南非背景下无人机自动化（UAM）的概念框架

《The Aeronautical Journal》：A conceptual framework for UAM within the South African context

　　**摘要**
城市空中交通（UAM）并非一个新概念，但预计其运营规模将会增加。随着UAM运营的扩张，南非应做好准备以应对这一趋势。目前南非的UAM运营规模有限，因此建立相应的概念框架将有助于识别出规范UAM运营所需的关键因素。本文采用系统文献综述（SLR）方法来构建这一框架，包括检索相关文献、筛选适用内容以及通过主题分析对研究成果进行整合。最终确定的关键词包括立法、空中交通管理、基础设施和安全等方面。在分析过程中也考虑了影响UAM运营的社会经济因素。结果表明，虽然南非的政策立场倾向于支持UAM的发展，但当前的能源危机可能会对电动飞机的应用产生限制。

**1.0 引言**
城市空中交通（UAM）属于先进空中交通（AAM）的子范畴，也是本研究的重点。选择这一主题是基于其已证实的经济价值（参考文献Johnson和Silva1），以及全球范围内对其投入的巨大资源。尽管南非的UAM发展尚处于初期阶段，但在美国、墨西哥和巴西等技术成熟的国家，UAM早已成为成熟的应用方式。例如，Blade公司在美国、墨西哥和巴西提供直升机服务；Voom公司也同样在这些地区开展业务（参考文献Cohen和Shaheen2）。美国国家航空航天局（NASA）预计最初的UAM飞行将由人类飞行员驾驶，并由空中交通管制（ATC）提供保障（参考文献Thipphavong等3）。这类飞行方式类似于现有的目视飞行规则（VFR）操作，即在能见度良好的天气条件下由飞行员操控飞机。然而，一些组织正在研发无需飞行员参与的自主飞行系统（参考文献Thipphavong等3）。Uber公司设想通过小型电动垂直起降（VTOL）飞机网络实现城乡间以及城市内部的快速、可靠交通。因此，在南非背景下明确UAM的运行模式对于制定相应的监管框架至关重要，特别是在这种交通方式逐渐普及的大城市地区，它可被用作通勤、上学或休闲出行的工具。图1展示了载客和货物运输的典型飞行流程。值得注意的是，这种飞行模式可以在不进行燃料补充的情况下重复进行，但在执行监控、警务或医疗救援任务时可能会有所调整。

**2.0 方法**
图2展示了用于构建UAM概念框架的SLR方法流程。Miles和Huberman（参考文献Miles和Huberman6）将概念框架定义为对研究主题、关键因素、构念及它们之间关系的可视化表达。通过SLR，研究人员探讨并评估了UAM运行的相关因素。具体步骤包括：
- 明确研究问题（本例中为制定适用于南非的UAM运营模式）；
- 在电子数据库（如Google、Google Scholar及Sage、SpringerLink、Science Direct等）中搜寻相关文献；
- 使用关键词进行筛选（如“城市空中交通”或“UAM相关立法与规定”等）；
- 分析文献内容，提取关键因素（如空中交通管理、基础设施等）。

在筛选过程中，设置了收录标准（例如：包含关于UAM的信息的出版物，描述UAM运营模式或UTM技术的文章等）。
最终通过主题分析整合这些关键因素，形成适用于南非的具体概念框架。需要注意的是，SLR过程中识别出的挑战和风险基于当前南非的实际情况，这些发现将为后续的UAM监管政策制定提供依据。

**3.0 结果与分析**
通过主题分析得出的关键因素贯穿整个飞行流程（见图1）。飞行前的准备和起飞阶段的关键因素是基础设施与空中交通管理；垂直起降至着陆阶段的关键因素则是空中交通管理和基础设施。UAM运营必须遵守所有阶段的法律法规，并确保安全风险处于可接受范围内。这些关键因素在图4中得到进一步阐述。

**3.1 立法**
各国的政策为UAM发展提供了战略方向，但政策制定往往滞后于技术创新（参考文献11）。在南非，涉及UAM运营的法律法规分布于国家、省份和地方政府等多个层面。地方政府负责制定、更新和执行与土地使用、分区规划和环境影响相关的法规（参考文献Ravich等）。国家航空政策（NCAP）虽然具有积极意义，但仍需根据实际需求进行调整。

