能源-交通-信息三網融合發展的需求、形態及關鍵技術

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，中國經濟社會快速發展，城市規模急劇擴張，能源供應日益緊缺，交通與通信需求逐年上升。交通系統作為重要能源負荷，與能源系統在用戶、能量、信息等層面產生了頻繁的交互與影響［1］。文獻［2］提出了能源網、交通網、信息網三網融合發展的理念，認為三網融合是可持續發展的大勢所趨，是基礎設施發展的高級形態。在“碳達峰、碳中和”目標［3］下，能源網、交通網均肩負著綠色低碳轉型的重要任務。建設能源互聯網，推進交通電氣化、智慧化是能源網與交通網綠色低碳轉型的關鍵途徑，而發展能源互聯網和智慧交通需要高度信息化技術的支撐。因此，能源-交通-信息一體化應運而生。

當前，中國大力推動新型基礎設施建設，為三網融合發展帶來了新的機遇，注入了新的動力。新型基礎設施建設以新發展理念為引領，以技術創新為驅動，以信息網絡為基礎，面向高質量發展需要［4］，促進能源網、交通網、信息網的基礎建設與融合創新：①以特高壓為供能脈絡的能源網，為三網融合提供更強的能源供應能力，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，為三網融合提供更高效的交通承載能力及運輸能力；③以5G、大數據中心、人工智能、工業互聯網構成的信息網，為三網融合提供低延遲、高速率的信息通信能力，為三網深度連接、廣泛感知奠定基礎；④以新能源汽車充電樁為代表的能源交通融合基礎設施，推動了交通電氣化，為三網融合提供了融合發展的初步應用場景。顯然，新型基礎設施建設將會推動能源與交通數字化轉型、智能升級、融合創新，加速能源網、交通網、信息網融合發展的進程，是三網融合發展的催化劑。

然而，三網融合發展勢必面臨諸多挑戰，除三網相關行業間存在明顯壁壘、商業模式與市場機制亟待更新外，在技術層面，能源網、交通網、信息網的現有技術應用于三網融合運行時，將會面臨以下理論研究方面的挑戰：融合系統高度復雜，數據多源、海量、高維、異構，三網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融合發展的新技術，實現真正意義上的三網深入融合、友好共享、智慧協同。基于此，本文分析了能源網、交通網、信息網融合發展的需求和意義、形態與架構，總結了構建三網融合系統的關鍵技術，探討了三網融合分析的關鍵理論。

1 三網融合發展的必要性與可行性

本章圍繞三網融合發展的優勢與需求，分析三網融合發展的必要性，并論述三網融合發展的途徑及可行性。

1.1 三網融合發展的優勢及必要性

1.1.1 三網融合發展的優勢

能源網、交通網、信息網是人類社會進步、國民經濟發展的重要基礎設施。能源網是交通網、信息網的動力來源；交通網是能源網的重要負荷，是信息網的重要用戶；信息網是能源網和交通網高效穩定運行的通信基礎。三網緊密相連、相互影響、相互支撐，共同服務于經濟社會發展和民生需求。然而，受經濟社會發展階段所限，三網長期處于各自發展的狀態。

當前，中國正處于由經濟高速增長邁向高質量發展的重要轉折期。若能對三網融合發展進行統一規劃，將可發揮三網各自最大潛力，顯著降低建設及運營成本，提高設施研發與建設的投入產出比，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，優化經濟結構；刺激能源、交通、信息領域前沿技術融合創新，推動跨學科技術突破與應用；促進能源、交通傳統行業新模式、新業態的形成，推動能源轉型與交通強國建設，助力“碳達峰、碳中和”的實現，形成深度融合、智慧協同的局面，向社會提供更高效智能、綠色便捷的服務。

1.1.2 三網融合發展的必要性

目前，中國能源結構以化石能源為主，資源匱乏、環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］。加快綠色低碳轉型是中國能源發展的必然趨勢。在能源供給側，需加快可再生能源替代，構建以新能源為主體的新型電力系統［6］；在能源消費側，需提高終端電氣化水平，促進終端綠色、低碳、節能運行。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節。在電氣化交通大規模普及的未來，如果不統籌考慮電氣化交通的運行特性，城市電網將難以解決電氣化交通大規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律，任由其無序充電，將會導致電網中出現大量變壓器過載、電能質量下降［7］等問題，影響電力系統的穩定運行，繼而影響電動汽車的可靠供能，使安全隱患在電力、交通網間交互蔓延。基于此，能源網建設，尤其是電網建設，應著重考慮未來大規模電動汽車接入的影響與應對措施，通過能源網與交通網的聯合規劃與協同運行調度［8］，實現交通、能源的協同可持續發展。另外，能源互聯網是助推能源轉型的重要途徑。然而，中國能源互聯網發展仍處于起步階段，工程應用仍以示范為主，尚未有效落地［9］。能源互聯網的建設依賴于先進信息技術的深度應用。目前，中國智能電網仍然存在終端覆蓋不足、通信不暢通、數據不貫通等問題［10］，電力大數據在采集和應用方面均有待進一步提升。因此，推動能源互聯網的建設落地，急需突破大數據、物聯網、人工智能、邊緣計算、5G通信等先進信息技術在能源（電力）領域的應用創新。

