如何运营一家无人驾驶载人飞行服务公司？

文图/李悦霖

优步、波音、空客等无人驾驶载人飞行器公司认为，2025年无人驾驶载人飞行服务将进入市场，而且市场庞大。随着时间脚步的临近，许多资本和公司纷纷踏足该领域，如何运营一家无人驾驶载人飞行服务公司是大众普遍关注的问题。

要在城市里开展按需无人驾驶载人飞行器运营，非常有必要根据当地的需求模式调整基础设施和运营需求。都市区域内基础设施的建设不仅取决于高效运营的需求和模式，还取决于当前基础设施的占地面积以及是否需要改变现有基础设施的用途。在很多情况下，现有基础设施的适用性以及相关基础设施的规模可能都有所欠缺。

要开发城市所需的无人驾驶载人飞行器基础设施，需要了解当前的交通需求，并模拟未来的通勤模式。运营商还必须主动与当地居民以及当地、州和政府接触，开发有利于消费者、社区和交通网络可持续运营的相关基础设施。此外，还需要初步明确基础设施和运营问题。这些问题是城市及众多合作伙伴在考虑无人驾驶载人飞行服务前需要仔细进行评估的。

城市基础设施建设

目前的机场和停机坪(或垂直起降场和垂直起降站) 是如何设计的？如何调整这些基础设施以满足未来无人驾驶载人飞行器的需求？运营商在选择起飞/降落地点时该考虑什么？基础设施如何与机场、维修中心以及路线制定实现交互？这是都是一家未来无人驾驶载人飞行服务公司首先要考虑的问题。

起降场/站建设

以美国为例，美国一共有5664个直升机停机坪，其中私用的有66个。这些基础设施大多数未投入使用，很多停机坪都位于非常理想的市中心位置，可快速到达城市的其他区域。仅洛杉矶的市中心附近就有40多个高层直升机停机坪。旧金山等城市也有很多高层建筑直升机停机坪，但是由于当地严格的噪声限制，这些停机坪都没有获得使用许可。

在过去两年中，美国国家航空航天局对在密集的城市区域运营无人驾驶空中出租车的构想进行了研究。简单地说，美国国家航空航天局选择旧金山作为考察对象，详细考察了地理位置、土地使用、基础设施、天气和运营限制，力求研究这些现实问题。通过这种方式，美国国家航空航天局就可以针对如何使用飞行器以及所需配套基础设施的部署位置制定详细的运营概念。美国国家航空航天局的这项研究提供了一些见解，有助于更好地了解展开密集运营无人驾驶载人飞行器的可行性。

图1 建设浮动式驳船垂直起降场，在水上提供载人飞行的进近和出发路径

城市可以通过同时建设垂直起降场和垂直起降站，支持无人驾驶载人飞行器机队的运营。垂直起降场是拥有多个着陆位置的大型区域，且拥有为多架无人驾驶载人飞行器和乘客提供服务的配套设施(如充电器、保障人员等) 。根据纽约及其他地区的垂直起降场使用范例，垂直起降站的最大容量限定为在任意时间可容纳约12架无人驾驶载人飞行器，一方面可以精简基础设施的规模，另一方面可以允许多架无人驾驶载人飞行器同时起降，从而最大限度地增加行程吞吐量。垂直起降站则是供单架飞机起降的位置，没有配套设施，但是无人驾驶载人飞行器在起降站可供乘客快速上下飞机，无需停留很长时间。

起降场/站设计

美国国家航空航天局提出了两种可行的垂直起降场和垂直起降站设计方案。一种提案是在旧金山市区建设浮动式驳船垂直起降场，在水上提供飞机的进近和出发路径，一方面可以限制对社区的干扰和风险，另一方面无须在现有的密集建筑物中间建设基础设施。这类驳船/码头式垂直起降场基础设施已在纽约、温哥华等拥有现成运营程序的很多城市投入使用。为适应越来越多的飞行运营，这些垂直起降场可以使用短程地面导航辅助系统自动为无人驾驶载人飞行器的进近和出港安排时间顺序。

另一个方案是针对硅谷高速公路的苜蓿叶型立交桥提出的另一个新颖的垂直起降站解决方案。在这个案例中，主干路上的立交桥经过用途改造，加建增高的直升机停机坪结构。在对比一般立交桥的直径时，优步公司参照了针对直升飞机场后退线和运营问题的美国联邦航空局的指导建议。一般立交桥的直径大约是225ft，以供汽车的减速和转弯。一般的直升机停机坪需要50ft的停机坪，直径为115ft的最终进近和起飞区，以及直径约200ft的公共安全区。美国国家航空航天局建议设立一个架高平台，让垂直起降站和立交桥处于同一高度，从而在道路车流之上提供最大的高度间隙，并将对地面交通的干扰降至最低。架高平台的下方区域还可容纳垂直起降站的其他功能，如乘客接载和候机区。这种类型的公共垂直起降站追求的是顺应目前的拼车潮流，并不需要停放或存放无人驾驶载人飞行器或地面车辆。针对垂直起降场或垂直起降站指定私有飞机型号将导致所需的基础设施规模增大和增加成本。美国国家航空航天局和麻省理工学院正在联合对洛杉矶等其他都市区域开展研究，调查各种垂直起降站基础设施构想的可扩展性。

