。VTOL运行的潜在场地包括建筑屋顶、浮动码头、公路空地以及现有的地面基础设施，而目前的直升机停机坪和直升机场也可能成为未来垂直起降停机坪的选项。然而，噪音和污染可能成为社会接受度方面的障碍。
此外，垂直起降停机坪的容量受到VTOL飞行器技术规格和性能的显著影响。类似于传统机场需要根据飞机尾流强度来确定飞机的间隔，VTOL飞行器的下洗气流、重量以及停机坪可用性也会影响垂直起降停机坪的容量。相比于占用面积的时间，空域分隔或登机门的可用性可能对容量的限制更大。虽然目前已经有一些关于直升机场/垂直起降停机坪设计的标准和准则，但尚不确定这些标准是否适用于垂直起降停机坪，或是否需要制定新的标准。此外，垂直起降停机坪的设计还需考虑飞行器充电、维护以及乘客登机等问题。
将UAM网络与现有交通网络整合也是一个重要问题。这不仅涉及到可达性，还旨在通过创建多式联运网络和服务来提升整个交通系统的效率。尽管目前研究主要集中在时间节省、经济成本和垂直起降停机坪的可达性方面，但亟需对地面操作能力、维护设施和电池充电基础设施的分布进行全面研究。这些探索将有助于为UAM的顺利发展提供更完善的解决方案。
通信基础设施
在城市空中交通（UAM）发展的领域中，UAM成熟度等级4（UML-4）标志着先进物理基础设施组件的全面开发与集成（Deloitte, 2020）。这些组件对于确保UAM运营不仅满足高需求的技术要求，还能保持高效和安全的运行标准至关重要。其中一个核心要素是通信通道。在UML-4阶段，重点在于实现机队运营商、UAM服务提供商（PSUs）与UAM之间的无缝通信，这通过三种主要渠道实现：飞行器与飞行器之间的通信、飞行器与地面之间的通信以及地面与地面之间的通信。这些通信渠道在多个运行阶段（包括地面移动、起飞/降落程序以及航路飞行）中都起着至关重要的作用。
与此同时，UAM的导航系统融合了机载系统和外部导航辅助设施，特别是基于性能的导航能力的集成尤为显著。这种能力使得即使在不利的能见度条件下，也能够实现精确的基于轨迹的操作。监视系统（包括合作式和非合作式实体）同样是UAM的重要组成部分，其基础设施由地面设备、机载系统和卫星驱动系统的组合构成。这些系统不仅增强了单个飞行器的能力，还确保了全面的态势感知，从而显著提高了安全性。此外，控制设施的基础设施专为PSUs、机队运营商及其他关键利益相关者提供强大的支持。这些设施为高效的通信链路、精确的导航服务以及全面的天气监视提供了核心支撑，这些对于维持安全性和运营效率至关重要。
总的来说，UAM为城市交通提供了一种开创性的视角。然而，其成功实施高度依赖于解决基础设施相关的复杂挑战。战略规划、大规模投资以及所有利益相关者的协作努力是克服这些挑战并充分实现UAM潜力的关键。
6.2 模型性能
城市空中交通管理系统
精准的空中交通管制（ATC）系统对于确保高空空域内飞机的安全高效运行至关重要。然而，对于城市低空空域的管理，由于其独特的挑战，则需要一个平行的集中式系统。与主要在高空运行、受气象条件影响较小的民航飞机不同，UAM（城市空中交通工具）运行于城市低空空域，极易受到复杂天气条件的影响，例如强降雨、降雪和大风（Somers et al., 2019）。这些大气因素为系统引入了显著的不确定性。此外，城市低空空域因建筑物和地形的存在而呈现复杂的结构布局，而预计UAM的交通量将显著高于民航。这种高密度的空中交通流量还可能导致噪音污染。因此，除了改进飞行器的技术外，还必须将城市空中交通走廊战略性地设置在远离居民区的位置。上述特性在城市空中交通系统的设计中需要得到充分考虑，以建立一个高度健全、适应性强且安全的集中式ATC系统。
交通流量管理
维持空中交通系统顺畅运行的核心在于交通流量控制，这是一项战术层面的技术。与传统地面交通流量管理主要依赖于分散式交通信号灯不同，城市空中交通的管理技术更接近于传统民航的集中式管理。然而，由于低空运行的特殊性，城市空中交通面临诸多挑战，包括容易受到降雨、降雪和强风等气象条件的影响（Federal Aviation Administration, 2019）。此外，高流量和复杂的空中航路结构进一步加剧了管理难度。
城市空中交通流量管理将在传统民航流量管理的技术方法基础上，采用地面等待、加速/减速以及在空中航路内调整行驶方向等策略，以调节航路容量。特别重要的是，这一领域的技术进步依赖于充分考虑不确定性和大规模交通控制的需求。通过在战术层面实施有效的流量控制措施，城市空中交通管理系统将能够在复杂的低空环境中确保安全高效的运行。
冲突解决
冲突解决技术在保障飞行汽车安全中起着至关重要的作用，其核心是防止飞行汽车在航路节点转换时发生冲突。传统地面交通的冲突通常发生在交叉路口，通过交通规则和信号灯进行管理。而传统航空交通则依靠空中交通管制和碰撞规避系统，协助飞行员避免冲突。与这两者相比，城市空中交通由于频繁的悬停操作，其安全风险显著增加。高密度的城市空中交通流量对冲突规避技术提出了更高要求。
为避免冲突，可以利用飞行汽车的智能功能，通过传感器和先进的通信技术，基于不同飞行汽车的状态预测潜在的冲突。随后，速度控制算法可以调整飞行汽车的速度，从而改变其到达航路节点的时间。此外，适度调整飞行方向和高度控制也能进一步减少节点处的冲突风险。
这种综合性的冲突解决方法结合了速度、方向和高度的协调调整，为城市空中交通提供了强大的技术支持，确保高密度低空空域内的交通安全和高效运行。
飞行中的间隔管理
飞行中的间隔概念对于确保飞行汽车在航行过程中保持安全距离至关重要。与传统地面交通不同，地面交通通过保持车辆之间的固定安全距离来实现间隔管理，而飞行汽车则需要在三维空间中考虑安全距离。由于飞行汽车在飞行中的制动能力不如地面车辆，因此需要更严格的飞行间隔实施措施。此外，城市低空飞行空间相对狭小，同时交通流量较大，这进一步要求飞行间隔的精确性。在城市空中交通发展的初期阶段，由于交通流量较低，可以对每架飞行汽车采用静态间隔策略来确保安全。然而，随着交通量的增加，更复杂的动态间隔管理策略可能需要被引入，以确保低空空域内交通的安全和高效运行。这种飞行间隔管理的实施对于UAM（城市空中交通）的顺利发展和飞行安全具有重要意义。
轨迹规划
轨迹规划是专为飞行汽车设计的一项关键技术，能够帮助这些交通工具在城市空域内导航，从任意出发点到达目标地点（Tang et al., 2021；Kim et al., 2022）。轨迹规划属于飞行汽车导航系统的范畴。与传统地面路线规划不同，城市空中交通需要三维地图支持，这相比传统航空规划提出了更大的挑战。城市低空空间的复杂布局增加了航线规划的难度。尤其是在确定城市空中交通航线时，必须考虑特定节点处航路可能的变化以及航路中的方向限制。在三维城市空间中高效导航并实时找到最佳路线是一项极具挑战性的任务。
为了解决这一问题，一种结合在线和离线规划的混合方法被提出。该方法包括预先生成多个潜在航线，并根据实时交通流量和拥堵情况选择最优航线。此外，在预先绘制航线时，还需多样化地使用航路，以避免潜在的瓶颈问题。
本质上，物理基础设施侧重于有形资产，如垂直起降停机坪、充电站和着陆点，而数字基础设施则强调支持无缝运营、协调和通信的无形系统和平台。只有当数字基础设施和物理基础设施实现无缝集成时，UAM的全部潜力才能得到充分释放。例如，配备传感器的垂直起降停机坪可以实时向集中式数据平台提供天气状况、车辆状态和乘客流量数据。充电站可以与飞行汽车通信，实时监控电池状态，确保最佳充电效率并减少停机时间。着陆点则可配备导航辅助设备，与飞行汽车通信以确保精准和安全的降落。
通过这种数字与物理基础设施的有机结合，能够显著提升飞行汽车的运行效率，优化城市空中交通的安全性和可靠性，为未来城市空中交通系统的发展奠定坚实的基础。
航班运营与机票分发
在城市空中交通（UAM）快速发展的领域中，机票分发系统在优化乘客体验方面起着关键作用。该系统包括多个组成部分，使乘客能够预订或购买城市空中交通工具（如eVTOL）的座位。乘客可以通过专门的应用程序、网站或整合多种交通方式的平台完成航班预订。票价模式可能因距离、需求或时间段等因素而有所不同。座位分配方式是机票分发系统的另一个重要方面，可以由乘客自行选择，也可以通过自动分配或航班调度完成。此外，将机票分发与其他交通方式（如火车或巴士）整合，旨在为乘客提供无缝的旅行体验。退款和取消政策也是这一框架的重要组成部分。
本质上，UAM的机票分发虽然类似于航空机票系统，但专为更短距离的城市航班设计，这些航班可能具有更高的发班频率。这不仅对乘客的旅行体验产生了直接影响，同时也影响了UAM服务的经济可行性。通过优化机票分发系统，UAM有望为乘客提供更加便捷、高效的城市空中交通服务。
地面交通协调
城市空中交通（UAM）的成功与高效运行不仅依赖于空中技术的进步，还需要与地面交通系统的顺畅协调。在UAM的初始阶段，eVTOL飞行器主要在既定的垂直起降停机坪之间运行，而非提供门到门的解决方案。这种模式需要整合地面交通工具，以便从出发地到达起飞垂直起降停机坪（“第一英里”旅行），以及从到达垂直起降停机坪到最终目的地（“最后一英里”旅行）。确保地面通勤与空中旅行之间的无缝联运体验是这一整合的核心。然而，最近的研究指出了一个显著的挑战，即垂直起降停机坪周边可能出现交通拥堵的问题。随着UAM的扩展，预计地面交通的需求将进一步增加，从而加剧垂直起降停机坪区域的拥堵（Mayor and Anderson, 2019；Venkatesh et al., 2020；Wu and Zhang, 2021）。