隨著城市交通需求激增，中國城市交通系統面臨愈漸嚴峻的環境污染、安全、擁堵等問題。2021年2月，中共中央、國務院印發了《國家綜合立體交通網規劃綱要》［11］。《綱要》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，要求交通基礎設施綠色化建設比例達95%，數字化率達90%。因此，融合能源新技術推進交通綠色化、電氣化進程，結合先進信息技術，科學布局新型智能交通基礎設施研發建設，是交通網發展的既定路線。交通網的發展離不開能源網的配套建設與綠色供應，更離不開信息技術的深度應用。

在數字社會發展的歷史進程中，能源網、交通網作為保障民生需求的龐大基礎設施網絡，擁有廣泛、海量的數據與信息，有不可估量的數據潛力及挖掘價值，可以為信息技術的更新迭代帶來全新且難以預料的創新驅動。

綜上所述，能源轉型需要交通網電氣化的支持，交通強國離不開能源供應升級。同時，只有將新一代信息技術深度應用于能源、交通等傳統行業，廣泛互聯，融合創新，才能實現傳統產業升級，打造能源互聯網、智慧交通等綠色產業。這使得能源網、交通網、信息網融合發展成為必然趨勢。

1.2 三網融合發展的途徑及可行性

隨著新型基礎設施建設部署的落實，以及信息技術在能源互聯網、智慧交通中的應用深化，三網融合發展具有廣闊的發展途徑及良好的發展基礎。

1.2.1 三網融合發展的途徑

近期，三網融合發展應重點推進數據共享、聯合規劃及協同運行。首先，須打破行業壁壘，共享規劃方案、運行數據等關鍵信息，使得能源、交通、信息部門間形成良好的協同。考慮三網間供需關系，有預見性地進行能源網、交通網、信息網基礎設施及通道樞紐的聯合共建，促進資源集約利用；通過小微智能傳感器、融合智能終端、應用程序（APP）等的開發應用，實現能源網、交通網、信息網終端共享。考慮交通網實時負荷分布和需求，結合能源網實時負載情況及運行工況，經信息網的數據上行與指令下達，實現協同優化調度及智能運行控制。

遠期，三網融合發展的目標在于：系統可感知、可預測、可調控；用戶零碳綠色用能、通暢高效出行；社會智能高效、可持續發展。在信息技術、通信技術、傳感技術及控制技術的高速迭代下，推動系統運行數據的實時采集、上傳、識別、監控與可視化展示，能源網與交通網的所有節點均可經由信息網被全面感知，三網廣泛互聯，數據全面采集、集中存儲與處理。未來，可再生能源成為能源供應主力，趨于零邊際成本供應電力；用戶隨時隨地獲取能源、自由交易；交通網、信息網用能清潔、服務綠色；三網零碳融合助力經濟社會可持續發展。

1.2.2 三網融合發展的可行性

能源網、交通網、信息網均是惠及民生的重要基礎設施網絡，三網融合發展需要融合基礎設施建設，以及跨學科交叉的技術創新。

在基礎設施建設方面，目前中國能源、交通、信息的基礎設施網絡已基本建成，服務效率明顯提升，結合新型基礎設施建設部署，三網融合的基礎建設進展可觀。

1）以特高壓為供能脈絡的能源網。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。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設施。2020年全年，電動汽車充電基礎設施增量為46.2萬臺。截至2020年底，中國充電基礎設施累計達168.1萬臺［14］。

4）以5G與大數據中心為基礎的信息網。截至2020年底，中國移動通信基站總數已達931萬個，其中4G基站總數575萬個，城鎮地區實現深度覆蓋，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 超 過2億［15］。隨 著5G技術的應用推廣，數據資源將急速增長，預計2030年中國數據總量將高達4 YB［16］。作為經濟社會發展的新一代生產要素，海量數據資源的管理需要大規模數據中心的支撐。截至2019年底，中國數據中心總量達到7.4萬個，約占全球23%，數據中心機架規模達到227萬架，超大型、大型數據中心占比12.7%。

