高速公路服务区综合能源服务设施智能化建设要点研究

原创 GC&IB编辑部 2026-09-20 16:03 北京

2025年度优秀论文

《绿色建造与智能建筑》杂志

高速公路服务区综合能源服务设施智能化建设要点研究

谈东平，杨 帆，戴 军，葛长俊，杨军志

（1.江苏高速公路能源发展有限公司，南京 210014；2.华设设计集团股份有限公司，南京 210014）

【摘要】随着交通强国战略深入推进，“四个一流”（设施一流、技术一流、管理一流、服务一流）目标对高速公路服务区提出了更高要求。在能源结构转型与新能源汽车快速发展的背景下，传统服务区亟需通过智能化升级整合“油、气、氢、电、服”五类能源服务功能，构建安全、便捷、高效、低碳的综合能源服务体系，进而逐步向能源枢纽转变。本文以高速公路服务区综合能源设施为研究对象，聚焦品质服务、安全监管、营运管理三大智能化建设维度，结合物联网、数字孪生、人工智能等技术，提出系统性解决方案。

【关键词】四个一流；油气氢电服；品质服务；安全监管；营运管理；安全；便捷；高效；低碳；物联网；数字孪生；人工智能

中图分类号：U491.8          文献标识码：A          文章编号：2097-2253 (2025) 12-0173-05

Research on the Key Points of Intelligent Construction of Comprehensive Energy Service Facilities in Expressway Service Areas

Tan Dongping1, Yang Fan1, Dai Jun1, Ge Changjun2, Yang Junzhi2

(1.Jiangsu Expressway Energy Development Co., Ltd., Nanjing 210014, China; 2.China Design Group Co., Ltd., Nanjing 210014, China)

Abstract: With the deepening of the strategy of building a strong transportation country, the goal of "four first-class" (first-class facilities, first-class technology, first-class management, and first-class service) has put forward higher requirements for highway service areas. Against the backdrop of energy structure transformation and rapid development of new energy vehicles, traditional service areas urgently need to integrate the six types of energy service functions of "oil, gas, hydrogen, and electricity" through intelligent upgrading, build a safe, convenient, efficient, and low-carbon comprehensive energy service system, and gradually transform into energy hubs. This article takes the comprehensive energy facilities in highway service areas as the research object, focusing on three dimensions of intelligent construction: quality service, safety supervision, and operation management. Combining technologies such as the Internet of Things, digital twins, and artificial intelligence, a systematic solution is proposed.

Keywords: four first-class; oil, gas, hydrogen, electricity and services; quality service; safety supervision; operation management; safety; convenience; efficiency; low-carbon; Internet of Things; digital twin; artificial intelligence

1  绪论

1.1  研究背景

1.1.1  交通强国“四个一流”政策导向的实践要求

《交通强国建设纲要》明确提出“打造设施一流、技术一流、管理一流、服务一流的现代化交通体系”，高速公路服务区作为交通网络的重要节点，是落实“四个一流”目标的关键载体。然而，当前国内多数服务区仍以传统燃油车服务为主，设施功能单一、技术手段滞后，难以满足多元化能源供给与智慧化管理的需求。截至2025年7月，全国高速公路服务区充电桩覆盖率为98.4%[1]，有效缓解“里程焦虑”；至2027年底，全国高速公路服务区（含停车区）充电停车位总体占小客车停车位的比例不低于16%（除部分省份及高寒是海拔区域外）[2]，从现状来看，节假日供需矛盾仍然突出。据不完全统计，目前全国高速公路服务区累计建成加氢站约20座。在政策驱动下，服务区亟需通过智能化改造，构建覆盖“油、气、氢、电、服”的综合能源服务体系，实现从单一功能向“设施-技术-管理-服务”全面升级的跨越。

1.1.2  新能源汽车普及与能源结构转型的双重挑战

截至2025年6月底，我国新能源汽车保有量达3689万辆，氢燃料电池车商业化进程加速，LNG重卡市场渗透率增至12%。这一趋势对服务区能源供给结构形成直接冲击：传统油品需求增速放缓，而充电、换电、加氢等新型服务需求激增。能源结构转型要求服务区兼顾绿色低碳目标，例如通过“光伏+储能”降低碳排放。然而，现有服务区普遍存在多能源设施布局混乱、供需匹配低效等问题，暴露出规划前瞻性不足、技术适配性弱的短板。

