DOI: https://doi.org/10.1186/s12544-024-00700-x
تاريخ النشر: 2025-01-13
المؤلف: Pierluigi Coppola وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحليل صناعة الطيران والاتجاهات
نظرة عامة
تناقش ورقة البحث المجال الناشئ لحركة الطيران الحضري (UAM) وإمكاناته لتحويل النقل الحضري من خلال إدخال الطائرات العمودية للإقلاع والهبوط (VTOL). مع تطوير مختلف الشركات المصنعة لتقنيات الطائرات المتقدمة، فإن دمج خدمات UAM مع أنظمة النقل الحالية يعتمد على الموقع الاستراتيجي للمطارات العمودية. تؤكد الدراسة على الاستدامة البيئية كعامل رئيسي في اعتماد UAM، خاصة في سياق اتجاهات الكهرباء في التنقل الحضري.
باستخدام نماذج اختيار وضعية المرافق العشوائية، تقدر الورقة تدفقات الركاب في UAM في منطقة ميلانو الحضرية عبر أنواع خدمات مختلفة، بما في ذلك خدمات النقل الجوي من وإلى المطارات، والاتصالات بين المدن، وخدمات سيارات الأجرة الجوية. تشير النتائج إلى أن خدمات النقل من وإلى المطارات أكثر جاذبية من سيارات الأجرة الجوية، مع حصص وضعية تبلغ 2-5% و1-3% على التوالي. تقل احتمالية اختيار خدمات UAM مع زيادة المسافة وأوقات الوصول إلى المطارات العمودية. تشمل قيود الدراسة التحيزات المحتملة في ردود المستخدمين بسبب منهجية الاستطلاع وقيود نماذج اختيار الوضعية، التي كانت تعتمد على مدى طيران أقصى يبلغ 75 كم. يتم اقتراح اتجاهات بحث مستقبلية، مثل استكشاف اختيار وضعية UAM في بيئات غامرة وتحليل تأثير الخصائص الفردية على اختيار الخدمة، بالإضافة إلى إعادة تقييم الافتراضات المتعلقة بمواقع المطارات العمودية وهياكل الأسعار.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الاهتمام المتزايد في حركة الطيران الحضري (UAM) كوسيلة تحويلية للنقل للسفر الحضري وبين المدن. بينما تمتلك خدمات السفر الجوي جذور تاريخية تعود إلى الخمسينيات، فإن التركيز الأخير على الطائرات العمودية الكهربائية للإقلاع والهبوط (eVTOL) يهدف إلى معالجة الازدحام الحضري وتعزيز خيارات النقل الصديقة للبيئة. حدد تحليل أولي أكثر من 90 نموذجًا أوليًا لـ eVTOL، مما يكشف أن الطائرات العمودية الأكبر (التي تحمل ثلاثة ركاب أو أكثر) لديها مدى طيران متوسط يبلغ 200 كم، بينما النماذج الأصغر (مقعدين) يبلغ متوسطها 90 كم. يُعتبر هذا المدى كافيًا للعمليات الحضرية، على الرغم من استمرار النقاشات حول الفوائد العامة لـ UAM.
تسلط الورقة الضوء على إطلاق خدمات UAM القادمة في مدن رئيسية مثل باريس وروما وميلانو، المقررة حول أحداث مهمة مثل الألعاب الأولمبية. ومع ذلك، لا تزال هناك عدم يقين بشأن قبول الجمهور والعوامل التي تؤثر على نوايا المستخدمين في اعتماد خدمات UAM. تهدف الدراسة إلى محاكاة سيناريوهات مختلفة لتقدير استيعاب المسافرين لخدمات UAM في منطقة ميلانو الحضرية ومنطقة لومباردي، مع التركيز على العوامل التي تؤثر على احتمالات الاختيار لعروض UAM المختلفة. تتضمن هيكل الورقة مراجعة أدبية، وإطار بيانات ونمذجة، ونتائج، ومناقشات، وملاحظات ختامية حول اتجاهات البحث المستقبلية.
