来源:Sustainability 发布时间:2021/11/16 15:23:13
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城市空中出行为旅行节省时间的潜力:对慕尼黑,巴黎和旧金山实例的探索性分析 | MDPI Sustainability

论文标题:Potential Urban Air Mobility Travel Time Savings: An Exploratory Analysis of Munich, Paris, and San Francisco (潜在的城市空中机动出行时间节约:慕尼黑、巴黎和旧金山的探索性分析)

期刊:Sustainability

作者:Raoul Rothfeld, Mengying Fu, Miloš Bala? and Constantinos Antoniou

发表时间:19 February 2021

DOI:10.3390/su13042217

微信链接:

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1MzEzNjgxMQ==&mid=2650016119&idx=3&sn=

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期刊链接:

https://www.mdpi.com/journal/sustainability

随着技术的进步和革新,空中客运数量激增,城市空中交通 (Urban Air Mobility, UAM) 开始展现出其优势。随着电气化和分步推进的技术问世,垂直起降 (eVTOL) 的新型交通工具象征着未来的发展方向,或将进一步促进城市空中交通 (UAM) 的传播和使用。

苏黎世联邦理工学院的Miloš Bala´博士和慕尼黑工业大学的Constantinos Antoniou教授 在Sustainability 上发表的文章“Potential Urban Air Mobility Travel Time Savings: An Exploratory Analysis of Munich, Paris, and San Francisco”探讨了各种城市空中交通方式实施可能带来的潜在旅行时间节省。这项研究的主要目的解决以下三个关键问题:

1. 何种机动出行份额可以实现出行时间的节省?

2. 地面拥堵对UAM的旅行时间有多大影响?

3. 在哪些行程距离内UAM可以节省旅行时间?

仿真框架和场景准备

这项研究利用了多主体运输仿真框架,MATSim [1]。MATSim本身是一个基于代理的运输模拟框架,可对运输网络上的个人和车辆的复杂交互进行建模。而评估UAM时,我们需要对MATSim进行一定创新,本文使用了首先由Rothfeld等人提出的UAM扩展的更新版本[2,3]。本文的研究领域来自以下三种场景方案:慕尼黑大都市区(MUC)、法兰西岛 (PAR) 和旧金山湾区 (SFO),每个方案包含该研究区域的综合人口,人员流动以及运输供应的所有信息,如表1所示。

表1为三种场景方案。

根据前文提到的三种场景方案,利用MATSim模型就站点位置,飞行路线进行可视化分析,还进一步应用了由Moeckel和Donnelly开发的基于人口的增量分割方法,为这三个研究区域创建了栅格化图层[4]。

关于站点位置,本文修改并应用了Arellano[5]的方案,在迭代中使用了位置分配算法,其中所需的站点数量不断增加,最终定义为4、8、24、76和130。作为潜在的站点位置,该算法得出了预定义的站数,综合考虑下,组合了均匀间隔的网格点 (见[6]) 和本地专家手动设置的潜在位置 (参见[3,6])。

关于飞行路线,本文的UAM研究在分析中都假设使用欧几里得距离,即直线飞行距离。Vascik和Hansman[7,8]研究了美国加利福尼亚州洛杉矶市可能的UAM飞行限制,确定了UAM操作可能必须遵守的飞越规则。为此,本研究合并了来自OpenStreetMap的道路和铁路基础设施数据,从高容量到低容量分为三类:(1) 区域高速铁路、高速公路和主要道路;(2) 二级和三级公路;(3) 所有剩余的公路和铁路基础设施。然后,将组合数据层用作为网络,根据不同情况在站点位置与总站点数目之间进行自动路径查找,如下图所示的具有24个车站位置的慕尼黑大都市区。

结果讨论

首先,对于出行时间节省率以及UAM份额的分析,以下等式(1)用于比较UAM旅行和传统地面电动旅行之间的时间差异:

rtts=1−tuam/tgb (1)

其中旅行时间节省 (rtts) 比率是传统地面电动旅行时间 (tgb) 与该旅行利用UAM时的潜在旅行时间 (tuam) 之间的相对差,该旅行时间包括进站、出站、飞行和处理时间。假设使用UAM出行至少节省了一些旅行时间 (即rtts>0的情况下),MUC、PAR和SFO的UAM份额分别为3%、13%和7%。