在技術創新方面，“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不斷創 新。同 時，隨 著5G技 術 的 成 熟［19］，以 及 物 聯網［20］、大數據［21-23］、云計算［24］等信息技術的廣泛應用，“能源＋信息”融合的智能電網技術［25］、“交通＋信息”融合的車聯網［26］與自動駕駛技術［27］、“能源＋交通＋信息”融合的“車-樁-路-網”協同優化運行技術［28-29］等融合創新技術日漸成熟，為三網融合發展提供了技術支撐。

與此同時，三網融合也已在電動汽車充電服務領域進行了初步嘗試。電動汽車充電服務網絡的“能源＋交通”融合可實現電動汽車充電站的優化規劃［30-32］；“能源＋信息”融合可實現電網負載狀態監測，動態調整實時充電電價以引導電動汽車有序充電［33-34］；“交通＋信息”融合可實現交通實時路況監測，動態規劃出行路徑和充電方案［35-36］；“能源＋交通＋信息”融合［37］可兼顧能源網負荷分布、交通網路況及用戶需求，實現更多用戶在車載終端、手機APP等移動設備的綜合充電服務，包括路況查詢、充電站空余查詢與預約、出行路徑規劃［38］、充電引導方案、計費與結算等。電動汽車充電服務網絡建設是三網融合發展的初步探索、先導領域，未來與無線充電［39-42］、無人駕駛［43］等技術相結合，將進一步提升用戶出行及充電體驗。

綜上，三網融合發展具有良好的基礎設施建設基礎與創新技術支撐，并且在電動汽車充電服務領域已開展了初步的探索與應用。可見，在如今新型基礎設施建設大規模部署、技術快速更迭的時代發展背景下，能源網、交通網、信息網的融合發展具有良好的發展基礎及廣闊的發展前景。

2 三網融合的形態與架構

本章從發展形態、融合系統架構、主要特征3個方面，對三網融合發展的形態與架構進行闡述。

2.1 三網融合形態

三網融合將獨立發展的3個網絡融合集成為協同服務社會的高級基礎設施網絡。在新型基礎設施建設的推動下，三網融合發展將建成5G基站、變電站、儲能站多站融合的城市三網融合基礎設施；建設光儲電站、電動汽車充換電站、高速服務區融合的城際三網融合服務區；集成海上風光機組、港口、通信基站等，形成沿海三網融合樞紐等，實現三網聯合共建、設備高度集成。同時，通過小微智能傳感器、融合智能終端、APP等的開發應用，以5G、數據中心、人工智能、云計算等前沿信息技術為支撐，對三網運行數據進行全面采集、集中存儲與處理，實現三網終端互聯互通，推動能源、交通各類數據跨平臺共享，充分挖掘數據價值，為三網高效協同、供需靈活互動提供數據支持。能源、交通、信息跨學科交叉、跨領域融合，加速前沿技術突破創新與應用，推動形成三網融合的創新發展技術體系，打破能源、交通、信息間的行業壁壘。基于上述設施、數據與技術的融合，三網融合系統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，形成能源供應、交通出行、信息反饋高效集成的服務新模式、產業新生態。

總結上述發展形態可知，三網融合發展將形成基礎設施集成、數據信息共享、技術融合創新、服務模式創新和產業轉型升級的格局，如圖1所示。設施融合是“骨骼”，為三網融合發展提供基礎支撐；數據融合是“神經”，是三網融合系統的信息傳遞通道；技術融合是“大腦”，為三網融合發展提供分析引導方法；服務融合在技術融合（“大腦”）的分析指導下，經數據融合（“神經”）的信息傳遞，依靠設施融合（“骨骼”）的支撐，完成一系列動作。因此，服務融合是三網融合發展的“肌肉”。能源網是三網融合發展的“血液”，為三網融合運行提供動力。“骨骼”、“神經”、“大腦”、“肌肉”和“血液”的配合，共同支撐融合系統帶動產業轉型升級，刺激發展，服務社會。

圖1 三網融合發展形態Fig.1 Integrated development form of three networks

電動汽車充電服務網絡由電網供電，同時電動汽車作為移動儲能單元，可基于充電服務網絡實現與電網的雙向互動，具有能源網屬性。同時，充電服務網絡向電動汽車提供充電引導、停泊等功能，是現代交通網的重要網絡之一，具有交通網屬性。此外，電動汽車含車載全球定位系統（GPS）等移動信息終端，電動汽車充電服務終端與設備含通信、計算等功能，具有信息網屬性。

電動汽車充電服務網絡及產業是典型的三網融合案例，其發展形態如圖2所示。

圖2 電動汽車充電服務網絡及產業的發展形態Fig.2 Charging service network of electric vehicles and industrial development form