الطرق
تستند منهجية هذه الدراسة إلى نموذج إمداد النقل متعدد الأوضاع الذي يقيم أوقات وتكاليف السفر لحركة الطيران الحضري (UAM)، مع تضمين مراحل الوصول والمغادرة إلى المطارات العمودية. يشمل النموذج 112,120 عقدة و319,728 رابطًا موجهًا، مع استمداد شبكة الطرق من بيانات OpenStreetMap، وتصنيف الروابط إلى خمسة أنواع: الطرق السريعة، والطرق الرئيسية، والطرق الثانوية، والطرق الثلاثية. بالإضافة إلى ذلك، تم بناء شبكة النقل العام باستخدام بيانات جغرافية مرجعية من مواصفات تغذية النقل العامة، والتي تشمل أوضاعًا مختلفة مثل السكك الحديدية، والمترو، والترام، والحافلات، وخدمات الحافلات الكهربائية.
يتم تعريف شبكة UAM بواسطة $N$ عقد (مطارات عمودية) و$N \cdot (N – 1)$ روابط موجهة (مسارات خدمات UAM)، حيث يتغير $N$ حسب السيناريو. يتم الحصول على مصفوفات الرحلات اليومية من نقطة الأصل إلى الوجهة من مجموعة بيانات مفتوحة في منطقة لومباردي، بينما يتم إبلاغ تقديرات السفر للوصول والمغادرة إلى مطارات ميلانو (لينات ومالبينسا) من خلال بيانات استطلاع سوق المطارات، التي توضح أحجام السفر اليومية وتوزيعها الجغرافي بناءً على غرض السفر. تهدف هذه المقاربة الشاملة إلى توفير إطار قوي لتوقع الطلب على UAM وتقييم تكاملها ضمن أنظمة النقل الحالية.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن خدمات حركة الطيران الحضري (UAM)، وخاصة خدمات النقل من وإلى المطارات، تظهر حصة وضعية أعلى مقارنة بأنواع الخدمات الأخرى، مثل الاتصالات الجوية بين المدن وسيارات الأجرة الجوية. على وجه التحديد، تتراوح الحصة الوضعية لخدمات النقل من وإلى المطارات من 0.6% في السيناريو 1 إلى 2.1% في السيناريو 4، بينما تبقى سيارات الأجرة الجوية أقل من 0.2% عبر جميع السيناريوهات. يكشف تحليل احتمالات اختيار UAM أن هذه الاحتمالات تنخفض مع زيادة مسافات الطيران وتتأثر بشكل كبير بأوقات الوصول/المغادرة (A/E) إلى المطارات العمودية. من الجدير بالذكر أن احتمالات اختيار UAM تكون أعلى عندما تكون نقاط الانطلاق و/أو الوجهات قريبة من المطارات العمودية، وتتناقص بسرعة عندما تتجاوز أوقات A/E 20 دقيقة.
تظهر المزيد من الفحوصات لمناطق جذب المطارات العمودية تباينًا في الحجم والشكل، يتأثر بالبنية التحتية للنقل والاتصالات المتاحة لـ UAM. على سبيل المثال، تكون مناطق الجذب أكبر في المناطق الريفية حيث تكون خدمات النقل المنافسة أقل كفاءة. تبرز الدراسة تباينًا بين مناطق الجذب لمطار مالبينسا (MXP) ومطار لينات (LIN)، حيث يجذب MXP طلب UAM من مناطق تبعد 30-60 كم بسبب عدم وصوله النسبي بواسطة أوضاع أخرى. على العكس، تشمل منطقة جذب LIN قطاعات حضرية مزدحمة، مما يعزز تنافسية UAM. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن توسيع مناطق جذب المطارات العمودية هو عامل حاسم في تحديد الطلب المحتمل على UAM، خاصة للخدمات التي تربط بالمطارات.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الحالة الحالية للأدبيات المتعلقة بحركة الطيران الحضري (UAM)، مع التأكيد على أهمية كل من التقدم التكنولوجي والطلب السوقي في تحديد نجاح خدمات UAM. بينما ركزت العديد من الدراسات على جوانب مختلفة من تكنولوجيا الطائرات والقيود التشغيلية، تشير النتائج إلى أن نية المستخدم في اعتماد UAM تتأثر بشكل كبير بعوامل مثل وقت السفر، والتكلفة، والمتغيرات الاجتماعية والاقتصادية بما في ذلك العمر، والدخل، والمواقف الشخصية تجاه السلامة والاهتمامات البيئية. من الجدير بالذكر أن البحث يحدد أن خدمات النقل من وإلى المطارات في UAM تُعتبر أكثر جاذبية من الاتصالات الجوية بين المدن أو خدمات سيارات الأجرة الجوية، مع حصص وضعية لخدمات النقل من وإلى المطارات تتراوح من 0.6% إلى 2.1%، بينما تبقى الاتصالات بين المدن وسيارات الأجرة الجوية أقل من 0.2%.
