基于地下停車場的“5G+軌道式智慧汽車充電樁”設(shè)計研究

任敏 田準(zhǔn)

摘 要：從建設(shè)智慧城市的角度，分析已建成的地下車庫和未建成的地下車庫的特點，研究一種5G+軌道式的智慧充電樁的設(shè)計方案。方法：通過對充電樁的功能和結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)智慧充電樁的施行。結(jié)論：借助于互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，促進(jìn)信息的開放共享、互聯(lián)互通，讓車輛和充電樁網(wǎng)絡(luò)更加匹配，組織推動國家級充電服務(wù)平臺建設(shè)，共同推動充電基礎(chǔ)設(shè)施健康可持續(xù)發(fā)展，使新能源汽車成為安全、快捷、綠色的交通工具。與此同時，通過充電樁的加入5G網(wǎng)絡(luò)，解決5G點、線、面的覆蓋問題，解決熱點地區(qū)的深度覆蓋問題。未來“5G+智慧充電樁”將形成一個閉環(huán)，滿足互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及車聯(lián)網(wǎng)等的發(fā)展需求，更好地服務(wù)智慧城市建設(shè)。

關(guān)鍵詞：智慧城市;地下停車場;5G網(wǎng)絡(luò);智能汽車充電樁;軌道式

自2008年國際商業(yè)機器公司（IBM）提出“智慧地球”概念后，全球進(jìn)入“智慧城市” 的建設(shè)熱潮。2018年4項智慧城市相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，如《智慧城市頂層設(shè)計指南》，進(jìn)一步完善了我國智慧城市的建設(shè)和評價標(biāo)準(zhǔn)。隨著我國從“移動互聯(lián)”向“萬物互聯(lián)”轉(zhuǎn)型，尤其是物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新興產(chǎn)業(yè)的崛起，對未來的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)性能提出更高的要求。城市基礎(chǔ)建設(shè)是建設(shè)智慧城市的重中之重，而在建設(shè)大潮中，電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施作為城市基建之一，可作為智慧城市電動汽車信息平臺，遍布城市的各個角落。而智能汽車充電樁位于地下停車場，以充電樁為載體，通過5G 網(wǎng)絡(luò)，成為集合各種信息數(shù)據(jù)、復(fù)合創(chuàng)新技術(shù)的新型產(chǎn)品，還可拓展智慧城市的各種功能，如智慧照明、智慧安防、環(huán)境（氣象/消防/污染）監(jiān)測、公共WiFi、智慧交通、智慧停車、信息交互、一鍵報警等，是智慧城市信息采集終端和便民服務(wù)終端。

一、“5G+軌道式智慧汽車充電樁”功能設(shè)計

智慧充電樁與傳統(tǒng)充電樁最大的差別在于除了有以上三個功能之外，更是添加了5G基站，利用5G網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)智慧功能的拓展。國際電信聯(lián)盟描繪了至少三個可以預(yù)見的5G應(yīng)用場景。一是增強的移動寬帶（eMBB），簡單說就是5G的下行峰值20 Gbit/s的速度可以滿足很多應(yīng)用，比如AR增強現(xiàn)實、VR虛擬現(xiàn)實等;二是大規(guī)模機器通信（mMTC），就是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用;三是高可靠、低延時通信，這就包括了人工智能、自動駕駛、交通控制、工業(yè)自動化等。從而發(fā)展智慧城市，為智慧充電樁的發(fā)展帶來了新契機。

（一）智慧功能

智慧城市技術(shù)參考模型自下而上包括物聯(lián)感知層、網(wǎng)絡(luò)通信層、計算與存儲層、數(shù)據(jù)及服務(wù)融合層、智慧應(yīng)用層。智慧充電樁作為智慧城市的信息中轉(zhuǎn)站之一，在每一層中都體現(xiàn)出重要作用。

（1）物聯(lián)感知層，主要針對外部環(huán)境的進(jìn)行智能監(jiān)測。通過攝像頭、傳感器，實時對車輛、駕駛?cè)藛T進(jìn)行智能識別以及所處環(huán)境進(jìn)行安全、環(huán)境監(jiān)測。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層，包括大容量高帶寬的光網(wǎng)絡(luò)和全城覆蓋的無線網(wǎng)絡(luò)。以智慧充電樁作為一個安裝在地下室的5G基站載體，實現(xiàn)地下室的網(wǎng)絡(luò)信號全面覆蓋，解決基站的部署需求。

（3）計算與存儲層，包括軟件資源、計算資源和存儲資源。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，實時空氣質(zhì)量監(jiān)測、照明控制、智能視頻分析等應(yīng)用包括無人駕駛應(yīng)用的許多數(shù)據(jù)將在網(wǎng)絡(luò)邊緣處理，智慧充電樁能夠加載多種傳感器，且可以供電，成為智慧城市的重要邊緣計算節(jié)點。