停車位一對一建設充電終端，集成數據采集、通信、充放電控制及監控終端，實現能源、交通、信息的設施融合。結合智慧能源、車聯網等創新融合技術，集中處理和分析充電終端數據，分析預測充電服務網絡在能源、交通層面的運行態勢，優化電動汽車充電調度，實現能源、交通、信息的數據融合與技術融合。同時，集成車位狀態感知、充電狀態感知、停車計時/充電計費、預約解鎖充電等功能，形成充電服務平臺，打通充電與出行需求的實現路徑，實現服務融合。當前，相關電動汽車充電服務企業正推動充電服務平臺研發，致力于構建電動汽車充電服務產業生態。

2.2 系統架構

三網融合系統的基本架構由物理層、感知層、平臺層與應用層組成，如圖3所示。

圖3 三網融合系統架構Fig.3 Integrated system architecture of three networks

物理層由能源、交通、信息系統的一系列物理實體設施、用戶終端及融合設施組成，包括發電機組、電力線纜、氣/熱管道、儲能、交通設施、運載工具，通信基站、數據中心、用戶用能、出行、通信終端等。

感知層由能源與交通網的數據采集終端、傳感設備，以及信息網的通信網絡、分布式計算資源組成，用以采集及傳輸物理層運行數據，監測并感知物理層運行狀態，實現數據融合。

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

應用層是三網融合的價值集中體現。結合物理層的運行狀態，匯集感知層的有效信息，基于平臺層的技術支持，面向用戶社群提供用能管理、出行引導、信息獲取等服務，實現三網融合系統的運營管理。

2.3 主要特征

總結三網融合發展形態可知，三網融合發展將呈現以下特征。

1）開放互聯。能源、交通、信息設備與系統廣泛互聯，靈活接納多元用戶，支持各主體平等參與［44］，產業生態體系開放包容。

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據，經由5G基站等先進通信網絡傳輸，將海量數據上傳、識別與可視化展示，控制中心可全面感知能源網、交通網所有節點、線路及用戶終端，實時監測融合系統運行工況及設備狀態［45］。

3）供需互動。在物聯網框架下，能源網、交通網、信息網的大量用戶移動設備將組成龐大的群智感知網絡；融合系統通過對用戶行為進行分析動態調整系統運行狀態，通過集中調度控制、各子單元分布自治、遠程協作，實現人機雙向交互［46］，供需互動。

4）綠色低碳。三網融合發展促進資源集約利用，提高能源利用效率［47］，能源供應將以可再生能源為主力，交通基礎設施綠色化，信息網用能清潔、服務綠色，三網零碳融合，經濟社會可持續發展。

3 構建三網融合系統的關鍵技術

三網融合作為交叉學科、跨界融合的創新發展體系，其實質是能源系統與交通系統作為供需雙方的協同規劃運行體系，以及信息技術在能源與交通融合領域的創新應用突破。為支撐三網融合系統向社會提供更優質、高效的服務，需面向工程應用需求，順應三網融合產業發展趨勢，逐步完善物理層、感知層、平臺層與應用層的架構及建設，進而實現三網廣泛連接、深度融合、全面感知、智能交互及協同運行。基于此，本章考慮三網融合發展的工程應用需求和產業融合態勢，從物理層、感知層、平臺層與應用層4個層面，分析歸納構建三網融合系統的關鍵技術。

3.1 物理層的關鍵技術

構建三網融合系統物理層的工程建設需求主要在于能源網、交通網、信息網的聯合優化規劃，其工程應用需求主要在于維持三網設備終端健康運轉、通道網絡可靠傳輸。基于此，本節歸納總結構建三網融合系統物理層的關鍵技術如下。

1）計及已建網絡的三網聯合優化規劃

現有能源網的規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規劃［48-49］、輸電網、配電網、微電網規劃［50-52］等領域，對象眾多、范圍廣泛。交通網的規劃主要集中在交通網絡的空間布局與配置［53-54］。信息網的規劃主要集中在無線網的網絡規劃與路由設計［55］。針對電力-交通耦合網絡的規劃研究大多集中于電動汽車充電站規劃［56］、考慮電動汽車的配電網及道路擴建規劃［57-58］等方面。然而，現有規劃研究鮮有考慮不同發展階段的社會需求。

目前，中國能源網、交通網、信息網的基礎設施及傳輸通道已基本建成。已建網絡體量龐大，節點繁多，結構復雜。三網融合的網絡擴建與新建均須基于已建網絡的結構和已建設施的分布展開。

三網聯合規劃應首先分析區域已建網絡與區域用能、出行、通信需求間的供需關系，分析區域發展規劃對融合系統擴建和新建的需求。劃分能源網、交通網、信息網建設階段，結合政策指向，預測各建設階段能源網負荷、交通網交通量、信息網通信需求的時空分布，有預見性地進行三網基礎設施及網架結構的多階段、多尺度發展規劃。

