Vertiport locations for urban air mobility services: an optimization model with a case study

In recent decades, the world’s urban population has grown from approximately 750 million in 1950 to 4.2 billion in 2018, a trend that is expected to continue. As cities expand, so does the demand for urban mobility, exacerbating challenges such as traffic congestion and pollutant emissions. To address these issues, Urban Air Mobility (UAM) services have emerged as innovative transportation solutions, offering fast, efficient and environmental-friendly aerial connections. Despite leveraging the so-called “third dimension” (i.e., airspace) for urban mobility, these services still depend on physical ground infrastructure, specifically vertiports, which serve as dedicated hubs for eVTOL take-offs and landings. Their strategic placement is essential for maximizing passenger demand and ensuring the long-term viability of UAM operations from a business perspective. This thesis examines the problem of vertiport location by proposing an optimization framework based on demand-supply interactions through a multinomial logit model simulating mode choice. The framework simultaneously determines the optimal number and placement of vertiports within a given study area. To validate this approach, the method is applied to a real-world case study: the Lombardy Region in Italy. The results indicate that while UAM passenger demand initially grows rapidly with the expansion of the vertiport network, the rate of increase gradually slows as more vertiports are added. Eventually, demand stabilizes, meaning that the marginal demand for additional vertiports approaches zero. This method can assist public and private transport planners in identifying the "vertiport saturation point", the threshold beyond which further investment in new vertiports is no longer financially justifiable, as the additional increase in UAM passenger demand does not offset the investment costs.

Negli ultimi decenni, la popolazione urbana mondiale è cresciuta da circa 750 milioni nel 1950 a 4,2 miliardi nel 2018, tendenza che si prevede continuerà. Con l’espansione delle città cresce anche la domanda di mobilità urbana, peggiorando sfide come la congestione del traffico e le emissioni di gas inquinanti. Per affrontare questi problemi, i servizi di Mobilità Aerea Urbana (UAM) sono emersi come soluzioni di trasporto innovative, offrendo connessioni aeree veloci, efficienti e a basso impatto ambientale. Nonostante sfruttino la cosiddetta "terza dimensione" (cioè lo spazio aereo) per la mobilità urbana, questi servizi dipendono ancora da un’infrastruttura fisica a terra, in particolare dai vertiporti, utili alle operazioni di decollo e atterraggio degli eVTOL. La loro collocazione strategica è essenziale per massimizzare la domanda di passeggeri e garantire la fattibilità a lungo termine delle operazioni UAM dal punto di vista economico. Questa tesi esamina il problema della localizzazione dei vertiporti proponendo un framework di ottimizzazione basato sulle interazioni domanda-offerta attraverso un modello logit multinomiale che simula la scelta del mezzo di trasporto. Il framework determina contemporaneamente il numero e la collocazione ottimali dei vertiporti all’interno di una determinata area di studio. Per convalidare questo approccio, il metodo viene applicato ad un caso di studio del mondo reale: la Regione Lombardia in Italia. I risultati indicano che, mentre la domanda di passeggeri per UAM cresce inizialmente in modo rapido con l’espansione della rete di vertiporti, il tasso di crescita rallenta gradualmente man mano che ne vengono aggiunti di nuovi. Alla fine, la domanda si stabilizza, il che significa che la domanda marginale per nuovi vertiporti si avvicina a zero. Questo metodo può aiutare i pianificatori dei trasporti pubblici e privati a identificare il "punto di saturazione dei vertiporti", la soglia oltre la quale ulteriori investimenti in nuovi vertiporti non sono più giustificabili dal punto di vista finanziario, poiché l’aumento ulteriore della domanda di passeggeri UAM non compensa i costi degli investimenti.