优化城市交通：一种针对城市空中出行站点选择和航线运营的优化框架，适用于现实世界的出行需求

《TRANSPORTATION RESEARCH PART E-LOGISTICS AND TRANSPORTATION REVIEW》：Optimizing urban transport: an optimization framework for urban air mobility site selection and route operation under real-world travel demand

本研究针对城市空中交通（UAM）中vertiport选址与运输网络优化问题，提出基于交通大数据的系统化解决方案。通过k-means++聚类算法生成候选选址，构建混合整数非线性规划模型以最小化运营商与用户总成本，并考虑服务渗透率和最后一公里成本。以粤港澳大湾区高速公路数据为例，结合灵敏度分析，验证模型在平衡多方利益和实际应用中的有效性。

　　

范哲燕|裴明阳|陈鹏飞|魏卓妍|钟玲书

华南理工大学土木与交通工程学院，中国广东省广州市

摘要

随着城市地区通勤和物流运输距离的增加，运输效率受到限制，因此需要开发创新的出行解决方案。利用电动垂直起降飞机（eVTOL）的城市空中交通（UAM）系统可以通过利用未充分利用的低空空域来缓解拥堵。然而，实现这一愿景需要适当的基础设施设计和航线运营规划。本文重点讨论基于交通大数据的UAM垂直起降机场选址和运输网络运营的优化。使用k-means++聚类算法生成潜在的垂直起降机场位置。构建了一个混合整数非线性规划（MINLP）模型，以选址和eVTOL调度作为主要决策变量，目标是在最大程度上降低运营商和用户的成本。该模型在一定的服务渗透率下确定最佳的eVTOL机场位置和航线运营方案。本文以粤港澳大湾区的高速公路交通数据为例，敏感性分析提供了对关键航空参数和服务考虑的见解。这项研究为开发合适的UAM网络提供了一个新颖的数据驱动优化框架，以促进城市空中交通的采用。

引言

目前，中距离城市出行主要依赖于公路运输和铁路运输。前者受到速度和道路基础设施的限制，这限制了其出行效率。后者有效地解决了这个问题，但地铁或高速列车的运行不可避免地受到地理因素的限制（Broere, 2016）。城市低空空域是一个未得到充分利用但极具潜力的领域，可以作为传统地面交通的补充方式。

NASA将城市空中交通（UAM）定义为“在大都市区域内使用有人驾驶和无人驾驶飞机系统的安全高效空中运输操作”（Thipphavong等人，2018）。UAM结合了高效出行和较低建设成本的优势。电动垂直起降飞机（eVTOL）在点对点旅行过程中几乎可以实现直线路径，绕过拥堵的地面交通，从而显著提高运输效率。此外，不需要高昂的航线基础设施建设成本。

然而，目前行业内的工作更多集中在eVTOL飞机的设计上。在UAM运营的早期阶段，关于垂直起降机场布局和运输路线运营的研究相对较少（Pons-Prats等人，2022）。因此，几个关键问题仍未解决，阻碍了UAM的实际部署。

首先，考虑到在早期阶段垂直起降机场和eVTOL的数量有限，不合理的调度策略将直接延长用户的等待时间。这样的运营服务水平会削弱人们采用UAM的意愿。大多数相关研究仅关注垂直起降机场的位置分布，而忽略了站点间调度的组合优化，这是不现实的。

其次，从经济和专业的角度来看，UAM并不期望提供端到端的运输服务（Hasan, 2019）。运输过程如图1所示。垂直起降机场的布局对用户旅程的第一段和第三段的成本有深远影响。“最后一公里”是用户关心的成本。同时，UAM运营商追求最小化网络建设和运营成本。当前的研究缺乏对双方利益的平衡，导致实际实施规划方案时接受度和认可度较低。

