能源-交通-信息三網(wǎng)融合發(fā)展的需求、形態(tài)及關(guān)鍵技術(shù)

何正友，向悅萍，廖 凱，楊健維

（西南交通大學電氣工程學院，四川省成都市 611756）

0 引言

近年來，中國經(jīng)濟社會快速發(fā)展，城市規(guī)模急劇擴張，能源供應(yīng)日益緊缺，交通與通信需求逐年上升。交通系統(tǒng)作為重要能源負荷，與能源系統(tǒng)在用戶、能量、信息等層面產(chǎn)生了頻繁的交互與影響［1］。文獻［2］提出了能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)三網(wǎng)融合發(fā)展的理念，認為三網(wǎng)融合是可持續(xù)發(fā)展的大勢所趨，是基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的高級形態(tài)。在“碳達峰、碳中和”目標［3］下，能源網(wǎng)、交通網(wǎng)均肩負著綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要任務(wù)。建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)，推進交通電氣化、智慧化是能源網(wǎng)與交通網(wǎng)綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵途徑，而發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)和智慧交通需要高度信息化技術(shù)的支撐。因此，能源-交通-信息一體化應(yīng)運而生。

當前，中國大力推動新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為三網(wǎng)融合發(fā)展帶來了新的機遇，注入了新的動力。新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動，以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向高質(zhì)量發(fā)展需要［4］，促進能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)的基礎(chǔ)建設(shè)與融合創(chuàng)新：①以特高壓為供能脈絡(luò)的能源網(wǎng)，為三網(wǎng)融合提供更強的能源供應(yīng)能力，促進新能源外送與消納；②以城際高速鐵路及城市軌道交通為主的綜合立體交通網(wǎng)，為三網(wǎng)融合提供更高效的交通承載能力及運輸能力；③以5G、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的信息網(wǎng)，為三網(wǎng)融合提供低延遲、高速率的信息通信能力，為三網(wǎng)深度連接、廣泛感知奠定基礎(chǔ)；④以新能源汽車充電樁為代表的能源交通融合基礎(chǔ)設(shè)施，推動了交通電氣化，為三網(wǎng)融合提供了融合發(fā)展的初步應(yīng)用場景。顯然，新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將會推動能源與交通數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能升級、融合創(chuàng)新，加速能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)融合發(fā)展的進程，是三網(wǎng)融合發(fā)展的催化劑。

然而，三網(wǎng)融合發(fā)展勢必面臨諸多挑戰(zhàn)，除三網(wǎng)相關(guān)行業(yè)間存在明顯壁壘、商業(yè)模式與市場機制亟待更新外，在技術(shù)層面，能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)的現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用于三網(wǎng)融合運行時，將會面臨以下理論研究方面的挑戰(zhàn)：融合系統(tǒng)高度復雜，數(shù)據(jù)多源、海量、高維、異構(gòu)，三網(wǎng)運行時間尺度不一致，用戶行為存在多重不確定性等。因此，亟須進一步研究助力三網(wǎng)融合發(fā)展的新技術(shù)，實現(xiàn)真正意義上的三網(wǎng)深入融合、友好共享、智慧協(xié)同?；诖?，本文分析了能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)融合發(fā)展的需求和意義、形態(tài)與架構(gòu)，總結(jié)了構(gòu)建三網(wǎng)融合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，探討了三網(wǎng)融合分析的關(guān)鍵理論。

1 三網(wǎng)融合發(fā)展的必要性與可行性

本章圍繞三網(wǎng)融合發(fā)展的優(yōu)勢與需求，分析三網(wǎng)融合發(fā)展的必要性，并論述三網(wǎng)融合發(fā)展的途徑及可行性。

1.1 三網(wǎng)融合發(fā)展的優(yōu)勢及必要性

1.1.1 三網(wǎng)融合發(fā)展的優(yōu)勢

能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)是人類社會進步、國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。能源網(wǎng)是交通網(wǎng)、信息網(wǎng)的動力來源；交通網(wǎng)是能源網(wǎng)的重要負荷，是信息網(wǎng)的重要用戶；信息網(wǎng)是能源網(wǎng)和交通網(wǎng)高效穩(wěn)定運行的通信基礎(chǔ)。三網(wǎng)緊密相連、相互影響、相互支撐，共同服務(wù)于經(jīng)濟社會發(fā)展和民生需求。然而，受經(jīng)濟社會發(fā)展階段所限，三網(wǎng)長期處于各自發(fā)展的狀態(tài)。

當前，中國正處于由經(jīng)濟高速增長邁向高質(zhì)量發(fā)展的重要轉(zhuǎn)折期。若能對三網(wǎng)融合發(fā)展進行統(tǒng)一規(guī)劃，將可發(fā)揮三網(wǎng)各自最大潛力，顯著降低建設(shè)及運營成本，提高設(shè)施研發(fā)與建設(shè)的投入產(chǎn)出比，提高能源利用效率；促進土地資源高效集約利用，提升資源配置效率，優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu)；刺激能源、交通、信息領(lǐng)域前沿技術(shù)融合創(chuàng)新，推動跨學科技術(shù)突破與應(yīng)用；促進能源、交通傳統(tǒng)行業(yè)新模式、新業(yè)態(tài)的形成，推動能源轉(zhuǎn)型與交通強國建設(shè)，助力“碳達峰、碳中和”的實現(xiàn)，形成深度融合、智慧協(xié)同的局面，向社會提供更高效智能、綠色便捷的服務(wù)。

1.1.2 三網(wǎng)融合發(fā)展的必要性

目前，中國能源結(jié)構(gòu)以化石能源為主，資源匱乏、環(huán)境污染等問題日益嚴峻，石油、天然氣占一次能源消費能源比重約27%，煤炭占一次能源消費比重約58%［5］。加快綠色低碳轉(zhuǎn)型是中國能源發(fā)展的必然趨勢。在能源供給側(cè)，需加快可再生能源替代，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)［6］；在能源消費側(cè)，需提高終端電氣化水平，促進終端綠色、低碳、節(jié)能運行。在加強電能替代進程中，交通電氣化是能源消費終端電氣化中的重要環(huán)節(jié)。在電氣化交通大規(guī)模普及的未來，如果不統(tǒng)籌考慮電氣化交通的運行特性，城市電網(wǎng)將難以解決電氣化交通大規(guī)模接入帶來的一系列安全問題。例如無視電動汽車負荷的時空分布規(guī)律，任由其無序充電，將會導致電網(wǎng)中出現(xiàn)大量變壓器過載、電能質(zhì)量下降［7］等問題，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，繼而影響電動汽車的可靠供能，使安全隱患在電力、交通網(wǎng)間交互蔓延?；诖?，能源網(wǎng)建設(shè)，尤其是電網(wǎng)建設(shè)，應(yīng)著重考慮未來大規(guī)模電動汽車接入的影響與應(yīng)對措施，通過能源網(wǎng)與交通網(wǎng)的聯(lián)合規(guī)劃與協(xié)同運行調(diào)度［8］，實現(xiàn)交通、能源的協(xié)同可持續(xù)發(fā)展。另外，能源互聯(lián)網(wǎng)是助推能源轉(zhuǎn)型的重要途徑。然而，中國能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展仍處于起步階段，工程應(yīng)用仍以示范為主，尚未有效落地［9］。能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)依賴于先進信息技術(shù)的深度應(yīng)用。目前，中國智能電網(wǎng)仍然存在終端覆蓋不足、通信不暢通、數(shù)據(jù)不貫通等問題［10］，電力大數(shù)據(jù)在采集和應(yīng)用方面均有待進一步提升。因此，推動能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)落地，急需突破大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、邊緣計算、5G通信等先進信息技術(shù)在能源（電力）領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新。

