曲小波：路空协同支撑未来城市交通.pdf

38 Exclusive专题策划影 响 有 影 响 的 人 随着城市化进程的加速，城市交通问题日益严重。为了解决这一问题，一种新的交通模式路空协同正在逐渐崭露头角。路空协同如何支撑未来城市交通发展，让交通更高效、更绿色？清华大学车辆与运载学院讲席教授、欧洲科学院院士曲小波在第四届中国交通运输科技创新与技术转移高峰论坛上，以此为题，将一幅未来交通图景娓娓道来。城市化进程加速：飞行汽车将如何改变我们的出行方式？城市化，这个词汇在我们的生活中越来越常见。随着科技的进步和经济的发展，越来越多的人口从农村地区涌向城市，寻求更好的生活和工作机会。同时，城市化也带动了基础设施建设的需求，进一步刺激经济发展。在对比了美国、中国、澳大利亚的城市土地经济贡献率后，曲小波得出“城市化进程一直在加速”“城市化进程不可阻挡”的结论。城市化的快速发展带动了社会经济的高速增长，然而城市化进程加速也带来了交通拥堵、基础设施负担重、应急救援难度高、通行时间延长与污染加剧等一系列问题。曲小波指出，以飞行汽车为载具，通过将道路交通与空中交通相结合，将部分地面交通流量转移至三维空域，是提升出行效率，解决交通拥堵问题的交通新范式。“航空、汽车先进技术使飞行汽车成为可能，城市空中交通正在来临。”事实上，欧洲航空安全局，中国民航局，日本经济产业省、国土交通省，美国交通运输部已先后发布相关指南、规划甚至法案，启动相应项目，以将这一范式真正用以实现科技与生活的无缝对接。然而，具有地面、空中行驶功能的两栖飞行汽车的落地之路，仍存在开发设计难度高，动力性能受限，对成熟且稳健的自动驾驶、智能网联技术高度依赖等多项技术难题。在此背景下，结合地面交通完成最初/最后一公里的电动垂直起降飞行器（eVTOL）或可成为构建当前低空交通系统的主要方案。曲小波描述了基于 eVTOL 的低空立体交通系统如何服务未来出行，而实现这一过程的核心在于如何合理选址垂直起降停机坪。曲小波认为，垂直起降停机坪是低空立体交通系统的基础，其选址受建设成本、运营成本、维护成本、飞行汽车的空中通行能力、用户出行需求、用户选择行为多方因素综合影响，且选址结果可为飞行载具发展提供参考。曲小波在研究中发现，待相关法规有所放松和突破之后，交通枢纽站（机场、高铁站、火车站、长途汽车站）可曲小波：路空协同支撑未来城市交通编辑/汪玚 清华大学车辆与运载学院讲席教授、欧洲科学院院士曲小波39作为天然垂直起降停机坪，采用飞行汽车高速连接已有的交通枢纽站，可实现低空立体交通系统与城市群综合枢纽交通的有机结合，为城市空中交通融入城市群综合枢纽交通提供了可行路径。“广州市、深圳市、东莞市、佛山市、惠州市、中山市和香港、澳门特别行政区均有交通枢纽站点被选择作为城市空中交通网络的起降平台且承担交通流量运输任务。”在研究区域内，短距离路线和中长距离路线均存在空中交通流量较高的线路，并且使用空中交通串联交通枢纽站的平均飞行距离和通行时间相较地面交通更优，时长可从 78 分钟缩短至 9 分钟，由此可见以 eVTOL 作为载具的城市空中交通系统可同时为市内交通和城际交通提供服务，并极大地提升交通运输效率。飞行汽车的未来：全自由城市空域飞行低空立体交通系统的结构主要包括三个部分：空中运载工具、空中交通管制系统和地面设施。载具主要包括无人机、飞行汽车和飞行出租车等，空中交通管制系统负责管理和调度这些交通工具，确保空中交通系统的正常运作，地面设施则包括充电站、起降平台和地面交通信号灯等，为空中交通工具提供支持。曲小波和团队基于中国 12 个最大城市和美国 10 个最大都会区进行了模型分析和数据研究后，他们发现：基于eVTOL 的低空立体交通网络呈现中心辐射式结构，垂直起降站点被用于连接中心节点，而地面交通负责垂直起降站点与出发地、目的地之间的连接，并主要服务中长距离通勤；不同城市的低空立体交通网络结构大不相同，受城市地理环境、功能区划、乘客需求的差异影响；中国的低空立体交通网络结构是在超大城市内部构建，而美国则是在跨城市的都市圈内部构建。且中美主要城市飞行汽车飞行时间都较短（分别为 6 分钟和4 分钟左右），使用飞行汽车能将通勤时间缩短 40%左右。在低空立体交通发展的早期阶段，电动垂直起降飞行器主要提供固定垂直起降站之间的飞行服务，而非点对点的按需服务，因此需要使用地面交通工具支持“首末公里”出行，即从出发地到起飞垂直起降站的出行，以及从降落垂直起降站到目的地的出行。而高效的“首末一公里”地面交通和空中交通的无缝衔接，对防止加剧垂直起降站点周边的地面交通拥堵至关重要。未来随着飞行载具技术发展，具有空地两栖行驶能力的飞行汽车将提供门到门服务，从根本上解决“首末一公里”的问题。此外，载具的动力性能也是目前限制低空立体交通发展的瓶颈之一。飞行汽车速度、动力源等车辆性能均对低空立体交通网络的结构和性能有影响。目前大多飞行汽车的能量消耗在爬升和下降过程中，导致飞行距离缩短，电池频繁需要充电，eVTOL 机队的利用率降低。因此，高能量密度的小型化，轻量化电池技术是eVTOL发展的重要方向。同时，动力系统的设计也应充分考虑eVTOL 对城市环境带来的噪声污染，提升其降噪特性。“以往我们认为动力源电池是飞行汽车发展最大的瓶颈。实际上，经过中美大量城市数据的对比研究，城市相对来说是一个比较小的区域，电池如今已不再是飞行汽车发展的桎梏。”相较电池容量，在曲小波看来，低空空域开放、社会层面的焦虑例如安全、隐私、噪音等问题，以及法律法规等方面更需突破和完善。曲小波指出，未来，随着能源与动力技术的发展、通信技术、城市空中交通管制技术，地空协同技术，这几项技术瓶颈不断被突破，围绕飞行汽车载具的发展，低空立体交通系统将按照载货无人机、电动垂直起降飞行器、飞行汽车阶段 1、飞行汽车阶段 2 四个阶段路线发展，最终实现飞行汽车脱离对道路基础设施的依赖，实现全自由城市空域飞行，大大降低交通及道路基础设施对城市土地资源的利用，重塑未来城市的格局，描绘出一幅未来城市交通新的蓝图。基于 eVTOL 的低空立体交通系统服务未来出行流程图：乘客通过手机终端平台预订低空立体交通服务；采用地面交通从出发地前往垂直起降停机坪；进入停机坪，依照指引检查行程计划，完成安检等必要环节；登上飞行汽车，从起始站点飞往目的地停机坪；离开飞行汽车，再次采用地面交通方式前往最终目的地