تستخدم الدراسة منهجية مسح مختلط بين التفضيل المكشوف (RP) والتفضيل المعلن (SP) لجمع البيانات من أكثر من 2,145 مستجيبًا في منطقة ميلانو الحضرية، مع التركيز على خيارات سفرهم ومواقفهم تجاه UAM. تكشف النتائج أن جاذبية UAM تعتمد على هياكل الأسعار وعدد المطارات العمودية العاملة، مع وجود علاقة عكسية واضحة بين احتمالية اختيار UAM ومسافات السفر بين المدن. تشير النتائج إلى أنه بينما يمكن أن تستحوذ خدمات UAM على حصة معتدلة من السوق، خاصة للوصول إلى المطارات، فإن إمكاناتها مقيدة بتكاليف أعلى مقارنة بوسائل النقل التقليدية. يتم تشجيع البحث المستقبلي لاستكشاف التكلفة الهامشية لكل كيلومتر لخدمات UAM التي من شأنها تحسين موقعها التنافسي مقارنة بخيارات النقل الأخرى.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12544-024-00700-x
Publication Date: 2025-01-13
Author(s): Pierluigi Coppola et al.
Primary Topic: Aviation Industry Analysis and Trends
Overview
The research paper discusses the emerging field of Urban Air Mobility (UAM) and its potential to transform urban transportation through the introduction of Vertical Take-Off and Landing (VTOL) aircraft. As various manufacturers develop advanced aircraft technologies, the integration of UAM services with existing transport systems is contingent upon the strategic placement of vertiports. The study emphasizes environmental sustainability as a key driver for UAM adoption, particularly in the context of electrification trends in urban mobility.
Using random utility mode choice models, the paper estimates UAM passenger flows in the Milan metropolitan area across different service types, including aerial airport shuttles, intercity connections, and air-taxi services. Findings indicate that airport shuttles are more attractive than air-taxis, with modal shares of 2-5% and 1-3%, respectively. The likelihood of choosing UAM services diminishes with increased distance and access times to vertiports. Limitations of the study include potential biases in user responses due to the survey methodology and the constraints of the mode choice models, which were based on a maximum flight range of 75 km. Future research directions are suggested, such as exploring UAM mode choice in immersive environments and analyzing the impact of individual traits on service selection, as well as reevaluating assumptions regarding vertiport locations and fare structures.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the growing interest in Urban Air Mobility (UAM) as a transformative mode of transportation for urban and intercity travel. While aerial travel services have historical roots dating back to the 1950s, the recent focus on electric vertical takeoff and landing (eVTOL) aircraft aims to address urban congestion and promote environmentally friendly transport options. A preliminary analysis identified over 90 eVTOL prototypes, revealing that larger eVTOLs (carrying three or more passengers) have an average flight range of 200 km, while smaller models (two seats) average 90 km. This range is deemed sufficient for urban operations, although debates persist regarding the overall benefits of UAM.