解决这些问题对于充分发挥UAM的潜力至关重要，同时也能够更好地体现其核心优势：便捷性、高效性和可持续性。通过优化地面与空中交通的协调机制，UAM将有能力为城市交通提供更综合的解决方案。
自动驾驶地面车辆及其作用
自动驾驶地面车辆领域近年来取得了显著进展，其中一些技术已经进入全面演示阶段，甚至在市场上推出（Fagnant and Kockelman, 2018；Maget et al., 2020；Garrow et al., 2021）。尽管关于自动驾驶汽车对整体交通流动性的影响已被广泛讨论，但值得注意的是，这些技术面临的许多挑战和障碍同样适用于飞行汽车（Qu et al., 2022b；Zeng & Qu, 2023）。
例如，关键技术如控制算法，不仅在实现自动飞行方面起到了至关重要的作用，还为更复杂的飞行动作提供了支持，如编队飞行和探测与规避策略（Wu & Qu, 2022；Liu et al., 2023a；Lin et al., 2023）。通过借鉴自动驾驶地面车辆的技术经验，可以为飞行汽车的发展提供重要参考，从而推动未来城市空中交通的高效运行和安全保障。
UAM中的通信与导航
在城市空中交通（UAM）的发展中，无人航空系统（UAS）的集成带来了显著挑战，这些问题必须解决以支持乘客级UAM的实施。高效的通信系统至关重要，特别是由于空域内众多用户之间需要协调和数据共享。5G技术的出现为UAM通信带来了巨大潜力（Ullah et al., 2019）。目前的研究正集中于将5G技术适配于航空用途，并确保航空通信中的安全性。
一个颇具吸引力的可能性是利用UAS和UAM车辆作为通信中继站，从而减轻城市建筑导致的信号阴影效应的影响。尽管5G技术已经投入使用，但在当前的5G网络和未来无线系统中，针对无人机通信的挑战依然存在。这些问题包括通信的覆盖范围、信号稳定性以及面对复杂城市环境的适应能力。
因此，优化通信与导航系统是实现UAM安全高效运行的关键环节。这不仅需要克服当前技术的限制，还需要在城市空中交通系统中实现创新，以满足未来交通需求。
6.3 城市空中交通（UAM）的基础设施发展
城市空中交通（UAM）的出现为城市区域带来了革命性的交通方式。然而，要实现这一愿景，需要开发能够满足UAM独特需求的强大基础设施。这些基础设施包括垂直起降停机坪（Vertiports）、充电或加油站，以及先进的通信、导航、监控和信息技术（IT）系统。在UAM发展的初期阶段，可能会利用现有的基础设施，例如直升机停机坪。然而，随着UAM的不断发展和扩展，将迫切需要重新利用现有基础设施或专门投资建设适用于UAM运营的新设施。
值得注意的是，新垂直起降停机坪的建设可能面临多方面的挑战，包括地方反对、资金限制以及多式联运整合相关的问题。例如，Lilium公司已经启动了垂直起降停机坪基础设施开发计划，并于2020年宣布在奥兰多国际机场附近建造一个垂直起降停机坪。一个关键的社区决策是UAM基础设施的所有权和使用权问题：这些基础设施应当专属于某些服务提供商，还是像传统机场一样向多个运营商开放？公共资助的基础设施可以促进包容性和更广泛的网络覆盖，而私人资助的项目可能会加快开发进程。
此外，在设计UAM基础设施时，城市规划者必须考虑不同的城市环境，从人口密集的市中心到郊区。设施规模（如垂直起降垫和垂直起降枢纽）将根据运营需求、城市密度和周围环境而有所不同。有趣的是，拥有水资源的地区可能会探索水上飞机或两栖飞机作为替代方案，从而减少对新基础设施的需求。郊区虽然易于进入，但可能缺乏足够的需求，而市中心尽管潜力巨大，却可能面临军事限制等问题。现有的城市基础设施对于空中出租车的规划至关重要，但适合UAM的基础设施短缺仍是主要障碍。
垂直起降停机坪被设想为迷你机场设施，需要配备电力、水、升降机和垃圾处理等多种设施。尽管有人倡导在高层建筑顶部设置垂直起降停机坪，但研究表明，10至20层的建筑高度为平稳的乘客运输提供了最佳条件。创新的垂直起降停机坪设计还建议将其与机场、交通枢纽、城市空间和工业区等各种基础设施整合。如果空中出租车服务于医院，甚至可以考虑为其建设专用设施。一座城市所需的垂直起降停机坪数量取决于空间、容量和需求。例如，初步估算表明，像法兰克福这样的城市每年仅需15个垂直起降停机坪即可满足全市需求（Kreimeier & Stumpf, 2017）。然而，由于UAM整合的复杂性，这些预测还需进一步验证。
城市规划者可利用多种工具促进UAM的整合。例如，洛杉矶曾在消防规范中要求高层建筑规划紧急直升机停机坪，而覆盖区和基于形式的法规也可用于实现垂直起降停机坪周围的开发标准。此外，高密度开发、混合用途区域和公共交通的协同作用，可以在意外运营延误期间提升UAM的效率。社区需要从乘客预订到到达目的地的整个UAM旅程进行全面规划。美国交通部的《按需出行规划和实施指南》以及NASA的区域建模UAM规划工具，为社区整合和垂直起降停机坪选址提供了宝贵的见解。
能源基础设施为城市空中交通（UAM）的实施增添了更多复杂性。建立一个全面的加油和充电设施网络至关重要。对于eVTOL飞行器而言，需要建设新的充电基础设施并改进现有电网。此外，为了应对高峰需求并稳定电网，可能需要引入地面电池存储解决方案。同时，通信、导航和监视系统的适配与开发对扩大UAM运营规模同样至关重要。将语音通信转换为安全的数据链路对于提升飞行器与空中交通管制（ATC）之间的高效交互尤为关键。制定数据架构和通信系统的标准也至关重要。为降低网络攻击可能带来的安全和国家安全风险，确保这些系统的网络安全性成为一个不可忽视的问题。此外，无线电频谱作为有限资源，在联网和自动化车辆需求不断增加的情况下，可能成为争议的焦点。
综上所述，尽管UAM为城市交通带来了巨大的潜力，但其成功实施需要应对多方面的基础设施挑战。通过积极的规划、充分的投资以及利益相关者之间的协作，这些挑战将能够得到有效管理，从而为UAM的发展铺平道路。
7.法规和政策层面的挑战与进展7.1监管格局
表3概述了当前城市空中交通（UAM）的监管格局，突出了全球范围内的重要进展。这些进展表明国际社会正在努力建立一个统一的UAM监管环境。2021年，欧洲航空安全局（EASA）发布了《特殊类别无人机设计验证指南》，专门针对UAM飞行器的设计。这一举措是欧洲更广泛努力的一部分，EASA已建立了一套监管框架，包括《基本法规》（EU 2018/1139）和《垂直起降特殊条件》（SC-VTOL-01）。这些法规涵盖了无人机分类、垂直起降飞行器认证和垂直起降停机坪设计等重要方面。与EASA的标准保持一致，英国通过逐案处理的方法，在现有法规下管理先进空中交通（AAM），并通过监管沙盒和创新资助等举措，积极促进制造商之间的密切合作（Gesley & Feikert-Ahalt, 2023）。
2022年，中国民航局（CAAC）发布了《 “十四五” 通用航空发展专项规划》，旨在推动无人驾驶客运飞行器和城市空中交通的发展。这一进展反映了中国在基础设施建设和监管框架上的努力，以有效整合UAM。同样，日本通过ReAMo项目，致力于开发下一代空中交通所需的评估方法和运营管理技术（Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism of Japan, 2023）。
在美国，UAM的重点放在基础设施建设和运营整合上。2022年《AAM协调与领导法案》的颁布设立了一个专门任务组，致力于将UAM整合到现有空域中。联邦航空管理局（FAA）通过针对垂直起降停机坪设计和飞行员认证的法规和指南，在引领UAM运营方面发挥了关键作用。
此外，欧盟通过谅解备忘录与新加坡、印度和澳大利亚等国家合作，重点研究认证标准和包括无人机交通管理（UAS Traffic Management）在内的基础设施。这种国际合作体现了全球在创建安全、高效、可持续的UAM环境方面的共同承诺。欧盟和美国正在调整其空中交通管理系统以适应UAM，例如“数字欧洲天空”（Digital European Sky）计划和NASA的AAM国家竞赛（National Campaign）在其中发挥了重要作用（Joint DOT-NASA Civil Aviation Research and Development Policy Study, 1970；SESAR Joint Undertaking, 2020）。在地方层面，各国政府正通过解决分区、噪音和隐私等关键问题，积极塑造UAM的未来（Booz Allen Hamilton, 2018）。欧洲的一些城市，如亚琛、汉堡、阿姆斯特丹、恩斯赫德、列日和马拉加，正在分析框架，以确保在UAM运营中拥有重要话语权（University of California, UAM Initiative Community, 2021）。
这一协作努力致力于确保UAM的安全性、运营效率和环境可持续性，为其融入全球交通网络铺平道路。这些法规和协议突出了国际标准化与合作的重要性，以促进UAM技术的全球增长与接受。随着行业的持续发展，特别是在设计和适航性方面的认证，将在确保UAM安全高效地融入城市环境中发挥关键作用。安全性仍然是UAM发展的重点，专家预计2035年可能实现无人驾驶客运UAM运营，而NASA预测到2028年UAM将形成一个具有商业价值的市场（Booz-Allen and Hamilton, 2018；SMG Consulting, 2023）。