这种基于高速公路立交桥的基础设施方案有很多运营优势，包括可以重复利用交通部现有的土地。飞机进近和出发轨迹可以在主干道上完成，低于500ft时不会在私人物业上飞行，而且现有高速公路的噪声和设想的无人驾驶载人飞行器噪声级别一致，有助于减轻对社区的干扰。这种类型的基础设施与现有地面道路相结合，有助于将地面交通时间降至最低，而且非常适应新兴的拼机商业模式，减少对地面或航空飞行器停放设施的需求。美国国家航空航天局的研究还指出，一种可能的垂直起降场建设方式是建在与相邻物业之间有较大间距的私有公司园区。

图2 针对高速公路的苜蓿叶型立交桥提出的另一个新颖的垂直起降站解决方案

同样，利用停车场的顶层也是一个特别有吸引力的方案，可以重复利用闲置的房地产设施作为垂直起降场。架空的停放结构还有运营优势，例如，有助于确保无障碍的下滑道角度符合美国联邦航空局针对安全运营方面的规定。如图3所示，已有方案提出在洛杉矶机场兴建这种建筑。

图3 在房顶上垂直起降是未来载人飞行垂直起降场的一种选择

从考虑使用不同的机场基础设施的角度来看，垂直起降场的占地面积紧凑，无人驾驶载人飞行器可以大下滑角飞行，避免在邻近物业的上空飞行。使用除了具有垂直飞行能力的飞机之外的任何其他飞机都需要使用大量的地面资源和土地。美国国家航空航天局在他们的城市无人驾驶载人飞行器研究中，考虑了常规、短距离和极短距离跑道飞机解决方案，但他们发现，这些方法在已建成的都市区域均不可行，原因是土地购置成本过高，而且存在其他土地使用问题，例如，避免在低于500ft的高度飞越邻近的私人物业。小角度导致进场路径长的低空飞行会加重邻近物业的负担，而这并不只是运营会干扰邻居的问题。法律判例不允许低空飞越私人物业。美国最高法院的裁决确立了个人财产所有权可延伸至该财产上方的直接空域，同时驳斥所有权无限向上延伸的诉求。尽管所有权可延伸至多高的空域在法律方面仍然有很大的争议.麻省理工学院的按需出行运营研究正在对此进行调研，但无人驾驶载人飞行器的运营必须尊重地面上其他人及土地所有者的权利。

拼机基础设施设计

垂直起降能力对城市运营至关重要的另一个原因，飞机在起降过程中要适应不同的风向和阵风。虽然短距起降和极短距起降飞机需要的起降功率较小，但如果这些飞机要在各种风向和条件下飞行，那么它们可能需要多个方向的跑道。这是因为在低速起飞和着陆时，侧风着陆特别困难。由于风的原因，某些地区的短距起降或极短距起降机场可能需要更多设施而不只是一条跑道，并且由于爬升角度比无人驾驶载人飞行器小，可能需要多个方向的越地飞行权，相比之下，无人驾驶载人飞行器不依赖跑道，可以在悬停、起飞或着陆时过程中使其自身和风向相同。

优步公司绘制了渲染图，展示了垂直起降场可能具备的特征，同时更清楚地展示拼机网络中的按需无人驾驶载人飞行器用到的各类基础设施。在这个示例中，一个8层的市中心停车场的顶部被改建为能为12架无人驾驶载人飞行器提供支持的垂直起降场。在这张图中，假设该城市区域必须能够满足美国联邦航空局的直升机停机坪指导标准，即在预想的进出路径中有一个无障碍的下滑道。根据这一要求，垂直起降场的选址地点四周不能有高层建筑物。

由于无人驾驶载人飞行器拼机运营商将在特定的垂直起降场提供常规服务，优步公司绘制了两个直径为50ft的着陆区。虽然对间距没有正式要求，但应最大限度地增加着陆区之间的间距，以将运营风险降至最低。隔离有助于避免两个着陆区相互干扰，还能同时进行起降。着陆区为美国联邦航空局分类中的接地和离地区，另一个较大的区域为美国联邦航空局分类中的最终进近和起飞区。进近和起飞区的直径约为100ft，要求没有任何构筑物、灯杆或其他障碍物，以确保飞行安全。通常，垂直起降场或垂直起降站还设有公共安全区，提供直径约为200ft的附加后退区域，这一区域必须进行管制。不过，对于屋顶位置，则无需公共安全区，原因是这一区域会延伸到屋顶之外(该区域在管制范围内) 。

除了抵达和出发之外，处于停放状态的无人驾驶载人飞行器需要远离着陆区。每个停放位均提供一个传统充电器，其中有两个位置提供快速充电器。在高峰时段，无人驾驶载人飞行器都处于飞行状态，因此大多数停放位将是空的。两个着陆区也各自提供快速充电器。这些快速充电器可供只是短暂降落接着继续载客的无人驾驶载人飞行器在短时间内再次充电，从而最大限度地增加飞行时间。嵌入式充电插头甚至可以在电机停止后自动展开。

有效的飞行运营区将有配套的建筑物，该建筑物承担安保、安检、修机区及其他功能，而且只能通过该建筑物才能进入着陆区。乘客只需步行很短距离即可到达着陆区，且能在飞机的推进系统关闭时靠近。停放的无人驾驶载人飞行器将远离用户，尽量避免用户接触到飞机。无人驾驶载人飞行器需要能借助轮殻电机在地面进行短距离滑行，以在着陆区和停放区之间移动。屋顶的另一块区域供乘客下机并到达汽车或行人出口位置，从而结束他们的行程。

