基于地下停車場的“5G+軌道式智慧汽車充電樁”設計研究

任敏 田準

摘 要：從建設智慧城市的角度，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計方案。方法：通過對充電樁的功能和結構兩方面進行設計，實現智慧充電樁的施行。結論：借助于互聯網+、大數據等技術手段，促進信息的開放共享、互聯互通，讓車輛和充電樁網絡更加匹配，組織推動國家級充電服務平臺建設，共同推動充電基礎設施健康可持續發展，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網絡，解決5G點、線、面的覆蓋問題，解決熱點地區的深度覆蓋問題。未來“5G+智慧充電樁”將形成一個閉環，滿足互聯網、物聯網及車聯網等的發展需求，更好地服務智慧城市建設。

關鍵詞：智慧城市;地下停車場;5G網絡;智能汽車充電樁;軌道式

自2008年國際商業機器公司（IBM）提出“智慧地球”概念后，全球進入“智慧城市” 的建設熱潮。2018年4項智慧城市相關國家標準發布，如《智慧城市頂層設計指南》，進一步完善了我國智慧城市的建設和評價標準。隨著我國從“移動互聯”向“萬物互聯”轉型，尤其是物聯網、車聯網、人工智能、大數據等新興產業的崛起，對未來的信息傳輸網絡性能提出更高的要求。城市基礎建設是建設智慧城市的重中之重，而在建設大潮中，電動汽車充電基礎設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 網絡，成為集合各種信息數據、復合創新技術的新型產品，還可拓展智慧城市的各種功能，如智慧照明、智慧安防、環境（氣象/消防/污染）監測、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終端。

一、“5G+軌道式智慧汽車充電樁”功能設計

智慧充電樁與傳統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網絡，實現智慧功能的拓展。國際電信聯盟描繪了至少三個可以預見的5G應用場景。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用，比如AR增強現實、VR虛擬現實等;二是大規模機器通信（mMTC），就是物聯網應用;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、工業自動化等。從而發展智慧城市，為智慧充電樁的發展帶來了新契機。

（一）智慧功能

智慧城市技術參考模型自下而上包括物聯感知層、網絡通信層、計算與存儲層、數據及服務融合層、智慧應用層。智慧充電樁作為智慧城市的信息中轉站之一，在每一層中都體現出重要作用。

（1）物聯感知層，主要針對外部環境的進行智能監測。通過攝像頭、傳感器，實時對車輛、駕駛人員進行智能識別以及所處環境進行安全、環境監測。

（2）網絡通信層，包括大容量高帶寬的光網絡和全城覆蓋的無線網絡。以智慧充電樁作為一個安裝在地下室的5G基站載體，實現地下室的網絡信號全面覆蓋，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。隨著物聯網、人工智能和大數據技術的發展，實時空氣質量監測、照明控制、智能視頻分析等應用包括無人駕駛應用的許多數據將在網絡邊緣處理，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點。

（4）智慧應用層，基于各種行業或領域的智慧應用或應用整合。通過5G，與汽車相關的橫向縱向平臺乃至國家級平臺形成互為依賴、互為合作、互為加強的緊密關系。該平臺可以實現用戶參與用電管理、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以外，預約停車位、預約充電、引領汽車至停車位、費用結算、車況檢測等服務，甚至拓展到汽車維修、保養、租用、清洗、代駕，與家中、公司中智能電器之間互聯等其他服務。

在以上諸多的智慧服務功能中，汽車自檢智慧服務功能是當下亟需開發的一項功能，本文設定的汽車自檢智慧服務功能的實施步驟是：當充電時，通過人臉識別，確定司機身份，使用控制端可選擇是否進行全車體檢或是分系統體檢。當客戶選擇汽車體檢時，車機自動導入智能網聯汽車質量監督檢驗中心（該中心是在智能網聯汽車整車測試領域首家通過資質認定授權的國家質檢中心，授權能力范圍涵蓋了智能網聯汽車實車道路測試、仿真測試、功能安全測試、V2X網聯與信息安全測試等方面）。充電樁被賦予了另一種身份——汽車狀態檢驗信息采集終端。充電樁利用5G網絡下的物聯網、大帶寬、低延時的特性，實現汽車隱患數據與數據庫中信息匹配，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，最終實現實時維修的目的。使用該系統可共同推進智能網聯汽車的發展，帶動智慧城市的創建，以各車企、各車型為基礎，推動產業再振興，形成智能汽車、智慧交通產業的聚集效應。

