Wstęp

„Sieć transportowa jutra” od dawna jest tematem dyskusji i debat, z licznymi perspektywicznymi możliwościami [np. Hyperloop i Personal Rapid Transit; ( Cunningham, 2017 )]. Ponieważ przedstawienia latających samochodów ograniczały się głównie do filmów science fiction, pojęcie prawdziwego „latającego samochodu” od dawna wydawało się bliższe science fiction niż faktom naukowym. Jednak ostatnie postępy technologiczne powoli przybliżają te możliwości do rzeczywistości ( Covington, 2018). Przypuszczalnych zalet sieci Flying Car jest wiele, ponieważ skutecznie łączy ona idealne cechy zarówno samolotów, jak i samochodów. W szczególności latający samochód jest znacznie bardziej zwrotny i byłby mniej podatny na korki podczas przemierzania trójwymiarowej przestrzeni powietrznej w porównaniu z dwuwymiarowymi drogami naziemnymi ( Soffar, 2018 ). Jednak niezależnie od doskonałych możliwości transportowych, jakie może oferować ta technologia, powszechne przyjęcie latających samochodów będzie głównie kształtowane przez opinię publiczną. Ocena i analiza statystyczna publicznego postrzegania nadchodzącej technologii transportowej stanowią istotne wyzwania metodologiczne pod względem nieobserwowanej heterogeniczności i niestabilności czasowej ( Mannering i Bhat, 2014 ;Mannering i in., 2016 ; Fountas i in., 2018 ; Maniery, 2018 ). Szereg ostatnich badań wykazało, że postrzeganie przez ludzi potencjalnych korzyści i obaw związanych z przyszłym użytkowaniem latających samochodów, jak również związanych z tym kwestii bezpieczeństwa i ochrony, jest wieloaspektowe i zależy od wielu czynników społeczno-demograficznych (Eker i in . , 2019 , 2020a ). Ponadto głównymi pytaniami badawczymi, które również zostały zbadane, jest to, czy ogół społeczeństwa jest skłonny zaakceptować i zapłacić za latające samochody jako pojazdy osobiste i/lub jako usługę współdzielonej mobilności ( Ahmed i in., 2019 ; Eker i in., 2020b).). Oprócz podejść opartych na ankietach, uzasadnione są podejścia oparte na wirtualnym i/lub rzeczywistym ruchu i symulacji (M&S) w celu dogłębnego zbadania wymagań dotyczących bezpieczeństwa, infrastruktury, zrównoważonego rozwoju, środowiska i czynnika ludzkiego (jak pokazano na rysunku 1 ).

W tym kontekście trwająca ewolucja latających samochodów będzie miała głęboki wpływ na różne polityki i standardy regulujące przyszły rozwój, testowanie, ocenę, walidację i wdrażanie technologii ( Lineberger i in., 2018 ). Konieczne będzie prognozowanie istniejących przepisów i ustanowienie odpowiednich zachęt, które posłużą do standaryzacji i utrzymania pełnowymiarowej sieci transportu latającymi samochodami. W następnej sekcji przedstawiono przegląd podkreślający zastosowanie i potencjalny wpływ M&S na przyszłe rozmieszczenie latających samochodów w istniejącej flocie transportowej.

Możliwość zastosowania M&S i szkolenia w kierunku wdrażania latających samochodów

Nowoczesne osiągnięcia technologiczne pokazują, że latające samochody mogą być dostępne do użytku komercyjnego do 2025 r. ( Becker, 2017 ; Bogaisky, 2018). Wiele powiązanych wyzwań związanych z utrzymaniem technologii będzie wymagać wirtualnych i/lub żywych M&S do testowania i walidacji. Na przykład ewolucja latających samochodów będzie wymagać nowych polityk i standardów regulujących okresy przejściowe i przełączania między ręcznym i autonomicznym sterowaniem pojazdem oraz złożonego przejścia między dynamiką naziemną a lotną (np. dla startów/lądowań). Ponadto wymagane będą nowe zasady i standardy w celu zbadania złożoności bezpieczeństwa nawigacji lotniczej, co będzie wymagało zarówno obliczeniowego M&S do testów wirtualnych, jak i fizycznego M&S przeprowadzanego w warunkach rzeczywistych. W tym drugim przypadku prototypowanie (np. w obudowie „kopuły drona”; patrz rysunek 2) należy wykorzystać do naśladowania funkcjonalnej infrastruktury w miniaturowej skali dla przewidywanych rodzajów transportu latającymi samochodami. Rozmieszczenie latających samochodów będzie miało również ogromny wpływ na szkolenie, które będzie wymagało nowych przepisów dotyczących bezpiecznych procedur operacyjnych i konserwacyjnych. Ciągły rozwój technologii latających samochodów umożliwi metody szkolenia nowej generacji w powiązanych dziedzinach technologicznych, w tym: a) szkolenie i certyfikacja pilotów, b) procedury napraw/serwisu/modernizacji, c) połączone/zautomatyzowane pojazdy, w tym zaawansowana robotyka i fuzja czujników oraz d) uczenie maszynowe i sztuczna inteligencja (AI). Wreszcie, reakcja człowieka na autonomiczne funkcje środków transportu nowej generacji pozostaje niepewna. Poprzez zastosowanie M&S, Lepsze zrozumienie złożonych czynników ludzkich związanych z latającymi samochodami jest wymagane do sformułowania polityk i standardów, które będą regulować przyszłą działalność. Ostatecznie — ustalone wzorce zachowań ludzkich (np. za pomocą modeli i symulacji zachowań ludzkich) w połączeniu z testami na żywo/wirtualnie w celu zbadania interfejsu człowiek-maszyna można wykorzystać do wyjaśnienia wyzwań związanych z infrastrukturą związanych z wdrażaniem w świecie rzeczywistym.