隨著城市交通需求激增，中國城市交通系統(tǒng)面臨愈漸嚴峻的環(huán)境污染、安全、擁堵等問題。2021年2月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》［11］?！毒V要》提出到2035年，打造順暢高效、綠色集約、智能可靠的國家綜合立體交通網(wǎng)，要求交通基礎(chǔ)設(shè)施綠色化建設(shè)比例達95%，數(shù)字化率達90%。因此，融合能源新技術(shù)推進交通綠色化、電氣化進程，結(jié)合先進信息技術(shù)，科學布局新型智能交通基礎(chǔ)設(shè)施研發(fā)建設(shè)，是交通網(wǎng)發(fā)展的既定路線。交通網(wǎng)的發(fā)展離不開能源網(wǎng)的配套建設(shè)與綠色供應(yīng)，更離不開信息技術(shù)的深度應(yīng)用。

在數(shù)字社會發(fā)展的歷史進程中，能源網(wǎng)、交通網(wǎng)作為保障民生需求的龐大基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，擁有廣泛、海量的數(shù)據(jù)與信息，有不可估量的數(shù)據(jù)潛力及挖掘價值，可以為信息技術(shù)的更新迭代帶來全新且難以預(yù)料的創(chuàng)新驅(qū)動。

綜上所述，能源轉(zhuǎn)型需要交通網(wǎng)電氣化的支持，交通強國離不開能源供應(yīng)升級。同時，只有將新一代信息技術(shù)深度應(yīng)用于能源、交通等傳統(tǒng)行業(yè)，廣泛互聯(lián)，融合創(chuàng)新，才能實現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級，打造能源互聯(lián)網(wǎng)、智慧交通等綠色產(chǎn)業(yè)。這使得能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)融合發(fā)展成為必然趨勢。

1.2 三網(wǎng)融合發(fā)展的途徑及可行性

隨著新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)部署的落實，以及信息技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)、智慧交通中的應(yīng)用深化，三網(wǎng)融合發(fā)展具有廣闊的發(fā)展途徑及良好的發(fā)展基礎(chǔ)。

1.2.1 三網(wǎng)融合發(fā)展的途徑

近期，三網(wǎng)融合發(fā)展應(yīng)重點推進數(shù)據(jù)共享、聯(lián)合規(guī)劃及協(xié)同運行。首先，須打破行業(yè)壁壘，共享規(guī)劃方案、運行數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息，使得能源、交通、信息部門間形成良好的協(xié)同?？紤]三網(wǎng)間供需關(guān)系，有預(yù)見性地進行能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施及通道樞紐的聯(lián)合共建，促進資源集約利用；通過小微智能傳感器、融合智能終端、應(yīng)用程序（APP）等的開發(fā)應(yīng)用，實現(xiàn)能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)終端共享?？紤]交通網(wǎng)實時負荷分布和需求，結(jié)合能源網(wǎng)實時負載情況及運行工況，經(jīng)信息網(wǎng)的數(shù)據(jù)上行與指令下達，實現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度及智能運行控制。

遠期，三網(wǎng)融合發(fā)展的目標在于：系統(tǒng)可感知、可預(yù)測、可調(diào)控；用戶零碳綠色用能、通暢高效出行；社會智能高效、可持續(xù)發(fā)展。在信息技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)及控制技術(shù)的高速迭代下，推動系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的實時采集、上傳、識別、監(jiān)控與可視化展示，能源網(wǎng)與交通網(wǎng)的所有節(jié)點均可經(jīng)由信息網(wǎng)被全面感知，三網(wǎng)廣泛互聯(lián)，數(shù)據(jù)全面采集、集中存儲與處理。未來，可再生能源成為能源供應(yīng)主力，趨于零邊際成本供應(yīng)電力；用戶隨時隨地獲取能源、自由交易；交通網(wǎng)、信息網(wǎng)用能清潔、服務(wù)綠色；三網(wǎng)零碳融合助力經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

1.2.2 三網(wǎng)融合發(fā)展的可行性

能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)均是惠及民生的重要基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，三網(wǎng)融合發(fā)展需要融合基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以及跨學科交叉的技術(shù)創(chuàng)新。

在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，目前中國能源、交通、信息的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)已基本建成，服務(wù)效率明顯提升，結(jié)合新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)部署，三網(wǎng)融合的基礎(chǔ)建設(shè)進展可觀。

1）以特高壓為供能脈絡(luò)的能源網(wǎng)。截至2021年1月，中國共有30條正在運行的特高壓線路，9條正在建設(shè)的特高壓線路。

2）以城際高速鐵路與城市軌道交通為主干的綜合立體交通網(wǎng)。截至2020年底，中國鐵路營運里程為146.3 Mm，其中高鐵38 Mm，占比26%，電氣化率達72.8%［12］。內(nèi)地共有44個城市開通了城市運營軌道交通線路233條，運營里程高達7 545.5 km，車站4 660座，上海、北京、成都、廣州營運里程均已超過500 km［13］。

3）以新能源汽車充電樁為代表的能源融合基礎(chǔ)設(shè)施。2020年全年，電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施增量為46.2萬臺。截至2020年底，中國充電基礎(chǔ)設(shè)施累計達168.1萬臺［14］。

4）以5G與大數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)的信息網(wǎng)。截至2020年底，中國移動通信基站總數(shù)已達931萬個，其中4G基站總數(shù)575萬個，城鎮(zhèn)地區(qū)實現(xiàn)深度覆蓋，5G基站逾71.8萬個，基本覆蓋中國所有地級以上城市 及 重 點 縣 市，5G終 端 連 接 數(shù) 超 過2億［15］。隨 著5G技術(shù)的應(yīng)用推廣，數(shù)據(jù)資源將急速增長，預(yù)計2030年中國數(shù)據(jù)總量將高達4 YB［16］。作為經(jīng)濟社會發(fā)展的新一代生產(chǎn)要素，海量數(shù)據(jù)資源的管理需要大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的支撐。截至2019年底，中國數(shù)據(jù)中心總量達到7.4萬個，約占全球23%，數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模達到227萬架，超大型、大型數(shù)據(jù)中心占比12.7%。

在技術(shù)創(chuàng)新方面，“能源＋交通”的電動汽車及電氣化軌道交通日漸普及，氫動力汽車［17］、氫燃料電池混合動力機車［18］等綠色運輸工具的研發(fā)不斷創(chuàng) 新。同 時，隨 著5G技 術(shù) 的 成 熟［19］，以 及 物 聯(lián)網(wǎng)［20］、大數(shù)據(jù)［21-23］、云計算［24］等信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，“能源＋信息”融合的智能電網(wǎng)技術(shù)［25］、“交通＋信息”融合的車聯(lián)網(wǎng)［26］與自動駕駛技術(shù)［27］、“能源＋交通＋信息”融合的“車-樁-路-網(wǎng)”協(xié)同優(yōu)化運行技術(shù)［28-29］等融合創(chuàng)新技術(shù)日漸成熟，為三網(wǎng)融合發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