选址

最初，无人驾驶载人飞行器不可能直接上门接送乘客，而是在垂直起降场和垂直起降站之间运行。不过，根据当地法规和空间限制，无人驾驶载人飞行器可能会在私人住宅起飞和降落。这些地点需要登记在册并考察其进近和出发路线。例如，在加利福尼亚州，非企业区域的个人“机场”是完全合法的。也就是说，点对点的行程将不太可能与其他行程重叠(与拥有有限的高吞吐量节点的垂直起降场/起降站网络相比) ，因此这些乘客需要愿意支付相对高昂的费用。

有鉴于此，运营商可能会主要关注拼机的无人驾驶载人飞行器网络。该网络只包含垂直起降场/起降站之间的多模式行程。目前优步公司提供与公共交通相结合的第1mile/最后1mile接驳，而且在纽约，优步已成功要求乘客步行至优步拼车的上车区(作为交换，乘客更有可能共享一程，这样所有乘客的费用都会减少) 。多模式交通可以最大限度地提高网络吞吐量，节省更多时间，同时将步行/驱车前往/离开站点的时间缩至最短。

在城市部署无人驾驶载人飞行器机队的最大运营障碍是缺少足够的空间来建立降落点。即使今天无人驾驶载人飞行器已获得飞行资格，城市也没有足够的起飞和着陆地点让飞机以机队规模运行。少数城市已经拥有多个直升机场，并可能有足够的能力来提供有限的初始载人飞行服务，前提是这些机场位置合适，可以很容易从街道抵达，且拥有增设充电站所需的空间。但是如果希望发挥无人驾驶载人飞行器的全部潜力，还需要增加基础设施。

优步等运营商可以帮助寻找位置并消除障碍，以建立垂直起降场和垂直起降站，让载人飞行服务成为现实。虽然通勤通道的城市远郊一端有更多更便宜的土地，但密集的市中心空间非常有限，而且现有的屋顶可能不能进行改造。周围的高层建筑可能会导致起飞时的垂直爬升速度必须提升，从而显著增加对动力的需求，还可能造成风洞等微气候，需要慎重考虑。

许多城市严格限制只能在特定地点使用直升机，而且只允许直升机在有限的时间范围内飞行。然而，导致这些限制的大多数公众反对意见并不适用于电动无人驾驶载人飞行器。例如，关于医院直升机选址的公众意见表明，所讨论的飞机所产生的短期噪声远高于无人驾驶载人飞行器。

机场和维护中心设计

大多数城市区域都有各种现成的机场。以旧金山湾区为例，该地区有三个大的航空公司基地、两个已退役的军用机场、一个联邦/民用机场、7个通用航空机场、一个私人机场和一个私人水上飞机基地，这些都在离旧金山约35mile的范围内。其中的每个地点都是进行初始运营的不错备选地址，优步公司在洛杉矶地区进行的第一性原理分析得出了同样的结论。

任何城市或地区都需要设立维护和保障点，以便能在停飞期间停放数百架无人驾驶载人飞行器并进行维修和检查。垂直起降场或起降站肯定不会承担这些功能(虽然维护基地也可以作为面向乘客的垂直起降场) ，可能要由当地的固定基地运营商来为这个新兴市场提供支持。任何垂直起降场都需要机动维护人员，以处理非适航飞机的问题。在紧急着陆或设备故障导致无人驾驶载人飞行器需要维修时，维修人员要到达指定地点，类似于当前的直升机运营。也正是因为这个原因，无人驾驶载人飞行器要采用完全冗余推进系统和可以提供“跛行回家”操作模式的控制设计。

路线规划

除了垂直起降场和垂直起降站的选址和建设之外，无人驾驶载人飞行器还将需要从一个位置到其他位置的航线规划，以便与实际的空中交通管制相融合。虽然美国国家空域系统中还没有专门针对无人驾驶载人飞行器航线的规定，通过与空中交通管制机构的协商，很容易定义相同的结构，就像为新闻和医疗飞机制定航线时一样。在可预见的未来，在城市区域内飞行的飞机仍将与空中交通管制机构通过语音进行通信，以实现交通的多样性，但在未来几年内，所有飞机都将配有现成的座舱显示器，可显示附近所有其他飞机。随着在同一航线中有人驾驶飞机的经验积累，运营商有可能为自动驾驶航线规划奠定基础，可以避免与现有飞机运营发生冲突。

在一些类似旧金山湾区这样的地区，某些自然特征本身(如湾区本身) 就能够为无人驾驶载人飞行器路线规划提供帮助。用以制定路线的工具与现今其他低空交通所采用的工具相同。这是必须进行谨慎的路线优化的又一个领域。例如，如果在一定程度上随机排列路线结构，同时保留符合空中交通管制机构规定的走廊内结构，便有可能规避美国联邦航空局在将下一代路线规划方法应用于旧金山国际机场时所遇到的噪声等问题。安静且容易操纵的低空飞行器带来了以往空中交通规划情景中从未呈现的独特机遇。