7.2监管和政策挑战
飞行汽车作为一种革命性的交通工具，带来了独特的监管和政策挑战，这些问题必须解决以确保其成功融入现有的交通系统。这些车辆可以在道路和空中之间无缝转换，从而模糊了传统机动车与航空器之间的界限。在监管层面，飞行汽车面临着标准整合的挑战。当它们在地面行驶时被视为机动车，但一旦起飞便被归类为航空器。因此，除了需要获得“机动车出厂合格证”外，还必须依据《中华人民共和国民用航空法》的规定，取得“三大适航认证证书”。这种双重属性也延伸至注册流程。飞行汽车需要在民航管理部门登记以获得国籍登记证，同时还需在公安交通管理部门登记以获得车辆号牌。这种“双重注册”现象凸显了标准整合的难题。
此外，机动车和航空器的技术标准本身就各自复杂且种类繁多。机动车拥有117项强制性国家标准，而航空器则有18项国家标准，另外还包括622项行业标准、178项技术标准以及49项特殊条件和豁免条款。这些标准的初衷和技术要求各不相同，例如航空器标准可能更注重防坠毁设计，而机动车标准则偏向于正面碰撞的安全性，因此协调这些标准成为了一大挑战。
在运营标准方面，飞行汽车需要同时遵守《中华人民共和国民用航空法》和《中华人民共和国道路交通安全法》。这种双重合规可能导致法规的重叠与冲突。例如，《民用航空法》要求飞行汽车在飞行过程中遵守航空法规，而《道路交通安全法》则要求其在地面行驶时遵守道路交通规则。这种法规上的二元性可能引发规范竞争，例如一旦发生碰撞事故，可能会同时涉及多项法律规范，需要在其中选择适用的法规。此外，飞行汽车的普及也可能带来刑事责任问题。例如，劫持飞行汽车的行为可能同时被认定为“劫持航空器”和“劫持机动车”，从而产生法律适用上的竞争。
为解决这些问题，仅依赖现有政策支持和法律解释是远远不够的。必须加快修订与飞行汽车相关的法律法规，并在相关法律中明确针对飞行汽车的专门条款，以弥补法律空白并解决适用中的冲突。此外，在适航认证过程中，引入专门针对飞行汽车的特殊合规计划将有助于降低风险并促进其先进发展。通过这一专门的合规管理体系，企业可以更好地应对复杂的监管环境，确保飞行汽车的安全性和合规性，为其广泛应用奠定基础。
7.3公共认知与接受度
城市空中交通（UAM）的引入及其潜在融入城市基础设施的可能性，已成为学术界和政策讨论的重要议题。除了技术层面的探索，社会影响的研究也至关重要。作为一种新兴的城市出行模式，公众的认知和态度对UAM的发展方向具有决定性作用。因此，研究不应仅关注潜在需求的评估，还需要深入了解公众的顾虑，特别是对安全性和隐私问题的担忧。要全面研究UAM对城市景观的社会影响，需要更加深入和全面的研究来捕捉其复杂性，并制定适应性策略。在这一过程中，公众接受度成为一个核心议题。
由Yedavalli和Mooberry（2019）主导的研究显示，公众对UAM的主要关注点集中在地面人员安全、噪音影响、运行时间表以及巡航高度等方面。研究发现，非使用者感受到的影响越小，接受程度就越高。尽管广泛的公众情绪评估十分重要，但要确保UAM成功进入市场，还需针对潜在用户的具体担忧进行深入理解。这一点在Parker（2017）的研究中得到了强调。由于UAM尚处于初始阶段，关于其接受度驱动因素的研究相对较少。然而，可以从自动驾驶汽车（AVs）的相关文献中获得一些启示，例如自动化的可靠性和车辆安全性被感知的方式（Nees, 2016; Adnan et al., 2018; Bennett et al., 2019）。同时也需要注意，UAM可能具有一些特有的接受因素，这些因素未在AV文献中直接体现（Fu et al., 2019; Al Haddad et al., 2020; Hwang and Hong, 2023）。
无人机作为UAM的一部分，已有研究关注其噪音污染（Vascik and Hansman, 2017）和隐私问题（Lidynia et al., 2017）。Al Haddad et al.（2020）从更广泛的视角探讨了不同交通领域用户对UAM的接受度影响，发现用户对现代技术的接受度可以在一定程度上推动UAM的采用，但数据隐私和环境影响等问题仍然构成了障碍。此外，Straubinger et al.（2020）进行的一项元分析进一步强调了旅行时间和成本作为影响城市出行模式选择的主要因素。鉴于UAM具有显著减少长距离旅行时间的潜力，其或将显著改变城市交通模式。与商业航空相比，Garrow et al.（2019）认为UAM的乘客行为可能表现出独特的模式，并假设AVs可能成为UAM的直接竞争对手，因为二者的服务结构存在相似之处。这种一致性表明，从AV研究中获得的见解可能对制定UAM的模式选择和策略具有重要价值。尽管对UAM的兴趣日益浓厚，但关于模式选择的综合性研究仍处于初级阶段。
总的来说，旅行时间和成本仍然是影响UAM模式选择的关键因素。然而，系统效率、换乘次数的最小化及市场策略的精准定位也同样重要。确保服务的透明度，并在安全协议、数据隐私和安全措施方面进行清晰沟通，对于促进公众和潜在用户的接受度至关重要。积极开展宣传自动化技术的优势可以进一步巩固UAM在市场中的地位。根据初步研究，假设UAM价格在1 €/km至7 €/km范围内，其模式占比估计约为0.5%（Pukhova et al., 2021a）。此外，对UAM公众认知的初步探索为城市规划、政策制定和工程设计提供了重要的参考（Kreimeier and Stumpf, 2017; Fu et al., 2019）。研究还指出，具有良好安全记录的传统飞机制造商更受公众青睐，而噪音控制则是影响UAM接受度的关键因素。值得注意的是，不同地区对UAM的接受度存在显著差异，城市居民对UAM表现出较大的兴趣。
7.4未来发展方向
鉴于上述复杂性，城市空中交通（UAM）与地面交通系统的融合面临多方面的挑战，包括车辆设计、推进技术、网络布局、空中交通管理、商业模式、法规框架以及公众认知等多个领域。目前，UAM仍然主要处于概念阶段，新兴的车辆类型如“Audi Pop. Up Next”正在逐步显现。
未来的重要挑战之一是垂直机场（vertiport）基础设施的需求。快速发展的技术变革需要未来研究具备更广阔的视野，尤其是在需求研究方面，以更深入了解消费者市场以及新型飞行汽车对市场的影响（Zheng et al., 2023）。由于飞行汽车性能、市场潜力、基础设施需求、社区接受度以及与地面交通系统整合方面的不确定性，研究需要针对假设和分析方法进行更新，特别是在可能出现的水陆两用飞行汽车方面。
此外，UAM在城市交通中的显著优势在于通过飞行快速覆盖大部分距离，从而显著减少长距离路线上所需的旅行时间。然而，目前UAM的运行模式，尤其是电动垂直起降飞机（eVTOL），在“首公里”和“末公里”阶段面临耗时的挑战，这些阶段主要依赖于地面交通（Straubinger et al., 2021; McKinsey, 2022）。因此，UAM的效率与现有城市基础设施的整合程度密切相关（Pukhova et al., 2021b）。这一问题在中国城市中尤为突出，因为地面交通拥堵程度普遍高于美国城市。
尽管UAM通过中长距离通勤缓解了主干道和高速公路的拥堵，但由于首末公里阶段增加的地面交通，它可能在垂直机场周边的次级道路上造成局部拥堵（Wang et al., 2023）。因此，虽然UAM能够缓解主要交通路线的拥堵，但也可能加剧垂直机场周边的局部交通压力。针对这些挑战的潜在解决方案包括提升垂直机场的可达性、改善本地交通效率，以及发展支持“门到门”飞行服务的eVTOL技术，以应对首末公里问题。未来的发展需要详细了解特定类型飞行汽车或运营理念对现有交通系统和地面交通的影响，这是推动UAM发展的关键。
此外，必须认识到UAM的概念远不止于eVTOL技术。尽管eVTOL技术是UAM的重要发展方向，但不能将其视为该领域的唯一或最终概念。鉴于该领域技术的快速发展，未来研究应采用更广阔的视角，考虑其他可能对UAM产生贡献的运行概念和技术。通过承认并探索UAM操作和技术的多样性，研究能够为更加包容和全面的UAM解决方案铺平道路。这种方法对于确保UAM系统不仅在技术上先进，而且在适应不同城市交通需求和场景方面具有多样性和灵活性至关重要。通过扩展研究范围超越eVTOL技术，UAM研究可以有效解决城市空中交通的各个方面，包括基础设施需求、法规框架、公众接受度以及环境影响。
当前的研究为UAM与地面交通系统的整合提供了基础性理解，突出了实现更加紧密的UAM-地面交通系统所需的关键发展和挑战。未来的研究可以在此基础上进一步拓展，深化我们对UAM在不断演变的城市交通格局中的潜在作用的理解。
8.结论城市空中交通（UAM）的研究涵盖了多个维度，包括技术进步、系统设计、运营框架、市场开发和公众接受等领域。在技术层面，UAM取得了显著进展，尤其是在推进系统和电池储能方面。Polaczyk et al.（2019）分析了44个电动垂直起降飞机（eVTOL）项目，指出电池能量密度和安全性限制是关键挑战。Brelje和Martins（2019）探讨了多种推进设计，强调了电力电子和热管理在飞机设计中的重要作用。Kim et al.（2018）研究了分布式电推进技术，虽然该技术在推进效率、降噪能力和系统弹性方面具有优势，但整合过程中仍面临挑战。关于系统设计的研究，例如Bauranov和Rakas（2021），评估了城市空域概念，重点关注安全性、技术复杂性、噪声和隐私问题。Kai et al.（2022）通过创新性的垂直机场基础设施规划研究，揭示了网络规划和客户期望对UAM盈利能力的敏感性。
