飞行汽车如何开启低空智能交通时代——从交通技术谈起

文/曲小波 王凯 李奥勇

清华大学车辆与运载学院教授、欧洲科学院院士曲小波

相关数据显示，目前全球有55%的人口居住在城市地区，到2050 年这一比例预计达到70%。城镇化的快速发展带动了社会经济的高速增长，但也引发了诸多城市社会问题，如交通拥堵、空气污染等。随着我国城市的快速发展，城市规模急剧扩张，居民的通勤时间不断延长。根据《2021 年中国主要城市通勤监测报告》，2020 年中国主要城市总体极端通勤比重为12%，超过千万人需忍受60 分钟以上的通勤时间，在北京市，这一比例更是高达26%。造成这一现象的原因在于现有交通系统仅停留在二维阶段，交通设施不能无限增长，难以从根本上解决城市的交通拥堵问题。

智能化、电动化技术的不断发展及成熟，将交通载具的发展扩展至空中，为推动低空智能交通、建立空地一体的立体交通系统提供了可能，能够有效分担地面交通需求，从根本上解决交通拥堵问题。低空智能交通系统主要包括城市空中交通、无人机物流等；与传统飞机相比，其载具的飞行高度主要在1 千米以下，可以根据城市地形及建筑物高度进行调整。从发展阶段看，低空智能交通系统需要经历无人机物流、有人驾驶飞行汽车、无人驾驶飞行汽车三个阶段。当前阶段，无人机物流已在多个国家完成测试，并在新冠肺炎疫情期间有过使用案例。飞行汽车作为低空智能交通系统的未来阶段，在车辆设计方面需要在平台构型、飞控驾驶和动力推进等技术上进行创新；在系统设计方面，需要解决飞行汽车间的高精度定位和通信问题。

相较于传统的地面交通系统，低空智能交通系统面向三维立体空间，其复杂性及不确定性更高。因此，需要在交通技术方面，提前在战略、战术和运作三个层面做好准备，解决低空智能交通系统中的航道设计、垂直起降停机坪选址、交通流量管理、路径规划、冲突规避、空中飞行隔离、起降控制、地面交通协同等问题。

战略层面的交通技术

航道设计（Corridor Design）

飞行汽车的城市空中航道设计是保证空中飞行安全、避免碰撞的关键战略层面设计。

城市空中航道设计的独特之处在哪里？城市空中航道设计类似于地面道路设计，但主要区别在于空中航道设计是在城市立体空间规划飞行汽车“道路”；同时，与传统民航空中航道设计相比，因城市低空环境复杂，飞行汽车交通量大，通行能力极易受天气影响等特点，城市空中航道设计需具有更好的鲁棒性和灵活性。

城市空中航道应该如何设计？城市空中航道设计需先构建节点，节点间的连接即为航道。节点的构建是便于对航道通行进行流量控制，类似于地面道路交叉口信号灯的作用，以及时应对空中交通拥堵、天气状况变化、突发事件等。航道的构建应避免穿过人口密集区域的上空，在降低安全隐患的同时，也降低噪声污染。单个航道包含多层航路，一层航路单一方向飞行。地面道路以左右划分行驶方向，而空中航道以上下划分飞行方向。城市空中航道设计是网络设计模型，该模型在满足上述约束的同时，需优化飞行成本，需最大化航道网络应对各种状况的鲁棒性。

垂直起降停机坪选址（Vertiport Deployment）

飞行汽车初期应用阶段需利用垂直起降停机坪进行起飞和降落。

垂直起降停机坪的选址是基于飞行汽车的城市空中交通系统的关键性战略决策，也是城市空中交通系统的基石。然而，飞行汽车垂直起降停机坪的选址问题远比其他交通系统的基础设施选址问题复杂，主要原因在于城市空中交通系统的运营运作将充满大量的动态性、不确定性以及随机性，如飞行汽车性能的动态性、空中通行能力的不确定性以及出行需求的随机性。因此，在战略层面进行垂直起降停机坪选址优化时，需充分考虑选址决策与城市空中交通系统运作方式、通行能力以及出行需求之间的相关性，构建整合优化模型。在整合优化模型中，选址问题为核心决策，但同时需要运营运作模型以及出行需求模型为选址决策提供反馈，以引导整合优化模型构建高效的、便捷的飞行汽车垂直起降停机坪网络。

战术层面的交通技术

交通流量管理（Traffic Flow Management）

交通流量控制是保证空中交通系统正常运作的核心战术层面技术。

传统地面交通的流量管理技术主要依靠交通信号灯，属于分散式管理；城市空中交通的流量管理技术将类似于传统民航的流量管理技术，属于集中式管理，以确保系统的安全性。然而，传统民航的巡航高度多为对流层顶部或平流层底部，因此较少受到各种天气状况的影响（除起飞和降落阶段）；但城市空中交通主要在低空中进行，航道通行能力极易受各种天气状况影响，如降雨、降雪、大风等，因此城市空中交通的流量管理不确定性极大。

