新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

武建偉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450000）

1 引言

近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，越來(lái)越多的用戶開(kāi)始選擇購(gòu)買新能源汽車。但是，新能源汽車的研發(fā)使用時(shí)間不長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不多，因此，新能源汽車性能評(píng)估的數(shù)據(jù)支撐不足。故而，需要研發(fā)新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)[1]，為車主提供實(shí)時(shí)監(jiān)控及故障報(bào)警提示，同時(shí)收集新能源車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)，為車輛性能的挖掘分析提供大數(shù)據(jù)支撐。

應(yīng)用架構(gòu)：分析系統(tǒng)應(yīng)用層次，確定系統(tǒng)功能體系以及各應(yīng)用的功能規(guī)格和非功能規(guī)格。

數(shù)據(jù)架構(gòu)：定義了平臺(tái)的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)分類、部署方式等。

技術(shù)架構(gòu)：采用B/S 模式，按照數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、應(yīng)用邏輯層、應(yīng)用服務(wù)和應(yīng)用展現(xiàn)層進(jìn)行多層結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)，基于SOA 設(shè)計(jì)思想進(jìn)行服務(wù)分層，采用可視化拓?fù)渚S護(hù)、專題圖自動(dòng)生成等技術(shù)進(jìn)行功能模塊設(shè)計(jì)。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)主要通過(guò)與車載TBOX 實(shí)時(shí)通信，監(jiān)控車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)，為新能源汽車安全運(yùn)行提供保障。平臺(tái)分為服務(wù)器端軟件和客戶端軟件兩部分，其中，服務(wù)器端主要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與TBOX 的3G/4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，接收車輛的實(shí)時(shí)和補(bǔ)發(fā)信息，進(jìn)行解析、保存等，并按照GB/T 32960—2016 協(xié)議[2]與國(guó)家平臺(tái)進(jìn)行通信，將車輛的實(shí)時(shí)信息轉(zhuǎn)發(fā)至國(guó)家平臺(tái)?？蛻舳塑浖ㄟ^(guò)訪問(wèn)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)，將車輛狀態(tài)以可視化形式呈現(xiàn)給用戶，并提供地圖基本操作、實(shí)時(shí)監(jiān)控、路徑規(guī)劃、歷史數(shù)據(jù)查詢、車輛故障監(jiān)控、安全報(bào)警、電子圍欄管理、信息錄入及維護(hù)、系統(tǒng)管理等功能。

2.2 平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)主要由業(yè)務(wù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)等部分組成，如圖 1 所示。

業(yè)務(wù)架構(gòu)：對(duì)車輛終端信息、上報(bào)信息、報(bào)警信息等進(jìn)行分析、歸納，形成各業(yè)務(wù)對(duì)平臺(tái)的需求，為新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.3 平臺(tái)接口設(shè)計(jì)

新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的服務(wù)端采用TCP 套接字的方式開(kāi)啟網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)接口，當(dāng)收到TBOX 的連接請(qǐng)求時(shí)，建立一條獨(dú)立的TCP 通信鏈路與該TBOX 進(jìn)行通信，通信過(guò)程要以線程的方式進(jìn)行，保證平臺(tái)與每臺(tái)TBOX的通信獨(dú)立和唯一，并且對(duì)通信的鏈路進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)，確保每條鏈路通信的穩(wěn)定可靠。

按照GB/T 32960—2016 協(xié)議要求，企業(yè)平臺(tái)接收到TBOX 數(shù)據(jù)時(shí)，需按照GB/T 32960—2016 企業(yè)平臺(tái)與國(guó)家平臺(tái)通信協(xié)議的格式，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至國(guó)家平臺(tái)。轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)要遵守國(guó)家平臺(tái)的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，主要是補(bǔ)發(fā)數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)。平臺(tái)的數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)軟件數(shù)據(jù)接口

2.4 通信接口規(guī)則設(shè)計(jì)

2.4.1 連接建立

本地平臺(tái)向國(guó)家平臺(tái)發(fā)起通信連接請(qǐng)求，通信鏈路建立后，本地平臺(tái)應(yīng)自動(dòng)向國(guó)家平臺(tái)發(fā)送登入信息進(jìn)行身份識(shí)別，國(guó)家平臺(tái)應(yīng)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)；校驗(yàn)正確時(shí)，國(guó)家平臺(tái)應(yīng)該返回成功應(yīng)答 ；校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，國(guó)家平臺(tái)應(yīng)存儲(chǔ)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)記錄，并通知本地平臺(tái)。