W tym artykule przedstawiamy obszerny przegląd możliwości i wymagań dotyczących możliwych do zastosowania przepisów i zarządzania technologią latających samochodów, aby doradzać i dyktować przyszłe testy, ocenę, walidację i wdrażanie technologii. Krótka prognoza podstawowych kwestii związanych z kluczowymi obszarami zainteresowania M&S obejmuje:

Bezpieczeństwo

Najbardziej krytycznym segmentem eksploatacji latających samochodów będą przejścia ziemia/powietrze (start/lądowanie), które będą wymagały regulacji NAS/FAA i odpowiedniego zarządzania zintegrowaną (a nie wydzieloną) przestrzenią powietrzną. Kolejnym krytycznym aspektem byłoby sprostanie wyzwaniom operacyjnym i zapewnienie bezpieczeństwa w niesprzyjających warunkach pogodowych (np. intensywne opady deszczu, silny wiatr, śnieżyca itp.).

Szkolenie i certyfikacja pilotów

Zarówno w przypadku ręcznych, jak i autonomicznych samochodów latających, operator pojazdu (lub pilot) oraz powietrzne/naziemne systemy wsparcia (konserwacja) będą wymagały odpowiednich certyfikatów i zarządzania.

Infrastruktura

Latające samochody będą wymagały przepisów dotyczących „wertiportów” (urządzeń do startu/lądowania) dla przejść ląd/powietrze, a to z kolei będzie dyktować zasady i standardy dotyczące cech operacyjnych pionowych startów i lądowań.

Środowisko

Zarządzanie musi być upoważnione (np. NASA UAM), aby zapewnić przyjazne dla środowiska najlepsze praktyki dotyczące latających samochodów. Na przykład działanie w pełni elektryczne, minimalny hałas operacyjny i minimalna emisja gazów cieplarnianych.

Logistyka i zrównoważony rozwój

Latające samochody będą wymagały zrównoważonych norm prawnych dotyczących eksploatacji, konserwacji, kontroli i stopniowego wdrażania (np. jako pojazdy ratunkowe, jako środek transportu i jako pojazd konsumencki).

Bezpieczeństwo cybernetyczne

Latające samochody będą wysoce zautomatyzowane, skomputeryzowane i prawdopodobnie będą podłączone do zaszyfrowanej sieci w celach nawigacyjnych. Taki system będzie wymagał zasad ochrony przed cyberprzestępczością (np. nieautoryzowanym zdalnym dostępem za pośrednictwem trojanów i złośliwego oprogramowania, atakami DDoS uniemożliwiającymi dostęp do sieci).

Czynniki ludzkie

Ludzkie preferencje i postawy będą kierować i dyktować utrzymanie latającego samochodu, w tym finansowe (tj. wydatki na zakup; gotowość do zatrudnienia), korzyści/obawy operacyjne oraz przewidywane scenariusze przypadków użycia.

Zaczniemy od przeglądu zasad i standardów związanych z bezpieczeństwem (tj. operacyjnym; mechanicznym) — głównym celem ustanowienia i utrzymania zrównoważonego rozwoju latającego samochodu.

Względy bezpieczeństwa

Począwszy od M400 SkyCar ( Moller, 2016 ), rozwój technologii latających samochodów trwa od wczesnych lat 80-tych, a technologie wielu producentów [ PAL-V, 2019 ; np. ( Aurora Flight Sciences, 2019 )] są już poza projektem koncepcyjnym. Wraz ze stałym wzrostem popularności dronów i UAV oraz związanym z tym zapotrzebowaniem na polityki wspierające komercyjne zastosowania, latające samochody powoli zbliżają się do rzeczywistości. Jeśli uda się przezwyciężyć krytyczne przeszkody regulacyjne, drony pasażerskie i latające samochody mogą zacząć działać w następnej dekadzie ( Lineberger i in., 2018).). Eliminowanie problemów związanych z bezpieczeństwem (zarówno ludzkim, jak i autonomicznym) związanych z technologią latających samochodów ma zatem ogromne znaczenie. Podobnie jak w przypadku autonomicznych pojazdów naziemnych, wszelkie nagłaśniane zdarzenia zagrażające bezpieczeństwu (np. Garsten, 2018 ) mogą wpłynąć na opinię publiczną ( Haboucha i in., 2017 ; Hulse i in., 2018 ; Sheela i Mannering, 2019 ) i ograniczyć tempo wzrostu akceptacja konsumentów.

Najtrudniejsze pytania dotyczące latających samochodów dotyczą odpowiednich procedur wzbijania się w powietrze (starty) i powrotu na ziemię (lądowania) oraz wymogu kompleksowej analizy ryzyka bezpieczeństwa w celu określenia logistyki, w jaki sposób samochody latające powinny być regulowane przez Krajowy System Przestrzeni Powietrznej ( NAS), podmiot zarządzający przestrzenią powietrzną Stanów Zjednoczonych ( Del Balzo, 2016). Z regulacyjnego punktu widzenia potrzeba wielu dodatkowych badań, aby zapewnić, że nowatorskie systemy autonomiczne do obsługi, nawigacji i sterowania samochodami latającymi będą wyposażone w redundancję (system zapasowy) i będą miały możliwość pracy w „trybie bezpiecznym” (tj. „podejmowanie decyzji”) w przypadku napotkania nietypowych sytuacji. Logistyka przestrzeni powietrznej może ponadto wymagać, aby główny organ regulacyjny (tj. FAA) wyznaczył minimalne standardy bezpieczeństwa, a następnie każde państwo zobowiązało swoich prywatnych kontrolerów ruchu lotniczego ( Niller, 2018 ).

Zapewnienie bezpieczeństwa operacyjnego podczas niesprzyjających warunków pogodowych (np. burzy śnieżnej, ulewnego deszczu, silnego wiatru itp.) to kolejny krytyczny aspekt bezpieczeństwa. Symulacje i testy na żywo w celu określenia progów bezpiecznego środowiska operacyjnego pod względem widoczności, prędkości wiatru, intensywności opadów itp. dla różnych typów samochodów latających będą wymagane do sformułowania niezbędnych przepisów.

Jak wspomniano wcześniej, zaawansowane modele i symulacje — zarówno w kontekście rzeczywistym, jak i wirtualnym — będą potrzebne do prototypowania typowych trybów działania latającego samochodu w celu ustalenia podstawowych wytycznych dotyczących bezpieczeństwa. W tym dokumencie przedstawiono dodatkowe szczegóły teoretyczne, aw następnej sekcji omówiono wymagania regulacyjne dotyczące szkolenia i certyfikacji pilotów.