針對復雜的已建網絡，可利用復雜網絡理論，按社團結構、層次結構、節點分類結構等復雜網絡結構對已建網絡結構展開分析，識別已建網絡脆弱分支［59］與關鍵節點；基于已建網絡與區域的供需關系以及區域發展需求，考慮建設周期投資、運行和維護費用成本，兼顧投資效益與用戶效用，針對社區級、城市級、廣域級等不同范圍的融合系統，分析其不同發展階段的演變規律，研究能源網-交通網-信息網多階段聯合優化規劃方法。

另外，針對三網融合樞紐，在傳統變電站的基礎上，研究多站融合規劃配置方法：站內屋頂光伏面板，以及站內閑置空間數據中心、5G基站、儲能的聯合規劃配置［60］。

2）三網連鎖故障分析與診斷

為保障三網融合系統物理層的安全穩定運轉，須關注三網設備終端的健康狀態，以及網絡故障的傳播。傳統電網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測連鎖故障風險。對于電網-信息網耦合網絡，其連鎖故障傳播機理研究主要從網絡結構特征、網絡負荷動態分配特性展開。對于電網-交通耦合網絡，文獻［61］建立了多層網絡級聯失效模型，以刻畫充電站故障擾動在電網與交通網間的傳播過程。但兩網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、交通網、信息網的復雜性，三網融合系統中的擾動滲透和故障連鎖傳播的成因及發展過程復雜又多變。針對涵蓋能源、交通、信息多網特性的融合系統，傳統的連鎖故障分析方法應用難度極大。近年來也有較多研究基于復雜網絡理論［62-63］提出單一網絡或兩網耦合的連鎖故障模型。但針對能源-交通-信息融合系統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、信息網絡的關聯與交互，建立更符合能源網-交通網-信息網融合實際情況的級聯故障模型。在傳統連鎖故障分析方法的基礎上，研究融合系統關鍵節點和主參數控制方法，分析控制方法的穩定性和有效性，量化分析安全域、故障后安全時間，對關鍵設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與故障特性分析方法。

另外，可基于復雜網絡理論，研究融合系統的同步性、魯棒性、穩定性與網絡結構的關系，根據復雜網絡演化動力學、混沌動力學及信息傳播學，分析不同能源子網絡、能源與交通網絡間隨機擾動的滲透發展機理，揭示能源子網絡間、能源與交通網之間的連鎖故障傳播演化規律［65］。面對極端天氣、惡性災害事件，研究災害蔓延動力學模型，以預測災害影響及新的事故狀態，增強三網融合系統面對極端天氣、惡性災害事件的分析預測能力。

3.2 感知層的關鍵技術

構建三網融合系統感知層的工程建設需求主要集中在數據的廣泛采集與高速傳輸，其產業融合需求主要集中在數據的高效交互與有效分析。因此，三網融合系統感知層構建的關鍵技術主要包括：先進傳感及量測技術、新型通信傳輸架構、統一數據交互標準、大數據分析與應用。

1）先進傳感及量測技術

能源網、交通網、信息網的終端分布點多面廣，穩定可靠的數據采集是三網融合系統全面感知、高效運行的必備前提。然而，現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定可靠的數據采集要求。

為保障數據采集的及時性、完整性、準確性，需要突破現有傳感器技術，全面挖掘能源網、交通網中光、聲、熱、電、磁等多類型特征量，研究新型傳感機理，開發新型敏感材料［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，實現傳感器的云邊協同，以滿足三網融合系統全面覆蓋的數據采集需求。

2）新型通信傳輸架構

三網融合系統服務用戶眾多，運行數據多源、海量、異構。為保障融合系統及時感知設備狀態、順利實現數據交互，需要高速率、低延遲、隱私安全、兼容性強的通信架構。

為此，須研究海量智能終端接入的通信網絡架構、5G及更先進的蜂窩移動通信與電力通信網的融合應用技術，研發高速無線本地通信芯片，充分發揮5G等先進通信技術在應用中的效益，實現三網融合系統的廣泛深入連接。

3）數據統一交互標準

當前三網數據通信傳輸標準尚未統一，行業間數據共享壁壘難以打破。能源網、交通網，甚至電、熱、氣等不同能源網均有各自使用的數據模型與通信標準，且不同網絡平臺的建設規范不同，數據標準雜亂不統一，無法有效共享、集中管理。另外，交通運營、能源供應和信息管理部門、社會相關企業等溝通協作的達成周期長、難度大，行業間數據共享壁壘難以打破。

因此，亟須制定行業權威的三網融合統一數據編碼標準，明確數據類型、數據格式、數據質量等要求［67］，建立融合系統各環節信息的信息管理與信息交互標準體系。對于現已投運的系統平臺設備，研制高效、便捷的通信協議轉換技術。