第三，现有研究很少将基于真实世界数据的实验结果与政策相结合，以探索UAM系统规划的实际和可行影响。

本文旨在填补UAM规划领域中尚未解决的空白。本文使用k-means++聚类算法获得潜在的垂直起降机场位置（候选集），以避免后续选址的随机和不均匀分布。然后，建立了UAM系统的布局和运营的数学模型，以实现最低的运营商和用户成本。最后，根据真实世界的交通需求统计数据生成垂直起降机场位置和航线运营方案。图2展示了工作流程。基于相关的实践经验和实际情况，进行了敏感性分析和讨论，以提供解决方案选择意见和持续优化的视角。本文的主要贡献总结如下：

1)

本研究提出了UAM的系统性建设方案。决策包括垂直起降机场选址、运营路线和eVTOL调度的综合策略。考虑选址和调度的综合效应，为问题提供了相对较大的解决方案空间。本研究将线性化方法应用于MINLP模型进行数学修改，并验证了这种方法的性能优势。

2)

本研究从UAM系统中的多个参与者（即用户和运营商）的角度出发，以运营商和用户的总成本最低为目标进行优化，以缓解双方之间的利益冲突。此外，还考虑了用户旅程中不可避免的“最后一公里”问题。该模型可以促进双方之间的有效利益平衡。

3)

本研究基于真实世界旅行数据集的案例研究，结合当前政策和现有研究，讨论并提供了早期UAM系统设计的见解和策略。

本文的其余部分安排如下：第2节介绍文献综述。第3节展示方法和数学模型。第4节介绍案例研究并分析数值结果。第5节讨论存在的问题和需要解决的问题。第6节总结本文。

部分摘录

位置-路线问题

运输系统规划实际上是一个位置-路线问题（LRP）。LRP引发了两个子问题：枢纽位置和车辆路线。它已被证明是一个NP难的组合优化问题（Wandelt等人，2025）。在大多数经典的LRP研究中，最小化总运输成本是主要目标函数。运输成本（即枢纽转移成本和路线成本）根据交通流量和旅行距离而变化（Kartal等人，2017）。物流研究

方法论

本节将介绍解决UAM系统中垂直起降机场选址和路线运营设计的建模方法，旨在最小化相关参与者的成本，即用户的旅行成本和运营商的运营成本。

实际问题描述

粤港澳大湾区（不包括香港和澳门）的高速公路每天有巨大的客流量（图4），其中发生了大量的中长距离城际旅行（Wang等人，2023）。因此，本文以粤港澳大湾区的高速公路作为案例场景，以收费站作为旅行需求聚集点。在这些收费站之间规划垂直起降机场的布局和路线运营调度。

讨论

从上述案例研究中，结合UAM建设的实际情况提出了一些观点。

应该解释的是，选择高速公路收费站作为UAM系统规划案例分析的基本数据是合理的。在构建UAM系统的初期阶段，基础设施密度相对较低，同时考虑到充足的可用土地面积，并充分发挥eVTOL的运输优势。此外，从某些

结论

本研究讨论了如何为UAM系统设计合适的垂直起降机场布局和相应的路线运营策略。所提出的模型考虑了运营商和用户的成本，以及服务渗透率等因素。这种设置使我们能够从双方都有利益冲突的角度确定最佳的垂直起降机场位置，并协调在这些位置上最有利可图的路线运营组合

CRediT作者贡献声明

范哲燕：写作——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，资源，方法论，调查，形式分析。裴明阳：写作——审阅与编辑，验证，监督，方法论，资金获取，概念化。陈鹏飞：写作——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，形式分析。魏卓妍：写作——审阅与编辑，形式分析。钟玲书：写作——审阅与编辑，验证，监督，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（52502412）、广东省自然科学基金（2025A1515012958, 2024A1515240072, 2025A1515060010）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515010617, 2025A1515010544）、广州市基础与应用基础研究基金（2025A04J4677）、广东省哲学与社会科学规划项目（GD25YGG19）以及基础研究基金的支持。