**3.1.1 政策**
现有法规为UAM的商业化运营提供了初步要求，通常规定UAM飞行须遵循VFR或IFR规则（参考文献Lowry等15、Levitt等16）。这些法规为乘客运输提供了基础，但可能不足以满足日益复杂的需求。

**3.1.2 规章制度**
现有法规为UAM运营提供了基本规范，但需进一步评估其是否足以应对自动化程度的提升及新型电动/混合动力飞机的挑战。欧盟成员国采用特殊运营风险评估（SORA）工具来管理UAM风险（参考文献18、19）。国际民用航空组织（ICAO）也建议对UAM运行进行分类和管理。该认证类别采用相同的方法来监管载人航空，国际民航组织（ICAO）已经提出了标准和推荐实践（SARPs），以规范这一类别的国际运营[18]。尽管SARPs不适用于开放和特定类别，但ICAO鼓励各国根据实际情况将其应用于国内无人机系统（RPAS）的运营[18]。国家、省级和地方当局之间应明确职责划分，并明确指定主要监管机构。政府各部门需要决定谁来管理无人机航空（UAM）的运行，包括垂直起降机场（vertiports）的安全、安保、隐私以及防止未经授权的进入等问题[参考文献Ravich12、de Barros20]。然而，在南非，SACAA必须负责控制和监管民用航空的安全与安保，这包括无人机航空的运营（《民用航空法》第13号，2009年）。地方政府也是一个重要利益相关者，因为它可以通过分区规划来限制无人机航空飞机的起降地点[参考文献Yedavalli和Cohen21]。在这里，“verti-x”一词被用来替代“vertistop”、“vertiport”和“vertihub”。“Vertistop”是指一种单平台基础设施，无人机航空飞机可以在该平台上接送乘客[参考文献Rajendran22]。“Vertiport”则是一种更大的设施，可以容纳多架无人机航空飞机同时接送乘客，并提供充电、加油和维修服务[参考文献Rajendran22、Polunsky23]。“Vertihub”则是最大的设施，可以夜间停放飞机，并可作为多模式枢纽，将乘客与公共交通和私人车辆连接起来[13]。Vertihub还将提供维护、维修和大修服务[13，参考文献Vancoppernolle24、Schweiger和Preis25]。

3.2 空中交通管理（ATM）：空域类别、容量、高度、空域设计以及空中交通控制是无人机航空运营空中交通管理（ATM）的重要方面。

3.2.1 高度：由于城市地区小型无人机航空运营的增加，预计无人机航空不会在400英尺以下飞行，因为这可能导致空中交通拥堵。此外，无人机航空可以飞行的最低高度还取决于人造物体的高度。南非民用航空法规规定，在拥堵区域内，飞机必须至少在最高障碍物以上1000英尺处飞行（CAR 91.06.32 (b)，2011年）。南非最高的建筑物高度为748英尺[26]，位于一个拥堵区域，这意味着任何飞行都将在1748英尺的高度进行。虽然理论上无人机航空可以在距地面2000英尺的高度飞行，但这没有考虑到高海拔地区平均环境温度升高的影响，这种高温、高湿度和多尘的条件会降低飞机的性能[13]。

3.2.2 空域类别和容量：关于无人机航空应在受控空域还是非受控空域运营，存在不同的观点。其中A类到E类属于受控空域，而F类和G类属于非受控空域[27]。由于无人机航空飞机的性能限制，A类空域通常不适合该类型飞行[参考文献Pathiyil、Low、Soon和Mao28]，也不符合无人机航空的短距离运营特点。在受控空域内运营无人机航空的主要障碍是会增加空中交通管制员的工作负担[参考文献Vascik、Balakrishnan和Hansman29]。如果在B类或C类空域运营，它们需要符合现有的空中交通通信、自动相关监视-广播（ADS-B）和仪表飞行规则（IFR）要求[参考文献Stouffer、Cotton、DeAngelis、Devasirvatham、Irvine、Jennings、Lehmer、Nguyen、Shaver和Bakula30]。另一种建议是在B类、C类和D类空域内划分特定区域，这些区域在地理上相对固定，但会根据交通流量和天气条件动态调整[参考文献Verma、Monheim、Moolchandani、Pradeep、Cheng、Thipphavong、Dulchinos、Arneson、Lauderdale、Bosson和Mueller31]，以及高温高湿条件对飞机性能的不利影响。

3.2.3 空域设计：对于采用结构化还是自由飞行空域设计更适合无人机航空运营，也存在不同的看法。有人认为应通过结构化空域来实现高密度飞行，从而降低空域复杂性和空中交通管制员的工作负担[参考文献Tang、Zhang、Mohmoodian和Charkhgard32]。然而，过度结构化可能会导致性能下降[参考文献de Oliveira、Neto、Matsumoto和Yu33]。空域结构化时需要考虑各种无人机航空运营的需求，例如可能需要一定灵活性的紧急医疗救援任务。空域可以设计成多层结构、不同容量和管状通道，也称为空中走廊[参考文献Pongsakornsathien、Bijjahalli、Gardi、Sabatini和Kistan34–He、He、Li、Zhang和Xiao36]。多层结构包括一系列代表地面交通系统扩展的空中车道[参考文献Pongsakornsathien、Bijjahalli、Gardi、Sabatini和Kistan34]。矩形形状的空中车道带有参考中心线，代表标准的飞行路径[参考文献Pongsakornsathien、Bijjahalli、Gardi、Sabatini和Kistan34]。当将空域划分为不同容量时，这些容量可以根据高度、风险或性能进行划分（Tojal等人，2021年[参考文献Tojal、Hesselink、Fransoy、Ventas、Gordo和Xu35]）。管状通道或空中走廊是预先规划的路线，适用于高流量需求[参考文献He、He、Li、Zhang和Xiao36]。这些路线可以沿着河流、铁路线或其他地理特征设置，以尽量减少对地面的影响[参考文献He、He、Li、Zhang和Xiao36]。