（4）智慧應(yīng)用層，基于各種行業(yè)或領(lǐng)域的智慧應(yīng)用或應(yīng)用整合。通過5G，與汽車相關(guān)的橫向縱向平臺乃至國家級平臺形成互為依賴、互為合作、互為加強的緊密關(guān)系。該平臺可以實現(xiàn)用戶參與用電管理、有序充電、合理用電，降低用戶的時間成本，提高用戶體驗度，除了提供基本充電服務(wù)以外，預(yù)約停車位、預(yù)約充電、引領(lǐng)汽車至停車位、費用結(jié)算、車況檢測等服務(wù)，甚至拓展到汽車維修、保養(yǎng)、租用、清洗、代駕，與家中、公司中智能電器之間互聯(lián)等其他服務(wù)。

在以上諸多的智慧服務(wù)功能中，汽車自檢智慧服務(wù)功能是當(dāng)下亟需開發(fā)的一項功能，本文設(shè)定的汽車自檢智慧服務(wù)功能的實施步驟是：當(dāng)充電時，通過人臉識別，確定司機身份，使用控制端可選擇是否進(jìn)行全車體檢或是分系統(tǒng)體檢。當(dāng)客戶選擇汽車體檢時，車機自動導(dǎo)入智能網(wǎng)聯(lián)汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（該中心是在智能網(wǎng)聯(lián)汽車整車測試領(lǐng)域首家通過資質(zhì)認(rèn)定授權(quán)的國家質(zhì)檢中心，授權(quán)能力范圍涵蓋了智能網(wǎng)聯(lián)汽車實車道路測試、仿真測試、功能安全測試、V2X網(wǎng)聯(lián)與信息安全測試等方面）。充電樁被賦予了另一種身份——汽車狀態(tài)檢驗信息采集終端。充電樁利用5G網(wǎng)絡(luò)下的物聯(lián)網(wǎng)、大帶寬、低延時的特性，實現(xiàn)汽車隱患數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中信息匹配，快速識別汽車隱患，與其同時將隱患信息實時自動上傳至智慧維修系統(tǒng)，最終實現(xiàn)實時維修的目的。使用該系統(tǒng)可共同推進(jìn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，帶動智慧城市的創(chuàng)建，以各車企、各車型為基礎(chǔ)，推動產(chǎn)業(yè)再振興，形成智能汽車、智慧交通產(chǎn)業(yè)的聚集效應(yīng)。

二、“5G+軌道式智慧汽車充電樁”充電結(jié)構(gòu)設(shè)計

在智慧城市建設(shè)深入開展的背景下，傳統(tǒng)充電基礎(chǔ)設(shè)施的一直存在著占用場地需求量大、對于停車場中停車位的規(guī)劃限制要求多、安裝成本高等問題。充電基礎(chǔ)設(shè)施不完善，不夠人性化，不能合理利用現(xiàn)有的場地進(jìn)行最大程度的合理使用充電樁和停車位。因此，本文針對已建成或是未建的地下停車場，設(shè)計了一種人性化、軌道式的充電樁，為充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展拓寬了一條新途徑。

（一）充電樁運行系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的充電樁運行系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)及軌道系統(tǒng)和充電和信息顯示系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)作用如下：

供電系統(tǒng)：為充電樁運行系統(tǒng)供電。

數(shù)據(jù)系統(tǒng)：數(shù)據(jù)系統(tǒng)包括分散于整個充電樁運行系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集傳感器和數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備、充電樁運行系統(tǒng)唯一的數(shù)據(jù)處理中心、分散于執(zhí)行各種指令的執(zhí)行機構(gòu)中的數(shù)據(jù)接收設(shè)備，數(shù)據(jù)系統(tǒng)的工作流程是數(shù)據(jù)采集傳感器采集車輛信息和充電樁設(shè)備信息，發(fā)送至的數(shù)據(jù)處理中心，由數(shù)據(jù)處理中心將信息處理后，統(tǒng)一發(fā)出工作指令至對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，由執(zhí)行機構(gòu)完成對應(yīng)動作。

結(jié)構(gòu)及軌道系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)及軌道系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由軌道、支撐梁、固定及連接結(jié)構(gòu)構(gòu)成，主要為充電樁的運行提供軌道和結(jié)構(gòu)支撐，以保證充電樁能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地到達(dá)指定位置，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見下圖1。

如圖1所示，結(jié)構(gòu)及軌道系統(tǒng)的軌道間分布大致呈“豐”字型排列，其中，豐字的筆畫“豎”縱貫上下，這正是充電樁運行軌道的中的公共軌道部分，豐字的筆畫數(shù)“橫”橫穿左右，這正是充電樁運行軌道的中位于車位上方的支線軌道部分。

充電樁在公共軌道上的運行方式是：公共軌道兩端分別于充電樁倉庫的入口和出口相連，在充電樁倉庫的出口處，充電樁進(jìn)入公共軌道運行，充電樁在公共軌道上運行時，系統(tǒng)設(shè)置不做停留，故該公共軌道為單行道，即充電樁在此公共軌道上運行時，只能單向運動，所有從充電樁倉庫駛來的充電樁都直接進(jìn)入預(yù)定車位上方的軌道支線，所有完成充電工作的充電樁都直接從充電車位上方的軌道駛?cè)牍曹壍?，最后進(jìn)入充電樁倉庫的入口。