本地平臺(tái)應(yīng)在接收到國(guó)家平臺(tái)的應(yīng)答指令后完成本次登入傳輸；本地平臺(tái)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未接收到應(yīng)答指令，應(yīng)每間隔1 分鐘重新登入，若連接三次登入無(wú)人應(yīng)答，應(yīng)間隔30 分鐘后，繼續(xù)重新連接，把未成功發(fā)送的數(shù)據(jù)重新上報(bào)，重復(fù)登入間隔時(shí)間可以設(shè)置。

2.4.2 信息傳輸

本地平臺(tái)登入成功后，應(yīng)向國(guó)家平臺(tái)上報(bào)電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)信息。當(dāng)本地平臺(tái)上報(bào)信息時(shí)，國(guó)家平臺(tái)應(yīng)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確國(guó)家平臺(tái)做正確應(yīng)答，校驗(yàn)錯(cuò)誤則做錯(cuò)誤應(yīng)答。國(guó)家平臺(tái)的應(yīng)答信息錯(cuò)誤時(shí)，本地平臺(tái)應(yīng)重新發(fā)送車輛的本條實(shí)時(shí)信息，每間隔1 分鐘重新發(fā)送1 次，失敗3 次后不再發(fā)送。本地平臺(tái)上報(bào)的時(shí)間周期應(yīng)可調(diào)整，最大周期不應(yīng)超過(guò)30 秒，當(dāng)車輛出現(xiàn)3 級(jí)報(bào)警時(shí)，應(yīng)上報(bào)故障發(fā)生時(shí)間點(diǎn)前后30 秒的數(shù)據(jù)且信息采樣周期不大于1 秒，其中，故障發(fā)生前數(shù)據(jù)應(yīng)以補(bǔ)發(fā)形式進(jìn)行傳輸。

2.4.3 補(bǔ)發(fā)機(jī)制

當(dāng)數(shù)據(jù)通信鏈路異常時(shí)，本地平臺(tái)應(yīng)將車輛實(shí)時(shí)上報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)。在數(shù)據(jù)通信鏈路恢復(fù)正常后，在發(fā)送實(shí)時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)的空閑時(shí)間完成補(bǔ)發(fā)存儲(chǔ)的上報(bào)數(shù)據(jù)。補(bǔ)發(fā)的上報(bào)數(shù)據(jù)應(yīng)為7 日內(nèi)通信鏈路異常期間存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式與實(shí)時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)相同，并標(biāo)識(shí)為補(bǔ)發(fā)信息上報(bào)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 模塊化微服務(wù)

微服務(wù)是把一個(gè)大型應(yīng)用分散為互相可解耦的多個(gè)小應(yīng)用程序，然后通過(guò)調(diào)用小應(yīng)用程序來(lái)完成一次復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯要求。微服務(wù)各模塊可獨(dú)立部署，互相通過(guò)明確接口保證各服務(wù)之間是松耦合。模塊化則是把各個(gè)業(yè)務(wù)拆分為更小、相對(duì)獨(dú)立的模塊。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是能彈性應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)壓力，當(dāng)業(yè)務(wù)壓力較大時(shí)，可同時(shí)在多臺(tái)服務(wù)器啟動(dòng)多個(gè)模塊實(shí)例，以應(yīng)對(duì)大量業(yè)務(wù)處理。而業(yè)務(wù)壓力較小的模塊，只需較少的實(shí)例，這樣能彈性利用系統(tǒng)資源，提供優(yōu)秀的橫向擴(kuò)展能力。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

為了應(yīng)對(duì)不同數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理要求，平臺(tái)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)、分布式文件存儲(chǔ)系統(tǒng)、NOSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，建立統(tǒng)一的分布式存儲(chǔ)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)空大數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)。

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)：對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理，既滿足傳統(tǒng)關(guān)系查詢的業(yè)務(wù)需求，又適應(yīng)大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。

分布式文件系統(tǒng) ：采用Hadoop 等分布式文件系統(tǒng)，對(duì)地圖瓦片數(shù)據(jù)等非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理，通過(guò)將大量小切片文件聚合為較大的數(shù)據(jù)包，統(tǒng)一存放在分布式存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中，實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠的存儲(chǔ)和并發(fā)訪問(wèn)。

NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)：對(duì)于實(shí)時(shí)位置信息和軌跡信息等海量離散時(shí)序信息，采用NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、統(tǒng)一建模和分析。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)分為服務(wù)器端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)發(fā)和客戶端的數(shù)據(jù)可視化管理。本章主要介紹服務(wù)器端的接收程序、客戶端的車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、車輛報(bào)表統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)管理。

4.1 服務(wù)器端接收程序

平臺(tái)服務(wù)器端接收程序接收在客戶端接入平臺(tái)的汽車上報(bào)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存至系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，按照GB/T 32960—2016 協(xié)議的要求，將數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)至國(guó)家平臺(tái)，具體界面如圖 3 所示。

圖3 新能 源汽車接收程序

4.2 客戶端可視化管理

新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)提供了用戶權(quán)限管理機(jī)制，不同的用戶權(quán)限可使用相應(yīng)的系統(tǒng)功能，從而獲取不同的應(yīng)用價(jià)值。客戶端采取B/S 結(jié)構(gòu)，用戶輸入指定網(wǎng)址后，通過(guò)系統(tǒng)分配的用戶名和密碼登錄系統(tǒng)。

4.2.1 車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控

平臺(tái)可以對(duì)接入的所有車輛的實(shí)時(shí)位置（包括位置、車速、電量、時(shí)間等）和車輛狀態(tài)（包括整車數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)等）進(jìn)行監(jiān)控，并通過(guò)接收存儲(chǔ)車輛的實(shí)時(shí)位置，回訪車輛的歷史軌跡，重現(xiàn)某一車輛某一時(shí)段的行駛軌跡，方便管理單位掌控車輛行駛情況。同時(shí)，通過(guò)分析系統(tǒng)接收的車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，對(duì)車速、電量、圍欄等超出閾值的車輛進(jìn)行警報(bào)提示，以減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控如圖 4 所示。

圖4 車輛實(shí) 時(shí)狀態(tài)監(jiān)控

4.2.2 車輛報(bào)表統(tǒng)計(jì)

平臺(tái)可以對(duì)某一車輛某一時(shí)間段內(nèi)的故障情況、行駛里程、充電次數(shù)和時(shí)間等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)生成圖表，并可存儲(chǔ)打印，給車輛管理部門和車主提供準(zhǔn)確的車輛行駛數(shù)據(jù)[3]。車輛統(tǒng)計(jì)報(bào)表可為車輛的維護(hù)維修提供更多建議，也可以為車輛的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。車輛報(bào)表統(tǒng)計(jì)如圖 5 所示。

4.2.3 系統(tǒng)管理

新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)提供了車輛管理、業(yè)務(wù)管理、日志管理和用戶管理功能，用于對(duì)車輛配置、系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。

車輛管理：對(duì)車輛的分組信息、車型注冊(cè)、車輛注冊(cè)、充電樁等提供新增、編輯、刪除、查詢等管理功能，實(shí)現(xiàn)車輛信息的分類管理。

業(yè)務(wù)管理：對(duì)車輛的電子圍欄、路徑規(guī)劃、上報(bào)信息、報(bào)警信息等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

日志管理：對(duì)平臺(tái)的使用記錄和車輛的上下線記錄進(jìn)行存儲(chǔ)，并提供查詢和Excel 表格下載功能。

用戶管理：對(duì)系統(tǒng)的用戶和用戶權(quán)限提供新增、編輯、刪除、查詢等管理功能。

圖5 車輛報(bào)表統(tǒng) 計(jì)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)新能源車載TBOX、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)和國(guó)家平臺(tái)之間的通信聯(lián)合調(diào)試，新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)已經(jīng)完成交付，成功上線運(yùn)行。試運(yùn)行期間，平臺(tái)在線監(jiān)控的新能源車輛達(dá)5000 余量，平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定。通過(guò)壓力測(cè)試，平臺(tái)交付后可同時(shí)在線監(jiān)控10 萬(wàn)輛新能源汽車。新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的上線，為新能源汽車運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集降低了人力物力和時(shí)間成本，為汽車研發(fā)人員的科研提供了大數(shù)據(jù)支撐。后續(xù)將針對(duì)手持移動(dòng)端的應(yīng)用進(jìn)行研發(fā)，方便車主用戶及時(shí)掌控車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)，從而更好地使用和維護(hù)新能源車輛。