1.1.3  传统服务区功能升级的迫切性

截至2025年，全国高速公路服务区维修点中，预计超过90%不具备新能源车维保设备与能力。随着用户需求从“基础保障”向“品质体验”转变，传统服务模式已无法适应市场变化。此外，安全管理手段滞后问题尤为突出：多数服务区依赖人工巡检，对LNG储罐泄漏、充电桩过载等风险缺乏实时监控能力。

1.2  研究意义

1.2.1  提升服务区综合能源服务效率与用户体验

当前高速公路服务区能源服务普遍存在供给效率低、用户等待时间长等问题。通过智能化建设，可依托动态调度算法优化充电桩、加氢站等多类设施协同运行，结合无感支付、远程预约等功能，将能源补给效率提升40%以上。智能化升级不仅能缓解供需矛盾，更可通过洗车、维修智能预约等个性化服务推荐，增强用户粘性，推动服务区从“过路站”向“目的地”转型。

1.2.2  提升服务区综合能源安全监管和营运管理水平

服务区多能源设施混合布局易引发安全风险。智能化安全监管系统通过物联网传感器实时监测氢气压力、油罐温度等关键参数，结合AI算法实现泄漏、过载等风险的秒级预警，将事故响应时间由人工巡检的几十分钟压缩至几分钟。在营运管理层面，传统服务区依赖经验决策，资源错配问题突出。基于车流量预测的智能调度平台可动态调整能源供给策略，使设施利用率提升至65%以上，同时降低运维成本。

1.2.3  推动绿色低碳交通体系建设

传统服务区能源供给高度依赖化石燃料，碳排放强度居高不下，其中加油站与柴油发电机的碳排放贡献占比约65%～80%。通过“光伏+储能+充电”一体化设计、氢能优先调度等智能化手段，可显著提升清洁能源占比。此外，数字孪生技术可实时监测服务区碳排放数据，为区域碳交易提供数据支撑，助力交通领域“双碳”目标落地。

1.3  国内外研究现状

发达国家在服务区综合能源服务领域起步较早。以欧洲德国为例，其高速公路服务区已实现“油+电+氢”多能源集成，通过动态能源管理系统（DEMS）优化供给策略，充电桩利用率达85%以上；荷兰部分服务区试点“能源自洽”模式，利用屋顶光伏与储能系统满足50%以上的用电需求。相比之下，我国服务区智能化建设呈现区域不均衡性：浙江某服务区率先引入“油气电氢”四站合一模式，但氢能设施覆盖率不足10%；江苏某湖服务区通过数字孪生技术实现车流-能源动态匹配，充电排队时长下降40%，但仍面临多能源协同调度算法不成熟的问题。

2  综合能源服务设施智能化需求分析

2.1  用户需求升级

2.1.1  能源补给效率的刚性诉求

新能源汽车用户对快速补能需求迫切。2023年国庆期间，京沪高速江苏段服务区单日充电峰值达623车次，最高排队时长近2小时，用户投诉量同比激增；氢燃料重卡用户更强调加氢时效性，等待时间一旦超过半小时，便会绕行其他站点。

2.1.2  服务体验的个性化期待

年轻用户群体倾向于选择“无接触式”服务，例如无感支付、机器人加油等；同时，用户期待服务场景与需求精准匹配，以纯电动车用户为例，绝大部分希望在充电时同步预约洗车或餐饮服务。

2.1.3  信息透明的安全保障需求

用户对多能源混用场景的安全性敏感度提高。调查显示，绝大部分用户要求实时查看加氢站压力监测数据、充电桩绝缘状态等安全参数，而现有服务区仅有少数通过电子屏公示关键指标。

2.2  安全监管痛点

2.2.1  新型能源设施安全技术滞后

氢能泄漏监测精度偏低：国内加氢站普遍采用电化学传感器，而日本已普及精度更高的激光光谱技术。

充电桩存在过载防护缺陷：部分老旧充电桩缺乏智能负荷调控功能。

2.2.2  传统监控手段效率低下

人工巡检盲区与延迟：多数服务区沿用“2小时/次”的人工巡检机制，2021年西南某服务区油罐渗漏因巡检间隔未覆盖，12小时后才被发现，导致土壤污染面积达数百平方米，治理费用超百万元。