4）大數據分析與應用

能源網、交通網、信息網均為巨型動態復雜系統，其規劃運行將產生海量數據資源。同時，三網均有上億用戶，用戶出行、用能與通信等行為數據體量龐大。而海量數據資源是信息技術時代的新型生產要素，對海量數據資源進行有效挖掘與分析，在融合系統的運行狀態評估、預測及優化調度控制中深入應用大數據技術，是三網高效協同、深度融合、智慧交互的重要基礎。

為此，須基于人工智能、大數據、物聯網、增強現實、云計算等前沿信息通信技術，研制基于能源系統運行及消費大數據［68］、交通運行大數據［69］的知識圖譜和智能大數據集，為提高能源生產及消費效率、提升交通出行便捷度及通暢度提供數據分析基礎。研究圖像、文本、聲音等不同模式數據的多模動態融合分析技術［70］。在融合系統規劃、運行、安全等各個領域深入應用能源、交通大數據分析技術，以充分挖掘能源網、交通網、信息網及社群用戶的數據潛力，有效利用數據價值。

3.3 平臺層的關鍵技術

三網融合系統平臺層是應用層的實現基礎，面向產業融合需求，為融合系統的運行與服務提供算法支持、方案參考和軟件基礎，其核心是能源、交通、信息學科交叉的創新技術融合，主要包括三網聯合仿真、三網協同運行等。基于此，本節歸納總結構建三網融合系統平臺層的關鍵技術如下。

1）多時間尺度聯合仿真技術

能源網、交通網、信息網均為大規模的復雜非線性網絡，熱、氣等能源網絡以及交通網具有慢變特征，電網及信息網絡整體呈現快變特征，三網融合系統的時間尺度跨域較大，暫態、中長期動態、穩態等不同時間尺度過程相互穿插、交織，對三網融合的仿真分析提出了極為嚴苛的要求，傳統的分析方法與仿真技術難以適用。

基于廣義的網絡流建模與分析的方法，對三網融合系統進行多時空尺度耦合的狀態估計、穩態計算、動態分析理論，形成三網融合系統多時間/空間尺度耦合的理論建模與分析計算體系。考慮能源網、交通網、信息網不同響應時間，結合云計算等先進信息技術，建立從局部暫態、中長期動態到全局穩態的全過程多時間尺度仿真，從而實現三網融合系統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、信息協同運行控制方法提供可靠的理論支撐及仿真技術基礎。

2）多時空協同優化運行控制技術

目前，能源網優化運行控制主要通過調度可控設備，在保障出力與負荷的實時平衡基礎上，通過優化設備出力或用能策略，實現更經濟、穩定的運行。交通網優化運行控制主要通過紅綠燈控制、列車時刻表優化或路徑引導等方式，實現更通暢的運行。能源-交通耦合網絡的優化運行控制研究通常以電動汽車作為耦合關鍵，基于充電價格及道路通行、擁堵費用策略優化，實現耦合網絡的優化運行。

而由于能源、交通、信息網絡響應時間的差異，三網融合系統的協同優化運行控制需考慮不同時間斷面。因此，可結合多時間尺度下的三網交互關系，分析融合系統不同時間尺度下能源負荷、交通流量的空間分布，對融合系統進行多時空的供需預測，預測能源網實時負荷和新能源機組出力、交通網實時負荷分布和需求；基于能源、交通運行大數據的實時采集與分析，評估終端設備健康狀態，結合多時間尺度耦合的三網融合系統狀態估計、穩態計算、動態分析理論體系，分析能源網實時負載情況及運行工況，評估融合系統運行態勢；在全面感知分析與供需預測的基礎上，計算評估各類靈活性資源的調度潛力，研究融合系統需求側管理技術；考慮多元、多端用戶的多重不確定性，以提高經濟性、可靠性、環保性等為目標展開協同優化調控，研究融合系統魯棒隨機優化調度方法［71］；基于用戶心理分析及行為預測，研究能源-交通協同的多時空優化運行調度策略，經信息網的數據上行與指令下達、控制中心計算調度、分布式管理中心分發指令、終端響應，實現集中調度控制、分布自治的多層級智能運行控制［72］。

3.4 應用層的關鍵技術

考慮三網融合系統的產業發展態勢，其應用層應以用戶為中心，考慮三網不同用戶社群需求，基于數據驅動，對用戶行為進行科學分析與有效引導，實現用戶和系統的雙向友好交互。

當前，已有研究多針對單一網絡和耦合網絡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。盡管現有研究對用戶行為分析和引導技術進行了探索，但仍難以反映現實中多元、海量用戶不確定性對系統運行的影響，其實際應用效果有待進一步驗證。