與此同時，三網(wǎng)融合也已在電動汽車充電服務(wù)領(lǐng)域進行了初步嘗試。電動汽車充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的“能源＋交通”融合可實現(xiàn)電動汽車充電站的優(yōu)化規(guī)劃［30-32］；“能源＋信息”融合可實現(xiàn)電網(wǎng)負載狀態(tài)監(jiān)測，動態(tài)調(diào)整實時充電電價以引導電動汽車有序充電［33-34］；“交通＋信息”融合可實現(xiàn)交通實時路況監(jiān)測，動態(tài)規(guī)劃出行路徑和充電方案［35-36］；“能源＋交通＋信息”融合［37］可兼顧能源網(wǎng)負荷分布、交通網(wǎng)路況及用戶需求，實現(xiàn)更多用戶在車載終端、手機APP等移動設(shè)備的綜合充電服務(wù)，包括路況查詢、充電站空余查詢與預(yù)約、出行路徑規(guī)劃［38］、充電引導方案、計費與結(jié)算等。電動汽車充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是三網(wǎng)融合發(fā)展的初步探索、先導領(lǐng)域，未來與無線充電［39-42］、無人駕駛［43］等技術(shù)相結(jié)合，將進一步提升用戶出行及充電體驗。

綜上，三網(wǎng)融合發(fā)展具有良好的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)基礎(chǔ)與創(chuàng)新技術(shù)支撐，并且在電動汽車充電服務(wù)領(lǐng)域已開展了初步的探索與應(yīng)用?？梢?，在如今新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大規(guī)模部署、技術(shù)快速更迭的時代發(fā)展背景下，能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)的融合發(fā)展具有良好的發(fā)展基礎(chǔ)及廣闊的發(fā)展前景。

2 三網(wǎng)融合的形態(tài)與架構(gòu)

本章從發(fā)展形態(tài)、融合系統(tǒng)架構(gòu)、主要特征3個方面，對三網(wǎng)融合發(fā)展的形態(tài)與架構(gòu)進行闡述。

2.1 三網(wǎng)融合形態(tài)

三網(wǎng)融合將獨立發(fā)展的3個網(wǎng)絡(luò)融合集成為協(xié)同服務(wù)社會的高級基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。在新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推動下，三網(wǎng)融合發(fā)展將建成5G基站、變電站、儲能站多站融合的城市三網(wǎng)融合基礎(chǔ)設(shè)施；建設(shè)光儲電站、電動汽車充換電站、高速服務(wù)區(qū)融合的城際三網(wǎng)融合服務(wù)區(qū)；集成海上風光機組、港口、通信基站等，形成沿海三網(wǎng)融合樞紐等，實現(xiàn)三網(wǎng)聯(lián)合共建、設(shè)備高度集成。同時，通過小微智能傳感器、融合智能終端、APP等的開發(fā)應(yīng)用，以5G、數(shù)據(jù)中心、人工智能、云計算等前沿信息技術(shù)為支撐，對三網(wǎng)運行數(shù)據(jù)進行全面采集、集中存儲與處理，實現(xiàn)三網(wǎng)終端互聯(lián)互通，推動能源、交通各類數(shù)據(jù)跨平臺共享，充分挖掘數(shù)據(jù)價值，為三網(wǎng)高效協(xié)同、供需靈活互動提供數(shù)據(jù)支持。能源、交通、信息跨學科交叉、跨領(lǐng)域融合，加速前沿技術(shù)突破創(chuàng)新與應(yīng)用，推動形成三網(wǎng)融合的創(chuàng)新發(fā)展技術(shù)體系，打破能源、交通、信息間的行業(yè)壁壘?；谏鲜鲈O(shè)施、數(shù)據(jù)與技術(shù)的融合，三網(wǎng)融合系統(tǒng)可全面分析掌握用戶信息、習慣和意愿，精準描繪用戶用能、出行、通信的需求畫像，為用戶提供更便捷、高效的服務(wù)，形成能源供應(yīng)、交通出行、信息反饋高效集成的服務(wù)新模式、產(chǎn)業(yè)新生態(tài)。

總結(jié)上述發(fā)展形態(tài)可知，三網(wǎng)融合發(fā)展將形成基礎(chǔ)設(shè)施集成、數(shù)據(jù)信息共享、技術(shù)融合創(chuàng)新、服務(wù)模式創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的格局，如圖1所示。設(shè)施融合是“骨骼”，為三網(wǎng)融合發(fā)展提供基礎(chǔ)支撐；數(shù)據(jù)融合是“神經(jīng)”，是三網(wǎng)融合系統(tǒng)的信息傳遞通道；技術(shù)融合是“大腦”，為三網(wǎng)融合發(fā)展提供分析引導方法；服務(wù)融合在技術(shù)融合（“大腦”）的分析指導下，經(jīng)數(shù)據(jù)融合（“神經(jīng)”）的信息傳遞，依靠設(shè)施融合（“骨骼”）的支撐，完成一系列動作。因此，服務(wù)融合是三網(wǎng)融合發(fā)展的“肌肉”。能源網(wǎng)是三網(wǎng)融合發(fā)展的“血液”，為三網(wǎng)融合運行提供動力。“骨骼”、“神經(jīng)”、“大腦”、“肌肉”和“血液”的配合，共同支撐融合系統(tǒng)帶動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，刺激發(fā)展，服務(wù)社會。

圖1 三網(wǎng)融合發(fā)展形態(tài)Fig.1 Integrated development form of three networks

電動汽車充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)由電網(wǎng)供電，同時電動汽車作為移動儲能單元，可基于充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與電網(wǎng)的雙向互動，具有能源網(wǎng)屬性。同時，充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)向電動汽車提供充電引導、停泊等功能，是現(xiàn)代交通網(wǎng)的重要網(wǎng)絡(luò)之一，具有交通網(wǎng)屬性。此外，電動汽車含車載全球定位系統(tǒng)（GPS）等移動信息終端，電動汽車充電服務(wù)終端與設(shè)備含通信、計算等功能，具有信息網(wǎng)屬性。

電動汽車充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)及產(chǎn)業(yè)是典型的三網(wǎng)融合案例，其發(fā)展形態(tài)如圖2所示。

圖2 電動汽車充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形態(tài)Fig.2 Charging service network of electric vehicles and industrial development form

停車位一對一建設(shè)充電終端，集成數(shù)據(jù)采集、通信、充放電控制及監(jiān)控終端，實現(xiàn)能源、交通、信息的設(shè)施融合。結(jié)合智慧能源、車聯(lián)網(wǎng)等創(chuàng)新融合技術(shù)，集中處理和分析充電終端數(shù)據(jù)，分析預(yù)測充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)在能源、交通層面的運行態(tài)勢，優(yōu)化電動汽車充電調(diào)度，實現(xiàn)能源、交通、信息的數(shù)據(jù)融合與技術(shù)融合。同時，集成車位狀態(tài)感知、充電狀態(tài)感知、停車計時/充電計費、預(yù)約解鎖充電等功能，形成充電服務(wù)平臺，打通充電與出行需求的實現(xiàn)路徑，實現(xiàn)服務(wù)融合。當前，相關(guān)電動汽車充電服務(wù)企業(yè)正推動充電服務(wù)平臺研發(fā)，致力于構(gòu)建電動汽車充電服務(wù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