在运营框架和市场研究方面，相关研究为UAM的实际实施提供了重要见解。美国联邦航空管理局（FAA）、美国国家航空航天局（NASA）、欧洲单一欧洲天空研究计划（SESAR）以及日本国土交通省等机构已经开发了多种UAM概念操作框架（ConOps），主要集中于空域设计、机队管理和法规框架（Deloitte, 2020; FAA, 2020; SESAR Joint Undertaking., 2020; Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism of Japan, 2023; SESAR Joint Undertaking, 2023）。Krylova（2022）研究了UAM基础设施的城市规划，考虑了选址、容量和环境影响等因素。市场分析研究（如Goyal et al., 2018; Rimjha et al., 2021; Long et al., 2023）探讨了市场潜力、需求估算和运营挑战，强调了定价策略和运营可靠性的重要性。关于公众接受的研究（如Al Haddad et al., 2020; Fu et al., 2019）探索了影响UAM采用的因素，包括安全性、信任、成本以及人口统计特征的作用。Hwang和Hong（2023）研究了韩国首尔都市圈的UAM采用情况，发现成本和接入时间是影响使用的重要因素，同时用户的个人特征也起到一定作用。
总体而言，现有研究为UAM提供了全面的理解，突出了其在技术、运营和社会复杂性方面的特点，以及这些因素在塑造未来城市空中交通中的相互作用。
综上所述，作为未来城市交通的有力发展方向，UAM的成功实施依赖于通过积极的规划、投资和多方协作来克服多重挑战。UAM的法规体系正在全球范围内逐步完善，在认证、设计和适航标准方面取得了显著进展，以保证其安全高效地融入城市环境。关键挑战包括建立飞行汽车的标准化模型、协调技术标准以及遵守航空和道路交通法规。此外，公众的认知与接受度对于UAM的市场成功至关重要。围绕安全性、隐私和环境影响的担忧是确保公众和用户接受的核心问题。本研究强调了进一步探索、多方协作以及战略性举措的必要性，以有效引导UAM未来的发展轨迹。UAM的融入不仅面临技术挑战，还需解决社会关切和法规障碍，同时确保与现有交通基础设施的兼容性。
参考文献Adnan N, Md Nordin S, Bin Bahruddin MA, Ali M (2018). How trust can drive forward the user acceptance to the technology? In-vehicle technology for autonomous vehicle. Transp. Res. Part Policy Pract. 118:819–836
Agatz N, Erera A, Savelsbergh M, Wang X (2012). Optimization for dynamic ride-sharing: A review. Eur. J. Oper. Res. 223:295–303
Airbus (2018). Blueprint for the Sky: The Roadmap for the Safe Integration of Autonomous Aircraft
Al Haddad C, Chaniotakis E, Straubinger A, Plötner K, Antoniou C (2020). Factors affecting the adoption and use of urban air mobility. Transp. Res. Part Policy Pract. 132:696–712
Baidu Maps (2023). 2022 Annual China Urban Traffic Report
Bakker S, Konings R (2018). The transition to zero-emission buses in public transport – The need for institutional innovation. Transp. Res. Part Transp. Environ. 64:204–215
Ballantyne AM, Pritchard JL (1956). The Lives and Work of William Samuel Henson and John Stringfellow. J. R. Aeronaut. Soc. 60:363–401
Baur S, Schickram S, Homulenko A, Martinez N, Dyskin A (2018). Urban air mobility: The rise of a new mode of transportation. ROLAND BERGER GMBH
Bauranov A, Rakas J (2021). Designing airspace for urban air mobility: A review of concepts and approaches. Prog. Aerosp. Sci. 125:100726
Becker F, Axhausen KW (2017). Literature review on surveys investigating the acceptance of automated vehicles. Transportation 44:1293–1306
Bennett R, Vijaygopal R, Kottasz R (2019). Attitudes towards autonomous vehicles among people with physical disabilities. Transp. Res. Part Policy Pract. 127:1–17
Bills A, Sripad S, Fredericks L, Guttenberg M, Charles D, Frank E, Viswanathan V (2023). A battery dataset for electric vertical takeoff and landing aircraft. Sci. Data 10:344
Bloom DE, Canning D, Fink G (2008). Urbanization and the Wealth of Nations. Science 319:772–775
BOEING (2018). Flight Path For the Future of Mobility
Booz Allen Hamilton (2018). Urban Air Mobility Market Study
Booz-Allen and Hamilton (2018). Urban Air Mobility (UAM) Market Study
Brelje BJ, Martins JRRA (2019). Electric, hybrid, and turboelectric fixed-wing aircraft: A review of concepts, models, and design approaches. Prog. Aerosp. Sci. 104:1–19
Camacho T, Foth M, Rakotonirainy A, Rittenbruch M, Bunker J (2016). The role of passenger-centric innovation in the future of public transport. Public Transp. 8:453–475
Carlsten C, Rider CF (2017). Traffic-related air pollution and allergic disease: an update in the context of global urbanization. Curr. Opin. Allergy Clin. Immunol. 17:85–89
Chana WF (1996). Flying Automobiles - Are They For Real? SAE Trans. 105:1676–87
Cohen AP, Shaheen SA, Farrar EM (2021). Urban Air Mobility: History, Ecosystem, Market Potential, and Challenges. IEEE Trans. Intell. Transp. Syst. 22:6074–6087