在信息技術發達、數據資源海量的當下，應用大數據、云計算等先進信息技術，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網的思想［77］，從行為經濟學、社會學、心理學等角度，建立行為特征數據庫；基于用戶行為數據深度挖掘用戶社群的交通出行、用能行為及決策特征，合理分析與預測社群普遍行為規律，以及用能、出行行為的時空分布特性［78］；結合供需雙向交互信息，基于數據驅動，預測用戶行為并決策；結合融合系統運行過程中所采集的海量用戶數據，刻畫用戶受天氣、環境、價格、社會動態等信息影響所產生的行為不確定性，描繪用戶受到信息和價格激勵的行為響應特征，從而揭示多元社會化行為不確定性對系統運行調度的影響機理。

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/價格引導的響應行為模型［79］，充分利用目標社群的關鍵特征，設計科學有效的信息激勵措施，將融合系統中的靈活調度資源與用戶行為進行良好協同，研究三網融合系統的用戶激勵引導優化方案，以便及時調整優化運行調度策略，統籌能源網的實時供需平衡以及交通網的最優分布。

4 三網融合分析的關鍵理論

能源網、交通網、信息網所涉時空范圍極廣，所含用戶節點眾多，三網聯合運行后的系統結構和機制更加錯綜復雜，單一網絡的高效穩定運行尚且有諸多待解決的問題，融合系統則面臨更顯著的復雜性及更多重的不確定性。本章將從三網融合系統架構的物理層、感知層、平臺層、應用層，對三網融合分析所面臨的學術挑戰和關鍵理論進行闡述。

1）在物理層，聯合規劃需考慮已建網絡的復雜結構，且融合系統作為超大規模的復雜網絡，其局部擾動將可能在整個網絡中蔓延、傳播，導致嚴重后果。聯合規劃與故障分析的挑戰均在于融合系統的復雜網絡建模。

2）在感知層，三網融合系統所采集的數據海量、廣泛、高維、異構。三網融合系統的大數據分析與應用是跨學科的、高度復雜的創新融合技術，其關鍵難點在于海量、高維、異構數據的有效處理與挖掘。

3）在平臺層，三網融合將能源、交通、信息從獨立分割運行模式轉變為共享互動協同模式，這種轉變需要兼顧三網的不同運行特性，尤其是不一致的時間尺度，而三網運行時間尺度差異較大。同時，能源網、交通網、信息網的輻射范圍極廣，均具有不同的空間分布特征。三網的多時空特性顯著增加了融合系統聯合仿真與協同運行的難度。

4）在應用層，能源網、交通網、信息網均面向用戶需求，提供相應服務，對用戶決策給予相應反饋。而三網用戶特性不一，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，本章結合構建三網融合系統的關鍵技術，分析歸納了三網融合分析的關鍵理論，其與關鍵技術間的對應關系如圖4所示。

圖4 三網融合發展的關鍵技術及關鍵理論Fig.4 Key technologies and theories for integrated development of three networks

4.1 能源-交通-信息網交織構成的復雜網絡建模及擾動傳播分析

能源網、交通網、信息網均可以網絡流的形式表征運行態勢，且均具有自組織、自相似、吸引子、小世界等典型復雜網絡特征。三網融合系統的擴建和新建須基于現有網絡的結構。而三網已建網絡體量龐大，時空分布廣泛，社團結構繁多，節點及節點間連接多樣，具有多重復雜性。要實現三網聯合優化規劃，須對現有能源-交通-信息網交織構成的復雜網絡進行建模分析。因此，建立統一的復雜網絡拓撲模型，以有效表征已建網絡的結構類型，建立三網交織的復雜網絡拓撲演化模型，為融合系統聯合規劃提供模型參考。

同時，受環境、政策及各利益主體行為決策等多方影響，三網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由復雜網絡傳播演變至全網性安全事故，例如能源網中的連鎖故障、交通網中的相繼阻塞、信息網中的病毒傳播等。而三網融合后，任一系統中的異常、擾動、故障，均可經由能量流、交通流、信息流波及其他系統，甚至可能引發整個融合系統的失穩、失效乃至癱瘓。例如：某一能源網的擾動傳遞至其他能源網，導致能源網大范圍的停電或崩潰；能源網故障向交通網傳導，加劇能源網故障造成的社會影響；同時，交通負荷接入能源網所帶來的擾動會影響能源網的運行狀態。大規模無序充電負荷接入電網，將會引發諸如負荷峰谷差加大、電能質量下降、網損增大等多方面問題［80］。另外，能源或交通網的物理設施受到信息網絡攻擊，也會導致大面積停電及交通癱瘓。