三網(wǎng)融合系統(tǒng)的基本架構(gòu)由物理層、感知層、平臺層與應(yīng)用層組成，如圖3所示。

圖3 三網(wǎng)融合系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Integrated system architecture of three networks

物理層由能源、交通、信息系統(tǒng)的一系列物理實體設(shè)施、用戶終端及融合設(shè)施組成，包括發(fā)電機組、電力線纜、氣/熱管道、儲能、交通設(shè)施、運載工具，通信基站、數(shù)據(jù)中心、用戶用能、出行、通信終端等。

感知層由能源與交通網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集終端、傳感設(shè)備，以及信息網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)、分布式計算資源組成，用以采集及傳輸物理層運行數(shù)據(jù)，監(jiān)測并感知物理層運行狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。

平臺層基于感知層的數(shù)據(jù)采集，以數(shù)據(jù)處理與優(yōu)化算法為核心，通過技術(shù)融合，形成分工不同的各類管理運營平臺，例如：基于云計算的數(shù)據(jù)存儲與分析平臺、融合運行調(diào)度平臺、融合交易監(jiān)管平臺等。平臺與平臺間制定可靠邊界與友好互動協(xié)議，保障用戶隱私及信息安全。平臺層面向上層應(yīng)用提供安全可靠、高效便捷的軟硬件基礎(chǔ)，以及有效決策或調(diào)控方案。

應(yīng)用層是三網(wǎng)融合的價值集中體現(xiàn)。結(jié)合物理層的運行狀態(tài)，匯集感知層的有效信息，基于平臺層的技術(shù)支持，面向用戶社群提供用能管理、出行引導、信息獲取等服務(wù)，實現(xiàn)三網(wǎng)融合系統(tǒng)的運營管理。

2.3 主要特征

總結(jié)三網(wǎng)融合發(fā)展形態(tài)可知，三網(wǎng)融合發(fā)展將呈現(xiàn)以下特征。

1）開放互聯(lián)。能源、交通、信息設(shè)備與系統(tǒng)廣泛互聯(lián)，靈活接納多元用戶，支持各主體平等參與［44］，產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系開放包容。

2）全面感知。廣泛分布在終端的小微智能傳感器實時采集海量運行數(shù)據(jù)，經(jīng)由5G基站等先進通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，將海量數(shù)據(jù)上傳、識別與可視化展示，控制中心可全面感知能源網(wǎng)、交通網(wǎng)所有節(jié)點、線路及用戶終端，實時監(jiān)測融合系統(tǒng)運行工況及設(shè)備狀態(tài)［45］。

3）供需互動。在物聯(lián)網(wǎng)框架下，能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)的大量用戶移動設(shè)備將組成龐大的群智感知網(wǎng)絡(luò)；融合系統(tǒng)通過對用戶行為進行分析動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)運行狀態(tài)，通過集中調(diào)度控制、各子單元分布自治、遠程協(xié)作，實現(xiàn)人機雙向交互［46］，供需互動。

4）綠色低碳。三網(wǎng)融合發(fā)展促進資源集約利用，提高能源利用效率［47］，能源供應(yīng)將以可再生能源為主力，交通基礎(chǔ)設(shè)施綠色化，信息網(wǎng)用能清潔、服務(wù)綠色，三網(wǎng)零碳融合，經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

3 構(gòu)建三網(wǎng)融合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

三網(wǎng)融合作為交叉學科、跨界融合的創(chuàng)新發(fā)展體系，其實質(zhì)是能源系統(tǒng)與交通系統(tǒng)作為供需雙方的協(xié)同規(guī)劃運行體系，以及信息技術(shù)在能源與交通融合領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用突破。為支撐三網(wǎng)融合系統(tǒng)向社會提供更優(yōu)質(zhì)、高效的服務(wù)，需面向工程應(yīng)用需求，順應(yīng)三網(wǎng)融合產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，逐步完善物理層、感知層、平臺層與應(yīng)用層的架構(gòu)及建設(shè)，進而實現(xiàn)三網(wǎng)廣泛連接、深度融合、全面感知、智能交互及協(xié)同運行?；诖?，本章考慮三網(wǎng)融合發(fā)展的工程應(yīng)用需求和產(chǎn)業(yè)融合態(tài)勢，從物理層、感知層、平臺層與應(yīng)用層4個層面，分析歸納構(gòu)建三網(wǎng)融合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 物理層的關(guān)鍵技術(shù)

構(gòu)建三網(wǎng)融合系統(tǒng)物理層的工程建設(shè)需求主要在于能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)的聯(lián)合優(yōu)化規(guī)劃，其工程應(yīng)用需求主要在于維持三網(wǎng)設(shè)備終端健康運轉(zhuǎn)、通道網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸。基于此，本節(jié)歸納總結(jié)構(gòu)建三網(wǎng)融合系統(tǒng)物理層的關(guān)鍵技術(shù)如下。

1）計及已建網(wǎng)絡(luò)的三網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化規(guī)劃

現(xiàn)有能源網(wǎng)的規(guī)劃研究往往只考慮運行約束和投資回報，并主要集中在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃［48-49］、輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)、微電網(wǎng)規(guī)劃［50-52］等領(lǐng)域，對象眾多、范圍廣泛。交通網(wǎng)的規(guī)劃主要集中在交通網(wǎng)絡(luò)的空間布局與配置［53-54］。信息網(wǎng)的規(guī)劃主要集中在無線網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與路由設(shè)計［55］。針對電力-交通耦合網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃研究大多集中于電動汽車充電站規(guī)劃［56］、考慮電動汽車的配電網(wǎng)及道路擴建規(guī)劃［57-58］等方面。然而，現(xiàn)有規(guī)劃研究鮮有考慮不同發(fā)展階段的社會需求。

目前，中國能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施及傳輸通道已基本建成。已建網(wǎng)絡(luò)體量龐大，節(jié)點繁多，結(jié)構(gòu)復雜。三網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)擴建與新建均須基于已建網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和已建設(shè)施的分布展開。

三網(wǎng)聯(lián)合規(guī)劃應(yīng)首先分析區(qū)域已建網(wǎng)絡(luò)與區(qū)域用能、出行、通信需求間的供需關(guān)系，分析區(qū)域發(fā)展規(guī)劃對融合系統(tǒng)擴建和新建的需求。劃分能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)建設(shè)階段，結(jié)合政策指向，預(yù)測各建設(shè)階段能源網(wǎng)負荷、交通網(wǎng)交通量、信息網(wǎng)通信需求的時空分布，有預(yù)見性地進行三網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的多階段、多尺度發(fā)展規(guī)劃。