Deloitte (2020). UAM Vision Concept of Operations (ConOps) UAM Maturity Level (UML) 4 Version 1.0
FAA (2020). Urban Air Mobility Concept of Operations v1.0
Fagnant DJ, Kockelman KM (2018). Dynamic ride-sharing and fleet sizing for a system of shared autonomous vehicles in Austin, Texas. Transportation 45:143–158
Faunce TA, Prest J, Su D, Hearne SJ, Iacopi F (2018). On-grid batteries for large-scale energy storage: Challenges and opportunities for policy and technology. MRS Energy Sustain. 5:10
Federal Aviation Administration (2018). Integration of Civil Unmanned Aircraft Systems (UAS) in the National Airspace System (NAS) Roadmap
Federal Aviation Administration (2019). Unmanned Aircraft System Traffic Management (UTM).
Fu M, Rothfeld R, Antoniou C (2019). Exploring Preferences for Transportation Modes in an Urban Air Mobility Environment: Munich Case Study. Transp. Res. Rec. J. Transp. Res. Board 2673:427–442
Garrow LA, German BJ, Leonard CE (2021). Urban air mobility: A comprehensive review and comparative analysis with autonomous and electric ground transportation for informing future research. Transp. Res. Part C Emerg. Technol. 132:103377
Garrow LA, German B, Mokhtarian P, Glodek J (2019). A Survey to Model Demand for eVTOL Urban Air Trips and Competition with Autonomous Ground Vehicles. In: AIAA Aviation 2019 Forum. Dallas, Texas: American Institute of Aeronautics and Astronautics
German B, Daskilewicz M, Hamilton TK, Warren MM (2018). Cargo Delivery in by Passenger eVTOL Aircraft: A Case Study in the San Francisco Bay Area. In: 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting. Kissimmee, Florida: American Institute of Aeronautics and Astronautics
Gesley J, Feikert-Ahalt C (2023). Regulation of Advanced Air Mobility. The Law Library of Congress: Global Legal Research Directorate
Goodrich KH, Theodore CR (2021). Description of the NASA Urban Air Mobility Maturity Level (UML) Scale. In: AIAA Scitech 2021 Forum. VIRTUAL EVENT: American Institute of Aeronautics and Astronautics
Goyal R, Reiche C, Fernando C, Serrao J, Kimmel S, Cohen A, Shaheen S (2018). Urban Air Mobility (UAM) Market Study
Han F, Xie R, Lai M (2018). Traffic density, congestion externalities, and urbanization in China. Spat. Econ. Anal. 13:400–421
Haynes B, Alerigi AJr (2016). Uber offers helicopters to escape Sao Paulo gridlock
Helicopter Me (2020). Helicopter me, luxury helicopter travel. Available at https://www.helicopterme.co.nz/
Hiratagakuen (2020). Hiratagakuen charter and air taxi services. Available at http://www.aerohirata.co.jp/en-services/charterservice/
Holden J, Goel N (2016). Fast-Forwarding to a Future of On-Demand Urban Air Transportation
Holmes BJ, Durham MH, Tarry SE (2004). Small Aircraft Transportation System Concept and Technologies. J. Aircr. 41:26–35
Hu J W, Javaid A, Creutzig F (2021). Leverage points for accelerating adoption of shared electric cars: Perceived benefits and environmental impact of NEVs. Energy Policy 155:112349
Hwang J H, Hong S (2023). A study on the factors influencing the adoption of urban air mobility and the future demand: Using the stated preference survey for three UAM operational scenarios in South Korea. J. Air Transp. Manag. 112:102467
Ibrahim MF (2003). Improvements and integration of a public transport system: the case of Singapore. Cities 20:205–216
INRIX (2022). Global traffic scorecard
Joint DOT-NASA Civil Aviation Research and Development Policy Study (1970). Concept Studies for Future Intracity Air Transportation Systems
Justin CY, Payan AP, Briceno SI, Mavris DN (2017). Operational and Economic Feasibility of Electric Thin Haul Transportation. In: 17th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations Conference. Denver, Colorado: American Institute of Aeronautics and Astronautics
Kai W, Jacquillat A, Vaze V (2022). Vertiport Planning for Urban Aerial Mobility: An Adaptive Discretization Approach. Manuf. Serv. Oper. Manag. 24:3215–3235