充電樁在軌道支線上的運行方式是：當(dāng)充電樁運行至對應(yīng)車位上方的軌道支線，在軌道支線上任意位置均可停留，以方便充電操作人員根據(jù)車身長短和充電口的位置自由選擇充電樁相對于汽車的前后相對位置，在設(shè)置好充電位置后，充電樁利用和軌道相連的伸縮桿（見圖2），實現(xiàn)充電樁的高度調(diào)節(jié)，方便操作人員抓取和放回充電插頭、操作充電樁顯示屏。

充電和信息顯示系統(tǒng)：包括手持式充電插頭和組成，為充電樁和車輛直接連接的設(shè)備，負(fù)責(zé)采集車輛和操作人的指令信息，發(fā)送信息至數(shù)據(jù)處理中心，接收數(shù)據(jù)中心的信息反饋，將信息處理后在顯示屏上的顯示，供操作人員查閱，大致外形見下圖：

充電樁倉儲和維修系統(tǒng)：主要包括充電樁倉庫和位于倉庫內(nèi)的檢修系統(tǒng)。充電樁倉庫主要存儲備用充電樁和待執(zhí)行充電命令的充電樁;倉庫內(nèi)的檢修系統(tǒng)包括供檢修人員和檢修設(shè)備，檢修人員和檢修設(shè)備的工作室做日常充電樁的檢修和突發(fā)系統(tǒng)故障排查。

本文加裝軌道的創(chuàng)新設(shè)計，是以“人-車-機”為分析基礎(chǔ)，這種分析三要素對智能造型設(shè)計的影響，明確人與充電樁、車與充電樁、停車位與充電樁之間的配合。通過人性化的方式，實現(xiàn)讓停車位不受固定充電樁的限制，停車位可任意停置燃油汽車或是電動汽車，以達(dá)到最大限度的合理使用停車位、充電樁的目的。而在不使用充電樁的情況下，所有充電樁停置在指定倉庫內(nèi)，便于安裝、維修、管理，不占用其他空間。

（二）充電樁外觀造型設(shè)計

造型設(shè)計是人們對于產(chǎn)品最直接的感受方式，必須通過一定的造型符號而得以實際化和具體化。造型除了具有重要的象征符號作用外，重點要體現(xiàn)的是產(chǎn)品通過造型傳遞出來的功能特征，設(shè)計師主要需要從“好拿，好放和好用”3個維度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計，是造型為產(chǎn)品的功能服務(wù)。

（1）此款充電樁為軌道懸掛式，可根據(jù)車型大小停置可隨意停置在軌道的支線上，通過升降桿實現(xiàn)充電樁的上升下降，充分考慮到人體工程學(xué)，高度適宜。人們在操作時，充電樁角度可上下左右調(diào)節(jié)至最為舒適的狀態(tài)。當(dāng)充電樁運作時，根據(jù)人身高不同，下降位置不同，一般停置與人體胸口上下，便于人臉掃描。

（2）智慧充電樁可根據(jù)不同情況下，進(jìn)行整機外殼和顯示屏整體縮小或是整體放大或是變形。

（3）充電槍擺放區(qū)別的一般充電槍，插于充電樁上方。

（4）充電結(jié)束后，充電槍放回充電插座后，充電連接線會隨著充電樁里的感應(yīng)軸承自動歸納到充電樁內(nèi)，方便快捷，防止充電線被損壞。

（5）顏色設(shè)計識別。充電樁外圈顯示紅色為故障，顯示黃色為引路或是空閑，顯示藍(lán)色為充電中，顯示綠色為充電結(jié)束。便于用戶識別充電樁的狀態(tài)。（見圖4）

三、結(jié)語

以現(xiàn)階段來看，在地下停車場加裝充電樁相對容易的，最大的問題是如何將5G引入充電基礎(chǔ)設(shè)施以及如何將“5G+軌道式智慧充電樁”與智慧城市建設(shè)進(jìn)行深度融合，不僅是5G技術(shù)的問題，還涉及到各職能部門的配合、調(diào)控和管理，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。智慧城市的建設(shè)還處于剛起步階段，構(gòu)建成本、體系都過于龐大且復(fù)雜，推動進(jìn)行的阻力也不容小覷。若從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)用多樣化、智能化，管理網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，借助于互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，促進(jìn)信息的開放共享、互聯(lián)互通，讓車輛和充電樁網(wǎng)絡(luò)更加匹配，組織推動國家級充電服務(wù)平臺建設(shè)，共同推動充電基礎(chǔ)設(shè)施健康可持續(xù)發(fā)展，使新能源汽車成為安全、快捷、綠色的交通工具。與此同時，通過充電樁的加入5G網(wǎng)絡(luò)，解決5G點、線、面的覆蓋問題，解決熱點地區(qū)的深度覆蓋問題。我們認(rèn)為，未來“5G+智慧充電樁”將形成一個閉環(huán)，滿足互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及車聯(lián)網(wǎng)等的發(fā)展需求，更好地服務(wù)智慧城市建設(shè)。

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