3.2.4 飞行间隔：设定飞行间隔标准的目的是防止飞机与其他飞机或障碍物发生碰撞，并避免尾流涡旋的影响（Vascik，2020）。随着垂直起降（VTOL）飞机类型的增加，可能需要重新评估尾流涡旋的影响，因为这些飞机可能具有不同的特性，导致现有的间隔限制准则不再适用。飞行间隔最小值限制了无人机航空的运营密度，并影响了系统的规模（Vascik，2020）。基本的有四种飞行间隔类型：横向间隔、纵向间隔、垂直间隔和时间间隔[参考文献Ivashchuk和Ostroumov37]。在目视飞行规则（VFR）下，飞行员通过视觉观察和辅助信息（如广播通知、导航图表和接近传感器）来保持间隔。而在仪表飞行规则（IFR）下，B类和C类空域中的飞机需要更大的间隔[参考文献Vascik、Balakrishnan和Hansman29]。间隔最小值取决于通信、导航和监视系统的正常和故障状态[参考文献Levitt、Phojanamongkolkij、Horn和Witzberger16]。对于无人机航空，提出了三种间隔方法：固定间隔、动态间隔和无标准化间隔[参考文献Bauranov和Rakas38]。动态间隔是为每种飞机类型预先确定的距离，而无标准化间隔则通过“视线避开”或技术上的“感知并避开”机制来实现。需要评估现有技术是否适用于无人机航空，并可能需要确定未来无人机航空的技术需求。

3.2.5 飞行规则：仪表飞行规则（IFR）允许飞机使用仪器设备进入空域，使飞行员能够导航并与空中交通管制（ATC）合作[参考文献Wing和Levitt39]。目视飞行规则（VFR）则依赖于飞行员的视觉感知。近年来提出了新的飞行规则，称为数字飞行规则（DFR），它结合了VFR和IFR的优点，可以在视觉气象条件（VMC）和仪器气象条件（IMC）下使用，从而提高运营灵活性[参考文献Wing和Levitt39]。DFR通过数字化技术和自动信息交换实现，使飞行员能够自行保持间隔[参考文献Wing、Lacher、Ryan、Cotton、Stilwell、Maris和Vajda40]。其中一些规则尚未制定或仍在开发中，而其他规则则需要重新评估，以考虑无人机航空的性能对飞行安全的影响。

3.2.6 空中交通控制：空中交通控制的目的是防止飞机间或飞机与障碍物之间的碰撞，并促进空中交通的有序流动（《民用航空法》第1部分，2011年）。目前，在没有空中交通管制的情况下，飞机运营遵循“视线避开”原则[参考文献Vascik、Balakrishnan和Hansman29]。这使得在VFR下飞行的飞机之间的间距远小于ATC规定的标准雷达间隔[参考文献Vascik、Balakrishnan和Hansman29]。在圣保罗，空中出行服务面临着空中交通管制的关键挑战[参考文献Stouffer、Cotton、DeAngelis、Devasirvatham、Irvine、Jennings、Lehmer、Nguyen、Shaver和Bakula30]：
- 雷达难以跟踪低空飞机；
- 需要通过VHF与大量低空城市飞机进行通信；
- 难以通过1,090 MHz频段的ADS-B识别飞机。
为减轻空中交通管制员的工作负担，提出了以下方法[参考文献Vascik5]：
- 制定标准飞行路径；
- 使用数据链通信；
- 允许飞行员通过视觉进行自我间隔。
多项研究表明，直升机在机场和拥堵空域的运行需要开发适用于3000英尺以下空域的自动化空中交通控制系统[参考文献Vascik5]。

3.2.7 空域整合：已经提出了多种空域整合策略和概念，包括[参考文献Vascik5、Lascara、Spencer、DeGarmo、Lacher、Maroney和Guterres41、Maia42；Vascik，2020]：
- 适用于VFR的检测和避让系统；
- 与自由飞行和动态走廊兼容的交通管理；
- 排除空气交通管制——无人机航空仅在非受控空域运行；
- 完全隔离——无人机航空在其指定空域内运行，不与其他空域用户互动；
- 静态整合——无人机航空可以在不受当前空域程序影响的空域内运行；
- 动态整合——无人机航空可以在不依赖于当前机场程序的空域内运行。
完全排除空中交通管制似乎不太现实，因为这意味着无人机航空将无法从繁忙或中等规模的机场起飞降落，从而限制其服务范围。此外，如果城市区域内存在受控空域，除非重新设计空域，否则无人机航空将无法运行。空域整合对无人机航空的成功至关重要，需要考虑的因素包括空域类别、飞行规则、间隔和空中交通控制。动态的空域整合方法可能更有利于无人机航空的运营，因为在这种框架下限制更加容易管理。上述空域整合策略和概念可能对无人机航空有利，也可能对其产生限制。

