研究背景与目标
城市空中交通（UAM）作为一种新型的航空运输方式，旨在解决城市环境中的客货运输需求。随着城市化进程的加速，UAM被认为是未来城市交通的重要组成部分。然而，UAM的运营面临着空域利用率、飞行效率以及居民噪音影响等多重挑战。本研究旨在设计一个低空城市空域中的UAM航线网络，以最小化噪音影响并最大化UAM运行效率与安全性。
数据来源与描述
研究以新加坡城市空域为案例，利用多种开源数据设计UAM航线网络。主要数据包括：
- ALOS World 3D-30m (AW3D30)数据：用于建模新加坡城市空域的地形和障碍物。
- 新加坡居民人口数据：按规划区域划分，用于测量UAM网络对居民造成的噪音影响。
- 新加坡天空区域分类信息：包括机场、危险区域、禁飞区和保护区等，用于识别UAM操作的潜在危险区域。
研究方法
网络设计
- 网格状网络：将新加坡城市空域划分为基于网格的多层航线网络，每个高度层（150英尺、175英尺、200英尺、225英尺和250英尺）分别构建网络，以避免地形和危险空域的干扰。
- 节点和链路定义：将垂直起降机场和配送点的位置作为节点，节点之间的连接作为链路，形成多层航线网络。
链路成本定义
链路成本考虑了三个因素：
- 空域使用：包括水平链路、上升链路和下降链路的成本，其中上升链路受到更多惩罚。
- 噪音影响：基于声压级（SPL）测量无人机产生的噪音压力水平，并考虑无人机密度对噪音的影响。
- 飞行效率：基于链路长度和链路类型计算飞行效率成本。
最短路径多样性问题（KSPD）
为了为UAM交通流量提供替代出行方案，研究提出了一种具有多样性的最短路径问题（KSPD），通过最小化路径成本的可行路径来配对起点-终点（OD）对。KSPD问题通过贪婪算法近似求解，以在结果集中插入与其他所有最短路径足够不同的次短路径。
结果与讨论
路线网络拓扑特征
研究分析了不同高度层的路线网络拓扑特征，包括节点数、链路数、平均度、平均聚类系数和度相关性。结果表明，随着海拔的增加，网络节点和链路数量增加，节点连接性增强，网络具有择优性。
链路成本分析
研究分析了不同链路成本对UAM服务的影响。结果表明，水平链路和垂直链路的飞行效率成本存在显著差异，穿越危险空域的链路成本相对较低。
最短路径多样性分析
研究分析了不同加权参数组合对起点-终点对之间最短路径成本的影响。结果表明，不同参数设置对路径成本存在显著影响，需要根据实际情况选择合适的参数组合。
结论与展望
本研究提出了一种基于网格的多层航线网络设计方法，并通过KSPD问题为UAM交通流量提供替代出行方案。研究结果表明，该方法能够有效减少空域复杂性，并为UAM运营提供可行的路径选择。未来研究可以进一步考虑混合交通场景和完整的信息处理链，以实现更高效的UAM运营。