基础设施模拟

在基础设施建设开始之前，确定最优的基础设施是运营商必做的功课之一。这不仅可以确定最初方案的不足，而且可以找到最佳的盈利途径。

优步公司通过其核心业务了解到网络优化是复杂运输系统功效的最基本驱动因素之一。如果符合要求的垂直起降场数量较多，那么选择使用其中特定的一部分对设施和运输成本都会产生绝对的影响。垂直起降场的选择也会影响载人飞行服务的人口总数，以及相较于其他交通方式他们对垂直起降场所抱有的期望。优步公司利用2016年9月一周的长途优步行程对大洛杉矶和伦敦地区可能的垂直起降场位置进行了初步分析，行程的半正矢(“直线距离”) 距离超过20mile。但遗憾的是，优步公司的长途行程对普通消费者来说仍然过于昂贵，因此数据量有限。也就是说，经过多年服务的积累才会获得足够的行程数据来分析传统非优步长途路线通勤的潜在需求。

优步公司基于一系列候选垂直起降场位置研制了一种模型，用于选出一部分理想的位置，能在满足各种限制条件的情况下，最大程度提高行程的覆盖范围。这些限制包括相对于开车所节省的时间(限制了所选垂直起降场的总数) 和垂直起降场选择的空间限制。优步公司使用大规模优化模型从这些位置中选出25个，最大限度地提高无人驾驶载人飞行器路线的可达性，最终得到的符合要求位置的预计用时比地面行程节省40%以上。

地形图回放调绘内容和方法与传统方法一致，地形图编辑过程根据成果地形图要求可使用iData数据工厂、清华山维EPS和南方CASS等软件进行。

随着城市中的机场增多，每个边缘机场的吞吐量将减少；规模较小的机场主要用于提高运输网络的效率，而不是用作带有充电设施的关键高吞吐量节点，因此，最好作为垂直起降站。

场景设想

为实现模拟，优步公司提出了以下设想：

(1) 所有乘客都将经历一段没有中途停留的载人飞行行程。

(2) 最大飞行距离为120mile。

(3) 行程中的空速为170mile/h。

(4) 将起飞时间和降落时间分别增加了60s和75s。

(5) 乘客登机和下机分别需要3min和2min的时间。

(7) 当且仅当路线的预计历时至少比地面行程的预计历时缩短40%时，乘客才是乘坐此飞行路线的潜在顾客。

(8) 通过按需服务可满足所有搭乘请求(不考虑提前预约行程的情况) 。

飞行路线规划

为了确定最佳的垂直起降场位置组合，运营商要考虑为每个乘客分配特定的行程路线。该行程路线由以下任一路线组成：地面行程和包含三个路段的飞行路线，即飞行路线一般是从乘客的出发点到出发机场路段、垂直飞行路段和抵达机场到乘客的目的地路段。运营商要力图确保从中选出的机场组合能够最大限度扩大整个网络中长途乘客的总体行程覆盖范围。

该模型可确保满足以下条件：

● 所选垂直起降场的数量不会超过可允许的最大值；

● 所有乘客的行程能够刚好由一个行程路线覆盖；

● 正如用户规范所规定的那样，不会同时选择两对位置足够接近的垂直起降场；

● 未选择的垂直起降场均不得分配给任何乘客；

● 采用第三方商业优化求解器，通过大规模整数规划进行解算。

不同场景部署计划不同

不同城市基础设施的部署计划不同。主要区别尤其集中在以下几方面：

城市地理和设计特征对城市或其远郊和近郊地区需求提升的促进方式和现有公共交通节点对于基础设施选址和多模式行程可能起到的作用，以及基于地面的有限基础设施以次优的方式服务于现有(或抑制潜在) 需求，可由替代基础设施选项进行补充。

优步公司选择了分别覆盖洛杉矶60%的长途行程和伦敦35%的长途行程的25个垂直起降场。优步公司发现，随着垂直起降场数量不断增加，这两个城市的长途行程覆盖范围将不断扩大。不出所料，以中心商务区和公共交通枢纽机场为起点和目的地的长途行程密度很高。特别是在洛杉矶国际机场、伦敦希思罗机场和伦敦盖特维克机场等大型机场，这种现象尤为明显。

有些行程的起点或目的地距垂直起降场很近，因此这些行程的起始路段或最终路段无需乘车。如果行程前后路段的半正矢距离小于一定的阈值(如250m、500m和1000m) ，将此行程路段定义为可步行。在伦敦，包含可步行路段的行程所占比例较高。这主要是因为与洛杉矶相比，到当地机场的行程所占比例要高得多。

多模式效益

优步公司发现，在洛杉矶，为数不多的垂直起降场可覆盖很大部分长途行程，而在伦敦等大城市，相同数量的机场所覆盖的行程数量要少得多。这意味着，呈现起点与目的地位置相距较远的出行模式的伦敦等大城市，要想实现与其他城市相同的行程覆盖可能会面临更大的基础设施压力。

与此相反，伦敦250m阈值内的可步行垂直起降行程所占净百分比则更高，接近洛杉矶的五倍。这是因为伦敦的大量公共交通枢纽与预设的垂直起降场位置(地铁、多个机场) 重叠，而在洛杉矶，地铁几乎不占主要地位，且主要的国际机场更靠近城市中心。因此，在公共交通和现有交通枢纽更为有限的城市，构建垂直起降场基础设施实际上可能会加强现有交通模式的聚集。在过渡时期，这些城市中包含乘车路段(而非步行路段) 的多模式行程路线将占据更大的比例。