3.2.8 无人机系统与无人机交通管理：无人机交通管理（UTM）的目的是为无人机系统（UAS）提供交通管理服务，包括飞行许可、飞行监控以及对500英尺及以下高度的飞行禁令设置[参考文献Kim、Cho和Jeon43]。虽然UTM的主要目的是为无人机提供服务，但也可以考虑将其适应于无人机航空的运营。或许可以从UTM中获取一些好处。

3.2.9 无人机航空空中交通管理提案：预计在B类、C类或D类空域运行的无人机航空不需要传统航空导航服务提供商提供的空中交通管制服务。相反，这些飞机可以使用第三方提供的服务[参考文献Verma、Monheim、Moolchandani、Pradeep、Cheng、Thipphavong、Dulchinos、Arneson、Lauderdale、Bosson和Mueller31]。将无人机航空运营与传统航班分离的优势在于可以减轻空中交通管制带来的规模限制[参考文献Vascik5]。预计无人机航空将有一个城市空域服务提供商（UASP），与空中交通管理系统（ATM）、无人机服务供应商（USSs）和无人机交通管理（UATM）的利益相关者进行协作[参考文献Campello44]。其他研究人员将这些无人机系统（UASPs）称为无人机航空（UAM）的服务提供者（PSU），它们提供飞行规划与授权、需求容量平衡、冲突检测、监控和分离服务等 [参考文献 Patterson, Isaacson, Mendonca, Neogi, Goodrich, Metcalfe, Bastedo, Metts, Hill, DeCarme 和 Griffin14]。关于UAM交通管理的共同点在于存在专门的UAM空中交通管制（ATC）服务提供者，以及各利益相关者之间持续的信息流动与交换。然而，文献中的思考可能受到传统运营模式的限制，可能不完全适用于未来的UAM运营。南非民航管理局（SACAA）的职责是控制和规范民用航空的安全与保障，而空中交通与导航服务（ATNS）则必须根据1993年的《ATNS公司法案》第45条来获取、建立、发展、提供、维护、管理或运营相关基础设施与服务。不过，UAM运营的增加为私营运营商提供了提供空中交通服务的机会，这些私营运营商将受到SACAA的监管，服务提供的标准在《民用航空法规》中有明确规定。

3.3 基础设施
3.3.1 中心导航系统（CNS）基础设施
UAM需要在未隔离的空域内运行，因此需要高性能的通信、导航和监控（CNS）基础设施 [参考文献 Pongsakornsathien, Bijjahalli, Gardi, Sabatini 和 Kistan34]。但是，如果UAM在低空飞行，可能会对CNS系统造成负担 [参考文献 Vascik, Balakrishnan 和 Hansman29]。低空飞行在山区和城市中可能会遇到障碍物，这些障碍物会由于系统的视线限制而影响监控范围 [参考文献 Vascik, Balakrishnan 和 Hansman29]。已经提出了UAM系统架构方案，其中通信通过数据链进行，导航利用全球导航卫星系统（GNSS）或惯性导航系统（INS），而ADS-B则负责监控 [参考文献 Pongsakornsathien, Bijjahalli, Gardi, Sabatini 和 Kistan34]。

3.3.2 通信
商业飞机的飞行高度使用的是非常高频的数字链路（VDL），而VDL主要受限于视线范围 [参考文献 Vascik, Balakrishnan 和 Hansman29]。但是，UAM飞机可能无法与商业飞机在相同的高度飞行，因此如果UAM飞得较低，VDL可能会受到影响。在移动网络上的测试表明，4G网络可以覆盖300米以下的高度，5G网络可以支持高达1000米的高度 [参考文献 Bauranov 和 Rakas38]。然而，使用蜂窝网络存在一些挑战，包括对航空系统的高可用性要求、来自蜂窝基础设施的完整性问题、延迟以及功耗和安全问题 [参考文献 Vascik, Balakrishnan 和 Hansman29, 参考文献 Bauranov 和 Rakas38]。尽管移动网络存在缺点，但在迪拜和新加坡，Volocopter已经展示了其5G支持的电动垂直起降（eVTOL）能够绕过障碍物并快速下载飞行数据的能力 [参考文献 Campello44]。

3.3.3 导航
国际民航组织（ICAO）已将GNSS视为所有CNS/ATM系统的关键组成部分 [参考文献 Pongsakornsathien, Bijjahalli, Gardi, Sabatini 和 Kistan34]，尽管它存在一些脆弱性，例如局部干扰、太阳耀斑干扰和遮挡结构 [参考文献 Pathiyil, Low, Soon 和 Mao28, 参考文献 Stouffer, Cotton, DeAngelis, Devasirvatham, Irvine, Jennings, Lehmer, Nguyen, Shaver 和 Bakula30, 参考文献 Pongsakornsathien, Bijjahalli, Gardi, Sabatini 和 Kistan34]。基于性能的导航（PBN）可以在UAM导航中得到研究，因为它通过允许更紧密的航线间距、更直接的航线以及更接近障碍物的操作来提高空域容量 [参考文献 Vascik, Balakrishnan 和 Hansman29, 参考文献 Vascik 和 Hansman45]（Vascik 和 Hansman, 2018）。然而，PBN飞机装备的成本较高，包括所需地面基础设施的开发 [参考文献 Vascik, Balakrishnan 和 Hansman29]。

