Like Uber or Like Buses? Economic Feasibility Analysis of UAM for Airport Access

Resumo Técnico: Análise de Viabilidade Econômica de UAM para Acesso a Aeroportos

Definição do Problema
O artigo aborda o paradigma operacional e a viabilidade econômica da Mobilidade Aérea Urbana (UAM) especificamente para o acesso a aeroportos. Uma incerteza central permanece sobre se a UAM funcionará como um serviço de trânsito programado convencional (preços fixos, horários fixos) ou como um modelo de Empresa de Rede de Transporte (TNC), caracterizado pelo ajuste dinâmico de oferta-demanda e preços variáveis. Os autores postulam que a escolha do paradigma impacta significamente as decisões regulatórias, o gerenciamento de tráfego e a viabilidade econômica. O desafio central é avaliar sistematicamente a viabilidade econômica da UAM ao otimizar simultaneamente o preço (receita) e o escalonamento da frota (custo), uma lacuna identificada na literatura existente onde esses fatores são frequentemente tratados separadamente.

Metodologia
Os autores propõem uma estrutura de otimização de dois estágios para analisar o mercado de acesso ao aeroporto LAX:

1. Estágio 1: Problema de Preço Variável de Oferta-Demanda Conjunta

   • Objetivo: Determinar a tarifa maximizadora de lucro e a participação de mercado para a UAM, garantindo que a capacidade da frota possa satisfazer a demanda resultante.
   • Modelo: O problema é formulado como um modelo logit binário onde os passageiros escolhem entre UAM e TNCs com base no tempo de viagem e na tarifa. A função de utilidade incorpora as vantagens de tempo de viagem e o valor do tempo.
   • Acoplamento: O modelo acopla o preço com o escalonamento da frota. O tempo de viagem é tratado como uma variável de decisão dependente do número de voos programados e dos tempos de espera nos vertiportos (modelados via formulação de fluxo de rede).
   • Otimização: O objetivo maximiza a diferença entre receita e custos operacionais (incluindo receita e voos de reposicionamento), resolvendo para tarifas ótimas ($r_i$) e participações de mercado ($\theta_i$) através de pares de origem-destino (OD) espaço-temporais.

2. Estágio 2: Problema de Roteamento de Veículo de Mobilidade Aérea Urbana Elétrico com Tempo de Carregamento Não Linear (eUAMVRP-NL)

   • Entrada: As taxas de chegada de passageiros e as tarifas derivadas do Estágio 1.
   • Objetivo: Gerar cronogramas de voo detalhados e viáveis para uma frota homogênea, incluindo voos de receita, voos de reposicionamento e cronogramas de carregamento.
   • Características Principais: O modelo considera as características não lineares de carregamento da bateria (onde a velocidade de carregamento diminui conforme o Estado de Carga aumenta) e permite o carregamento antes e depois dos voos de reposicionamento para otimizar o tempo.
   • Saída: Métricas operacionais como fatores de ocupação, horas de aeronave, milhas voadas e requisitos de infraestrutura implícitos (número de carregadores e plataformas de vertiporto). Essas métricas são usadas para calcular o Capital Expenditure (CapEx) e o Operating Expenditure (OPEX).

Configuração do Estudo de Caso
A estrutura é aplicada a uma rede em forma de estrela de oito raios centrada no Aeroporto Internacional de Los Angeles (LAX), conectando-se a grandes áreas metropolitanas (ex: Downtown LA, Hollywood, Anaheim). O estudo utiliza:

• Dados de Demanda: Derivados de Pesquisas de Passageiros da LAWA de 2019 e estatísticas de uso de TNC.
• Tempos de Viagem: Tempos de viagem terrestre (TNC) são obtidos via Google Maps API, enquanto os tempos de voo da UAM são simulados usando Vertisim.
• Parâmetros de Custo: Inclui energia, piloto, manutenção, seguro, substituição de bateria e custos de operação de vertiporto, com atenção específica aos modelos de carregamento não lineares baseados em dados de bateria do Lucid Air.

Principais Resultados

• Superioridade do Preço Variável: O estudo descobre que uma política de preço variável (tipo TNC) aumenta os lucros operacionais diários em 137,4% em comparação com um esquema de preço fixo ($3/milha). Os lucros sobem de ~$51.700 para ~$122.700 por dia para uma frota de 30 aeronaves.
• Dinâmica de Receita vs. Custo: O aumento do lucro é impulsionado por um aumento de 50% na receita e uma diminuição de 15% no Custo por Assento-Milha Disponível (CASM).
• Economias de Comprimento de Trecho: O preço variável desloca a demanda para pares de OD mais longos (ex: Anaheim). Voos mais longos permitem que as aeronaves passem mais tempo em fases de cruzeiro eficientes e menos tempo em operações de transição/solo, reduzindo significamente a energia e os custos de piloto por milha.
• Métricas Operacionais: Sob preço variável, a frota atende menos passageiros (2.797 vs. 3.837), mas gera maior receita por hora de aeronave ($560 vs. $344). O fator de ocupação diminui (67,1% vs. 80,0%), indicando uma mudança para rotas mais longas e de maior rendimento em vez de maximizar o volume.
• Dimensionamento da Frota: A Taxa Interna de Retorno (IRR) atinge o pico com um tamanho de frota de 50 aeronaves. Embora frotas maiores aumentem o lucro total, elas enfrentam retornos decrescentes devido ao aumento do CapEx para vertiportos maiores.
• Viabilidade Financeira: O preço variável reduz o período de payback descontado dos custos de capital de 5 anos para 3 anos.

Significância e Alegações
O artigo afirma que os operadores de UAM no mercado de acesso a aeroportos estão melhor posicionados para ter sucesso adotando estratégias de gestão do tipo TNC em vez de modelos de trânsito tradicionais. A capacidade de ajustar dinamicamente os preços para capturar o valor das vantagens de tempo de viagem é crítica para a lucratividade. Os autores afirmam que as "economias de comprimento de trecho" observadas na aviação aplicam-se à UAM, onde voos mais longos geram menores custos unitários. Além disso, o estudo demonstra que uma estrutura de dois estágios integrando preço e escalonamento é necessária para avaliar com precisão a viabilidade econômica, pois modelos de preço fixo podem subestimar os lucros potenciais e alocar mal os recursos da frota. Os autores concluem que o mercado de acesso a aeroportos é uma aplicação promissora de estágio inicial para a UAM, desde que os operadores possam aproveitar o preço dinâmico e o escalonamento eficiente da frota para gerenciar os compromissos entre as vantagens de tempo de viagem e os custos operacionais.