发现服务水平不足的路线

城市机场之间的路程是一种有趣的需求源，有可能利用与飞机相关的现有地面基础设施支持航线补充次优的地面基础设施。模拟试验数据显示，伦敦几个主要机场间的路程，希思罗机场到盖特维克机场、希思罗机场到卢顿机场是最好的例子。例如，众所周知，希思罗机场在伦敦西部，盖特维克机场在伦敦南部，在两个机场之间转机颇具挑战性，许多国际旅客要在有限的时间内从一个机场出发到另一个机场转机。但两个机场间的地面路程大约为38mile，在交通高峰期最多要花费1.5h的时间，这就意味着转机乘客可能会错过转机，还会增加焦虑情绪。而时速200mile的载人飞行则只需10min(包含起飞和降落时间) 。

图4 节省时间是载人飞行最好的体验之一

伦敦机场存在城市外围存在的东西向和环线公路的出行难题。这些难题要么是由于现有公路和铁路基础设施有限，要么仅仅是由于高峰时段交通拥堵造成的。伦敦现有的直升机相关基础设施非常有限，如果能利用面向城市外围服务水平低下的经济中心开放的大量飞机网络基础设施和空中纽带，将为载人飞行带来巨大优势。在模拟试验中，在洛杉矶，预想的垂直起降场模拟了居民上班或休闲时的出行模式。如果能对许多城市中心建筑上原先就存在的直升机停机坪重新加以利用，将满足在模拟模型中看到的那一类需求。

影响城市交通需求模式的根本原因有很多，导致不同地方既存在差异又有相似性，这会对基础设施网络的设计产生影响。基础交通方式组合和公共与私人交通方式的基础设施质量等因素往往会影响市民的生活地点，推动走廊地带需求和人口密度增长。

地形难题也会影响中心商业区及周边科技、商业和制造业园区的可达性。在给定关键地区位置的情况下，日常活动涉及的纯粹距离和路线会对高峰需求流量影响典型通勤的时间和方式产生影响。

最终，运营商需要与各个特定城市的领导人员、交通专家和现有交通网络管理者及规划者密切合作，确定明确的短期和长期使用案例，争取给城市内部和周边通勤带来快速和潜在的根本性转变。

如何节省时间

根据驾车完成整条路线与搭乘无人驾驶载人飞行器驾驶或步行前往/离开最近的垂直起降场(共25个)的速度对比，优步公司用40%的时间节省阈值进行了模拟。

在从0%～100%的各种时间节省阈值的敏感度测试中，优步公司发现超过伦敦70%和洛杉矶75%的节省阈值后，行程便不可能节省时间。这个结果十分合理，因为两个垂直起降场/垂直起降站间的平均直线驾驶速度至少为40mile/h，而飞行速度则为170mile/h，因此任何特定路线都可以节省近70%～75%的时间。

优步公司还发现，在上述条件下，洛杉矶的通勤行程(平均30.4mile) 总体来讲比伦敦的通勤行程(26.0mile) 更长。此外，与伦敦相比，洛杉矶的超长距离行程节约的时间更长：分别为 75%(32.1与26.8mile) 、95%(53.1和 38.4mile) 、99%(82.5和51.9mile) 。行程距离越长，节省的时间越多。因此，在通勤端点间往来距离更远的城市，对于采用城市航班替代驾车通勤的潜在需求可能会更大。

充电

目前的无人驾驶载人飞行器续航时间有限，为了将乘客运送到目的地，无人驾驶载人飞行器必须保证拥有充足的电力。如何为无人驾驶载人飞行器充电？需要什么样的基础设施来为其提供保障？这是运营商面临的重要问题。

如果其他无人驾驶载人飞行器需要充电，或下一个乘客行程还未预约，无人驾驶载人飞行器需要从垂直起降场的停机坪移走，为其他无人驾驶载人飞行器腾出位置。但是，如果电力充足且乘客已准备就绪，无人驾驶载人飞行器只能在停机坪上停留足以让乘客上下飞机的时间。缩短周转时间对实现较高的利用率十分重要。将无人驾驶载人飞行器滑行至垂直起降场停机位让乘客下机不仅需要大量时间，还需要乘客在其他飞机运营期间到达停机坪。电池需要在下次飞行前充满电，以尽可能提高利用率。每个垂直起降场都配有多个高压快速充电器，以及数量充足的低压充电器(可在每个垂直起降场停机位低速充电)。

图5 充电是城市载人飞行网络持续运营的关键

优步公司目前的垂直起降场模型根据实现每年飞机使用时间超过2000h的所需充电比率设计，假定将有三分之一的充电器为高压/高容量充电器。特斯拉已经展现了快速充电的能力，研发的电池可以在 30min内充满 80%的电量。但是，高压充电器比常规的慢速充电器价格更高，且快速充电可能对电池造成巨大损害，缩短预期电池使用寿命。提供适当配比的充电器是市场特定的机队优化问题。当然，基础设施可能会为每架无人驾驶载人飞行器配备充电器，实现夜间充电。将电池充电特征与放电特征(功率系数和充放电率，表示电子进入电池或从电池中释放的速度) 相匹配对于飞行器、飞行任务和基础设施都是至关重要的。