3.3.4 监控
由于传统雷达不足，建议使用ADS-B来监控低空UAM运营 [参考文献 Bauranov 和 Rakas38]。但是，ADS-B容易受到干扰、信号插入或删除的影响，而且在低空飞行时可能存在饱和限制 [参考文献 Vascik, Balakrishnan 和 Hansman29, 参考文献 Bauranov 和 Rakas38]。此外，高密度机场下ADS-B可能会因超负荷而变得不堪重负 [参考文献 Stouffer, Cotton, DeAngelis, Devasirvatham, Irvine, Jennings, Lehmer, Nguyen, Shaver 和 Bakula30]。

3.3.5 机场和直升机停机坪
现有的机场和直升机停机坪可以用于UAM运营，同时也可以建设新的垂直起飞降落（Verti-x）设施以适应UAM的发展 [13, 参考文献 Yedavalli 和 Cohen21, 参考文献 Koumoutsidi, Pagoni 和 Polydoropoulou46]。此外，还有提议重新利用现有的屋顶停机坪、浮动驳船、高速公路的环形交叉路口以及未使用的停车场顶层，因为它们在城市运营中具有地理位置优势 [参考文献 Straubinger, Rothfeld, Shamiyeh, Büchter, Kaiser 和 Pl?tner17, 参考文献 Rajendran 和 Srinivas47–参考文献 Takacs 和 Haidegger50]。

3.3.6 垂直起飞降落（Verti-x）
美国联邦航空管理局（FAA）制定了工程设计指南（EB），为垂直起降点（Vertiports）和垂直着陆点（Vertistops）的设计提供指导，包括对现有直升机和飞机着陆设施的改造 [51]。直升机停机坪和直升机场是基于单旋翼、串联（前后）或双旋翼（并排）直升机设计的 [51]。EB的设计指南基于使用电动机和分布式电动推进系统的VTOL飞机。尽管传统直升机和VTOL飞机之间存在相似之处，但设计上的差异是明显的。因此，现有的直升机停机坪和直升机停机坪可能在当前状态下不适合VTOL运营。

3.3.7 垂直起飞降落点的位置
垂直起飞降落点的位置受到多种因素影响，例如靠近受控机场、禁飞区、特殊用途空域或敏感飞行区域（如学校和教堂上方）[参考文献 Mendonca, Murphy, Patterson, Alexander, Juarex 和 Harper52]。这些空域限制会影响进近路径、 departure corridors 或等待区的大小和/或位置，从而可能减少垂直起飞降落点的运营数量 [参考文献 Mendonca, Murphy, Patterson, Alexander, Juarex 和 Harper52, 参考文献 Schweiger, Knabe 和 Korn53]。垂直起飞降落点的位置需要靠近需求区域，并且必须支持高吞吐量的运营以提供有竞争力的服务 [参考文献 Yedavalli 和 Cohen21, 参考文献 Vascik, Cho, Bulusu 和 Polishchuk54, 参考文献 Sinha 和 Rajendran55]。此外，这些地点的进近和 departure paths 必须无障碍 [参考文献 Vascik, Cho, Bulusu 和 Polishchuk54]。分区规划和土地使用规定将对垂直起飞降落点的位置产生重要影响，因为可能需要特定的分区来储存燃料，或者当地的土地使用计划可能会有优先考虑 [参考文献 Mendonca, Murphy, Patterson, Alexander, Juarex 和 Harper52, 参考文献 Mueller, Kopardekar 和 Goodrich56]。当地政府需要批准垂直起步降点的位置。

3.3.8 充电/加油站
垂直起飞降落点和垂直枢纽的位置对于电动飞机的充电站很重要。这些地点需要稳定的能源供应，同时对电网的需求很大。需要注意的是，城市中的能源分布并不均匀 [13]。因此，必须了解这些电动飞机的能源需求，以确定它们对电网的影响 [13]。这可能需要额外的发电和储能系统 [参考文献 Patterson, Isaacson, Mendonca, Neogi, Goodrich, Metcalfe, Bastedo, Metts, Hill, DeCarme 和 Griffin14]。有两种飞机能源补充方案：电池更换和快速充电 [13]。电池更换是移除耗尽的电池并更换为已充电的电池，而快速充电则是快速为电池充电 [13]。大多数直升机停机坪不支持加油 [13]，如果将直升机停机坪转换为垂直起飞降落点，则需要额外的空间来建设加油和充电设施。

3.4 安全
南非民航法规（SACAR）第1部分将安全定义为“一系列旨在防止非法干扰行为的措施及人力资源和物质资源的组合”。ICAO将非法干扰行为定义为：
- 非法劫持飞机（飞行/地面）
- 绑架人质
- 强行侵入
- 持枪犯罪意图的武器引入
- 传播虚假信息