Standardy szkolenia i certyfikacji pilotów

Ponieważ latające samochody będą wiązać się z ewakuacją w powietrzu (tj. Lotnictwem), Federalna Administracja Lotnictwa (FAA) z konserwatywnym Systemem Zarządzania Bezpieczeństwem ( Federalna Administracja Lotnictwa (FAA), 2016 ) narzuci przepisy regulujące i zarządzające skuteczną kontrolą ryzyka ( Del Balzo, 2016 ). W przypadku tradycyjnych statków powietrznych FAA ma skuteczny system regulacyjny dotyczący licencji pilotów, certyfikacji i rejestracji statków powietrznych, miejsc startu i lądowania (lotniska) oraz mechanizm kontroli ruchu lotniczego. Wraz z przewidywanym wprowadzeniem latających samochodów systemy kontroli ruchu będą musiały uwzględnić dodatkowe komplikacje, a w porównaniu z mniejszymi dronami droga do regulacji lotów ludzi będzie trudna i czasochłonna ( Stewart, 2018). W przypadku pojazdu naziemnego do obsługi sedana, motocykla i wieloosiowej półciężarówki wymagane są oddzielne prawa jazdy. I odwrotnie, operator latającego samochodu będzie wymagał licencji zarówno na prowadzenie, jak i latanie, a także będzie wymagał odpowiedniej rejestracji pojazdu i certyfikacji typu. Proponowane technologie latających samochodów to zasadniczo samoloty o stałych skrzydłach (np. Aurora PAV), ale inne działają bardziej jako hybryda motocykla i wiatrakowca (np. PAL-V). Docelowo niektóre proponowane pojazdy będą działać jak samochód ze skrzydłami (tj. samochód latający), podczas gdy inne będą skutecznie służyć jako samolot z kołami (tj. samolot napędowy), co komplikuje kwestie regulacyjne dotyczące wymaganych umiejętności latania „operator” samochodu, a także kwestie związane z certyfikacją, zdatnością do lotu i licencją ( Del Balzo, 2015).

Przewiduje się, że wiele rodzajów latających samochodów zostanie ostatecznie dopuszczonych do działania w dużych obszarach metropolitalnych. W związku z tym ich utrzymanie będzie w dużej mierze zależeć od procedur certyfikacji, które będą dyktować pilność i tempo tej wschodzącej i przełomowej technologii w miarę jej ewolucji. Wstępne wersje latających samochodów będą prawdopodobnie miały na pokładzie kierowcę/pilota na odcinku lotu. Jednak technolodzy opracowują już modele koncepcyjne przyszłych modeli latających samochodów, które będą zdalnie pilotowane i nadzorowane: (a) przez żywych ludzi na ziemi lub (b) przez autonomiczne systemy w powietrzu i/lub na ziemi. Obsługa pojazdów „miejskiej mobilności powietrznej (UAM)” (z pasażerami lub bez) bez pilota zależałaby nie tylko od certyfikacji pojazdu,Thipphavong i in., 2018 ). Ostatecznie zaawansowane (wirtualne) M&S będą potrzebne do określenia odpowiednich systemów szkoleniowych (z odpowiednią dokładnością) i zaprojektowania znormalizowanych scenariuszy szkoleniowych dla przyszłych operatorów latających samochodów – szczególnie w zakresie obsługi złożonych przejść ziemia-powietrze i powietrze-ziemia. Regulacja kwestii ruchu lotniczego we wszystkich organach zarządzających będzie wyjątkowym i złożonym wyzwaniem. W związku z tym w następnej sekcji bardziej szczegółowo zbadano szereg kluczowych kwestii dotyczących zasad i standardów związanych z infrastrukturą i nawigacją.

Infrastruktura i nawigacja

Korzyści nawigacyjne wynikające z ustanowienia funkcjonalnej sieci latających samochodów są oczywiste – technologia, która umożliwia cywilom transport ze źródła do miejsca docelowego w ułamku całkowitego czasu potrzebnego do przejechania tej samej odległości. Patrz rysunek 3, który ilustruje przykładową podróż, która porównuje czas jazdy/lotu dla dojazdów do pracy. Tutaj szacowana 20-minutowa trasa jazdy (pokazana na czerwono) jest ograniczona przez drogi 2D, zatory naziemne i naturalne ograniczenia topografii terenu. Tor lotu (pokazany na zielono) eliminuje te ograniczenia i zmniejsza odległość pokonywania prostej ścieżki od punktu do punktu o ~ 2/3 (tj. do 7 minut). W tym scenariuszu zakłada się dominację infrastruktury umożliwiającej bezpieczne starty i lądowania oraz infrastruktury do przechowywania pojazdów (np. parking). Oczywiście taka rozległa sieć urządzeń do pionowego startu i lądowania lub „portów pionowych” wymagałaby standardów i certyfikatów dla naszej infrastruktury (np.Lineberger i in., 2018 ). Projektowanie, rozplanowanie i specyfikacja takich portów pionowych będzie wymagać zaawansowanego M&S (np. symulacji Monte Carlo i zaawansowanych technik optymalizacji heurystycznej), aby zagwarantować bezpieczeństwo ludzi, a także zmaksymalizować skuteczność i wydajność operacyjną. W związku z tym władze transportowe muszą nakazać, aby operatorzy latających samochodów byli ograniczeni do wybranych korytarzy lotniczych, tak aby bezpośrednia trasa nie zawsze była opcją. Korytarze te byłyby prawdopodobnie strategicznie zlokalizowane nad obszarami o zmniejszonym ryzyku, które mają minimalną populację ( Roberts i Milford, 2017 ).