电池更换是有助于最大限度提高飞机效率和利用率的另一个备选方案。特斯拉投资开发了一个机器人电池更换系统，能够在90s内完成电池更换。虽然更换电池可优化飞行器性能，但会带来严重的后勤压力，这也是特斯拉公司终止其电池更换计划的原因之一。如果采取电池更换方案，则要确保为所有垂直起降场妥善分配电池，这可能需要通过地面交通在垂直起降场之间运输电池。另一个因素在于，电池是一项主要的开销，每个飞行器需要多个电池组，这会产生一笔庞大的机队附加费用。在添加新电池后，重新确认飞行器整体飞行安全性的认证难题是需要额外考虑的一个重要方面。

运营

持续运营是运营商的主要目标。如何解锁城市载人飞行网络的运营效率，解决运营效率以及恶劣天气所带来的空域挑战？在安全性和公众关注方面需要考虑哪些事情？运营商也面临着一系列问题。

空中交通管理

根据无人机系统交通管理计划，至少有三种强有力的发展路径可以提升城市载人飞行网络的运营效率，并解决这些网络将带来的空域难题：

(1) 高流量无人驾驶空中交通管理交互

对于载人飞行器，仪表飞行气象条件下的飞行需要像目视飞行一样，让飞行员只需执行简单的低负荷操作。基于语音的飞行员操作对空域控制器会造成一系列容量瓶颈，限制空域系统的容量和可扩展性。未来空中导航系统中的管制员飞行员数据链通信等技术的成熟，可实现无人驾驶空中交通管理流程的自动化。

(2) 延伸至500ft高度类的无人机系统交通管理

美国国家航空航天局的无人机系统交通管理系统目前致力于打造一种空域管理系统，用于在500ft以下空域飞行的小型无人机。这种方法将小型无人机与通常在更高高度飞行的其他空中飞机隔离开来。但是，由于私有飞机高度限制，以及需要获得与通用航空和商业交通隔离的保障，因此即使是小型无人机也很可能无法以完全隔离的形式运行。

美国国家航空航天局通过扩大与工业界和大学的合作，将无人机系统交通管理应用至通用航空飞机，提供一个涵盖高达几千英尺的全面的空中交通管理解决方案。

(3) 与机场和航站楼区域的无缝集成

几乎所有主要城市的周边都有大型机场，部分城市(如洛杉矶) 在市中心建有枢纽机场。这些机场对在5～10mile半径范围(从地面延伸至约2000ft) 和高达35mile半径的阶梯状范围(达10000ft) 内拥有B、C或D类进行空域扩展管制。在洛杉矶，城市的43%陆地区域在这些空中交通管制部门的管制范围内，部分地区的航班需要管制人员批准，语音交互无处不在。然而，这种由管制人员管理的空域大多利用率极低；根据按需出行的运营方面研究表明，航空公司运营仅使用了这些保留区域的5%。受管制的保留空域的使用率之所以受限，部分原因在于近来精确进近和出发的技术进步大大降低了航线的变更频率。

随着载人飞行交通量的提高，其他难题也需要得到重视。例如，如何以适当的方式高效地管理飞行器和垂直起降场资源的时间和顺序安排，确保在实现高系统容量和效率的同时优化该系统用户的门到门行程次数和变动。此外，鉴于优步公司对无人机的了解，还需要考虑管理不同机队对其自主出行决策控制方式的标准，这一点非常重要。

(4) 以无人驾驶为目标的基础设施建设

图6 与机场和航站楼区域的无缝集成非常关键

优步公司认为，无人驾驶飞行器将遵循民航规章的操作程序，拥有自己的内部通信网络，即使在没有飞行员操作的情况下也能实现精确的导航和定位。试点阶段的基础设施开发将直接针对自主运行的要求。主导航系统将基于现有的全球导航卫星系统(GNSS)，同时接收全球定位系统、GLONASS以及在此期间可用的GALILEO和北斗任何其他国际系统。此外，还可能需要组合使用WAAS增强的全球定位系统和微波转发器技术，对前往垂直起降场和垂直起降站的飞行器进行精确定位。与用于无人机系统交通管理一样，美国联邦航空局并不会像对航空公司和通用航空交通那样为低空无人驾驶飞行器提供隔离服务。无人驾驶飞行器在处于常规飞机未使用的空域中时必须能够独立于空中交通管制飞行。所有这些要求都会在无人机社区共享，并且适用于无人驾驶飞行器的相同方法可能会并行发展并达到更高的载客飞行可靠性水平。

通信或数据链路部分可能会结合ADS-B、现有手机和低地球轨道卫星网络以及低功率地面微波数据链路。一开始，系统预计将具有三重冗余，用以应对所有意外事件；即使在两个网络无法运行的情况下也将保有全部功能。对于需要网络范围可见性的基本功能，所需的数据带宽相当低。当飞行器彼此非常接近时，需要提高带宽，缩短延迟，但在无人机领域，已有几种具有此功能的方法正在研发中。

排序和空间划分必然需要通过优步公司机载拼机生态系统垂直整合。不仅必须有可用的飞行器和垂直起降场/垂直起降站空间，还必须保留飞行空域，并实时监测每架飞行器的状态和位置。目前，这一领域的人员正通过美国国家航空航天局/美国联邦航空局下一代计划不断研发体积更大的飞行器，而无人驾驶飞行器可以使用类似的方法来满足飞行要求。