針對復雜的已建網(wǎng)絡(luò)，可利用復雜網(wǎng)絡(luò)理論，按社團結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)、節(jié)點分類結(jié)構(gòu)等復雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對已建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)展開分析，識別已建網(wǎng)絡(luò)脆弱分支［59］與關(guān)鍵節(jié)點；基于已建網(wǎng)絡(luò)與區(qū)域的供需關(guān)系以及區(qū)域發(fā)展需求，考慮建設(shè)周期投資、運行和維護費用成本，兼顧投資效益與用戶效用，針對社區(qū)級、城市級、廣域級等不同范圍的融合系統(tǒng)，分析其不同發(fā)展階段的演變規(guī)律，研究能源網(wǎng)-交通網(wǎng)-信息網(wǎng)多階段聯(lián)合優(yōu)化規(guī)劃方法。

另外，針對三網(wǎng)融合樞紐，在傳統(tǒng)變電站的基礎(chǔ)上，研究多站融合規(guī)劃配置方法：站內(nèi)屋頂光伏面板，以及站內(nèi)閑置空間數(shù)據(jù)中心、5G基站、儲能的聯(lián)合規(guī)劃配置［60］。

2）三網(wǎng)連鎖故障分析與診斷

為保障三網(wǎng)融合系統(tǒng)物理層的安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，須關(guān)注三網(wǎng)設(shè)備終端的健康狀態(tài)，以及網(wǎng)絡(luò)故障的傳播。傳統(tǒng)電網(wǎng)連鎖故障常采用解析法、蒙特卡洛搜索法等對連鎖故障進行仿真模擬，或引用事故鏈模型預(yù)測連鎖故障風險。對于電網(wǎng)-信息網(wǎng)耦合網(wǎng)絡(luò)，其連鎖故障傳播機理研究主要從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征、網(wǎng)絡(luò)負荷動態(tài)分配特性展開。對于電網(wǎng)-交通耦合網(wǎng)絡(luò)，文獻［61］建立了多層網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)失效模型，以刻畫充電站故障擾動在電網(wǎng)與交通網(wǎng)間的傳播過程。但兩網(wǎng)耦合的連鎖故障研究僅為初步探索，尚未形成可靠的研究方法體系。

由于實際能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)的復雜性，三網(wǎng)融合系統(tǒng)中的擾動滲透和故障連鎖傳播的成因及發(fā)展過程復雜又多變。針對涵蓋能源、交通、信息多網(wǎng)特性的融合系統(tǒng)，傳統(tǒng)的連鎖故障分析方法應(yīng)用難度極大。近年來也有較多研究基于復雜網(wǎng)絡(luò)理論［62-63］提出單一網(wǎng)絡(luò)或兩網(wǎng)耦合的連鎖故障模型。但針對能源-交通-信息融合系統(tǒng)的連鎖故障研究仍有待深入。

為此，須進一步深入分析能源、交通、信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)與交互，建立更符合能源網(wǎng)-交通網(wǎng)-信息網(wǎng)融合實際情況的級聯(lián)故障模型。在傳統(tǒng)連鎖故障分析方法的基礎(chǔ)上，研究融合系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點和主參數(shù)控制方法，分析控制方法的穩(wěn)定性和有效性，量化分析安全域、故障后安全時間，對關(guān)鍵設(shè)備進行故障等效建模，提取其故障特征［64］，進而提出故障診斷技術(shù)與故障特性分析方法。

另外，可基于復雜網(wǎng)絡(luò)理論，研究融合系統(tǒng)的同步性、魯棒性、穩(wěn)定性與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，根據(jù)復雜網(wǎng)絡(luò)演化動力學、混沌動力學及信息傳播學，分析不同能源子網(wǎng)絡(luò)、能源與交通網(wǎng)絡(luò)間隨機擾動的滲透發(fā)展機理，揭示能源子網(wǎng)絡(luò)間、能源與交通網(wǎng)之間的連鎖故障傳播演化規(guī)律［65］。面對極端天氣、惡性災(zāi)害事件，研究災(zāi)害蔓延動力學模型，以預(yù)測災(zāi)害影響及新的事故狀態(tài)，增強三網(wǎng)融合系統(tǒng)面對極端天氣、惡性災(zāi)害事件的分析預(yù)測能力。

3.2 感知層的關(guān)鍵技術(shù)

構(gòu)建三網(wǎng)融合系統(tǒng)感知層的工程建設(shè)需求主要集中在數(shù)據(jù)的廣泛采集與高速傳輸，其產(chǎn)業(yè)融合需求主要集中在數(shù)據(jù)的高效交互與有效分析。因此，三網(wǎng)融合系統(tǒng)感知層構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：先進傳感及量測技術(shù)、新型通信傳輸架構(gòu)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互標準、大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用。

1）先進傳感及量測技術(shù)

能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)的終端分布點多面廣，穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集是三網(wǎng)融合系統(tǒng)全面感知、高效運行的必備前提。然而，現(xiàn)有傳感器普遍成本較高、功耗較大，且抗干擾能力較弱［66］，難以滿足海量終端穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集要求。

為保障數(shù)據(jù)采集的及時性、完整性、準確性，需要突破現(xiàn)有傳感器技術(shù)，全面挖掘能源網(wǎng)、交通網(wǎng)中光、聲、熱、電、磁等多類型特征量，研究新型傳感機理，開發(fā)新型敏感材料［66］。須測試傳感器在多種復雜工況下的抗干擾能力，完善傳感器封裝工藝，提高其量測可靠性及使用壽命。并且集成量測、通信、邊緣計算等功能，研發(fā)小體積、低功耗、低延遲、高精度、微取能、運行維護簡單的小微智能傳感器，實現(xiàn)傳感器的云邊協(xié)同，以滿足三網(wǎng)融合系統(tǒng)全面覆蓋的數(shù)據(jù)采集需求。

2）新型通信傳輸架構(gòu)

三網(wǎng)融合系統(tǒng)服務(wù)用戶眾多，運行數(shù)據(jù)多源、海量、異構(gòu)。為保障融合系統(tǒng)及時感知設(shè)備狀態(tài)、順利實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，需要高速率、低延遲、隱私安全、兼容性強的通信架構(gòu)。

為此，須研究海量智能終端接入的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、5G及更先進的蜂窩移動通信與電力通信網(wǎng)的融合應(yīng)用技術(shù)，研發(fā)高速無線本地通信芯片，充分發(fā)揮5G等先進通信技術(shù)在應(yīng)用中的效益，實現(xiàn)三網(wǎng)融合系統(tǒng)的廣泛深入連接。

3）數(shù)據(jù)統(tǒng)一交互標準

當前三網(wǎng)數(shù)據(jù)通信傳輸標準尚未統(tǒng)一，行業(yè)間數(shù)據(jù)共享壁壘難以打破。能源網(wǎng)、交通網(wǎng)，甚至電、熱、氣等不同能源網(wǎng)均有各自使用的數(shù)據(jù)模型與通信標準，且不同網(wǎng)絡(luò)平臺的建設(shè)規(guī)范不同，數(shù)據(jù)標準雜亂不統(tǒng)一，無法有效共享、集中管理。另外，交通運營、能源供應(yīng)和信息管理部門、社會相關(guān)企業(yè)等溝通協(xié)作的達成周期長、難度大，行業(yè)間數(shù)據(jù)共享壁壘難以打破。

因此，亟須制定行業(yè)權(quán)威的三網(wǎng)融合統(tǒng)一數(shù)據(jù)編碼標準，明確數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)質(zhì)量等要求［67］，建立融合系統(tǒng)各環(huán)節(jié)信息的信息管理與信息交互標準體系。對于現(xiàn)已投運的系統(tǒng)平臺設(shè)備，研制高效、便捷的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)。