ICAO为缔约国制定的对策包括立法、技术和物理层面的措施。其中一项建议是建立和实施书面的国家民用航空安全计划，以保护民用航空运营免受非法干扰。作为缔约国之一，南非遵守了这些规定。运输部（DoT）负责制定国家航空安全计划（NASP），该计划明确了运输部与SACAA之间的责任划分。该计划概述了所有负责民用航空安全机构之间的沟通方式、预防危及民用航空安全的事件的措施，以及机场管理和航空公司参与全面规划的情况。参与者还需要拥有航空安全计划，这些参与者包括指定机场的运营商、ATNS、任何航空公司以及部长指定的其他航空参与者 [59]。

3.4.1 网络安全
由于专门知识有限，网络安全被认为是最具挑战性的安全领域之一 [参考文献 Mendonca, Murphy, Patterson, Alexander, Juarex 和 Harper52]。需要保护的网络相关要素包括“电子存储的数据、收集或生成数据的传感器和网络，以及运行这些系统、提供数据访问或验证安全系统正常运行的软件” [参考文献 Mendonca, Murphy, Patterson, Alexander, Juarex 和 Harper52]。Weiland等人 [参考文献 Weiland, Law 和 Sunjka60] 建议采用全社会模型来应对网络安全问题，因为人类的因素通常是其中的薄弱环节，但考虑人类因素可以帮助构建更具弹性的系统以应对安全漏洞。UAM空中交通管制网络应采用传统空中交通管制的安保原则，因为这些原则更为健全且网络安全 [参考文献 Campello44]。Cohen等人 [参考文献 Cohen, Guan, Beamer, Dittoe 和 Mokhtarimousavi61] 提出了包括认证、授权和记账（AAA）在内的访问控制措施 [参考文献 Campello44]。国家标准与技术研究院（NIST）提供了降低组织网络风险的指导方针，包括识别、检测、响应和恢复 [参考文献 Levitt, Phojanamongkolkij, Horn 和 Witzberger16]。

3.4.2 个人安全
已经提出了对UAM运营中的乘客进行电子安全检查和有效载荷检测的提议 [参考文献 Mathur, Panesar, Kim, Atkins 和 Sarter62]，以及限制进入垂直起飞降落点某些区域 [参考文献 Mendonca, Murphy, Patterson, Alexander, Juarex 和 Harper52]。可以实施的一些提高个人安全的策略包括生物识别技术、乘客评分系统和旅行者管理系统 [参考文献 Cohen, Shaheen 和 Farrar63]。个人安全问题包括飞机劫持和对乘客的暴力行为，特别是对于远程驾驶的飞机 [参考文献 Cohen, Shaheen 和 Farrar63]，因为这会危及飞行安全 [参考文献 Mathur, Panesar, Kim, Atkins 和 Sarter62]。SACAR仅要求机场拥有安全计划，而不要求直升机停机坪或直升机码头必须拥有安全计划。垂直起飞降落点可能不需要安全计划，甚至可能不需要进行安全检查或有效载荷检测。随着UAM运营的初期增加，可能需要评估安全风险，以确定适当的方法来确保乘客不会面临安全风险。

3.4.3 垂直起飞降落点的安全
垂直起飞降落点和垂直枢纽可能配备维修和保养设施。这些设施可能会带来安全风险，因为攻击者可能会篡改机载数据和代码，或安装额外组件以在未来发起攻击 [参考文献 Maxa, Blaize 和 Longuy64]。此类事件可能在维护、存储和运营过程中发生 [参考文献 Maxa, Blaize 和 Longuy64]。垂直起飞降落点和垂直枢纽必须具备足够的安保措施，以确保入侵者无法进入未经授权的区域。如果将直升机停机坪转换为垂直起飞降落点，则需要安装安检设施 [13]。

4.0 南非的背景
White和Wade [参考文献 White 和 Wade65] 将发展中国家定义为发展较晚的国家。联合国[66]将发展型国家定义为“政府深度参与宏观和微观经济规划以促进经济增长的国家”，并且“在努力利用资源提高人民生活水平的国家”。南非则将其定义为“通过积极、深入和有效的干预经济或社会欠发达的结构性原因，来实现国家经济和/或社会条件的快速、可持续转型的国家”[67]。发展型国家的基本理念是在促进经济增长的同时改善社会条件。这正是南非的目标，因为它希望消除过去的不公正现象。然而，政策实施的失败以及缺乏广泛的合作伙伴关系是进展缓慢的部分原因[67]。该国面临的九个主要挑战包括高失业率、基础设施不足且位置不佳、空间分隔、教育质量波动大（主要影响到以前的弱势群体）以及公共卫生系统问题[67]。作为发展中国家，南非制定了国家发展计划（NDP）来应对这些主要挑战。尽管NDP制定于2012年，但其中许多问题仍然存在。南非可能已经有一些支持无人驾驶航空（UAM）的政策，但基础设施不足、位置不佳以及政策实施不力的问题可能会影响UAM运营的发展。以下将在南非背景下讨论这些关键因素，以评估UAM在该国的可行性。