在这个领域中，微处理器速度和存储器容量的持续发展直接体现为以更高的精度处理更密集空中交通的能力。

行程可靠性

行程可靠性是决定从预约到下机的端到端时间的主要因素之一，也是优步公司想要实现的节省时间价值理念的主要技术路径。行程可靠性是网络状态的一个函数，即在用飞行器的数量和分布与需求之间的函数。行程可靠性可以用从预约到抵达的时间来衡量，即从预约飞行器后到其出现期间用户要等待的时间。反过来，行程可靠性又受许多因素的影响，例如，垂直起降场/垂直起降站的位置、飞机的空驶比，以及相较于汽车更易受其影响的天气。

无人驾驶载人飞行器需要利用其他技术来增强可见性，在阵风条件下有效、安全地操纵。应对大多数结冰问题，运营商充分利用增强的天气信息和预测功能最大限度地提高可用运行时间的百分比，所有这些反过来将实现飞行器利用率和经济可行性最大化。运营商可以利用从自动除冰到自主驾驶的各种技术，提高控制精度和飞行适宜性决策的一致性，进而显著增加无人驾驶载人飞行器的可用性。

无论无人驾驶载人飞行器的可用性存在怎样的差距，航线网络的多模式特性都会对系统可靠性有所助益。如果飞行器由于某种问题必须着陆，该系统可以自动协调其他交通工具，从着陆点继续行程。当然，这会构成降级的服务形式，因此无人驾驶载人飞行器可用性将存在一定的下限。低于该下限时，人们将认为载人飞行服务并不具备足以让用户依赖的可靠性。因此，在早期部署中，运营商将选择具备有利于确保可用性条件的位置。

天气

飞机比汽车更易受到环境条件和天气的影响。在起飞、巡航和着陆过程中，雷暴会造成巨大乱流、结冰和低能见度，是干扰飞机运营的最大外部条件之一。在起飞和着陆期间，强降水和阵风形成的不稳定条件会进一步造成干扰，导致难以保持飞行控制和合理的安全裕度。

一般来说，在最近的机场仍然能够进行商业航空公司运营时，运营商期望载人飞行能随时提供服务。恶劣的天气条件(如强雷暴天气) 下，包括载人飞行在内的所有飞机都会延误。所以，运营商可能会优先考虑将最初的载人飞行运营部署在不存在阻止运营的环境或天气条件的市场中。

随着技术不断发展，无人驾驶载人飞行器将可以在各种更具挑战性的天气环境下的运营，如果能够克服一系列关键障碍，载人飞行就可能提高在各个市场的普及率。

(1) 密度和高度

在较高海拔和较低空气密度环境下，环境通常会对运营产生两大不利影响。第一，空气密度减小意味着产生所需的升力需要更高的真实空速和/或旋翼速度。第二，空气密度减小意味着可用的发动机功率降低。随着空气密度的减小，吸气发动机的功率损失将超过30%以上，取决于具体设计(即机械齿轮箱限制) 。这使常规直升机面临巨大的挑战。虽然无人驾驶载人飞行名义上是在相对于地平面低于3000ft的低空运行，但在高海拔地区运行就相当于在标准大气中10000ft以上的高空运行。

(2) 冰

雪和冰不仅会黏附在转轴和机身部件上，还可能在这些部件上冻结成形，从而增加重量并改变机翼的形状。结冰条件不仅仅是寒冷的气候环境现象，在偶然出现的天气条件下，某些高度也会发生这种状况。虽然无人驾驶载人飞行器不太可能在较高的海拔高度运营，但电力推进提供了独特的运行安全优势，可在短时间段内产生很高的功率，直到电动机达到热极限(通常需要运行30s到120s) 。这种能力可在紧急情况下用于短时间的功率突发，或者用于短期高速攀升，在冰凝结前快速穿过结冰层海拔高度。

(3) 可见度

即使采用传统的仪表飞行操作，在飞行的最后几秒也必须让飞行员能够查看着陆环境。机场“低于最低条件”意味着在最近的安全进近点，不具备这种查看着陆环境的条件。无人驾驶载人飞行器在进近时可以用比常规飞机慢得多的速度飞行，因此要求较低可见度，但在它们完全自动飞行前，仍然需要具备目视条件。

未来，我们可以利用已经研发成功并部署在商务级喷气飞机上的红外光谱透视雾气的视觉系统辅助飞行。这些类型的系统增强了低能见度条件下的运营能力。无人驾驶载人飞行器还可以利用激光雷达和激光扫描系统，规避其他飞机/障碍物，看清到达着陆点的路径。我们完全有理由相信，随着高性能合成视觉系统的快速发展，在较低可见度条件下的运营必将实现。