其次,飞行路线和地面拥挤的影响。预计平均旅行速度会由于飞行距离的延长而降低,总体而言,平均速度降低了5% (MUC)、4% (PAR) 和7% (SFO)。但是,这种降低会随不同的行程距离而变化,首先随着更长的欧几里得行程距离成比例地增加,大约35km后才开始减小,超过100公里时又会增加。在基本情况下,UAM可以节省3-13%的机动出行时间。因需要进出UAM站,地面拥堵确实会影响UAM的出行时间,与汽车相比,UAM的出行时间受到的影响要小51%至82%。

结论及未来研究方向

根据本文的模拟研究,城市空中交通是传统交通运输的一种有效补充,有望提供一种新颖,省时的交通方式,可为紧急或旅行的客运服务提供有价值的替代方案。但是,除非能够在未来建立大量UAM站点,由于延长的出入站行程,大多数出行都不符合UAM的条件。因此,站点的数量和分布是实现广泛的UAM服务覆盖的关键。

这项研究主要分析了旅行时间问题,而不包含价格的考量。由于UAM站的选择对其覆盖范围和旅行份额具有如此重要的影响,在Chakour和Eluru [9]的观点中,这是一个值得进一步分析的话题,他们的方法专门解决了旅客对出发车站的决定中不同顺序的问题,无论是访问模式还是站点的优先级。此外,所需的UAM基础设施吞吐量,潜在的乘客集合,公众认可以及UAM运行的可持续性也值得进一步研究。

参考文献

1. Horni, A.; Nagel, K.; Axhausen, K.W. (Eds.) The Multi-Agent Transport Simulation MATSim; Ubiquity Press: London, UK, 2016.

2. Rothfeld, R.; Bala?, M.; Plötner, K.; Antoniou, C. Initial Analysis of Urban Air Mobility’s Transport Performance in Sioux Falls. In Proceedings of the 2018 Aviation Technology, Integration, and Operations Conference, Atlanta, GA, USA, 2018. 1–13.

3. Rothfeld, R.; Bala?, M.; Militão, A. MATSim-UAM. Available online: https://github.com/BauhausLuftfahrt/MATSim-UAM (accessed on 19 February 2021).

4. Moeckel, R.; Donnelly, R. Gradual Rasterization: Redefining Spatial Resolution in Transport Modelling. Environ. Plan. B Plan. Des. 2015, 42, 888–903.

5. Arellano, S. A Data- and Demand-Based Approach at Identifying Accessible Locations for Urban Air Mobility Stations. Master’s Thesis, Technical University of Munich, Munich, Germany, 2020.

6. Plötner, K.; Rothfeld, R.; Shamiyeh, M.; Kabel, S.; Frank, F.; Straubinger, A.; Llorca, C.; Fu, M.; Moreno, A.; Pukhova, A.; et al. Long-term Application Potential of Urban Air Mobility Complementing Public Transport: An Upper Bavaria Example. CEAS Aeronaut. J. Off. J. Counc. Eur. Aerosp. Soc. 2020.

7. Vascik, P.D.; Hansman, R.J. Scaling Constraints for Urban Air Mobility Operations: Air Traffic Control, Ground Infrastructure, and Noise. In 2018 Aviation Technology, Integration, and Operations Conference; MIT International Center for Air Transportation (ICAT), Department of Aeronautics & Astronautics, Massachusetts Institute of Technology, American Institute of Aeronautics and Astronautics: Reston, VA, USA, 2018.

8. Vascik, P.D.; Hansman, R.J. Evaluation of Key Operational Constraints Affecting On-Demand Mobility for Aviation in the Los Angeles Basin: Ground Infrastructure, Air Traffic Control and Noise. In Proceedings of the 17th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations Conference, Denver, CO, USA, 2017; American Institute of Aeronautics and Astronautics: Reston, VA, USA, 2017.

9. Chakour, V.; Eluru, N. Analyzing commuter train user behavior: A decision framework for access mode and station choice. Transportation 2014, 41, 211–228

期刊简介

Sustainability 期刊介绍

主编:Marc A. Rosen, University of Ontario Institute of Technology, Canada

主要涉及环境、经济、社会、工程科学等领域的可持续性研究。

 
 
 
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