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WNEVC 2022 | 清华大学教授、长江学者讲席教授、欧洲科学院院士曲小波:陆空协同智能交通系统

人气: 作者: WNEVC 时间:2022-08-28 新闻

简介在8月28日举办的技术研讨:“飞行汽车技术创新与发展路径”上,清华大学教授、长江学者讲席教授、欧洲科学院院士曲小波发表精彩演讲。

由中国科学技术协会、北京市人民政府、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局联合主办的第四届世界新能源汽车大会(WNEVC 2022)于8月26-28日在北京、海南两地以线上、线下相结合的方式召开。其中,北京会场位于北京经济技术开发区的亦创国际会展中心。

大会由中国汽车工程学会等单位承办,将以“碳中和愿景下的全面电动化与全球合作”为主题,邀请全球各国政产学研界代表展开研讨。本次大会将包含20多场会议、13,000平米技术展览及多场同期活动,200多名政府高层领导、海外机构官员、全球企业领袖、院士及行业专家等出席大会发表演讲。

其中,在8月28日举办的技术研讨:“飞行汽车技术创新与发展路径”上,清华大学教授、长江学者讲席教授、欧洲科学院院士曲小波发表精彩演讲。

以下内容为现场演讲实录:

尊敬的各位领导、各位专家、各位同事大家早上好,非常感谢汽车工程学会、感谢张老师的邀请,让我能够参加世界新能源汽车大会和大家来分享一下我们团队在过去几年做的一些有关飞行汽车和低空立体交通的工作。我是去年年底刚刚回国工作,在过去大概半年时间里,一直没有参加线下的国际学术会议,这是第一次参加线下的国际学术会议,非常高兴能和大家面对面的交流。

我的题目是陆空协同智能交通系统。刚才各位领导都已经提到了,我们低空立体交通是一个必然趋势。为什么是一个必然趋势?先来探讨一下城市化和立体交通的关系。城市化是不可阻挡的,因为城市化有各种各样的优势,有经济、政治、文化、生活各方面的优势。大家看一下在美国有50%GDP集中在1.8%的土地上。我国50%的GDP集中在0.24%的土地上。大家看一下,蓝色贡献了50%,橙色贡献另外50%。另外一个更极端的例子,澳大利亚两个城市悉尼+墨尔本占了GDP的65%,大家都在城市生活,我们也是。

城市化带来最大的问题就是交通拥堵,这在二维空间里,是一个无解的问题。只有像低空立体交通把它扩到三维才有可能解决这个问题。更为严重的是,大家看一下,这是我们交通运输工程作为一个学科最主要的矛盾。最主要的矛盾是什么?我们的供需是不对称的,我们的需求是有早高峰、晚高峰一直变化。而供给是相对稳定,是基础设施容量受限的供给。

我们在设计交通平面二维道路交通资源只能比如按照75%分位点设计交通控制,必然导致高峰一定拥堵。而低峰必然是浪费的。这个问题作为一个学科最根本的矛盾,这个矛盾怎么解决?我们也需要像空中寻求答案。这是之前我们团队过去几年做的一些工作,总结了一个路线图,这个路线在持续完善中,首先当下载货无人机从技术上、学术上没有什么真正的挑战,主要挑战是法规方面。

第二个阶段2025年以后,真正可以开启城市空中出行的蓝图。但是这个阶段只有空中垂直起降飞行器不能在路上跑。全球主要经济体中国、美国、欧盟、英国、日本、韩国都在大力推进该模式。力争建成技术高地,这是输不起的竞争。但是我们也做了一个非常大的研究,我们用了美国12个最多的都会区和中国最大城市高精度出行时间数据和出行量的数据,来做了个研究。提出要想能够2025年之后非常顺畅这个阶段,需要有很好的地面基础设施,要面临很大的挑战。

第三阶段真正陆空两栖飞行汽车的阶段,这个阶段主要以陆地为主,在特殊的位置,比如交叉口,特殊的时间,比如早高峰,特殊的场景下,实现短时飞行,解决刚才我说的供需不对称的问题。因为你是按75%设计的地面交通,我们要在特殊的时间把通行能力提升1.5倍,才能满足那个95%或者99%的点的需求。

以陆为主陆空两栖,是2035年以后。2050年,我们预计动力问题不是问题了,当我们能够有很好的人造太阳已经研发成功,我们就可以达到飞行汽车终极形态,脱离对地面大型基础设施依赖,实现全域低空飞行。现在像大城市,我们35%的土地空间给了交通基础设施,给了道路,给了地铁站,给了飞机场。将来,所占的道路面积会越来越小,大部分道路不复存在,用作真正提高城市居民生活水准的幸福感的用途。

接下来介绍两个我们团队所做的有关第一阶段和第二阶段的工作。第一个工作就是低空协同物流用无人机。用这一页PPT先简单介绍一个新式运载工具,可以和空中的无人机做协同。我们都知道大部分大城市,居民出行都是依赖公共交通系统,但是公共交通系统我们抱怨非常多。我们有三个大的痛点。第一个它是每站都要停,因为即使只有一位乘客要下车,整辆公交车都要停下来让他下车。另外换乘不便,我们35%的出行要通过换乘实现,那么就有了浪费时间,不确定性会加剧。第三点是资源浪费,晚上需求低谷的时候一辆公交车50个座位,即使线路上只有一个人我们依然需要完成运行。