(4) 阵风

对于无人驾驶载人飞行器而言，城市环境中的高层建筑物周围的阵风具有很大的威胁性。无人驾驶载人飞行器需要遵守与人造物体的安全间距，美国联邦航空局要求所有固定翼飞机与建筑保持至少500ft的距离。无人驾驶载人飞行器的地图系统中需要内置此类缓冲器，确保它们可以避开这些安全区，特别是在不断变化的城市环境中。在结冰问题中提到的短时间可用额外功率适用于这种情况，因为增加的控制力可用于抵消阵风条件的影响。相互连接的无人驾驶载人飞行器网络可监视和共享所经历的大气条件。这种网络可实现阵风位置的实时和历史映射，启用动态的路径选择和抵达程序，最大限度降低遭遇阵风的几率。这种高度分散的天气采样类型还能提高当地天气预报的准确性。目前，航空天气信息平台还能利用其他机队天气数据提供局部地点的准确天气状况，让飞行员在非最佳天气条件下更自信地执行短途飞行。

安检

将安检无缝融入到无人驾驶载人飞行器使得运营更加顺利。基于应用程序的运营商具有独特的优势，可利用技术来集成和最大限度地减少任何安全要求带来的不便，同时减少乘客在乘坐飞机时所经历的耗时步骤。例如，优步在匹兹堡的自动驾驶汽车后座设有平板电脑，将来它可用于验证乘客身份，车内不需要任何人为监督。

此外，验证乘客身份和相关偏好所需的数据可能会继续作为拼机服务商移动应用程序的一部分；因此，运营商可以开发类似于美国联邦航空局运输安全局预检查的系统，在通过机器学习和其他输入数据确定乘客为低风险乘客时，简化安检程序，让乘客快速通过机场安检。无人驾驶载人飞行运营不要求像乘客乘坐商业航空公司航班那样的安检水平，但运营商要在飞行前提供技术支持的安检与合理的地面安全参数的理想组合方式，为乘客打造安全无忧、愉快的旅程。

图7 将安检融入到无人驾驶载人飞行器登机流程中

图8 噪声和隐私是大众比较关注的问题

采纳公众意见

运营商、城市和政府、监管机构和社区将仔细考虑无人驾驶载人飞行及其垂直起降场站对当地社区的影响。无人机技术的出现及其日益广泛的使用已经带来了一些问题，这将对无人驾驶载人飞行在城市环境的发展起到指导作用。对于确定会影响飞行器和基础设施设计与运营的问题，当地社区将给予有价值的反馈。运营商就无人驾驶载人飞行问题与潜在用户和当地社区开展对话，能让运营商、监管机构、制造商和社区与潜在用户和当地社区分享这种潜在的变革性交通解决方案的发展。相反，如果运营商、政府机构、飞机设计者、监管机构和其他利益相关者从这场探索中一开始就没有与正在从这种新型飞机中受益并为其做出贡献的人群进行有效接触，就会错过一个重大机会。如果用户和当地社区没有看到载人飞行在改善他们生活方面的潜在应用价值，那么他们对载人飞行运营的支持将有限。社区甚至可以采取各种各样的手段延迟、限制甚至禁止运营活动。

安全

虽然安全不仅是政府机构关注的问题，而且也是社区担忧的问题。运营商需要采用无人驾驶飞行器设计中固有的保障措施来建立所需的信任水平。当地社区也会关注这些飞行器的安全性，以及它们易受劫持和黑客攻击的弱点。政府机构必须密切参与所有载人飞行服务的运营环节，但当地社区也要全面了解已经实施的安全保障措施。虽然最初并非全自主飞行，但无人驾驶飞行器本身是由轨迹控制而不是由状态控制的，这意味着如果需要，可以远程修改飞行路径。通过适当的网络安全保障措施，可以在紧急情况下提供由远程飞行员接管机载飞行员的功能。运营商会了解到，垂直起降场和垂直起降站将成为城市景观的新特征或更显著的特征。确保这些站点的安全和安保以实现运营目的和无缝低调地融入城市结构，这无疑将是当地社区、地方执法机构、国家安全机构和网络运营商共同努力的结果。

噪声

载人飞行给社区带来的主要问题之一就是噪声。在机场周围建造新的垂直起降场/垂直起降站或改变飞行模式是可以理解的，也是重要的问题。运营商必须评估为了享受到载人飞行带来的好处，社区可以接受什么样的噪声水平，无论是来自载人飞行运营还是与之相关的垂直起降场周边交通流量增加。每个社区都有一个独特的声音场景，因此在提供无人驾驶载人飞行服务的同时不会带来明显的声音影响十分重要。这需要在飞机设计、着陆点和路线规划之间进行规划和密切协调，并动态调度每次飞行。基础设施选址和载人飞行运营模式规划将依靠实际声音监测，并确保飞行模式能够在不超过终点和飞行航线的目标噪声水平的情况下完成。通过实时测量生理音量和扰人时段，动态操作规划可制定相应的社区噪声标准。凭借动态噪声测量和操作规划，运营商可以在距离相等的前提下将交通量引导到噪声较高的备用起降场(最近的航班较少或背景噪声水平较高) 而不是较安静的位置。

隐私

在美国，社区已对无人机带来的隐私问题采取行动。迫于民众压力，各州的立法机构颁布了新的法律。由于无人驾驶飞行器大部分时间都处在高空，涉及隐私问题的主要是垂直起降的过程。运营商需要动态、精确地将每个航班路线规划在较不敏感的区域，确保离私人领地之上始终留有适当的距离。在美国，在飞越人口密集地区时，固定翼飞机的飞行高度为最高的障碍物上方1000ft到2000ft之间。在人口较少的地区，高度限制为500ft。