视频监控智能化不足：现有摄像头以可见光监控为主，无法识别氢气无色泄漏、电缆过热等隐患。

2.2.3  应急管理协同能力薄弱

跨部门联动机制缺失：氢能事故处置需消防、环保、医疗等多部门协同，但多数服务区的应急预案仅停留在纸面，未形成有效落地的联动流程。

2.2.4  数据孤岛与信息滞后

多系统数据存在割裂问题：加油站、充电站、加氢站分别使用独立管理系统，数据无法互通共享。

安全参数可视化呈现缺失：大部分用户要求实时查看储氢罐压力、充电桩绝缘电阻等数据，但绝大部分服务区仅通过纸质告示牌静态展示相关信息，数据更新存在明显延迟。

2.3  营运管理痛点

2.3.1  多能源协同调度低效

服务区能源设施调度依赖人工经验决策，跨系统协同能力薄弱。在节假日或高峰时段，设备超负荷和不合理闲置并存，加之人工调度存在延迟，车辆拥堵等事件屡见不鲜，最终导致“电不够用、油用不完”的结构性矛盾。

2.3.2  数据驱动的决策能力不足

70%的服务区缺乏能源消耗动态分析工具，仅能依靠月度报表调整运营策略，导致运营响应滞后超过两周。

2.3.3  人员技能与智能化转型脱节

现有员工普遍缺乏新能源设备运维能力。国家能源局2022年调研显示，83%的服务区维修人员无法独立处理充电桩模块故障，需依赖设备厂商远程指导，平均修复时间长达4.6小时。

3  智能化建设核心要点和技术支撑体系

3.1  品质服务智能化

3.1.1  智慧终端设备配置与场景适配

加油机器人规模化应用：采用机械臂加油机器人，通过车牌识别自动匹配油品类型，机械臂定位误差达毫米级，单次加油耗时平均2分15秒（人工操作平均4分30秒）。2023年测试数据显示，该类机器人日均服务车辆超300台，年轻用户选择率超80%；但中老年用户因操作界面交互复杂（需多次扫码确认），使用率低于30%。需针对性开发语音引导、一键求助功能，提升适老化服务水平。

多设备协同管控：在油电混用区域部署AR导航地标，结合手机APP实时显示充电桩、加油机的空闲状态，引导车辆精准停靠，减少因寻位产生的绕行距离。

3.1.2  服务流程重构与效率跃升

无感支付全覆盖：采用“车牌+人脸”双识别支付模式，将加油、充电、洗车等场景的支付环节压缩至数秒内，同时大幅降低盗刷与误扣率。

需求预判式服务：基于历史车流与能源消耗数据分析，在车流量高峰前2小时自动启动备用充电桩或调度移动充电车，并通过导航APP推送服务区当前负载状态，可有效提升车流分流率达30%左右。

3.1.3  绿色服务设施集成创新

“光伏车棚+储能”一体化：在加油站或充电站顶棚铺设高转化率光伏板，搭配合适容量的储能系统，通过提高日间充电桩绿电供给占比，可大幅降低碳排放。

废弃物智能回收：在服务区超市设置AI分类垃圾桶，用户投递可回收物可兑换充电优惠券（例如1公斤PET塑料瓶可兑换0.5度电充电折扣），该模式下服务区日均废弃物回收量较传统回收方式提升数倍。

3.2  安全监管智能化

3.2.1  氢能/LNG高危场景动态防控

氢能泄漏多级预警：加氢站采用光纤光栅传感阵列，对储氢罐压力波动、管道氢气浓度进行实时监测，监测数据以秒级上传至云端分析平台，可精准识别并预警微泄漏事件，大幅缩短响应时间。

LNG低温风险管控：在LNG储罐加装真空绝热层以减少冷量损失，并部署红外热成像仪实时监测罐体表面温差变化，可在极端低温天气下提前预判BOG（蒸发气体）生成量，有效避免因BOG过量引发的安全阀起跳事故，保障储罐运行稳定性。

3.2.2  智能巡检与异常识别

无人机+机器人协同作业：使用四足机器人巡查油罐区，同步搭载气体检测模块，日均覆盖面积可达数万平方米；无人机则以可见光+热成像双模式开展充电桩群夜间巡检，可精准识别电缆接头过热隐患，故障发现率优于人工巡检。