4.1 立法
在立法方面，《国家民用航空政策》（NCAP）白皮书规定了一个整合的空中交通管理系统（ATM），其中包含有利于UAM运行的系统组件。该白皮书提出的概念包括建立一个能够容纳不同类型航空活动、交通流量和服务水平的空域，并提供所需的地面基础设施。NCAP指出，机场尚未与周围环境形成有效的整合。文件认为，负责土地使用开发、空间规划和机场周边地方经济规划的部门应该协助将机场融入环境，以支持其发展及有效运营[68]。该政策具有前瞻性，并表明将支持UAM的采用。然而，住宅和轻型工业项目的侵占已成为南非面临的问题[参考Robinson, Mearns和McKay 69]。土地使用管理部门和地方政府在不知情的情况下批准了企业靠近机场的项目[参考Robinson, Mearns和McKay 69]。这种政府部门之间的缺乏合作与协调以及政策执行不力可能会阻碍综合垂直交通网络（verti-x network）的发展和实施。

4.2 航空交通管理
南非正在改变将空域纯粹划分为民用或军用的做法，而是考虑根据用户需求进行分配[70]。任何必要的空域划分都是临时性的，基于特定时期的实际使用情况。这意味着UAM运营可以与传统航空运营相结合，而不必完全隔离，并且南非可以采用动态的空域管理方法。灵活使用空域（FUA）是指在空域内没有现有航空活动时，将其用于其他航空用途[71]。FUA允许根据用户需求分配空域，因为空域设计正逐渐摆脱纯粹的民用或军事用途[72]。FUA有助于提高空域容量和利用率[72]。南非的UAM运营商可以申请FUA资格，如果获得批准，他们就可以在指定的空域内开展运营。当UAM在受控空域内运行时，运营商必须保持与空中交通管制（ATC）的无线电联系，以便随时接收和执行指令。

4.3 南非的地面交通管理系统（UTM）规划
交通部发布的NCAP白皮书规定了一个整合的空中交通管理系统（ATM），其中包含有利于UAM运行的系统组件。虽然南非的UAM相关法规已于2015年颁布[参考Msimango和Sher 73]，但目前空域和ATM系统尚未作出相应调整[71]。根据SACAR第101部分的规定，UAM运营通常只能在400英尺以下进行，除非得到民航局局长的授权才能在更高高度飞行。根据国际民航组织（ICAO）的指导，南非应开发独立的UTM系统，但需确保UTM与ATM相辅相成[71]。UTM应能与现有的ATM系统、ATC框架、硬件及全球标准实现互操作[71]。尽管NCAP支持创新，但UAM运营可能会出现特定需求，可能需要修订NCAP来满足这些需求。由于南非的政策和立法过程至少需要两年时间[参考Msimango和Sher 73]，这可能会成为新技术实施的障碍。初期，南非的UAM运营商可能会依据SACAR第135部分进行运营，因为任何获得民航局局长授权的飞机都可以依据该部分运行。预计非型式认证飞机（NTCA）将不会用于UAM运营，因为SACAR第96部分禁止NTCA提供商业航空运输服务。

4.4 基础设施
南非已经建立了航空交通服务（ATS）和航空导航服务（ANS），以确保南非空域内的航空活动有序、高效、安全和可靠。ATS包括飞行信息服务、警报服务、航空交通咨询服务和/或ATC服务[68]；ANS则涉及提供和维护航空导航基础设施和设施，如雷达、无线电导航信标和通信基础设施[68]。南非致力于提供可持续和可行的ATS和ANS服务，但这些服务的成本应由用户承担。由于政府目前更注重政策和战略制定，ATS和ANS的提供可以由现有服务提供商或新的服务提供商来完成，后者将受到SACAA的监管[74]。为了增强国内和国际空域监控能力，ATS还需要与外国公司合作[74]。这种合作伙伴关系使南非感到依赖外来监管基础设施，存在安全隐患。由于电力短缺、天然气供应紧张及全球碳税的影响，南非面临能源危机[75]。UAM的实施可能每天需要超过50兆瓦时的额外电力，而现有电网系统无法应对这种增长的需求[参考Kopardekar 76]。在像南非这样无法满足公民基本电力需求的国度，引入电动飞行器只会给本已紧张的电网带来更大压力。图5显示了为防止系统崩溃而采取的限电措施及其持续时间，预计这种情况将在短期内持续存在。因此，南非目前似乎还没有准备好迎接电动垂直起降（VTOL）技术，因为它需要先解决能源危机。这一能源危机进一步凸显了该国基础设施的不足。然而，基础设施对UAM运营至关重要[参考Pons-Prats, ?ivojinovi?和Kuljanin 77]，这一点在设计阶段已被考虑[参考Johnson和Silva 1]。图5还强调了起飞和降落区域的位置和规模以及UAM地面基础设施与现有交通系统的协调性。

