《Journal of Air Transport Management》：Transit oriented development under the influence of urban air mobility: A public transit-based vertiport siting method
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本研究提出基于公共交通站点的电动垂直起降飞行器（eVTOL） vertiport 选址优化方法，通过人口密度加权实现资源高效配置。案例显示该方法使深圳宝安区的交通成本降低12.6%，核心区覆盖率提升20%，并构建了三维城市空间规划模型，整合TOD理念与UAM系统。
刘仁伟|夏海山|李璐|李琦|刘思童
北京交通大学交通与运输学院，中国北京100044
摘要
电动垂直起降（eVTOL）技术的出现使得城市空中交通（UAM）能够在城市范围内大规模实施。本研究提出了一种基于公共交通站点的垂直起降机场选址优化方法，以更好地利用现有城市资源来发展UAM。该方法还最大限度地发挥了UAM的灵活性和效率与传统交通系统的高容量特性，以满足未来兼具分散化和城市聚集特征的城市交通需求。所提出的方法在考虑人口密度作为权重因素的同时，最小化了公共交通站点与垂直起降机场位置之间的旅行成本。通过以深圳市宝安区为例进行研究，结果表明，基于人口密度的优化方法可将基于距离的旅行成本降低12.6%，并使核心功能区域的覆盖范围提高约20%，从而显著提升空间服务效率。本研究与传统以基础设施为导向的选址方法不同，它强调了公共交通系统在构建UAM网络中的基础性作用。它引入了一种三维城市规划概念，将交通导向发展（TOD）与UAM相结合，为重塑未来城市的空间结构和提高空间效率提供了新的途径。
引言
城市空中交通（UAM）因其运营优势和新应用而引起了全球关注。随着城市化的持续进行，人口快速增长进一步加剧了交通拥堵问题，给城市居民和政府带来了严峻挑战。此外，山脉和海洋等地理障碍也使得城市扩张变得更加复杂。UAM在城市的低空域运行，通过将城市交通方式转变为三维系统，解决了二维地面交通网络的局限性。新能源和人工智能技术的快速发展加速了电动垂直起降（eVTOL）飞机在城市地区的部署。市场预测显示，到2030年，仅美国的UAM客运服务市场就可能达到28.4亿美元（Goyal等人，2018年）。Uber、波音和空客等大型航空公司以及学术机构都在积极探索UAM的应用。例如，Xpeng推出了一种能够搭载个人飞行设备的民用电动汽车（China Economic Net）。本研究通过提出一种整合基础设施的垂直起降机场选址策略，解决了城市发展中的空间和时间限制问题。
UAM的实施需要支持性的基础设施来支持起降操作。美国联邦航空管理局（FAA）将垂直起降机场定义为UAM航班的起降指定地点（Fontaine，2023年）。现有城市基础设施系统的空间布局构成了UAM运营的支柱，因此垂直起降机场的位置对于建立全面的UAM网络至关重要（Brunelli等人，2023年；Bulusu等人，2021年；Garrow等人，2021年；He等人，2025年；Rahman等人，2023年；Ribeiro等人，2023年），并确保这些设施能够满足用户需求并支持eVTOL的运行。垂直起降机场的容量和选址是影响UAM发展成功的关键因素（Brunelli等人，2023年；赵阳和冯，2024年）。
UAM客运服务受到天气等自然条件的显著影响（Reiche等人，2021年），因此必须与其他交通方式无缝整合。建立多模式交通系统对于确保可靠性和可及性至关重要（Brunelli等人，2023年；Garrow等人，2021年）。在城市环境中，尤其是铁路和公交系统，提供了广泛的覆盖范围并能够承载大量乘客。为了实现有效的多模式连接，UAM系统应与现有的交通网络（特别是公共交通）有效整合（Straubinger等人，2020年）。赵阳和冯（2024年）强调，垂直起降机场应战略性地位于需求中心或多模式换乘节点附近，以确保UAM与地面交通之间的高效连接。利用现有的城市资源和基础设施来建设垂直起降机场有助于缓解UAM部署初期的高资本成本（Ribeiro等人，2023年）。
