劉林旭，呂志鵬,2

（1.上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200090；2.國(guó)網(wǎng)上海能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，上海 201210）

0 引 言

近些年，隨著諸如雷達(dá)技術(shù)、傳感器技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、人工智能技術(shù)、通信技術(shù)等的高速發(fā)展，眾多的汽車生產(chǎn)制造商開(kāi)始向汽車無(wú)人駕駛領(lǐng)域進(jìn)軍，致力于打造自主的自動(dòng)駕駛技術(shù)，但是在這些汽車的上路測(cè)試過(guò)程中的確是發(fā)生了不少令人痛心的碰撞肇事事故[1]。這些事故也實(shí)實(shí)在在地說(shuō)明了無(wú)人駕駛在單車智能方面的研究上有待進(jìn)一步突破。為了彌補(bǔ)無(wú)人駕駛在單車智能方面的不足，以我國(guó)科研院所為主要研發(fā)主體的車路協(xié)同技術(shù)路線得到了發(fā)展。

2020年2月，我國(guó)11部委聯(lián)合出臺(tái)《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》，提出“人-車-路-云”系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的概念，路側(cè)智能化基礎(chǔ)建設(shè)成為推動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和車路協(xié)同技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容。

2020年3月，中共中央政治局常務(wù)委員會(huì)召開(kāi)會(huì)議提出，加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度。智能交通在公路領(lǐng)域的規(guī)?；l(fā)展，勢(shì)必引入大量5G基站、智能網(wǎng)聯(lián)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推動(dòng)公路存量基礎(chǔ)設(shè)施的升級(jí)改造，滿足未來(lái)交通智慧化、網(wǎng)聯(lián)化的需要。

2020年7月，2020世界人工智能大會(huì)（WAIC）自動(dòng)駕駛論壇也討論了在路側(cè)智能化基建的背景下，車路協(xié)同智慧交通有望成為AI、5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“殺手級(jí)”的應(yīng)用，并將決定我國(guó)無(wú)人駕駛的成敗與速度。

以車路協(xié)同技術(shù)路線在高速公路上實(shí)施為樣例，逐步推廣和實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同技術(shù)路線的發(fā)展。車路協(xié)同技術(shù)路線在高速公路上實(shí)施，勢(shì)必需要在高速全路域增加大量感知、采集、計(jì)算、發(fā)布、通信等路側(cè)智能化設(shè)施，這些設(shè)施也成為高速公路主要增量負(fù)荷，這些負(fù)荷對(duì)電能需求的顯著特點(diǎn)是全路域覆蓋和高可靠性。因此，給路側(cè)智能化設(shè)施選擇合適的供電方式、通信組網(wǎng)方式，有效降低成本成為車路協(xié)同技術(shù)路線成功的重要支撐。基于此，本文介紹了一種基于低壓直流供電的車路協(xié)同一體化系統(tǒng)。

1 路側(cè)智能基礎(chǔ)設(shè)施

1.1 智能前端感知采集設(shè)備

在高速公路道路內(nèi)，根據(jù)需求建設(shè)采集點(diǎn)位，在每個(gè)點(diǎn)位上，配置1套包含多光譜攝像機(jī)、補(bǔ)光燈、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等智能前端感知采集設(shè)備，如圖1所示。設(shè)備支持多種連接方式與路側(cè)通信單元（RSU）進(jìn)行信息交互，完成對(duì)采集點(diǎn)處的人、車、物動(dòng)態(tài)感知，為V2X應(yīng)用提供行人、車輛位置、速度等狀態(tài)信息。車路協(xié)同智能前端感知采集如圖1所示。

圖1 車路協(xié)同智能前端感知采集

1.2 高精度定位基準(zhǔn)站

10 km內(nèi)建設(shè)1套高精度定位基準(zhǔn)站，部署在移動(dòng)通信基站上，多套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及高精度定位車載終端部署在自動(dòng)駕駛車輛上，保障車輛位置信息的準(zhǔn)確性[2]。

1.3 邊緣計(jì)算平臺(tái)

部署邊緣計(jì)算平臺(tái)的基本思想是把云計(jì)算平臺(tái)遷移到移動(dòng)接入網(wǎng)的邊緣，將傳統(tǒng)電信蜂窩網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行深度融合，減少移動(dòng)業(yè)務(wù)交付的端到端時(shí)延[3]。車路協(xié)同路側(cè)設(shè)備及邊緣計(jì)算功能的實(shí)現(xiàn)，需要部署路側(cè)分布式微數(shù)據(jù)中心，提高車路協(xié)同系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)效率，提高邊緣計(jì)算能力，降低數(shù)據(jù)交互處理時(shí)延[4-6]。預(yù)計(jì)高速公路兩側(cè)部署密度需求為1套/km，可與通信基站實(shí)現(xiàn)物理場(chǎng)所共享建設(shè)并將分析結(jié)果傳輸至車路協(xié)同平臺(tái)。

1.4 5G通信基站

每300～500 m部署一座5G基站，覆蓋10 km高速道路。5G超高可靠與低延時(shí)通信（URLLC）重點(diǎn)解決車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求，這類應(yīng)用對(duì)時(shí)延和可靠性具有極高的指標(biāo)要求，需要為用戶提供毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證[7]。