4.5 安全
南非的《民用航空法规》[57]要求机场、运营商、航空交通和导航服务提供商制定网络安全测试、应对措施、事件分析和报告的程序。

4.6 社会经济因素
社会经济因素在南非背景下至关重要，因为它们对UAM的发展具有重要影响。增加UAM运营需要考虑到社会复杂性和各种利益冲突。采用软系统方法（soft systems approach）有助于从多个角度出发，理解各因素之间的相互關系和依赖性[参考Checkland和Poulter 79]。高失业率、贫困、社会不平等和公共服务不足等社会经济问题将影响UAM的发展，因为南非的优先事项是推动包容性增长和创造就业机会、减少贫困以及构建一个有能力和道德的高水平发展中国家[参考Lukani 81]。尽管南非支持UAM运营，但政府可能会优先解决社会经济问题，而非投资UAM所需的基础设施。此外，迫在眉睫的天然气供应危机将对社会经济和就业产生重大影响，危及关键产业[参考Yelland 82]。因此，南非的UAM发展可能会比较缓慢，或者主要由私营部门推动。确保UAM运营模式适合南非的实际情况至关重要。最初采用UAM运营的城市地区可能是高收入地区。另一个需要考虑的问题是“不要在我家后院”（Not In My Backyard, NIMBY）现象，即居民可能反对UAM带来的隐私侵犯或噪音问题。然而，这将是未来需要进一步研究的问题。

4.7 概念框架
通过开展系统性文献回顾（SLR）确定的上述关键因素被用来制定初步的概念框架（参见图6）。该框架明确了南非背景下UAM的关键要素和概念，包括南非的总体情况、立法、空中交通管理、基础设施和安全。UAM运营必须符合南非的法律和法规，并能在合适的基础设施支持下安全高效地运行。随着UAM运营的增加，安全风险应降至可接受的水平。这些主题进一步细分为多个子主题，图6中的箭头展示了各主题之间的相互作用。南非是一个致力于经济发展和社会条件改善的发展型国家。尽管该国拥有具有前瞻性的政策，但由于政策执行不力，这些政策可能无法转化为实际行动。现有法规虽然涵盖了有限的UAM运营范围，但随着UAM的发展，这些法规需要修订。UAM运营必须遵守国家法律、法规和细则。NCAP支持创新，相关细则可能需要调整以适应新的发展需求。ATC、空域设计、空域分类和高度等因素都会影响空中交通管理[图6所示]。为了使UAM运营成为可能，正在开发的飞机必须能够在为城市环境设计的空域内飞行。这种空域利用FUA概念，有助于提高空域容量和利用率[72]。飞行高度、间隔和空中交通控制是南非背景下需要确立的关键概念。除了空中交通管理之外，所需的基础设施还包括中枢神经系统（CNS）基础设施、垂直起降（vertical-hop）设施以及充电或加油站，这些设施在无人机航空（UAM）运营中起着关键作用，并且会对空中交通管理系统（ATM系统）产生影响，如图6所示。然而，在像南非这样的发展中国家，如果基础设施不足或位置不佳，可能会对UAM运营产生重大影响。能源危机是一个令人担忧的问题，因为该国难以为其公民提供基本生活所需的电力；引入电动飞机只会给本已紧张的电网带来更多压力。这些运营必须保持安全，防止网络攻击和其他对航空运营和个人安全的威胁。在UAM运营中，安全性至关重要，因为必须将空中交通管理系统、航空运营和基础设施的风险控制在可接受的范围内，以确保非法干预行为得到遏制。如图6所示，安全性对空中交通管理系统和基础设施都有影响。在南非背景下制定UAM运营概念时不能忽视这一因素，因为南非是一个面临能源危机且基础设施不足、位置不佳的发展中经济体。该国的首要任务是消除贫困和失业。这个初步的概念框架将用于研究的下一阶段，用于起草半结构化的访谈问题，以了解南非UAM运营的现状和面临的挑战。

5.0 结论

通过案例研究（SLR）发现了与UAM相关的关键因素，包括法律法规、空中交通管理系统、基础设施和安全性。这些关键因素被用来构建一个概念框架。在制定适用于南非背景的UAM运营方案时，需要充分考虑到这些因素。UAM运营流量应该通过适当的基础设施得到安全、高效的管理。随着UAM运营规模的扩大，安全风险也应被降至可接受的水平。作为发展中国家，南非面临着高失业率、贫困、社会不平等以及公共服务不足等社会经济问题[80]，这些因素将影响UAM运营的发展，因此在制定UAM运营方案时不能忽视这些问题。此外，南非的能源危机也阻碍了电动飞机的使用，这意味着需要考虑其他合适的飞行器替代方案。不过，南非的政策动向表明，UAM运营将得到支持。这个概念框架对于制定适合南非国情的运营方案至关重要。该框架将在研究的下一阶段被用于评估南非UAM运营的现状。

**竞合利益**
我的博士研究由南非民用航空局（South African Civil Aviation Authority）资助。