然而，当前的研究很少关注根据公共交通设施的空间分布来识别潜在的垂直起降机场选址。大多数研究是根据优化目标来确定垂直起降机场的数量和位置。例如，吴和张（2021年）开发了一个基于地理信息系统（GIS）的UAM设计模型，该模型结合了土地使用限制和UAM运营要求来识别潜在的垂直起降机场位置。其他研究要么选择了现有的直升机机场（Ribeiro等人，2023年），要么应用K均值聚类来识别潜在地点（Bulusu等人，2021年；赵阳和冯，2024年）。这些方法很少考虑垂直起降机场与公共交通基础设施的整合，忽略了将UAM与现有城市交通网络相结合的潜力。
因此，本研究探讨了利用现有公共交通基础设施作为垂直起降机场选址候选地点的潜力和可行性。在空间分析中，一种常见的方法是根据交通分析区域内的活动中心预先定义候选设施位置。然而，这些中心不一定与公共交通系统有良好的连接。相反，本研究考虑了公交车站周围的区域作为候选地点，因为它们更能反映居民对可及性的需求，并且是交通导向发展（TOD）规划的核心。我们开发了一个多目标优化模型，该模型在目标函数中纳入了周围地区的人口密度作为权重因素，以最小化从公交车站到垂直起降机场的旅行成本。随后，我们比较了基本优化方案和加权优化方案在旅行成本和服务覆盖范围方面的表现。
此外，本研究以深圳市宝安区为例，该区于2023年被批准建立中国首个“低空经济综合示范区”，是无人机应用发展的关键地区。宝安区位于珠江附近，对于支持跨江的eVTOL城际连接具有战略重要性。
本文的其余部分组织如下：第2节回顾了有关UAM网络设计及其与公共基础设施整合的相关文献。第3节详细介绍了数据和方法，包括基本和改进的多目标优化模型。第4节展示了模型结果和服务覆盖范围分析。第5节讨论了政策影响和规划见解，以及将TOD概念与现有UAM系统整合的实施挑战。最后，第6节总结了本文。
研究区域
2023年，深圳市正式获得批准建立中国首个“低空经济综合示范区”，得到了中国民用航空管理局的明确支持。该市被授权试点与低空物流和UAM相关的举措。深圳城市交通规划与设计中心计划建设世界上第一个连接低空空域、地面交通的综合性三维交通网络
垂直起降机场数量与平均网络距离之间的关系
所有垂直起降机场都能覆盖指定的需求点。图5显示了随着垂直起降机场数量增加，平均网络距离的趋势。
预测模型根据研究区域内最佳放置的顶点数量估计了平均网络距离。该模型的预测精度很高，R2值为0.997。常数项表示只有一个顶点时的平均网络距离。
政策影响和规划见解
与传统的基于几何的设施布局策略不同，所提出的基于人口密度的方法在一个统一的目标框架内整合了交通效率和空间公平性，为高密度城市中的UAM选址提供了可量化的基础。政策制定者应战略性地协调现有基础设施资源，以最大化满足旅行需求的同时
结论
本研究提出了一种选址垂直起降机场的优化方法，该方法整合了现有的城市公共交通基础设施，促进了UAM系统与传统交通网络的无缝整合。通过采用基于人口密度加权的优化模型，该方法在可及性方面显著优于传统策略，同时在空间资源分配和服务公平性方面表现出更高的效率。城市规划者和政策制定者可以
CRediT作者贡献声明
刘仁伟：撰写——原始草案、可视化、软件、方法论、调查、形式分析、概念化。夏海山：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论、资金获取、数据管理。李璐：撰写——审阅与编辑、方法论。李琦：撰写——审阅与编辑。刘思童：可视化。
资助
本工作得到了中国国家自然科学基金（资助编号：52578054）和中华人民共和国住房和城乡建设部（资助编号：2022-K-010）的支持。
利益冲突
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
