面向动态地理环境的城市空中交通运行规则设计研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 屈文秋 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 廖小罕 |
| 关键词 | 城市空中交通 需求预测 运行规则设计 eVTOL 安全舱 垂直起降机场 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地理学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 低空经济是发展新业态和培育新动能的战略性新兴产业。低空运行无人机规 范管理是低空经济的重要基础。分布式电力推进、远程驾驶以及飞行控制等技术 成功应用于 eVTOL 航空器（electric vertical take-off and landing, eVTOL），促使 城市空中交通（Urban Air Mobility, UAM）再次出现在大众视野，成为新兴热词。 UAM 被认为是有望解决城市交通拥堵问题的新型交通方式，但 eVTOL 航空器 机型、气动布局差距大，UAM 具备大流量、高密度的流量特性，加之低空空域 内地理环境复杂，如何保障 UAM 的运行安全成为将 UAM 引入城市交通系统所 必须考虑的问题。 针对保障 UAM 在低空空域内运行安全问题，论文以城市空中交通（Urban Air Mobility, UAM）安全管理亟需的 UAM 运行规则设计作为研究主题，提出设 计并评估充分考虑 UAM 流量特性，载运具机型、气动布局差距大以及低空地理 信息环境 UAM 运行规则。主要工作如下： （1）提出一种嵌套 NL（Nested Logit）模型与 MNL（Multinomial logit）模 型的 UAM 需求预测模型。此模型通过 NL 模型建立交通方式间树状的约束关系， 降低了 IIA（Independence of Irrelevant Alternative）特性对预测结果精度的影响。 同时，通过嵌套 NL 模型与 MNL 模型，解决 UAM 因尚未实现运营而产生的数 据难以收集的问题。此外，文章对 UAM 优势运输距离、早期优势运营模式以及 影响UAM分担率的因素进行分析。得出的主要结论如下：①在城市交通系统中， UAM 分担率极大的受共享程度的影响，与人口增长率关系不大，这表明 UAM 采用共享运营模式更具优势。②UAM 在中长距离的出行更有优势（大于 15km）， 主要与小汽车形成竞争关系。③UAM 分担率随出行距离的增加而增大。 （2）基于 UAM 和 eVTOL 航空器的特性，从 eVTOL 航空器、UAM 公共航 路、UAM 关键管控区域三个尺度出发，提出了能互相耦合的 UAM 的交通规则。 对于 eVTOL 航空器，针对 eVTOL 航空器机型、气动布局差距大的问题，提出 eVTOL 航空器安全舱的概念与建模方法，将其建模成统一的长方体以降低 UAM 进行流量控制时的计算量。对于 UAM 公共航路，本文提出了 UAM 汇入与离开 航路的交通规则、UAM 避撞规则以及 UAM 交叉口转弯规则。对于 UAM 关键 管控区域，本文设计了 UAM 高度转换走廊、三种立体交叉口以及垂直起降机场 规则。这三个尺度的交通规则互相耦合，eVTOL 航空器建模规则是航路规则和 重点区域规则的微观体现，航路规则是重点区域规则的微观组成。最后，利用将 虚拟仿真与真机仿真相结合，验证这些交通规则的可用性。 （3）UAM 垂直起降机场地面布局设计与终端区运行规则设计与评估。针对垂直起降机场的调度顺序问题，设计 UAM 垂直起降机场地面运行环境，兼顾 UAM 管控系统、eVTOL 载运运营商、垂直起降机场以及民众等各方需求，提出 最小化总飞行时间和最小化最大飞行时间的多目标调度模型，并在调度策略中引 入 eVTOL 优先级。提出中心控制式、双定位点结构以及双层进离场航线结构三 种 UAM 终端区运行规则，对提出的基于现实的多类型 eVTOL 混合运行调度策 略（Realistic multi-type eVTOLhybrid operation scheduling strategy, RMHO）调度 策略运行规则进行仿真。结果表明，提出的 RMHO 调度策略相比于传统的先到 先得（First come first serve, FCFS）调度策略容量边界和运行效率有更好的表现， 更适用于高密度、大流量的终端区的运行。三种运行规则中，在 eVTOL 航空器 数量较少时，UAM 终端区系统总成本差距不大，eVTOL 航空器比较多时，双定 位点结构运行规则更适用于高密度、大流量的终端区的运行。 （4）综合考虑 UAM 的空间特性、eVTOL 航空器具备垂直起降能力以及 UAM 交通流特性，仿照地面环形交叉口与十字交叉口，提出三种适用于 UAM 的交叉口结构，分别为：环形立体交叉口、时间分离立体交叉口、空间分离立体 交叉口。对三种立体交叉口的公共航路车道资源配置与交通流分布建立约束集， 针对时间分离立体交叉口，建立交通流冲突点识别与信号配时约束集，为交叉口 规则优劣性评估的数值仿真模拟的提供基础。 （5）提出一种 UAM 高度转换走廊，建立分别用于高度转换走廊部分的水 平巡航公共航路、过渡公共航路部分以及环形公共航路的三种微观交通流量模型， 为分析高度转换走廊的吞吐量、速度、容量等特性提供基础。在高度转换走廊水 平巡航公共航路部分，基于出入量法对路段交通流、速度以及密度进行模型构建。 在水平巡航公共航路与环形公共航路间的过渡公共航路部分，基于流体模拟理论 对横截面发生变化的路段建立交通流、速度以及密度的关系模型，为讨论探究高 度转换走廊可能出现拥堵点的位置提供基础。对于环形公共航路，重点对 eVTOL 航空器如何汇入环形公共航路环形公共航路进行了建模。 |
| 学科主题 | 地理学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 166 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209376]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 屈文秋. 面向动态地理环境的城市空中交通运行规则设计研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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