4）大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)均為巨型動態(tài)復雜系統(tǒng)，其規(guī)劃運行將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)資源。同時，三網(wǎng)均有上億用戶，用戶出行、用能與通信等行為數(shù)據(jù)體量龐大。而海量數(shù)據(jù)資源是信息技術(shù)時代的新型生產(chǎn)要素，對海量數(shù)據(jù)資源進行有效挖掘與分析，在融合系統(tǒng)的運行狀態(tài)評估、預(yù)測及優(yōu)化調(diào)度控制中深入應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，是三網(wǎng)高效協(xié)同、深度融合、智慧交互的重要基礎(chǔ)。

為此，須基于人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、增強現(xiàn)實、云計算等前沿信息通信技術(shù)，研制基于能源系統(tǒng)運行及消費大數(shù)據(jù)［68］、交通運行大數(shù)據(jù)［69］的知識圖譜和智能大數(shù)據(jù)集，為提高能源生產(chǎn)及消費效率、提升交通出行便捷度及通暢度提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。研究圖像、文本、聲音等不同模式數(shù)據(jù)的多模動態(tài)融合分析技術(shù)［70］。在融合系統(tǒng)規(guī)劃、運行、安全等各個領(lǐng)域深入應(yīng)用能源、交通大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以充分挖掘能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)及社群用戶的數(shù)據(jù)潛力，有效利用數(shù)據(jù)價值。

3.3 平臺層的關(guān)鍵技術(shù)

三網(wǎng)融合系統(tǒng)平臺層是應(yīng)用層的實現(xiàn)基礎(chǔ)，面向產(chǎn)業(yè)融合需求，為融合系統(tǒng)的運行與服務(wù)提供算法支持、方案參考和軟件基礎(chǔ)，其核心是能源、交通、信息學科交叉的創(chuàng)新技術(shù)融合，主要包括三網(wǎng)聯(lián)合仿真、三網(wǎng)協(xié)同運行等。基于此，本節(jié)歸納總結(jié)構(gòu)建三網(wǎng)融合系統(tǒng)平臺層的關(guān)鍵技術(shù)如下。

1）多時間尺度聯(lián)合仿真技術(shù)

能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)均為大規(guī)模的復雜非線性網(wǎng)絡(luò)，熱、氣等能源網(wǎng)絡(luò)以及交通網(wǎng)具有慢變特征，電網(wǎng)及信息網(wǎng)絡(luò)整體呈現(xiàn)快變特征，三網(wǎng)融合系統(tǒng)的時間尺度跨域較大，暫態(tài)、中長期動態(tài)、穩(wěn)態(tài)等不同時間尺度過程相互穿插、交織，對三網(wǎng)融合的仿真分析提出了極為嚴苛的要求，傳統(tǒng)的分析方法與仿真技術(shù)難以適用。

基于廣義的網(wǎng)絡(luò)流建模與分析的方法，對三網(wǎng)融合系統(tǒng)進行多時空尺度耦合的狀態(tài)估計、穩(wěn)態(tài)計算、動態(tài)分析理論，形成三網(wǎng)融合系統(tǒng)多時間/空間尺度耦合的理論建模與分析計算體系。考慮能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)不同響應(yīng)時間，結(jié)合云計算等先進信息技術(shù)，建立從局部暫態(tài)、中長期動態(tài)到全局穩(wěn)態(tài)的全過程多時間尺度仿真，從而實現(xiàn)三網(wǎng)融合系統(tǒng)的多時空尺度交互分析與仿真，為研究多時空尺度下能源、交通、信息協(xié)同運行控制方法提供可靠的理論支撐及仿真技術(shù)基礎(chǔ)。

2）多時空協(xié)同優(yōu)化運行控制技術(shù)

目前，能源網(wǎng)優(yōu)化運行控制主要通過調(diào)度可控設(shè)備，在保障出力與負荷的實時平衡基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化設(shè)備出力或用能策略，實現(xiàn)更經(jīng)濟、穩(wěn)定的運行。交通網(wǎng)優(yōu)化運行控制主要通過紅綠燈控制、列車時刻表優(yōu)化或路徑引導等方式，實現(xiàn)更通暢的運行。能源-交通耦合網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化運行控制研究通常以電動汽車作為耦合關(guān)鍵，基于充電價格及道路通行、擁堵費用策略優(yōu)化，實現(xiàn)耦合網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化運行。

而由于能源、交通、信息網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間的差異，三網(wǎng)融合系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化運行控制需考慮不同時間斷面。因此，可結(jié)合多時間尺度下的三網(wǎng)交互關(guān)系，分析融合系統(tǒng)不同時間尺度下能源負荷、交通流量的空間分布，對融合系統(tǒng)進行多時空的供需預(yù)測，預(yù)測能源網(wǎng)實時負荷和新能源機組出力、交通網(wǎng)實時負荷分布和需求；基于能源、交通運行大數(shù)據(jù)的實時采集與分析，評估終端設(shè)備健康狀態(tài)，結(jié)合多時間尺度耦合的三網(wǎng)融合系統(tǒng)狀態(tài)估計、穩(wěn)態(tài)計算、動態(tài)分析理論體系，分析能源網(wǎng)實時負載情況及運行工況，評估融合系統(tǒng)運行態(tài)勢；在全面感知分析與供需預(yù)測的基礎(chǔ)上，計算評估各類靈活性資源的調(diào)度潛力，研究融合系統(tǒng)需求側(cè)管理技術(shù)；考慮多元、多端用戶的多重不確定性，以提高經(jīng)濟性、可靠性、環(huán)保性等為目標展開協(xié)同優(yōu)化調(diào)控，研究融合系統(tǒng)魯棒隨機優(yōu)化調(diào)度方法［71］；基于用戶心理分析及行為預(yù)測，研究能源-交通協(xié)同的多時空優(yōu)化運行調(diào)度策略，經(jīng)信息網(wǎng)的數(shù)據(jù)上行與指令下達、控制中心計算調(diào)度、分布式管理中心分發(fā)指令、終端響應(yīng)，實現(xiàn)集中調(diào)度控制、分布自治的多層級智能運行控制［72］。

3.4 應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)

考慮三網(wǎng)融合系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢，其應(yīng)用層應(yīng)以用戶為中心，考慮三網(wǎng)不同用戶社群需求，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，對用戶行為進行科學分析與有效引導，實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)的雙向友好交互。

當前，已有研究多針對單一網(wǎng)絡(luò)和耦合網(wǎng)絡(luò)的用戶展開行為分析與引導研究，并基于馬爾可夫決策過程、概率統(tǒng)計學與蒙特卡洛模擬等方法，刻畫用戶決策行為，反映用戶群體特征，模擬用戶用能、出行、通信等需求分布，常采用價格激勵手段引導用戶行為［73-74］。也有部分研究運用后悔理論等心理學模型［75-76］，刻畫用戶選擇過程。盡管現(xiàn)有研究對用戶行為分析和引導技術(shù)進行了探索，但仍難以反映現(xiàn)實中多元、海量用戶不確定性對系統(tǒng)運行的影響，其實際應(yīng)用效果有待進一步驗證。