通常，復雜網絡的擾動傳播受網絡拓撲影響顯著，并且，復雜網絡的拓撲結構與系統運行功能及性能緊密相關。因此，建立統一的網絡拓撲模型以有效表征融合復雜網絡運行性能，分析三網融合系統擾動傳播機理，研究能源-交通-信息融合系統傳播動力學及演化機制，從而發現傳播過程的薄弱環節，預測擾動可能引起的事故，實現及時規避和控制，對融合系統的安全穩定運行具有重要意義。

4.2 多源、海量、高維、異構的數據處理與挖掘

能源網包括電網、熱網、氣網等多種形式能源網絡；交通網包括公路、鐵路、水路、航空等多種交通形式；信息網包括光纖、ZigBee、藍牙等多類通信方式。融合系統龐大且復雜，能源網、交通網運行數據類型參數各異、時間尺度不同、時空不統一。融合系統的數據多源、海量、高維且異構，對其進行識別、處理與挖掘的難度極大。

因此，在多源海量大數據中建立相關分析［81］，發現并提取關鍵數據節點信息，挖掘高維異構數據內部隱藏的聚簇結構，通過高階異構數據聯合聚類，實現自動降維，以解決多源、海量、高維、異構數據分析處理的難題，進而實現能源、交通大數據的充分挖掘與有效利用。這是三網在數據融合方面須攻克的關鍵理論問題。

4.3 隨機型交通潮汐與能源網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、社會活動等因素緊密相關，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絡基礎負荷，將會引起能量流時空分布的明顯改變。同時，供能網絡的分布與配置將直接影響交通流的時空分布，其運行狀態也會對交通流的時空分布產生直接影響。綜上，交通網與能源網間的交互具有復雜的時空疊加特性。

然而，能源網、交通網、信息網運行時間尺度不一致。信息網數據傳輸極快，時間尺度極短；能源網中，電網供用兩端實時平衡，調度控制響應常以毫秒、秒級計算，時間尺度短；交通網擁堵、通暢狀態的變化過程一般以分鐘、小時級計算，時間尺度長。信息網作為能源網與交通網數據交互的通信基礎，數據傳輸速率越快越好，相比于能源網與交通網，其時間尺度短到可以忽略不計。而能源網與交通網時間尺度的差異顯著增加了兩網交互關系分析，以及協同運行調度的難度。

因此，借助感知層的態勢估計與預測，針對能源網、交通網、信息網多時空交互的現象展開具體分析，研究接入城市電網的電氣化交通網的電力電子特性對城市電網的影響機理，研究能源網潮流的時空分布對交通網運行狀態的影響機理，揭示能源、交通多時空耦合的交互關系，是攻克三網協同優化運行控制技術的重要前提。

4.4 多重不確定性的多元社會化行為分析

能源網向社會供應電、氣、熱等不同形式能源，交通網滿足社會用戶海、陸、空等多種形式的出行，信息網向社會提供有線、無線等多類通信服務，融合系統涉及不同形式的需求與服務，存在海量、多元的社會主體。其中，社會主體包括個體和企業用戶等消費者、能源供應商、交通運輸運營商、信息服務運營商、制造型和服務型社會企業，以及監管、調度等行政機構。人、企業、機構進行互動形成社會網絡。海量、多元的社會主體，以及不同形式的需求與服務背后是復雜的社會化行為。

用能、出行、通信是人類生產生活的核心需求，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境、價格、社會動態等影響，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，對融合系統的運行狀態影響顯著。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鍵特征，設計科學有效的信息激勵措施，實現融合系統與社群的友好交互，將融合系統中的靈活調度資源與用戶行為進行良好協同。

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規劃運行的影響，同時協調上述利益主體，實現“以人為本”的三網融合系統優化運行，是三網服務融合及產業融合的關鍵。

5 結語

能源網、交通網、信息網是經濟社會的重要基礎設施網絡，三網長期以來的獨立建設與運營管理，存在投入產出比低、資源浪費的短板。隨著經濟社會的快速發展，這一短板還將更加突出。三網融合發展可顯著降低建設及運營成本，促進土地資源高效集約利用；推動能源、交通等傳統行業形成新業態、新模式；形成深度融合、智慧協同的局面，與能源轉型、交通強國協同增效，向社會提供更友好便捷的能源供應服務、交通出行服務和信息服務。

在當前“碳達峰、碳中和”的戰略目標下，三網融合發展可加快推進清潔能源替代，有效推動交通網電能替代，促進先進信息技術賦能能源與交通，提升三網融合運行決策效率，優化決策流程，實現資源共享、復用。可見，三網融合不僅可實現有效的資源統籌，提高資源利用效率，還能在能源生產層面加速脫碳，在能源消費層面加速減排，促進跨部門協調、跨領域合作，促進學科交叉、技術融合創新，共同推動“碳達峰、碳中和”目標下的技術融合創新與成果推廣應用。