基于低壓直流供電的車路協(xié)同一體化系統(tǒng)

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，隨著諸如雷達技術(shù)、傳感器技術(shù)、圖像識別技術(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)制造商開始向汽車無人駕駛領(lǐng)域進軍，致力于打造自主的自動駕駛技術(shù)，但是在這些汽車的上路測試過程中的確是發(fā)生了不少令人痛心的碰撞肇事事故[1]。這些事故也實實在在地說明了無人駕駛在單車智能方面的研究上有待進一步突破。為了彌補無人駕駛在單車智能方面的不足，以我國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11部委聯(lián)合出臺《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)成為推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車強國戰(zhàn)略和車路協(xié)同技術(shù)發(fā)展的重點內(nèi)容。

2020年3月，中共中央政治局常務(wù)委員會召開會議提出，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)進度。智能交通在公路領(lǐng)域的規(guī)?；l(fā)展，勢必引入大量5G基站、智能網(wǎng)聯(lián)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推動公路存量基礎(chǔ)設(shè)施的升級改造，滿足未來交通智慧化、網(wǎng)聯(lián)化的需要。

2020年7月，2020世界人工智能大會（WAIC）自動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”的應(yīng)用，并將決定我國無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施為樣例，逐步推廣和實現(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施，勢必需要在高速全路域增加大量感知、采集、計算、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荷，這些負荷對電能需求的顯著特點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?；诖?，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)采集點位，在每個點位上，配置1套包含多光譜攝像機、補光燈、毫米波雷達、激光雷達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）進行信息交互，完成對采集點處的人、車、物動態(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 高精度定位基準站

10 km內(nèi)建設(shè)1套高精度定位基準站，部署在移動通信基站上，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駕駛車輛上，保障車輛位置信息的準確性[2]。

1.3 邊緣計算平臺

部署邊緣計算平臺的基本思想是把云計算平臺遷移到移動接入網(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)進行深度融合，減少移動業(yè)務(wù)交付的端到端時延[3]。車路協(xié)同路側(cè)設(shè)備及邊緣計算功能的實現(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)計效率，提高邊緣計算能力，降低數(shù)據(jù)交互處理時延[4-6]。預(yù)計高速公路兩側(cè)部署密度需求為1套/km，可與通信基站實現(xiàn)物理場所共享建設(shè)并將分析結(jié)果傳輸至車路協(xié)同平臺。

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超高可靠與低延時通信（URLLC）重點解決車聯(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)用對時延和可靠性具有極高的指標要求，需要為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近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)高速公路路域狹長型特征、可靠性和經(jīng)濟性要求，依據(jù)《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》，遵循強簡有序、差異化配置原則，分區(qū)域構(gòu)建結(jié)構(gòu)簡單、類型統(tǒng)一、界限清晰、標準模塊的目標網(wǎng)架。高速公路路側(cè)5G基站、車路協(xié)同設(shè)備、光伏、儲能等源網(wǎng)荷儲均為直流設(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)，無需額外配置濾波器、無功補償器、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，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，具備較好的動態(tài)性能和控制性能，相比于交流組網(wǎng)，具有可控性強、供電可靠性高、電能質(zhì)量高、供電容量大的優(yōu)勢[8]。

按照模塊部署、權(quán)屬清晰、維護方便的原則，采用從高速公路服務(wù)區(qū)或路側(cè)電源點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，交流電源點引出交流電，通過變壓器轉(zhuǎn)低壓直流供電，形成由多種直流電源（光伏、儲能等）、多種直流負荷（車路協(xié)同單元、5G基站、多光譜攝像機、補光燈、毫米波雷達、激光雷達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、儲能輸出本身為直流電，通過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DC/DC變換器接入直流母線，與直流母線實現(xiàn)能量交換；高速公路能源子網(wǎng)通過雙向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)運行，與電網(wǎng)實現(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，依靠內(nèi)部的光伏、儲能作為電源獨立帶負荷運行，并能實現(xiàn)相鄰能源子網(wǎng)的能量互濟。

圖2 交流引線直流組網(wǎng)供電拓撲結(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，使得車路協(xié)同無人駕駛的實現(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)，通信過程要求實時，不可中斷，因此對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）進行信息交互；路側(cè)通信單元將路況信息通過5G基站對智能網(wǎng)聯(lián)汽車和車路協(xié)同云平臺發(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，實現(xiàn)車路協(xié)同無人駕駛的可靠性與安全性。路側(cè)通信單元和路側(cè)協(xié)同單元具有邊緣計算能力，可以實現(xiàn)對智能前端采集設(shè)備采集的信息進行識別、提取、轉(zhuǎn)換、分析。車路協(xié)同云控平臺集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)、交通流量檢測系統(tǒng)、信號控制系統(tǒng)等交通業(yè)務(wù)系統(tǒng)，幫助管理者實時了解路網(wǎng)的運行狀況及其變化規(guī)律，為自動駕駛車輛提供可靠的預(yù)測和規(guī)劃決策，為交通管理決策部門提供道路交通狀況遠程實時監(jiān)控。通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、移動終端等實現(xiàn)對交通基礎(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)護管理提供支持，提高交通運行管理水平和服務(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

隨著自動駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，無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)運行效率，降低車載設(shè)備成本，從而促進無人駕駛的快速落地。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)進行有機結(jié)合，實時進行信息交互，實現(xiàn)人、車、路、云的一體化運行監(jiān)測，改變現(xiàn)階段傳統(tǒng)交通帶來的各種問題和困擾，極大地推動了交通行業(yè)的發(fā)展。