在信息技術(shù)發(fā)達、數(shù)據(jù)資源海量的當下，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計算等先進信息技術(shù)，將更能貼近實際地對多元社會化行為進行分析。因此，可借鑒社會能源互聯(lián)網(wǎng)的思想［77］，從行為經(jīng)濟學、社會學、心理學等角度，建立行為特征數(shù)據(jù)庫；基于用戶行為數(shù)據(jù)深度挖掘用戶社群的交通出行、用能行為及決策特征，合理分析與預(yù)測社群普遍行為規(guī)律，以及用能、出行行為的時空分布特性［78］；結(jié)合供需雙向交互信息，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，預(yù)測用戶行為并決策；結(jié)合融合系統(tǒng)運行過程中所采集的海量用戶數(shù)據(jù)，刻畫用戶受天氣、環(huán)境、價格、社會動態(tài)等信息影響所產(chǎn)生的行為不確定性，描繪用戶受到信息和價格激勵的行為響應(yīng)特征，從而揭示多元社會化行為不確定性對系統(tǒng)運行調(diào)度的影響機理。

基于用戶行為不確定性的特征描繪與分析，建立用戶對信息激勵/價格引導的響應(yīng)行為模型［79］，充分利用目標社群的關(guān)鍵特征，設(shè)計科學有效的信息激勵措施，將融合系統(tǒng)中的靈活調(diào)度資源與用戶行為進行良好協(xié)同，研究三網(wǎng)融合系統(tǒng)的用戶激勵引導優(yōu)化方案，以便及時調(diào)整優(yōu)化運行調(diào)度策略，統(tǒng)籌能源網(wǎng)的實時供需平衡以及交通網(wǎng)的最優(yōu)分布。

4 三網(wǎng)融合分析的關(guān)鍵理論

能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)所涉時空范圍極廣，所含用戶節(jié)點眾多，三網(wǎng)聯(lián)合運行后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和機制更加錯綜復雜，單一網(wǎng)絡(luò)的高效穩(wěn)定運行尚且有諸多待解決的問題，融合系統(tǒng)則面臨更顯著的復雜性及更多重的不確定性。本章將從三網(wǎng)融合系統(tǒng)架構(gòu)的物理層、感知層、平臺層、應(yīng)用層，對三網(wǎng)融合分析所面臨的學術(shù)挑戰(zhàn)和關(guān)鍵理論進行闡述。

1）在物理層，聯(lián)合規(guī)劃需考慮已建網(wǎng)絡(luò)的復雜結(jié)構(gòu)，且融合系統(tǒng)作為超大規(guī)模的復雜網(wǎng)絡(luò)，其局部擾動將可能在整個網(wǎng)絡(luò)中蔓延、傳播，導致嚴重后果。聯(lián)合規(guī)劃與故障分析的挑戰(zhàn)均在于融合系統(tǒng)的復雜網(wǎng)絡(luò)建模。

2）在感知層，三網(wǎng)融合系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)海量、廣泛、高維、異構(gòu)。三網(wǎng)融合系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用是跨學科的、高度復雜的創(chuàng)新融合技術(shù)，其關(guān)鍵難點在于海量、高維、異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效處理與挖掘。

3）在平臺層，三網(wǎng)融合將能源、交通、信息從獨立分割運行模式轉(zhuǎn)變?yōu)楣蚕砘訁f(xié)同模式，這種轉(zhuǎn)變需要兼顧三網(wǎng)的不同運行特性，尤其是不一致的時間尺度，而三網(wǎng)運行時間尺度差異較大。同時，能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)的輻射范圍極廣，均具有不同的空間分布特征。三網(wǎng)的多時空特性顯著增加了融合系統(tǒng)聯(lián)合仿真與協(xié)同運行的難度。

4）在應(yīng)用層，能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)均面向用戶需求，提供相應(yīng)服務(wù)，對用戶決策給予相應(yīng)反饋。而三網(wǎng)用戶特性不一，且每個用戶均具有用能、出行及通信的需求，用戶面對能源、交通及信息網(wǎng)的決策存在相互影響，顯著加劇了用戶行為特性分析、用戶行為引導的難度。

基于上述分析，本章結(jié)合構(gòu)建三網(wǎng)融合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，分析歸納了三網(wǎng)融合分析的關(guān)鍵理論，其與關(guān)鍵技術(shù)間的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

圖4 三網(wǎng)融合發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵理論Fig.4 Key technologies and theories for integrated development of three networks

4.1 能源-交通-信息網(wǎng)交織構(gòu)成的復雜網(wǎng)絡(luò)建模及擾動傳播分析

能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)均可以網(wǎng)絡(luò)流的形式表征運行態(tài)勢，且均具有自組織、自相似、吸引子、小世界等典型復雜網(wǎng)絡(luò)特征。三網(wǎng)融合系統(tǒng)的擴建和新建須基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。而三網(wǎng)已建網(wǎng)絡(luò)體量龐大，時空分布廣泛，社團結(jié)構(gòu)繁多，節(jié)點及節(jié)點間連接多樣，具有多重復雜性。要實現(xiàn)三網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化規(guī)劃，須對現(xiàn)有能源-交通-信息網(wǎng)交織構(gòu)成的復雜網(wǎng)絡(luò)進行建模分析。因此，建立統(tǒng)一的復雜網(wǎng)絡(luò)拓撲模型，以有效表征已建網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)類型，建立三網(wǎng)交織的復雜網(wǎng)絡(luò)拓撲演化模型，為融合系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃提供模型參考。

同時，受環(huán)境、政策及各利益主體行為決策等多方影響，三網(wǎng)通常面臨諸多不確定性。這些不確定性所帶來的局部擾動可經(jīng)由復雜網(wǎng)絡(luò)傳播演變至全網(wǎng)性安全事故，例如能源網(wǎng)中的連鎖故障、交通網(wǎng)中的相繼阻塞、信息網(wǎng)中的病毒傳播等。而三網(wǎng)融合后，任一系統(tǒng)中的異常、擾動、故障，均可經(jīng)由能量流、交通流、信息流波及其他系統(tǒng)，甚至可能引發(fā)整個融合系統(tǒng)的失穩(wěn)、失效乃至癱瘓。例如：某一能源網(wǎng)的擾動傳遞至其他能源網(wǎng)，導致能源網(wǎng)大范圍的停電或崩潰；能源網(wǎng)故障向交通網(wǎng)傳導，加劇能源網(wǎng)故障造成的社會影響；同時，交通負荷接入能源網(wǎng)所帶來的擾動會影響能源網(wǎng)的運行狀態(tài)。大規(guī)模無序充電負荷接入電網(wǎng)，將會引發(fā)諸如負荷峰谷差加大、電能質(zhì)量下降、網(wǎng)損增大等多方面問題［80］。另外，能源或交通網(wǎng)的物理設(shè)施受到信息網(wǎng)絡(luò)攻擊，也會導致大面積停電及交通癱瘓。

通常，復雜網(wǎng)絡(luò)的擾動傳播受網(wǎng)絡(luò)拓撲影響顯著，并且，復雜網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)運行功能及性能緊密相關(guān)。因此，建立統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)拓撲模型以有效表征融合復雜網(wǎng)絡(luò)運行性能，分析三網(wǎng)融合系統(tǒng)擾動傳播機理，研究能源-交通-信息融合系統(tǒng)傳播動力學及演化機制，從而發(fā)現(xiàn)傳播過程的薄弱環(huán)節(jié)，預(yù)測擾動可能引起的事故，實現(xiàn)及時規(guī)避和控制，對融合系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