AI视频分析实战应用：在加油区、加氢站、充电站部署智能摄像头，依托火焰识别算法与行为分析模型（可识别抽烟、打电话等危险动作）自动拦截违规行为，可有效降低火灾风险。

3.2.3  应急管理平战结合

三维应急预案动态推演：基于数字孪生技术构建服务区灾害仿真模型（涵盖风速、地形、人员密度等关键变量），利用该模型模拟氢能储罐泄漏扩散，经优化应急疏散路线后，可有效压缩人员撤离时间。

多部门联动实战演练：服务区联合消防、医疗部门建立应急通讯专线，设计“5级事故分类-3分钟处置”标准化流程（例如一级氢泄漏事故触发1km范围警戒区）。通过定期开展实战演练，可有效降低事件处置全程处置耗时。

3.2.4  设备健康度预测性维护

充电桩绝缘劣化预警：基于历史故障数据训练机器学习模型（如随机森林算法），可提前一周预测桩体绝缘电阻下降趋势，将有效降低设备故障率。

液压系统寿命监测：在加油机器人液压臂搭载振动传感器，通过频谱分析预判密封圈老化情况，可大幅延长维护周期，有效降低单台设备年维护成本。

3.3  营运管理智能化

3.3.1  数据驱动的能源供需动态调度

车流-能源匹配算法：基于历年节假日车流数据，构建LSTM神经网络预测模型，提前数小时生成充电桩、加氢站服务能力扩容方案。例如，国庆期间通过动态调度将充电桩利用率提升，可有效降低排队峰值时长。

多能源互补优化：采用“光伏优先-储能调节-电网补充”策略，例如，晴天时段充电桩绿电占比超90%，夜间切换至低谷电价供电，可有效降低综合度电成本。

3.3.2  设备全生命周期精益管理

预防性维护系统：为充电桩加装振动传感器，通过频谱分析提前识别风扇故障，可有效降低单桩年均维修成本。

报废残值预测：基于加氢站压缩机运行数据（包括累计工作小时、压力循环次数），建立威布尔分布寿命模型，以此指导设备更新决策，避免因设备超期服役导致的泄漏风险。

3.3.3  成本-效益智能平衡

能耗诊断与节能优化：部署能源管控平台，实时监测加油站、充电站、便利店等区域能耗，例如识别出照明系统过度耗电问题，通过调整控制策略可节省电费开支。

动态定价策略：实施充电分时定价，如高峰时段1.2元/度、低谷时段0.7元/度，并结合导航APP预约量动态调整价格，不仅日均充电量明显提升，同时能实现营收增长。

3.3.4  跨部门协同与标准化管控

区块链存证防纠纷：将加油、充电、维修等服务记录实时上链存证，可有效解决因支付争议引发的投诉，大幅缩减投诉处理时长。

数字孪生运维看板：构建服务区三维可视化运维平台，实时显示设备运行状态（如储氢罐压力、充电桩温度）、场区车流密度及人员动线，通过运维信息透明化减少调度决策失误，提升管理效率。

3.3.5  人员效能数字化评估

技能图谱匹配系统：针对加氢站操作员建立核心技能矩阵，通过AR模拟考核（如泄漏应急处置场景演练）实现技能动态评级，可大幅降低人员误操作率。

智能排班优化：基于历史车流数据与实时服务需求，通过算法自动生成加油站、充电站人员配置方案，可有效降低人工成本，并显著提升高峰期服务响应能力。

3.4  技术支撑体系

3.4.1  物联网（IoT）——设备感知层

多源传感器融合：在加氢站部署光纤光栅压力传感器，在加油站安装防爆型温湿度传感器，通过多设备协同实时采集储罐压力、油气浓度等关键参数，可有效提升设备状态数据采集完整率，并降低传输丢包率。