Powiązaną kwestią jest potrzeba uregulowania i nakazania funkcjonalnego zakresu ruchu latającego samochodu. Odpowiednie specyfikacje projektowe będą opierać się na testach na żywo i wirtualnych oraz M&S w celu określenia standardów technicznych, które spełniają wszystkie wymagania funkcjonalne, a także są opłacalne i trwałe. Na przykład zakładamy, że w standardowym trybie operacyjnym spód pojazdu jest skierowany w dół (tj. wzdłuż osi +Z) i może przemieszczać się pionowo, mając zdolność „unoszenia się”, a także pozostawać nieruchomy podczas lotu. Ponadto zakładamy, że latające samochody poruszałyby się wzdłużnie (tj. wzdłuż osi X) i poprzecznie (tj. wzdłuż osi Y) bez konieczności ustawiania pojazdu w tym kierunku. Latające samochody, podobnie jak samoloty, będą zatem wymagały ruchu obrotowego: przechylania (kołysania), pochylania (pochylenia),Budowa świata, 2016 ). Prawdopodobnie wystąpią sytuacje, w których wydłużone poziome pasy startowe nie będą geometrycznie wykonalne i będą wymagać zdolności do pionowego startu i lądowania (VTOL). Firmy oferujące wspólne przejazdy (np. Uber i Lyft) przewidują pojazdy VTOL, które są łatwiejsze w pilotażu niż helikoptery ( Stewart, 2018 ) i mają „oddzielną przestrzeń powietrzną” przeznaczoną i zarządzaną przez podmioty oferujące wspólne przejazdy. Jednak federalne organy regulacyjne prawdopodobnie narzucą długoterminowe polityki obejmujące holistyczną zintegrowaną przestrzeń powietrzną, w której wszyscy dzielą niebo ( Stewart, 2018 ). W związku z tym idealizacje latających samochodów są takie, że mają przybliżone rozmiary samochodu, mogą jeździć po drogach jak samochód, ale mają również możliwości VTOL.

Poleganie na współczesnej nauce o bateriach będzie ograniczającym czynnikiem operacyjnym, ponieważ ograniczenia mocy będą dyktować krótki (np. 10–20 minut) czas lotu przed ponownym naładowaniem ( Rathi, 2018 ). Uber ( Uber, 2016 ) również doszedł do wniosku, że akumulatory nie są jeszcze wystarczające pod względem gęstości energii, cyklu życia ani opłacalności, ale zakłada krótkoterminową poprawę z korzyściami skali. Udany silnik latającego samochodu to prawdopodobnie taki, który może z powodzeniem oddzielić źródło siły obrotowej od prędkości obrotowej (np. silnik „Split Power” Yeno, 2018). Interesariusze komercyjni, federalni/stanowi decydenci oraz regionalne władze urbanistyczne muszą zatem wyobrazić sobie infrastrukturę, która w pełni umożliwia wyjście 3D w gęsto zaludnionej (powietrznej) sieci transportowej. Podobnie, aby stworzyć ujednolicony system zarządzania ruchem, wymagana będzie infrastruktura do szybkiej transmisji danych i geolokalizacji wzdłuż predefiniowanych korytarzy lotniczych ( World building, 2016 ). W tym celu wymagane będą odpowiednie zasady i przepisy w celu ustanowienia wytycznych zapewniających uwzględnienie skalowalności i wydajności operacyjnej w miarę ewolucji funkcjonalnej sieci latających samochodów.

Wreszcie, aby zoperacjonalizować aeronautykę latających samochodów, decydenci i organy regulacyjne muszą wziąć pod uwagę interfejs użytkownika w pojeździe, który będzie wymagany do nawigacji latającymi samochodami. Zamiast „unoszących się” skrzyżowań, oznaczeń pasów ruchu i oznakowania jezdni — technolodzy grafiki komputerowej, entuzjaści wirtualnej rzeczywistości (VR)/gier oraz eksperci w dziedzinie M&S już oceniają i tworzą prototypy standardów nowej generacji dla wyświetlaczy przeziernych dla latających samochodów ( HUD) systemów nawigacyjnych wspomagających osobiste podróże lotnicze ( Frey, 2006). Takie interfejsy wymagają konfigurowalnych aplikacji, aby umożliwić zmianę pasa ruchu w powietrzu, podobnie jak wyświetlacz rzeczywistości rozszerzonej (AR) zawierałby informacje o ruchu drogowym, które pomogą w bezpiecznej nawigacji po zmianach kierunku (tj. zakrętach). Decydenci muszą zatem ustanowić wytyczne dotyczące solidnego interfejsu człowiek-maszyna, tak aby podczas startu pole widzenia płynnie przekształciło się w system wyświetlania odpowiedni do użytku w trybie lotu ( AeroMobil, 2019 ).

Względy środowiskowe i energetyczne

Chociaż UAV były początkowo sprzedawane jako urządzenia czysto rekreacyjne, perspektywa, że ​​drony pasażerskie mogą wkrótce transportować cywilów przez duże miasta i rozległe wiejskie krajobrazy ( Ratti, 2017) ma oczywiste zalety. Jednak trudno jest w pełni zrozumieć daleko idący wpływ na środowisko, jaki mogą mieć latające samochody i usługi współdzielenia przejazdów oparte na latających samochodach. Chociaż latające samochody będą przypuszczalnie czystym (tj. częściowo lub całkowicie elektrycznym) środkiem transportu ludzi, znaczna flota takich pojazdów może wymagać znacznych zasobów energii i znacznie zwiększyć ogólną liczbę podróży ludzi. W tym kontekście szeroko zakrojone badania nad samojezdnymi pojazdami wykazały, że ze względu na oferowaną wygodę mobilności, własne samochody samojezdne prawie zawsze zwiększałyby łączną liczbę przejechanych mil pojazdu (VMT), co przekłada się na znaczny wzrost zapotrzebowania na energię i emisji, i być może zwiększone zatory na drogach ( Fagnant i Kockelman, 2015; Zhang i in., 2018 ). Pojazdy samojezdne mogą przynieść trwałe korzyści dla środowiska pod względem ogólnej redukcji VMT i redukcji emisji gazów cieplarnianych tylko wtedy, gdy są wdrażane jako wspólne usługi mobilności ( Fagnant i Kockelman, 2018 ). Implikacje środowiskowe pojazdów elektrycznych (EV) są również szeroko badane w literaturze, a większość ustaleń sugeruje, że pojazdy elektryczne przyniosłyby trwałą redukcję emisji gazów cieplarnianych tylko wtedy, gdyby produkcja energii elektrycznej opierała się na odnawialnych źródłach energii (wodnej, jądrowej, wiatrowej, słonecznej , geotermalne), zamiast paliw kopalnych ( Granovskii i in., 2006 ; Richardson, 2013). Biorąc pod uwagę wcześniejsze ustalenia dotyczące pojazdów samojezdnych i elektrycznych, uzasadniona jest ocena cyklu życia latających samochodów w różnych scenariuszach operacyjnych, takich jak własność osobista, współdzielona usługa mobilności i połączenie obu. Ponadto ocena wpływu na środowisko przy różnych źródłach energii i systemach napędowych to kolejny ważny kierunek przyszłych badań. Pod tym względem wyniki niedawnego badania wykazały potencjał latających samochodów w ograniczaniu emisji gazów cieplarnianych w określonym scenariuszu użytkowania, w porównaniu z samochodami osobowymi napędzanymi silnikami spalinowymi i akumulatorowymi (Kasliwal i in., 2019) .). Jednak do tej pory nie przeprowadzono szeroko zakrojonych analiz latających samochodów, które próbowałyby ilościowo określić ich systemowy wpływ na istniejącą sieć transportową i środowisko jako całość ( Stone, 2017 ). W tej sekcji zbadano, w jaki sposób latające samochody mogą wpłynąć na codzienne życie w wysoce zurbanizowanych środowiskach, wraz z dialogiem dotyczącym przewidywanych modyfikacji polityki.