二、“5G+軌道式智慧汽車充電樁”充電結構設計

在智慧城市建設深入開展的背景下，傳統充電基礎設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劃限制要求多、安裝成本高等問題。充電基礎設施不完善，不夠人性化，不能合理利用現有的場地進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，設計了一種人性化、軌道式的充電樁，為充電基礎設施發展拓寬了一條新途徑。

（一）充電樁運行系統設計

本文設計的充電樁運行系統由供電系統、數據處理系統、結構及軌道系統和充電和信息顯示系統組成。各系統作用如下：

供電系統：為充電樁運行系統供電。

數據系統：數據系統包括分散于整個充電樁運行系統中的數據采集傳感器和數據發送設備、充電樁運行系統唯一的數據處理中心、分散于執行各種指令的執行機構中的數據接收設備，數據系統的工作流程是數據采集傳感器采集車輛信息和充電樁設備信息，發送至的數據處理中心，由數據處理中心將信息處理后，統一發出工作指令至對應的執行機構，由執行機構完成對應動作。

結構及軌道系統：結構及軌道系統中，結構系統由軌道、支撐梁、固定及連接結構構成，主要為充電樁的運行提供軌道和結構支撐，以保證充電樁能夠穩定、準確地到達指定位置，詳細結構見下圖1。

如圖1所示，結構及軌道系統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“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，充電樁進入公共軌道運行，充電樁在公共軌道上運行時，系統設置不做停留，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入預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入公共軌道，最后進入充電樁倉庫的入口。

充電樁在軌道支線上的運行方式是：當充電樁運行至對應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），實現充電樁的高度調節，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：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備，負責采集車輛和操作人的指令信息，發送信息至數據處理中心，接收數據中心的信息反饋，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：主要包括充電樁倉庫和位于倉庫內的檢修系統。充電樁倉庫主要存儲備用充電樁和待執行充電命令的充電樁;倉庫內的檢修系統包括供檢修人員和檢修設備，檢修人員和檢修設備的工作室做日常充電樁的檢修和突發系統故障排查。

本文加裝軌道的創新設計，是以“人-車-機”為分析基礎，這種分析三要素對智能造型設計的影響，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，便于安裝、維修、管理，不占用其他空間。

（二）充電樁外觀造型設計

造型設計是人們對于產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，重點要體現的是產品通過造型傳遞出來的功能特征，設計師主要需要從“好拿，好放和好用”3個維度出發進行設計，是造型為產品的功能服務。

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

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

（3）充電槍擺放區別的一般充電槍，插于充電樁上方。

（4）充電結束后，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軸承自動歸納到充電樁內，方便快捷，防止充電線被損壞。

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

三、結語

以現階段來看，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引入充電基礎設施以及如何將“5G+軌道式智慧充電樁”與智慧城市建設進行深度融合，不僅是5G技術的問題，還涉及到各職能部門的配合、調控和管理，是一個復雜的系統工程。智慧城市的建設還處于剛起步階段，構建成本、體系都過于龐大且復雜，推動進行的阻力也不容小覷。若從技術標準化，應用多樣化、智能化，管理網絡化的方向發展，借助于互聯網+、大數據等技術手段，促進信息的開放共享、互聯互通，讓車輛和充電樁網絡更加匹配，組織推動國家級充電服務平臺建設，共同推動充電基礎設施健康可持續發展，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網絡，解決5G點、線、面的覆蓋問題，解決熱點地區的深度覆蓋問題。我們認為，未來“5G+智慧充電樁”將形成一個閉環，滿足互聯網、物聯網及車聯網等的發展需求，更好地服務智慧城市建設。

參考文獻

[1] 王飛.淺析“智慧燈桿”的發展和應用[J].智能城市.2019，5（9）：17-18.

[2] 張惠樂.淺談以“5G+智慧燈桿”推進智慧城市建設[J].計算機產品與流通，2018（5）：67.

[3] 方景，殷濤，王坦，陶濤，李雪峰，李文超.“5G+智慧燈桿”在智慧城市中的應用探討[J].照明工程學，2019（08）：6-9.

[4] 莊禮瑜.充電樁技術現狀及發展趨勢探析[J].福建農機，2018：49-52.