Kasliwal A, Furbush NJ, Gawron JH, McBride JR, Wallington TJ, De Kleine RD, Kim HC, Keoleian GA (2019). Role of flying cars in sustainable mobility. Nat. Commun. 10:1555
Kim S, Harris CM, Justin CY, Mavris DN (2022). Optimal Trajectory and En-Route Contingency Planning for Urban Air Mobility Considering Battery Energy Levels. In: AIAA AVIATION 2022 Forum. Chicago, IL & Virtual: American Institute of Aeronautics and Astronautics
Kim HD, Perry AT, Ansell PJ (2018). A Review of Distributed Electric Propulsion Concepts for Air Vehicle Technology. In: Cincinnati, OH, USA: IEEE, 1–21
Kohlman LW, Patterson MD (2018). System-Level Urban Air Mobility Transportation Modeling and Determination of Energy-Related Constraints. In: 2018 Aviation Technology, Integration, and Operations Conference. Atlanta, Georgia: American Institute of Aeronautics and Astronautics
Kreimeier M, Stumpf E (2017). Market volume estimation of thin-haul On-Demand Air Mobility services in Germany. In: 17th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations Conference. Denver, Colorado: American Institute of Aeronautics and Astronautics
Krylova M (2022). Urban planning requirements for the new air mobility (UAM) infrastructure integration. Frankfurt University of Applied Sciences
Lally J (2013). Aviation’s Unsung Hero – Glenn Hammond Curtiss. SOUND Vib
Lascara B, Spencer T, DeGarmo M, Lacher A, Maroney D, Guterres M (2018). Urban air mobility landscape report: Initial examination of a new air transportation system
Lidynia C, Philipsen R, Ziefle M (2017). Droning on About Drones—Acceptance of and Perceived Barriers to Drones in Civil Usage Contexts. In: Savage-Knepshield P, Chen J eds. Advances in Human Factors in Robots and Unmanned Systems. Advances in Intelligent Systems and Computing. Cham: Springer International Publishing, 317–329
Lin H, Yan Y, Cheng Q (2023). Future Role of Artificial Intelligence in Advancing Transportation Electrification. J. Intell. Connect. Veh. 6:183–186
Liu Y, Gong X, Tang Y, Hu M, Ma J, Qin Y, Wu F, Pu H, Luo J (2023a). An iterative optimization-based predictive control method for eco-driving of unmanned vehicles. J. Automot. Saf. Energy 14:80–88
Liu Y, Wu F, Liu Z, Wang K, Wang F, Qu X (2023b). Can language models be used for real-world urban-delivery route optimization? The Innovation 4:100520
Long Q, Ma J, Jiang F, Webster CJ (2023). Demand analysis in urban air mobility: A literature review. J. Air Transp. Manag. 112:102436
Luo Y, Qian Y, Zeng Z, Zhang Y (2021). Simulation and analysis of operating characteristics of power battery for flying car utilization. eTransportation 8:100111
Lusikka T, Kinnunen TK, Kostiainen J (2020). Public transport innovation platform boosting Intelligent Transport System value chains. Util. Policy 62:100998
Maget C, Gutmann S, Bogenberger K (2020). Model-based Evaluations Combining Autonomous Cars and a Large-scale Passenger Drone Service: The Bavarian Case Study. In: 2020 IEEE 23rd International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC). Rhodes, Greece: IEEE, 1–6
Mayor T, Anderson J (2019). Getting mobility off the ground. KPMG Insight
McKinsey (2022). Perspectives on advanced air mobility: Navigating the emerging passenger urban and regional air-mobility industry
Microflite (2020). Melbourne CBD tranfers. Available at https://microflite.com.au/melbourne-cbd-transfers/
Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China (2022). 2022 China Major Cities Commuting Monitoring Report
Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism of Japan (2023). Concept of Operations for Advanced Air Mobility (ConOps for AAM)
Mitropoulos L, Kortsari A, Ayfantopoulou G (2021). A systematic literature review of ride-sharing platforms, user factors and barriers. Eur. Transp. Res. Rev. 13:61
Moller P (1998). Airborne personalized travel using “powered lift aircraft.” In: AIAA and SAE, 1998 World Aviation Conference. Anaheim,CA,U.S.A.: American Institute of Aeronautics and Astronautics