W oparciu o przewidywaną dynamikę operacyjną latających samochodów przewiduje się, że zapotrzebowanie na energię będzie znaczne. Powszechnie przyjmuje się, że wiele projektów latających samochodów będzie wymagało wirników, które są zasadniczo dużymi wentylatorami, które spychają powietrze w dół, aby wytworzyć napęd w górę. Osiągnięcie takiej siły nośnej będzie trudne lub niemożliwe bez powodowania zakłóceń powietrza — i związanego z tym hałasu. Jak omówiono wcześniej, należy wprowadzić nowe i istotne modyfikacje istniejącej infrastruktury, aby umożliwić bezpieczne starty i lądowania (z możliwością VTOL), a także parkowanie/przechowywanie pojazdów. Jednak obszary silnie zurbanizowane (np. Nowy Jork) już teraz mają poważne problemy z regulacją hałasu powodowanego przez samoloty. Niedawne skargi na hałas podczas wycieczek helikopterem po rezydencjach wzdłuż rzeki Hudson spowodowały zaostrzenie przepisów dla organizatorów wycieczek (Bellafante, 2014 ), podczas gdy przed wejściem w życie tych przepisów było mniej niż 5000 lotów helikopterem turystycznym miesięcznie. Ekstrapolując perspektywę, że latające samochody mogłyby potencjalnie służyć jako codzienny środek transportu dla około 8 milionów mieszkańców metropolii Nowego Jorku, staje się oczywiste, że odpowiednie przepisy (np. tygodniowo i w odpowiedniej odległości od gęsto zaludnionych obszarów) będą musiały wprowadzić kompleksowe rozporządzenie w sprawie hałasu, aby doradzać zrównoważone użytkowanie latających samochodów ( Ratti, 2017 ).

Oprócz obaw związanych z hałasem należy ustanowić zarządzanie i nadzór, aby zapewnić, że sieć latających samochodów nie spowoduje nadmiernego obciążenia istniejącego systemu kontroli ruchu lotniczego (ATC). Trwający projekt NASA Urban Air Mobility (UAM) ma na celu opracowanie wydajnej sieci transportu lotniczego do bezzałogowego dostarczania paczek, a także załogowych latających taksówek pasażerskich w regionach wiejskich i silnie zurbanizowanych (Tiphavong i in., 2018 ) . Badacze UAM rozważają kwestie aeronautyki, aby złagodzić obawy związane z hałasem związanym z eksploatacją latających samochodów i współpracują z FAA w celu opracowania zasad i procedur, które mogą zarządzać przewidywaną eksploatacją latających samochodów na małych wysokościach (Salazar, 2018 )). Wreszcie, zdolność technologii do zmniejszenia zależności od paliw kopalnych i emisji z rury wydechowej mierzonych jako ekwiwalent dwutlenku węgla lub CO ₂ e ( Tischer i in., 2019 ; Union of Concerned Scientists USA, 2019 ) pomoże ustanowić długoterminowe trwałość latających samochodów. Rozsądne jest założenie, że dzięki zastosowaniu np. modelowania zachowań ludzkich i symulacji zdarzeń dyskretnych ta infografika analizy transportu jest skalowalna dla pojazdów hybrydowych (latających samochodów), które są zdolne zarówno do jazdy, jak i do latania. Przyszłe polityki i przepisy (np. te zarządzane przez Agencję Ochrony Środowiska lub EPA) będą zatem wymagać, aby latające samochody były zgodne z federalnymi normami emisji i zużycia paliwa ( Negroni, 2012).

Logistyka adopcyjna i zrównoważony rozwój technologiczny

Powstające technologie latających samochodów będą musiały spełniać standardy techniczne i bezpieczeństwa zarówno samochodów, jak i samolotów, a przynajmniej początkowo będą kosztowne zarówno w zakupie, jak i utrzymaniu. Ponadto sposób, w jaki obecnie stosuje się złożone urządzenia kontrolne do kierowania i monitorowania bezpieczeństwa ruchu drogowego, będzie wymagał wprowadzenia i uregulowania dopuszczalnych tras lotów dla latających samochodów w podobny sposób. Podobnie, ponieważ latające samochody będą wykazywać wykładniczą złożoność pod względem konstrukcji pojazdu (np. napęd/silnik) i osiągalnych prędkości, które są znacznie większe niż standardowe samochody, głównym i wieloaspektowym wyzwaniem dla decydentów będzie ustanowienie zrównoważonych norm prawnych ( eksploatacja, konserwacja, kontrola) dla takich pojazdów ( Soffar, 2018). Ponadto, z punktu widzenia producenta i operatora komercyjnego, optymalna równowaga między pojemnością energetyczną (benzyna i/lub akumulator) a kombinacją zakresu prędkości dla modeli produkowanych latających samochodów byłaby wielodyscyplinarnym wyzwaniem.