对于三大痛点我们的合作企业,设计了一个产品,最新的智能网联技术可以让车厢与车厢之间在移动中分离,在移动中交接,这样可以实现车厢和车厢的换乘,解决了不需要站站都停。如果有人想下车把他换到最后一个车厢,车厢之间可以换乘。早上可以四、五辆车相连,提高道路利用效率通行能力,晚上低谷的时候我们只留一辆车。

有了这么一个工具之后,这个工具有很大的硬件方面的挑战,我们已经基本解决。但是运营方面也有很大的挑战,因为以前公交都是固定线路固定车型,以公交线路为单元运作,将来什么都是可变的,这样整个问题复杂度会大大提升。

我们设计了这样一个产品,无人机可以搭乘模块化车辆,比如速度是40公里/小时,无人机可以落到这个车顶。这个产品最大的好处是,比如从清华运一个货到下面这个区域,现在模式是用卡车运中间的大部分距离,而首公里和尾公里用三轮摩托车运输。有了这个产品之后,我们可以先查一下,有没有从第一个区域到最后一个区域,从左上角到右下角的模块化公交车会完成这个出行。如果有的话,我们就用无人机把货物放到模块化车辆的车顶。然后到了那个区域之后再派另外一辆无人机把它抓走。这样无人机实现了首末一公里灵活运输,搭乘模块化车辆实现中间长距离的运输。这是一个极致拼车情况,你的客户在车顶对车没有任何影响。

比如我们想从这个区域运到河对面的区域,中间长距离用社会化车辆运行,第一段和最后一段用无人机运行。我们用了实际物流数据,这是北京三环实际物流数据,粗的虚线是卡车的线路,这是现在的情况。卡车线路转一圈,有五个散货点,每个由三轮摩托车完成最后一公里配送。第二个图是美国无人机加卡车的运送模式,粗色虚线是卡车线路,其他的是无人机送货线路。这是我刚才解释的,大家可以算一下,根据我们的计算,无论是时间上,还是成本上都有优势。时间上优势非常大,成本上有一定的优势。能量消耗也是有优势。因为我们利用了车顶闲散被浪费的资源。更重要的是,我们用社会车辆加上无人机,取代了卡车,我们没有引入新的车辆,这样整个社会车辆数减少3%、4%,车辆数减少、平均车速提高,人的平均出行时间会减少,这样就有社会收益。这是我们在第一阶段物流阶段做的一个工作。

第二个阶段,是eVTOL,不能在地上跑,只能在天上飞。类似的理念,我们用一个圈,这个圈里面的运输是由地面交通到停机坪,停机坪与停机坪之间用空中eVTOL来完成。最后一段由地面完成。我们购买了手机信令数据,美国最大的都会区和最大城市,出行时间基于谷歌和高德数据进行了研究,这是停机坪设计的结果,红线就是从一个停机坪到另外一个停机坪的线路,黑线是首段和尾段的出行线路。我们发觉有几个非常令人意外的观点。如果eVTOL用在城市出行,我们的电池时间不需要很长。即使我们不做电池时间的约束,我们中国城市的平均飞行时间也只有3.2分钟,美国平均飞行时间也只有5.9分钟。如果我们想用城市低空飞行,现在电池能力并没有想象中差距那么大。

第二个,令人意外的观点,我们一直以为在我国是城市非常密集,所以说比较适合把一部分流量放到空中去。而在美国没有那么拥挤,做地空交通效果会差一些。但是飞行汽车在中国会使通行时间平均缩短30%到40%,在美国会缩短更长。为什么有这个结果?因为地面基础设施,假定没有做协同,大家看一下中国,两个区域之间交通量大大减少。但是区域之间,因为建了一个停机坪,吸引了很多流量去停机坪,导致这部分的出行时间大大增长,使得总的出行时间增长。美国本来就有很多富余通行能力。所以短时间内需要调整局部区域地面基础设施。而将来,我们希望有地空两栖的飞行汽车实现门对门的服务,从根本上解决这个问题。

再回到这个路线图,我们并没有发表,只是和大家交流,大家如果有什么想法,我们也希望能持续完善。现在是物流,我们认为技术上没有问题。2025年希望能有像很多白皮书报告中所提到的那样,之后有商业化运行的垂直起降飞行器,但是它是不能在路上跑的。之后是陆空两栖,是为了解决短时间内特定场景的出行能力瞬间提升的需求。因为地面成本还是低很多,最后如果动力不再是一个问题,我们会实现真正的低空立体交通。而地面二维空间用作城市的用途而不是出行交通的需求。

最后做一个广告,我刚刚回来半年,我们团队也在组建,大家想找工作的话可以给我发邮件。

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)

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