低功耗广域组网：采用NB-IoT技术构建服务区物联专网，可有效降低充电桩、光伏逆变器等设备日均功耗，并将电池寿命延长至5年以上，减少运维更换频率。

3.4.2  数字孪生——三维可视化运维

高精度建模：基于激光雷达点云扫描技术构建服务区三维模型，集成充电桩热分布、车流动线等动态数据，为车辆提供精准引导，可有效缩短车辆平均寻位距离。

动态仿真推演：接入气象数据（如风速、温湿度）模拟氢泄漏扩散路径，提前预警潜在安全事故，为应急处置预留充足时间，大幅提升人员疏散效率。

3.4.3  边缘计算——实时决策中枢

本地化AI推理：在充电桩控制器中部署轻量化YOLOv5模型，实时识别电缆接头过热情况，响应延迟≤50ms，可有效提升过载故障处理速度。

多协议兼容网关：开发支持ModBus、CAN、OPC UA协议的边缘网关，实现加油站PLC、充电桩BMS、氢能站SCADA系统的数据互通，协议转换耗时≤100ms，打破多系统数据壁垒。

3.4.4  区块链——可信存证与协同

支付防篡改机制：基于Hyperledger Fabric架构搭建加油支付联盟链，可大幅降低服务区逃单争议。

设备溯源管理：为加氢站阀门、LNG储罐焊缝等关键部件赋予唯一区块链ID，将全生命周期数据实时上链，维修记录篡改检测准确率达100%，有效规避因部件信息造假引发的安全隐患。

3.4.5  人工智能——智能分析与预测

多模态风险预警：融合视频火焰识别、音频金属疲劳异响检测、氢气浓度传感器采集的数据，构建LSTM-Attention混合模型，可大幅提前事故预警时间。

需求弹性预测：基于GRU神经网络分析近三年节假日车流数据，动态生成充电桩、加氢站扩容方案，有效减少资源错配造成的损失。

设备寿命预测：利用XGBoost算法训练压缩机运行数据集（包含振动频率、工作压力等参数），可提前一个月预测故障风险，有效降低设备非计划停机率。

4  结论与展望

4.1  研究结论

本研究通过分析“油气氢电服”多场景下高速公路服务区的智能化建设需求，提出以下核心结论：

（1）智能化升级显著提升服务品质

能源服务平台可使充电、加氢等服务效率提升30%～40%，用户滞留时间中位数从几十分钟缩短至十分钟以内。AR导航与无感支付技术将超市消费、洗车服务等关联消费的转化率提升50%以上，充分验证了“服务一流”目标的可行性。

（2）安全监管体系实现风险关口前移

基于AI视频火焰识别分析与氢气泄漏检测多源传感融合的动态防控系统，可成功预警潜在安全事故，平均响应时间从人工巡检的几十分钟缩短至几分钟，安全管控能力达到“技术一流”标准。

（3）数据驱动决策优化营运效能

通过LSTM车流预测模型与设备健康度监测技术，服务区充电桩利用率可提升30%以上，且运维成本有效降低，印证了“管理一流”与“设施一流”协同落地的有效性。

4.2  未来展望

（1）车路协同与能源互联网深度融合

随着V2G（Vehicle-to-Grid）技术成熟，服务区可依托现有充电桩群构建双向能量交换网络。以长三角某服务区为例，若将50%的充电桩改造为V2G模式，日均可消纳可观的光伏弃电，同时能为电网提供调频服务（相关收益约0.3元/kWh），这一模式可有效推动服务区从传统“能源消费者”向“能源产消者”转型。

（2）氢能供应链区域化布局

针对当前加氢站孤岛化问题（站点平均间距超150km），建议沿干线高速公路布局“制氢-储运-加注”一体化枢纽。例如，在沿海发达省份的干线高速公路服务区配套风光制氢项目，通过液氢槽车向周边300km范围内的加氢站输送氢气，可大幅降低氢气的到站成本，有效破解加氢站运营的经济性难题。

（3）碳资产管理与服务区收益模式创新

依托服务区的光伏、储能设施申报CCER（国家核证自愿减排量），按2023年碳价60元/t测算，单个日均发电2000kWh的光储系统，年收益可超8万元。进一步打通充电碳积分与区域碳交易市场，用户每充电1度可获得0.5元碳补贴，能够有效激发绿色出行意愿。

【参考文献】

[1] 国务院新闻办公室.高质量完成“十四五”规划系

列主题新闻发布会介绍“十四五”时期加快建设交通强国成效[R].2025年7月21日.

[2] 关于征求2025-2027年高速公路服务区(含停车区)

充电基础设施建设任务意见的函(交公便字〔2025〕304号)[R].

文章来源：《绿色建造与智能建筑》杂志  2025年12月

国内统一刊号：CN 10-1865/TU

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