2 路側(cè)智能基礎(chǔ)設(shè)施供電方式的選擇分析

根據(jù)高速公路路域狹長(zhǎng)型特征、可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求，依據(jù)《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》，遵循強(qiáng)簡(jiǎn)有序、差異化配置原則，分區(qū)域構(gòu)建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、類型統(tǒng)一、界限清晰、標(biāo)準(zhǔn)模塊的目標(biāo)網(wǎng)架。高速公路路側(cè)5G基站、車路協(xié)同設(shè)備、光伏、儲(chǔ)能等源網(wǎng)荷儲(chǔ)均為直流設(shè)備，因此采用低壓直流組網(wǎng)供電有利于路側(cè)多元源荷便捷接入，相比于交流組網(wǎng)，無(wú)需額外配置濾波器、無(wú)功補(bǔ)償器、逆變器等設(shè)備，減小了系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量，降低了系統(tǒng)控制復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率。同時(shí)，5G高速通信、車路協(xié)同等新型業(yè)務(wù)，需要優(yōu)質(zhì)、連續(xù)、可靠的電力供給。低壓直流組網(wǎng)供電采用直流公共母線和柔性電力電子變換裝備，具備較好的動(dòng)態(tài)性能和控制性能，相比于交流組網(wǎng)，具有可控性強(qiáng)、供電可靠性高、電能質(zhì)量高、供電容量大的優(yōu)勢(shì)[8]。

按照模塊部署、權(quán)屬清晰、維護(hù)方便的原則，采用從高速公路服務(wù)區(qū)或路側(cè)電源點(diǎn)向上行下行延伸供電的模式，采用鏈接式子網(wǎng)相互備用，以提高供電可靠性。綜合考慮，給出一種低壓直流組網(wǎng)供電方案，如圖2所示，交流電源點(diǎn)引出交流電，通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)低壓直流供電，形成由多種直流電源（光伏、儲(chǔ)能等）、多種直流負(fù)荷（車路協(xié)同單元、5G基站、多光譜攝像機(jī)、補(bǔ)光燈、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等智能前端感知采集設(shè)備）組成的低壓直流配電網(wǎng)的高速公路電力能源鏈；光伏、儲(chǔ)能輸出本身為直流電，通過(guò)DC/DC變換器統(tǒng)一接入直流母線；車路協(xié)同單元、5G基站、路側(cè)攝像頭等直流用電設(shè)備也通過(guò)DC/DC變換器接入直流母線，與直流母線實(shí)現(xiàn)能量交換；高速公路能源子網(wǎng)通過(guò)雙向AC/DC經(jīng)變壓器連接到10 kV交流配電網(wǎng)；高速公路電力能源鏈間隔1.5 km形成能源子網(wǎng)，既可與交流配電網(wǎng)連接并網(wǎng)運(yùn)行，與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)功率交互，也可在配電網(wǎng)故障等工況下，與交流配電網(wǎng)脫開(kāi)，依靠?jī)?nèi)部的光伏、儲(chǔ)能作為電源獨(dú)立帶負(fù)荷運(yùn)行，并能實(shí)現(xiàn)相鄰能源子網(wǎng)的能量互濟(jì)。

圖2 交流引線直流組網(wǎng)供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 車路協(xié)同一體化系統(tǒng)

在車路協(xié)同一體化系統(tǒng)中，基于5G的物聯(lián)通信技術(shù)十分關(guān)鍵，由于5G通信技術(shù)的超高可靠性和低延時(shí)，使得車路協(xié)同無(wú)人駕駛的實(shí)現(xiàn)成為可能[9]。5G物聯(lián)通信的穩(wěn)定性是車路協(xié)同中必不可少的一環(huán)，通信過(guò)程要求實(shí)時(shí)，不可中斷，因此對(duì)5G物聯(lián)通信的質(zhì)量有很大的要求，需要綜合考慮基站的安裝密度，實(shí)現(xiàn)較高的可靠性。

如圖3所示，路側(cè)智能前端采集設(shè)備將采集的路況信息通過(guò)有線的方式與路側(cè)通信單元（RSU）和路側(cè)協(xié)同單元（RCU）進(jìn)行信息交互；路側(cè)通信單元將路況信息通過(guò)5G基站對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車和車路協(xié)同云平臺(tái)發(fā)布；智能網(wǎng)聯(lián)汽車得到路況信息反饋，做出駕駛預(yù)判，實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同無(wú)人駕駛的可靠性與安全性。路側(cè)通信單元和路側(cè)協(xié)同單元具有邊緣計(jì)算能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能前端采集設(shè)備采集的信息進(jìn)行識(shí)別、提取、轉(zhuǎn)換、分析。車路協(xié)同云控平臺(tái)集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)、交通流量檢測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)控制系統(tǒng)等交通業(yè)務(wù)系統(tǒng)，幫助管理者實(shí)時(shí)了解路網(wǎng)的運(yùn)行狀況及其變化規(guī)律，為自動(dòng)駕駛車輛提供可靠的預(yù)測(cè)和規(guī)劃決策，為交通管理決策部門提供道路交通狀況遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、移動(dòng)終端等實(shí)現(xiàn)對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施的信息化管理，幫助管理人員全面感知和監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)，為交通基礎(chǔ)設(shè)施安全管理和養(yǎng)護(hù)管理提供支持，提高交通運(yùn)行管理水平和服務(wù)保障能力[10]。

圖3 車路協(xié)同一體化系統(tǒng)通信組網(wǎng)示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人駕駛在單車智能方面取得了很大的突破，但以AI為核心的單車智能仍存在許多局限性，與單純依靠單車智能相比，基于5G通信的車路協(xié)同則可極大地提升行車安全，提高交通系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低車載設(shè)備成本，從而促進(jìn)無(wú)人駕駛的快速落地。本文提出一種基于低壓直流供電的車路協(xié)同一體化系統(tǒng)，將單車智能與智能路網(wǎng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)時(shí)進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)人、車、路、云的一體化運(yùn)行監(jiān)測(cè)，改變現(xiàn)階段傳統(tǒng)交通帶來(lái)的各種問(wèn)題和困擾，極大地推動(dòng)了交通行業(yè)的發(fā)展。