除此之外，城市空中交通流量大，航道结构复杂，进一步增加了流量管理的难度。城市空中交通流量管理将借鉴传统民航流量管理的主要技术手段，如地面等待策略、加减速策略等，还可采用航道中航路通行方向变换策略来调整航道通行能力（如潮汐车道的作用），但更为重要的技术研发在于——城市空中交通流量管理需充分考虑不确定性以及大规模流量管控。

路径规划（Trajectory Planning）

路径规划技术是为飞行汽车从城市任意一个起飞点到任意一个降落点规划空中飞行路径，属于飞行汽车的飞行导引技术。

与传统地面交通在平面上的路径规划不同，城市空中交通是在立体空间进行路径规划；与传统民航交通不同，由于城市低空航道结构复杂，城市空中交通的路径规划也更加复杂。

具体来说，城市空中交通的路径规划选择所经过的空中航道，需考虑节点上的航道变换，以及航道中航路通行方向的限制。然而，由于在复杂立体空间进行，城市空中交通的路径规划往往很难实时地、高效地规划最优路径。因此，城市空中交通的路径规划技术需采用线上线下结合的策略，即线下生成多条备选路径，线上根据航道通行能力及拥堵状况实时选取最优路径。除此之外，在线下为多个起飞点和降落点组合生成备选路径时，需避免备选路径高频率使用某个航道，以避免拥堵。

运作层面的交通技术

冲突规避（Conflict Resolution）

冲突规避技术是飞行汽车在穿过航道连接节点进行航道变道过程中避免冲突的技术，也是保障飞行汽车节点安全的核心技术。

传统地面交通的冲突主要发生在道路交叉口，主要通过制定交通规则及信号灯进行管控；传统民航通过空中交通警戒与防撞系统监测周围航空器，辅佐飞行员避免空中交通冲突。相较于传统地面交通以停靠为主的冲突规避手段，城市空中交通大量悬停会带来极大的安全隐患；相较于传统民航密度较低的交通流，城市空中交通对冲突规避技术要求更加严苛。因此，为规避飞行汽车冲突，可充分发挥飞行汽车智能化的优势，通过飞行汽车的传感器以及先进的通信技术，根据不同飞行汽车的状态，提前预判飞行汽车冲突的可能性；基于此，通过速度控制算法，提高或者降低不同飞行器的速度，改变飞行器通过航道连接节点的时间。同时，对飞行汽车航向进行适度调整，控制其高度，以减少飞行汽车在节点的冲突。

空中飞行分隔（Separation in Flight）

空中飞行分隔是保证飞行汽车在飞行过程中的安全距离。

传统地面交通分隔主要通过固定的车辆前后安全距离实现，而飞行汽车需要考虑立体空间的安全距离。与此同时，出于飞行制动性比地面行驶制动性差的考量，飞行汽车的空中飞行分隔需要更加严格地执行。与传统民航相比，由于城市低空飞行空间较小且交通量大，飞行分隔需更加精准。在城市空中交通发展的初期，交通量较小的阶段，可采用静态分隔策略，即以每个飞行汽车为中心，设置球体的分隔空间。

立体交通系统示意图

随着飞行汽车软硬件技术不断成熟，以及城市空中交通量逐渐增大，可采用动态分隔策略，提升城市低空飞行空间的利用率。具体可针对不同飞行汽车的机动性、制动性、大小、当下速度，以及周围飞行汽车的状态，动态生成分隔策略，以引导飞行汽车进行适当减速或调整飞行高度。

起降控制（Arrival and Departure Control）

飞行汽车起飞降落控制技术是保证飞行汽车顺利进入飞行状态和结束飞行状态的技术。如同传统民航飞机，飞行汽车也需要场地进行起飞和降落，尤其是在飞行汽车初期应用阶段，需借用垂直起降停机坪进行起飞和降落。传统民航中，事故多发于起飞和降落阶段，因此城市空中交通系统也需尤为注重起飞和降落技术。

在垂直起降停机坪基础设施资源有限的情况下，关键起降控制决策是针对多个飞行汽车的起飞和降落任务进行排队，出于安全性考量，降落的优先级应高于起飞的优先级。起飞的等待限制较少，而降落的等待主要通过立体空间飞行汽车的悬停实现，大量飞行汽车在局部空间的悬停会引发重大安全隐患，因此应尽量避免空中悬停等待。除提高降落任务的优先级外，还可通过对在途中即将降落的飞行汽车进行加速或减速控制，以避免在垂直起降停机坪上空的悬停等待降落。

地面交通协同（Ground Transportation Coordination）

在飞行汽车成熟应用阶段，尤其是在其机动性大大增强的情况下，可直接借用地面道路进行起飞和降落，以实现地面行驶和空中飞行的无缝衔接。

在这种应用场景下，飞行汽车的起飞和降落会对地面交通产生影响，需要地面交通的协同。在起飞阶段，需对后方车辆进行警示，保持较长安全距离，以避免干扰飞行汽车的起飞。在降落阶段，也需在预定降落地点分隔出在降落时间段内无车流的路段，以保证飞行汽车的安全降落。在飞行汽车起飞和降落阶段，对地面交通流的控制可由地面信号灯完成，需要飞行汽车与地面交通信号灯进行实时信息交互。