The paper highlights upcoming UAM service launches in major cities like Paris, Rome, and Milan, scheduled around significant events such as the Olympic Games. However, uncertainties remain regarding public acceptance and the factors influencing users’ intentions to adopt UAM services. The study aims to simulate various scenarios to estimate traveler uptake of UAM services in the Milan metropolitan area and Lombardy Region, focusing on factors affecting the choice probabilities for different UAM offerings. The structure of the paper includes a literature review, data and modeling framework, results, discussions, and concluding remarks on future research directions.
Methods
The methodology of this study is structured around a multimodal transport supply model that evaluates urban air mobility (UAM) travel times and costs, incorporating access and egress phases to vertiports. The model encompasses 112,120 nodes and 319,728 directed links, with the road network derived from OpenStreetMap data, categorizing links into five types: motorways, highways, primary, secondary, and tertiary roads. Additionally, the public transportation network is constructed using georeferenced data from the General Transit Feed Specification, which includes various modes such as rail, underground, tram, bus, and trolleybus services.
The UAM network is defined by $N$ nodes (vertiports) and $N \cdot (N – 1)$ directed links (UAM service routes), with $N$ varying by scenario. Daily origin-destination trip matrices are sourced from an open dataset in the Lombardy Region, while access and egress travel estimates to Milan’s airports (Linate and Malpensa) are informed by airport market survey data, detailing daily travel volumes and their geographical distribution based on travel purpose. This comprehensive approach aims to provide a robust framework for forecasting UAM demand and evaluating its integration within existing transport systems.
Results
The results of the study indicate that Urban Air Mobility (UAM) services, particularly airport shuttle services, exhibit a higher modal share compared to other service types, such as intercity air connections and air taxis. Specifically, the modal share for airport shuttles ranges from 0.6% in Scenario 1 to 2.1% in Scenario 4, while air taxis remain below 0.2% across all scenarios. The analysis of UAM choice probabilities reveals that these probabilities decrease with increasing flying distances and are significantly influenced by access/egress (A/E) times to vertiports. Notably, UAM choice probabilities are higher when origins and/or destinations are near vertiports, diminishing rapidly when A/E times exceed 20 minutes.
Further examination of vertiport catchment areas shows variability in size and shape, influenced by transportation infrastructure and available UAM connections. For instance, catchment areas are larger in rural regions where competing transport services are less efficient. The study highlights a contrast between catchment areas for Malpensa Airport (MXP) and Linate Airport (LIN), with MXP attracting UAM demand from zones 30-60 km away due to its relative inaccessibility by other modes. Conversely, LIN’s catchment area includes congested urban sectors, enhancing UAM’s competitiveness. Overall, the findings suggest that the extension of vertiport catchment areas is a critical factor in determining potential UAM demand, particularly for services connecting to airports.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the current state of Urban Air Mobility (UAM) literature, emphasizing the importance of both technological advancements and market demand in determining the success of UAM services. While numerous studies have focused on various aspects of aircraft technology and operational constraints, the findings indicate that user intention to adopt UAM is significantly influenced by factors such as travel time, cost, and socio-economic variables including age, income, and personal attitudes towards safety and environmental concerns. Notably, the research identifies that UAM airport shuttles are perceived as more attractive than intercity air connections or air-taxi services, with modal shares for airport shuttles ranging from 0.6% to 2.1%, while intercity connections and air-taxis remain below 0.2%.
The study employs a mixed Revealed Preference (RP) and Stated Preference (SP) survey methodology to gather data from over 2,145 respondents in the Milan metropolitan area, focusing on their travel choices and attitudes towards UAM. The results reveal that UAM’s attractiveness is contingent upon fare structures and the number of operational vertiports, with a clear inverse relationship between UAM choice probability and intercity travel distances. The findings suggest that while UAM services could capture a modest share of the market, particularly for airport access, their potential is constrained by higher costs compared to traditional transport modes. Future research is encouraged to explore the marginal cost per kilometer for UAM services that would optimize their competitive position against other transport options.