Technolodzy (np. Templeton, 2018) prognozują, że logistyka adopcji latających samochodów będzie początkowo przebiegać etapami, aby spełnić nasze najważniejsze wymagania transportowe. Kierując się regionalnymi/krajowymi politykami i przepisami, można wyobrazić sobie scenariusz stopniowego wdrażania, zaczynając najpierw od pojazdów specjalistycznych (np. organy ścigania, budownictwo, reagowanie na pożary, karetki pogotowia), następnie przez firmy oferujące wspólne przejazdy, a ostatecznie przez cywilów. Na przykład ograniczona flota samoobsługowych latających karetek pogotowia mogłaby skutecznie przetransportować pacjenta wraz z pracownikiem służby zdrowia i niezbędnymi artykułami w sposób niezakłócający ruchu naziemnego. Podobnie w pewnych sytuacjach, jeśli transport był całkowicie pozbawiony ratownika medycznego na pokładzie, który mógłby zająć się pacjentem, ostatecznie lepszym wyborem może być lot samolotem (tj. nad ruchem ulicznym) przez ~5 minut, niż dojazd do pracy zajmuje 15 minut (naziemną) jazdy dużym pojazdem z pełnym wyposażeniem i zespołem wsparcia. Należy zauważyć, że pomimo wyidealizowanych i akademickich oczekiwań, że technologie latających samochodów powinny pochodzić od służb ratowniczych, można wysunąć logiczny argument, że wstępne wdrożenie może być kierowane przez gigantów branżowych o znacznych interesach finansowych (np. aplikacje do wspólnych przejazdów dla konsumentów). Niezależnie od tego, proponowane wertiporty będą wymagały standardów projektowych (np. układu, cech, geometrii) — zgodnie z zaleceniami zaawansowanych M&S (np. modele o wielu rozdzielczościach oraz makro/mikro-symulacje), aby pomieścić latające i lądujące setki samolotów. Podobnie,

Wreszcie, wyzwania produkcyjne mogą utrudnić zrównoważony rozwój latających samochodów, ponieważ ekonomia skali będzie wymagała jak najszybszego latania wielu samolotów. Konieczne jest wykorzystanie zaawansowanych (np. lekkich, wytrzymałych kompozytów) metod produkcji masowej, od przemysłu motoryzacyjnego po lotnictwo. Przewiduje się jednak, że przejście to będzie procesem stopniowym w czasie ( Adams, 2018 ). Z perspektywy operacyjnej, ze względu na złożoną inżynierię latających samochodów, certyfikowane pod względem bezpieczeństwa pojazdy latające przewożące pasażerów będą w dużym stopniu polegać na komputerach i autonomii. Jednak autonomicznym systemom zwykle brakuje osądu, świadomości sytuacyjnej i natychmiastowych interwencji, często wymaganych od żywych pilotów – i będą wymagać dłuższego okresu na opracowanie standardów regulacyjnych.

Bezpieczeństwo cybernetyczne

Przewiduje się, że działanie latających samochodów będzie w dużym stopniu opierać się na technologiach obliczeniowej sztucznej inteligencji do wykrywania i unikania (DAA) w celu rozpoznawania, rozróżniania i śledzenia innych statków powietrznych, przewidywania konfliktów i podejmowania działań naprawczych w razie potrzeby. Realizacja takiej funkcjonalności będzie wymagała systemów kognitywnych i obliczeń; platformy, które obejmują uczenie/rozumowanie maszynowe, interakcję/automatyzację interakcji człowiek-maszyna oraz czujniki sieciowe do bezproblemowej komunikacji pojazd-pojazd i pojazd-infrastruktura w czasie rzeczywistym. Poza dominującymi obawami dotyczącymi bezpieczeństwa związanymi z poważną awarią systemu podczas lotu nad gęsto zaludnionym obszarem, nadal brakuje nam pełnego zrozumienia, w jaki sposób można chronić latające samochody przed hakerami, terrorystami lub innymi cyberprzestępcami (Ratti, 2017) .). Ustanowienie zasad i standardów cyberbezpieczeństwa będzie głównym wymogiem pełnego i zrównoważonego rozwoju latających samochodów.

Wiele współczesnych systemów łączności, nawigacji i nadzoru (CNS) będzie wymagało rozbudowy w celu pokrycia dodatkowych wymagań dotyczących przestrzeni powietrznej dla latających samochodów. Na szczęście NASA (i inne agencje) opracowują zasady operacyjne dla Urban Air Mobility (UAM) związane z samolotami, przestrzenią powietrzną i zagrożeniami oraz uwzględniają przepisy dotyczące bezpieczeństwa. Ponieważ latające samochody drastycznie zwiększą ogólną mobilność osób i towarów w regionach metropolitalnych, nasz system zarządzania ruchem lotniczym musi przypisać protokoły bezpieczeństwa cybernetycznego, aby zapewnić niezawodną wymianę danych (np. pojazd, nawigacja, łącze dowodzenia/kontroli (C2), pogoda), a nowe mechanizmy uwierzytelniania będą wymagane do wykrywania włamań i wycieków danych (Tiphavong i in., 2018). Konieczne będzie wprowadzenie standardów cyberbezpieczeństwa w celu ochrony interfejsów pojazdów przed atakami (zarówno fizycznymi, jak i elektronicznymi) na sieci sterujące latającymi samochodami. Stochastic M&S ( Pokhrel i Tsokos, 2017 ) zostanie upoważniony do przewidywania, kwantyfikacji i oceny ryzyka dla całej sieci, co pomoże w informowaniu o odpowiednich środkach zaradczych. Cyberprzestępcy już wcześniej wykazali względną łatwość, z jaką pojazdy naziemne mogą zostać naruszone po zidentyfikowaniu dostępu do ich wewnętrznego systemu operacyjnego (tj. Controller Area Network lub magistrali CAN). W związku z tym specjaliści ds. cyberbezpieczeństwa latających samochodów muszą mieć wpływ na zasady ochrony przed złośliwym oprogramowaniem i trojanami, które próbują uzyskać nieautoryzowany zdalny dostęp do elektronicznej jednostki sterującej (ECU) ( Tabora, 2018).). W następnej sekcji przedstawiono krótką dyskusję na temat krytycznych czynników ludzkich, które są powiązane ze wszystkimi omówionymi do tej pory odpowiednimi subdomenami, które będą napędzać i dyktować przyjęcie latających samochodów w najbliższej przyszłości.