Moore M (2003). Personal Air Vehicles: A rural/regional and intra-urban on-demand transportation system. In: AIAA International Air and Space Symposium and Exposition: The Next 100 Years. Dayton, Ohio: American Institute of Aeronautics and Astronautics
NASA (2018). URBAN AIR MOBILITY (UAM) MARKET STUDY
National Aeronautics and Space Administration (2021). UAM Airspace Research Roadmap
Nees MA (2016). Acceptance of Self-driving Cars: An Examination of Idealized versus Realistic Portrayals with a Self- driving Car Acceptance Scale. Proc. Hum. Factors Ergon. Soc. Annu. Meet. 60:1449–1453
Ongkittikul S, Geerlings H (2006). Opportunities for innovation in public transport: Effects of regulatory reforms on innovative capabilities. Transp. Policy 13:283–293
Pan G, Alouini M S (2021). Flying Car Transportation System: Advances, Techniques, and Challenges. IEEE Access 9:24586–24603
Polaczyk N, Trombino E, Wei P, Mitici M (2019). A review of current technology and research in urban on-demand air mobility applications. In: Vertical Flight Society, 333–343
Porsche Consulting (2018). The Future of Vertical Mobility
Pukhova A, Llorca C, Moreno A, Staves C, Zhang Q, Moeckel R (2021a). Flying taxis revived: Can Urban air mobility reduce road congestion? J. Urban Mobil. 1:100002
Pukhova A, Llorca C, Moreno A, Staves C, Zhang Q, Moeckel R (2021b). Flying taxis revived: Can Urban air mobility reduce road congestion? J. Urban Mobil. 1:100002
Qu X, Lin H, Liu Y (2023). Envisioning the future of transportation: Inspiration of ChatGPT and large models. Commun. Transp. Res. 3:100103
Qu X, Zeng Z, Wang K, Wang S (2022a). Replacing urban trucks via ground–air cooperation. Commun. Transp. Res. 2:100080
Qu X, Zhong L, Zeng Z, Tu H, Li X (2022b). Automation and connectivity of electric vehicles: Energy boon or bane? Cell Rep. Phys. Sci. 3:101002
Rajashekara K, Wang Q, Matsuse K (2016). Flying Cars: Challenges and Propulsion Strategies. IEEE Electrification Mag. 4:46–57
Rijnders E, Janssen NA, Van Vliet PH, Brunekreef B (2001). Personal and outdoor nitrogen dioxide concentrations in relation to degree of urbanization and traffic density. Environ. Health Perspect. 109:411–417
Rimjha M, Hotle S, Trani A, Hinze N (2021). Commuter demand estimation and feasibility assessment for Urban Air Mobility in Northern California. Transp. Res. Part Policy Pract. 148:506–524
Ritchie H, Roser M (2018). Urbanization. OurWorldInData.org
Robinson JN, Sokollek M DR, Justin CY, Mavris DN (2018). Development of a Methodology for Parametric Analysis of STOL Airpark Geo-Density. In: 2018 Aviation Technology, Integration, and Operations Conference. Atlanta, Georgia: American Institute of Aeronautics and Astronautics
SESAR Joint Undertaking (2020). Digital European sky blueprint. LU: Publications Office
SESAR Joint Undertaking (2023). U-space ConOps and architecture (edition 4)
Shah K (2019). On-demand helicopter services are ready to take off
SMG Consulting (2023). ADVANCED AIR MOBILITY REALITY INDEX
Smith G, Hensher DA (2020). Towards a framework for Mobility-as-a-Service policies. Transp. Policy 89:54–65
Somers LA, Justin CY, Mavris DN (2019). Wind and Obstacles Impact on Airpark Placement for STOL-based Sub-Urban Air Mobility. In: AIAA Aviation 2019 Forum. Dallas, Texas: American Institute of Aeronautics and Astronautics
Sripad S, Viswanathan V (2021). The promise of energy-efficient battery-powered urban aircraft. Proc. Natl. Acad. Sci. 118:e2111164118
Stoker P, Garfinkel-Castro A, Khayesi M, Odero W, Mwangi MN, Peden M, Ewing R (2015). Pedestrian Safety and the Built Environment: A Review of the Risk Factors. J. Plan. Lit. 30:377–392
Straubinger A, Rothfeld R, Shamiyeh M, Büchter K D, Kaiser J, Plötner KO (2020). An overview of current research and developments in urban air mobility – Setting the scene for UAM introduction. J. Air Transp. Manag. 87:101852