4.2 多源、海量、高維、異構(gòu)的數(shù)據(jù)處理與挖掘

能源網(wǎng)包括電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)等多種形式能源網(wǎng)絡(luò)；交通網(wǎng)包括公路、鐵路、水路、航空等多種交通形式；信息網(wǎng)包括光纖、ZigBee、藍牙等多類通信方式。融合系統(tǒng)龐大且復雜，能源網(wǎng)、交通網(wǎng)運行數(shù)據(jù)類型參數(shù)各異、時間尺度不同、時空不統(tǒng)一。融合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)多源、海量、高維且異構(gòu)，對其進行識別、處理與挖掘的難度極大。

因此，在多源海量大數(shù)據(jù)中建立相關(guān)分析［81］，發(fā)現(xiàn)并提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)節(jié)點信息，挖掘高維異構(gòu)數(shù)據(jù)內(nèi)部隱藏的聚簇結(jié)構(gòu)，通過高階異構(gòu)數(shù)據(jù)聯(lián)合聚類，實現(xiàn)自動降維，以解決多源、海量、高維、異構(gòu)數(shù)據(jù)分析處理的難題，進而實現(xiàn)能源、交通大數(shù)據(jù)的充分挖掘與有效利用。這是三網(wǎng)在數(shù)據(jù)融合方面須攻克的關(guān)鍵理論問題。

4.3 隨機型交通潮汐與能源網(wǎng)多時空尺度交互機理分析

由于人們的日常生活工作具有明顯的時空分布規(guī)律，因此，交通流量的時空分布具有明顯的周期性，交通流量的早高峰、晚高峰與潮汐現(xiàn)象有著相似特性。另外，交通流量時空分布與城市文化、天氣、時節(jié)、社會活動等因素緊密相關(guān)，易受到人、社群決策與行為的直接影響，具有一定的隨機性。隨機且可移動的交通用能負荷在時空分布上疊加到供能網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)負荷，將會引起能量流時空分布的明顯改變。同時，供能網(wǎng)絡(luò)的分布與配置將直接影響交通流的時空分布，其運行狀態(tài)也會對交通流的時空分布產(chǎn)生直接影響。綜上，交通網(wǎng)與能源網(wǎng)間的交互具有復雜的時空疊加特性。

然而，能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)運行時間尺度不一致。信息網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸極快，時間尺度極短；能源網(wǎng)中，電網(wǎng)供用兩端實時平衡，調(diào)度控制響應(yīng)常以毫秒、秒級計算，時間尺度短；交通網(wǎng)擁堵、通暢狀態(tài)的變化過程一般以分鐘、小時級計算，時間尺度長。信息網(wǎng)作為能源網(wǎng)與交通網(wǎng)數(shù)據(jù)交互的通信基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸速率越快越好，相比于能源網(wǎng)與交通網(wǎng)，其時間尺度短到可以忽略不計。而能源網(wǎng)與交通網(wǎng)時間尺度的差異顯著增加了兩網(wǎng)交互關(guān)系分析，以及協(xié)同運行調(diào)度的難度。

因此，借助感知層的態(tài)勢估計與預(yù)測，針對能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)多時空交互的現(xiàn)象展開具體分析，研究接入城市電網(wǎng)的電氣化交通網(wǎng)的電力電子特性對城市電網(wǎng)的影響機理，研究能源網(wǎng)潮流的時空分布對交通網(wǎng)運行狀態(tài)的影響機理，揭示能源、交通多時空耦合的交互關(guān)系，是攻克三網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化運行控制技術(shù)的重要前提。

4.4 多重不確定性的多元社會化行為分析

能源網(wǎng)向社會供應(yīng)電、氣、熱等不同形式能源，交通網(wǎng)滿足社會用戶海、陸、空等多種形式的出行，信息網(wǎng)向社會提供有線、無線等多類通信服務(wù)，融合系統(tǒng)涉及不同形式的需求與服務(wù)，存在海量、多元的社會主體。其中，社會主體包括個體和企業(yè)用戶等消費者、能源供應(yīng)商、交通運輸運營商、信息服務(wù)運營商、制造型和服務(wù)型社會企業(yè)，以及監(jiān)管、調(diào)度等行政機構(gòu)。人、企業(yè)、機構(gòu)進行互動形成社會網(wǎng)絡(luò)。海量、多元的社會主體，以及不同形式的需求與服務(wù)背后是復雜的社會化行為。

用能、出行、通信是人類生產(chǎn)生活的核心需求，社會主體具有能源、交通、信息等多重屬性，其多元社會化行為易受到環(huán)境、價格、社會動態(tài)等影響，具有較強的不確定性，直接影響能源消耗、交通分布及信息交互情況，對融合系統(tǒng)的運行狀態(tài)影響顯著。同時，由于社會主體普遍具有有限理性與利益追求的特征，因此可充分利用目標社群的關(guān)鍵特征，設(shè)計科學有效的信息激勵措施，實現(xiàn)融合系統(tǒng)與社群的友好交互，將融合系統(tǒng)中的靈活調(diào)度資源與用戶行為進行良好協(xié)同。

因此，如何分析社會主體多元社會化行為的多重不確定性對系統(tǒng)規(guī)劃運行的影響，同時協(xié)調(diào)上述利益主體，實現(xiàn)“以人為本”的三網(wǎng)融合系統(tǒng)優(yōu)化運行，是三網(wǎng)服務(wù)融合及產(chǎn)業(yè)融合的關(guān)鍵。

5 結(jié)語

能源網(wǎng)、交通網(wǎng)、信息網(wǎng)是經(jīng)濟社會的重要基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，三網(wǎng)長期以來的獨立建設(shè)與運營管理，存在投入產(chǎn)出比低、資源浪費的短板。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，這一短板還將更加突出。三網(wǎng)融合發(fā)展可顯著降低建設(shè)及運營成本，促進土地資源高效集約利用；推動能源、交通等傳統(tǒng)行業(yè)形成新業(yè)態(tài)、新模式；形成深度融合、智慧協(xié)同的局面，與能源轉(zhuǎn)型、交通強國協(xié)同增效，向社會提供更友好便捷的能源供應(yīng)服務(wù)、交通出行服務(wù)和信息服務(wù)。

在當前“碳達峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標下，三網(wǎng)融合發(fā)展可加快推進清潔能源替代，有效推動交通網(wǎng)電能替代，促進先進信息技術(shù)賦能能源與交通，提升三網(wǎng)融合運行決策效率，優(yōu)化決策流程，實現(xiàn)資源共享、復用?？梢姡W(wǎng)融合不僅可實現(xiàn)有效的資源統(tǒng)籌，提高資源利用效率，還能在能源生產(chǎn)層面加速脫碳，在能源消費層面加速減排，促進跨部門協(xié)調(diào)、跨領(lǐng)域合作，促進學科交叉、技術(shù)融合創(chuàng)新，共同推動“碳達峰、碳中和”目標下的技術(shù)融合創(chuàng)新與成果推廣應(yīng)用。