Eksploracyjne czynniki ludzkie w celu poinformowania przyszłej polityki dotyczącej latających samochodów

Oprócz podsumowanych do tej pory różnych polityk technologicznych i wymagań regulacyjnych, musimy przewidzieć krytyczny element ludzki związany z naszymi relacjami z latającymi samochodami (tj. interfejs człowiek-maszyna). Aby technologia mogła przetrwać, ludzie będą musieli pokonać bariery psychologiczne, związane z postawami, percepcyjnymi lub behawioralnymi ( Fountas i in., 2019 , 2020 ; Pantangi i in., 2019 ), które są związane z koncepcją latania samochodem lub dłużej -term, przewożone bezzałogowym iw pełni autonomicznym pojazdem latającym. Co więcej, aby latające samochody zostały powszechnie zaakceptowane i przyjęte, będą musiały być tak samo elastyczne i wygodne w codziennym transporcie jak współczesny samochód i szybko ustanowić dobrze udokumentowane zapisy dotyczące bezpieczeństwa (Lineberger i in., 2018 ). Przeprowadzono ankietę w celu zbadania czynników ludzkich związanych z technologiami latających samochodów. Zostało przeprowadzone na platformie internetowej o nazwie SurveyMonkey, a w ankiecie wzięło udział łącznie 692 respondentów z 19 różnych krajów. Do tej pory przeprowadzono szereg badań eksploracyjnych na podstawie danych zebranych we wspomnianym badaniu ( Ahmed i in., 2019 ; Eker i in., 2019 , 2020a , b ). Tutaj krótko podsumowujemy i ilustrujemy kluczowe kwestie badane w wyżej wymienionych pracach, ponieważ będą one bezpośrednio wpływać na przyszłe polityki i regulacje związane z pojawiającymi się postępami technologicznymi.

Pierwsza analiza ( Eker i in., 2020b ) zapewnia wstępne badanie postrzegania poszczególnych osób w odniesieniu do przyszłej adopcji latających samochodów. Rysunek 4 ilustruje gotowość do płacenia za zakup latającego samochodu do użytku osobistego, prognozując, jakie będą wspólne ceny dla tego rodzaju transportu. Nieco ponad 40% wyraziło zainteresowanie nabyciem latającego samochodu o wartości około 100 000 USD, a liczby te gwałtownie spadają wraz ze wzrostem kwot w dolarach. Na rysunku 5, zbadano przewidywane scenariusze przypadków użycia latających samochodów w trzech podkategoriach: aktywność, czas trwania podróży i pora dnia. Rysunek ilustruje przewidywane wykorzystanie latających samochodów najczęściej do rozrywki i pracy; respondenci wydają się bardziej skłonni do korzystania z technologii w przypadku dłuższych podróży (tj. setek mil) w przeciwieństwie do krótkich podróży i być może nie jest to zaskoczeniem, że nieco częściej korzystają z latających samochodów w ciągu dnia (tj. rano/po południu) okresy niż w ciemności.

Druga analiza (Eker i in., 2020a) zapewnia wstępne badanie publicznego postrzegania przewidywanych technologii latających samochodów. W szczególności wysiłki te badają fakt, że przyszłe przyjęcie latających samochodów jest bezpośrednio związane z postrzeganiem przez jednostki korzyści i obaw wynikających z kluczowych cech operacyjnych związanych z tą złożoną i przełomową technologicznie technologią. Rysunek 6 ilustruje oczekiwane korzyści technologii latających samochodów, gdzie respondenci przewidywali potencjał skrócenia czasu podróży i zwiększonej niezawodności czasu podróży (np. zmniejszony ruch uliczny), jednocześnie w stosunkowo mniejszym stopniu przewidywali możliwe korzyści wynikające ze zmniejszonych wydatków na paliwo i emisji z pojazdów . Podobnie Ryc. 7ilustruje podstawowe obawy związane z ostatecznym rozmieszczeniem latających samochodów, w przypadku których respondenci wydawali się najbardziej zaniepokojeni warunkami pogodowymi i bardziej zaniepokojeni powietrznymi (w porównaniu z naziemnymi) interakcjami z innymi pojazdami, jednocześnie nieco zaskakująco, wyrażając mniejsze obawy dotyczące przewidywanego wymogu latania własnym samolotem samochód.

Wreszcie trzecia analiza ( Ahmed i in., 2019 ) bada ludzką gotowość do wynajmu usług współdzielenia przejazdów opartych na latających samochodach nowej generacji. Niniejsze badanie bada ludzkie postrzeganie i oczekiwania związane z latającymi samochodami ze szczególnym uwzględnieniem usług współdzielonej mobilności, które wcześniej nie były badane w literaturze dotyczącej popytu na podróże. Rycina 8 ilustruje ludzkie preferencje dotyczące usług wspólnych przejazdów opartych na latających samochodach. Wykres pokazuje, że skłonność do latających samochodów napędzanych przez ludzi jest nieco większa niż w przypadku w pełni autonomicznych odpowiedników. Rysunek 9ilustruje ludzkie oczekiwania dotyczące kosztów usługi współdzielenia przejazdów latającymi samochodami. Pokazuje, że ludzie są skłonni zapłacić nieco więcej niż obecne stawki naziemne za usługi wspólnego przejazdu. Jednak obecny próg tolerowanego wzrostu jest niewielki, na co wskazuje „linia trendu” wielomianu czwartego rzędu wyświetlana na wykresie.