Straubinger A, Verhoef ET, De Groot HLF (2021). Will urban air mobility fly? The efficiency and distributional impacts of UAM in different urban spatial structures. Transp. Res. Part C Emerg. Technol. 127:103124
Sumalee A, Ho HW (2018). Smarter and more connected: Future intelligent transportation system. IATSS Res. 42:67–71
Sun X, Wandelt S, Husemann M, Stumpf E (2021). Operational Considerations regarding On-Demand Air Mobility: A Literature Review and Research Challenges. J. Adv. Transp. 2021:1–20
Tafreshian A, Masoud N, Yin Y (2020). Frontiers in Service Science: Ride Matching for Peer-to-Peer Ride Sharing: A Review and Future Directions. Serv. Sci. 12:44–60
Tang H, Zhang Y, Mohmoodian V, Charkhgard H (2021). Automated flight planning of high-density urban air mobility. Transp. Res. Part C Emerg. Technol. 131:103324
Trani A, Baik H, Hinze N, Ashiabor S, Viken J, Dollyhigh S (2006). Nationwide Impacts of Very Light Jet Traffic in the Future Next Generation Air Transportation System (NGATS). In: 6th AIAA Aviation Technology, Integration and Operations Conference (ATIO). Wichita, Kansas: American Institute of Aeronautics and Astronautics
UAM Initiative Cities Community (2021). Manifesto on the Multilevel Governance of the Urban Sky
Uber (2019). Introducing Uber Copter
Ullah H, Gopalakrishnan Nair N, Moore A, Nugent C, Muschamp P, Cuevas M (2019). 5G Communication: An Overview of Vehicle-to-Everything, Drones, and Healthcare Use-Cases. IEEE Access 7:37251–37268
Vascik PD (2017). Systems-Level Analysis of On Demand Mobility for Aviation. Master Thesis Thesis. Massachusetts Institute of Technology
Vascik PD (2020). Systems Analysis of Urban Air Mobility Operational Scaling. Doctoral Thesis Thesis. Massachusetts Institute of Technology
Vascik PD, Hansman RJ (2017). Constraint Identification in On-Demand Mobility for Aviation through an Exploratory Case Study of Los Angeles. In: 17th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations Conference. Denver, Colorado: American Institute of Aeronautics and Astronautics
Venkatesh N, Payan AP, Justin CY, Kee E, Mavris D (2020). Optimal Siting of Sub-Urban Air Mobility (sUAM) Ground Architectures using Network Flow Formulation. In: AIAA AVIATION 2020 FORUM. VIRTUAL EVENT: American Institute of Aeronautics and Astronautics
Viken SA, Brooks FM, Johnson SC (2006). Overview of the Small Aircraft Transportation System Project Four Enabling Operating Capabilities. J. Aircr. 43:1602–1612
Wang K, Li A, Qu X (2023). Urban aerial mobility: Network structure, transportation benefits, and Sino-US comparison. The Innovation 4:100393
Wang K, Qu X (2023). Urban aerial mobility: Reshaping the future of urban transportation. The Innovation 4:100392
Warren M, Garbo A, Kotwicz Herniczek MT, Hamilton T, German B (2019). Effects of Range Requirements and Battery Technology on Electric VTOL Sizing and Operational Performance. In: AIAA Scitech 2019 Forum. San Diego, California: American Institute of Aeronautics and Astronautics
Wei L, Justin CY, Mavris DN (2020). Optimal Placement of Airparks for STOL Urban and Suburban Air Mobility. In: AIAA Scitech 2020 Forum. Orlando, FL: American Institute of Aeronautics and Astronautics
Wu J, Qu X (2022). Intersection control with connected and automated vehicles: a review. J. Intell. Connect. Veh. 5:260–269
Wu Z, Zhang Y (2021). Integrated Network Design and Demand Forecast for On-Demand Urban Air Mobility. Engineering 7:473–487
Yang XG, Liu T, Ge S, Rountree E, Wang CY (2021). Challenges and key requirements of batteries for electric vertical takeoff and landing aircraft. Joule 5:1644–1659
Yedavalli P, Mooberry J (2019). An Assessment of Public Perception of Urban Air Mobility (UAM)
Zeng Z, Qu X (2023). What’s next for battery-electric bus charging systems. Commun. Transp. Res. 3:100094
Zheng C配资资金, Yan Y, Liu Y (2023). Prospects of eVTOL and modular flying cars in China urban settings. J. Intell. Connect. Veh.:1–3
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