Zalecenia i kierunki przyszłych badań

Dyskusja na temat siedmiu kluczowych dziedzin zainteresowania przedstawiona w tym dokumencie zawiera przegląd wyzwań, którym należy sprostać, aby pomyślnie zintegrować latające samochody jako nowy środek transportu z istniejącą infrastrukturą transportową. Ponieważ wyzwania związane z bezpieczeństwem i ludzkim zachowaniem mają ogromne znaczenie, poniżej omówiono zalecenia i kierunki przyszłych prac.

Dobrze wyważone ramy regulacyjne dotyczące latających samochodów to idealny pierwszy krok w kierunku zapewnienia bezpieczeństwa wszystkim zainteresowanym stronom (od pasażerów, przez operatorów, po właścicieli infrastruktury publicznej lub prywatnej). Mając na celu stworzenie punktu odniesienia dla przepisów i środków bezpieczeństwa, Eker et al. (2019)ocenili wykonalność czterech środków bezpieczeństwa pod względem akceptacji społecznej i zaufania do tych środków. Środki te to: (a) wykorzystanie istniejących przepisów FAA dotyczących kontroli ruchu lotniczego latających samochodów; (b) utworzenie policji powietrznej i drogowej z latającymi samochodami policyjnymi; c) szczegółowe profilowanie i sprawdzanie przeszłości właścicieli i operatorów latających samochodów; oraz (d) ustanowienie stref zakazu lotów dla latających samochodów w pobliżu wrażliwych miejsc, takich jak bazy wojskowe, elektrownie/elektrownie, obiekty rządowe i główne węzły transportowe, by wymienić tylko kilka. Wyniki tego badania ujawniły, że większość uczestników miała pozytywne nastawienie do tych czterech miar (odpowiednio 61%, 71%, 75% i 79%). To sprawia, że ​​proponowane środki idealnie nadają się jako punkt wyjścia dla regulacji i polityki. Dokonując odpowiednich regulacji związanych z bezpieczeństwem,

Postęp technologiczny w rozwoju latających samochodów gwałtownie przyspiesza na całym świecie, z czasem docierając do coraz szerszej publiczności. Oczekuje się, że kontakt z tymi informacjami wpłynie na społeczne postrzeganie technologii latających samochodów. W tym kontekście uzasadniona jest ciągła ocena publicznego postrzegania kilku aspektów związanych z latającymi samochodami. Kilka istotnych przykładów związanych z niezbadanym tematem tematycznym, które są specyficzne dla latających samochodów, to gotowość do korzystania, gotowość do płacenia, opinie dotyczące różnych scenariuszy rozmieszczenia, postrzeganie potencjalnych korzyści i obaw, wpływ na środowisko i transformacyjny wpływ na środowisko miejskie, by wymienić kilka. Taka ocena powinna również odbywać się na poziomie mikro, ze szczególnym uwzględnieniem różnych regionów geograficznych, oraz różne społeczno-ekonomiczne i demograficzne docelowe grupy odbiorców. Wyniki takiej oceny ostatecznie pomogłyby zainteresowanym stronom (producentom, operatorom, podmiotom ustawodawczym i regulacyjnym) w zmianie ich odpowiednich planów, planów działania i polityk.

Podsumowanie i wnioski

Ponieważ nasza infrastruktura transportu naziemnego nadal cierpi z powodu nadmiernego użytkowania, zatłoczenia i zniszczenia, naukowcy zajmujący się transportem już badają wykonalność technologii pasażerskich dronów i latających samochodów. Z tych powodów przedstawiliśmy obszerny, oparty na literaturze przegląd pojawiających się możliwości latających samochodów, a przede wszystkim ich wymagań dotyczących praktycznych przepisów i zarządzania, aby doradzać i dyktować przyszłe testy, oceny, walidacje i wdrażanie.

W tym artykule podkreśliliśmy siedem kluczowych dziedzin M&S będących przedmiotem zainteresowania (Bezpieczeństwo, Szkolenia, Infrastruktura, Środowisko, Logistyka/Zrównoważony Rozwój, Cyberbezpieczeństwo i Czynniki Ludzkie) krytycznych dla przewidywanego rozwoju latających samochodów i zbadaliśmy, w jaki sposób te technologie wpłyną na przyszłe polityki, przepisy, certyfikaty i zarządzanie. Idąc dalej, doskonałym kierunkiem w kierunku przyszłych badań byłoby opracowanie ram M&S o wysokiej wierności – obejmujących zarówno testy na żywo, jak i wirtualne – w celu zbadania pojawiającej się wykonalności operacyjnej latających samochodów. Taka zdolność pozwoli technologom i ekspertom merytorycznym na tworzenie prototypów i walidację narzędzi do symulacji ruchu naziemnego/powietrznego, a także umożliwi naukowcom modelowanie i analizowanie złożonych scenariuszy ewakuacji w różnych ustawieniach operacyjnych. Przewidujemy, że fizyczne środowiska testowe na żywo będą niezbędne do wykonywania zaawansowanych prototypów scenariuszy, gdy tylko zostanie osiągnięta podstawowa wykonalność za pomocą wirtualnej symulacji. Wyniki takich ram M&S będą dalej służyć wpływaniu na decydentów i usługodawców w celu osiągnięcia zrównoważonych polityk i standardów technologicznych.

Oświadczenie o dostępności danych

Zbiory danych do tego badania są dostępne na żądanie odpowiedniego autora.

Autorskie Wkłady

Wszyscy autorzy przyczynili się do przygotowania i ukończenia nadesłanej pracy.

Konflikt interesów

UE była zatrudniona przez Turkish Airlines.

Pozostali autorzy deklarują, że badanie zostało przeprowadzone przy braku jakichkolwiek powiązań handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

Treść niniejszej pracy odzwierciedla poglądy autorów, którzy ponoszą odpowiedzialność za stan faktyczny i prawdziwość przedstawionych w niej danych. Treści niekoniecznie odzwierciedlają oficjalne poglądy lub zasady jakiejkolwiek agencji, ani też nie stanowią normy, specyfikacji ani przepisu. Wstępna wersja tego manuskryptu została zaprezentowana na konferencji I/ITSEC 2019.

Bibliografia