充電站運(yùn)營綜合管理平臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王兆波

關(guān)鍵詞：充電樁管理系統(tǒng)；充電站運(yùn)營；物聯(lián)網(wǎng)；云計算；大數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集

0 引言

為了節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，近年來，國家大力發(fā)展新能源汽車，隨著新能源汽車保有量的不斷增大，新能源汽車充電樁、充電站也正在大力發(fā)展建設(shè)，目前大部分充電站場的運(yùn)營、運(yùn)維、消防等管理比較薄弱，尤其是直流充電樁都是高電壓，汽車電池充電異常，使充電站場存在一定的安全隱患，因此為了解決這些問題，提高充電樁的運(yùn)營、運(yùn)維管理效率，需要構(gòu)建一套開放、智能、互動、高效、安全的電動汽車充電站場綜合管理服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)對充電站場遠(yuǎn)程運(yùn)營、運(yùn)維管理及消防管理，尤其是對充電過程數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控及集成站場監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對站場的全面監(jiān)控管理，盡可能地杜絕一切安全隱患。本文根據(jù)充電站場管理的實(shí)際需求，采用大數(shù)據(jù)處理、云服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，采用C/S數(shù)據(jù)采集，B/S的應(yīng)用架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)充電站綜合管理服務(wù)平臺，管理人員通過PC瀏覽器登錄平臺，運(yùn)維人員可通過手機(jī)App登錄，充電用戶通過手機(jī)App或微信公眾號登錄。

建設(shè)充電站運(yùn)營運(yùn)維管理平臺，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營管理、運(yùn)維管理、安防管理，從而實(shí)現(xiàn)對充電站場全面、高效、安全的全方位管控。

1 需求分析

充電站場多，地理位置分布比較散而遠(yuǎn)，管理成本高且難度大。充電站的主要充電設(shè)施是充電樁，充電樁的運(yùn)作情況對整個充電站的運(yùn)營影響非常大。充電樁運(yùn)維效率低，設(shè)備管理混亂，嚴(yán)重影響站場正常運(yùn)營。站場內(nèi)充電樁數(shù)量多，人員復(fù)雜，高壓設(shè)備等，存在一定的安全隱患。

本平臺不僅實(shí)現(xiàn)充電樁的運(yùn)營管理、運(yùn)維管理、安防管理，還通過對車輛充電過程的實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測，同時對站場、箱變環(huán)境參數(shù)及煙感狀態(tài)進(jìn)行采集，發(fā)現(xiàn)異常及時預(yù)警，并自動停止充電，如遇突發(fā)情況，通過平臺調(diào)用現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備，可以遠(yuǎn)程了解現(xiàn)場情況，指揮現(xiàn)場處置。主要需求模塊如下：

1） 運(yùn)營管理模塊，主要包括用戶管理、訂單管理、充值管理、價格管理、發(fā)票管理、統(tǒng)計報表、效益分析等，主要實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶具體充電時間計價，按充電量或充電時長計費(fèi)，生成訂單并完成結(jié)算，能夠通過多個維度統(tǒng)計分析各個充電站場的運(yùn)營情況及經(jīng)營效益。

2） 運(yùn)維管理模塊，主要包括運(yùn)維人員管理、巡檢管理、維修管理等，主要實(shí)現(xiàn)通過現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備督促巡檢人員對設(shè)備巡檢計劃的有效執(zhí)行，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題隱患。設(shè)備出現(xiàn)故障，可由系統(tǒng)自動配單到維修人員或由工作人員手動派單，并對維修情況及維修結(jié)果資料進(jìn)行管理。

3） 安防管理模塊，主要包括安防監(jiān)控攝像頭管理、消防器材管理、監(jiān)控設(shè)備配置管理、站場環(huán)境參數(shù)采集監(jiān)測、異常情況的圖片及視頻資料管理等，主要通過監(jiān)控設(shè)備的人臉識別技術(shù)、場景識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對危險人員、危險操作的及時識別、預(yù)警，并保存記錄。

4） 車輛管理模塊，主要包括車輛信息管理、車輛運(yùn)行軌跡監(jiān)控、車載電池信息監(jiān)測等，本模塊主要針對自有或合作單位有營運(yùn)車輛，主要通過車輛VIN 碼，實(shí)現(xiàn)插搶即充電，無須現(xiàn)場結(jié)算。實(shí)現(xiàn)對車載電池信息的實(shí)時監(jiān)測，能夠?qū)﹄姵厥褂眠^程中出現(xiàn)的異常進(jìn)行預(yù)警，通過對數(shù)據(jù)分析，對電池可能將要出現(xiàn)的故障，進(jìn)行提前提醒。

5） 設(shè)備監(jiān)控模塊，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，充電電池監(jiān)測，故障監(jiān)測等，本模塊主要是對充電樁和車載電池運(yùn)行情況進(jìn)行持續(xù)實(shí)時監(jiān)測，尤其是對電池充電過程的交互數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析，出現(xiàn)異常情況（如電池溫度超高等），充電樁自動終止充電，平臺通知與充電樁綁定的監(jiān)控設(shè)備發(fā)出聲光報警，并在站場內(nèi)監(jiān)控屏幕顯示報警信息。

6） 告警模塊，主要包括告警規(guī)則配置，報警設(shè)備綁定管理等，本模塊主要實(shí)現(xiàn)告警規(guī)則的配置，報警終端配置，如果站場內(nèi)發(fā)生事故，可以遠(yuǎn)程通過平臺綁定的監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時查看現(xiàn)場畫面，方便上級領(lǐng)導(dǎo)及時對現(xiàn)場處置進(jìn)行指揮。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

充電樁和監(jiān)控攝像頭均采用無線連接方式，接入本平臺，無線信號不穩(wěn)定的地方，則改用有線連接入網(wǎng)。

集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)分別送往存儲設(shè)備進(jìn)行存儲，視頻服務(wù)器進(jìn)行解碼顯示在監(jiān)控設(shè)備上。監(jiān)控攝像機(jī)抓的圖像、人臉識別等數(shù)據(jù)，通過移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到運(yùn)營平臺，平臺也可以對攝像頭進(jìn)行的控制操作。

平臺后端監(jiān)管，可以分站場和總部，進(jìn)行兩級部署，站場部署大屏，顯示本站充電樁運(yùn)營狀態(tài)，異常時，自動發(fā)出告警，無須專人值守。

1） 設(shè)備層

設(shè)備層主要是監(jiān)控攝像機(jī)、直流充電樁、環(huán)境監(jiān)測相關(guān)傳感器，攝像機(jī)及充電樁都集成數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，支持有線及無線連接網(wǎng)絡(luò)。本層用于完成設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和系統(tǒng)下發(fā)控制指令的接收及執(zhí)行。采集的數(shù)據(jù)包括攝像頭抓拍的圖像，充電樁空閑時的心跳，充電樁充電的簽權(quán)及交易數(shù)據(jù)，充電電壓、電流、車載電池的參數(shù)及實(shí)時溫度。本系統(tǒng)還支持第三方軟件接口的集成，主要用于電池的實(shí)時溫度監(jiān)測及車輛GPS定位等。

2） 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要是將設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)服務(wù)器，根據(jù)實(shí)際場地環(huán)境選擇網(wǎng)絡(luò)連接方式。移動網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定的地方，選擇4G/5G網(wǎng)絡(luò)；移動網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定或信號很弱的地方，選擇Internet有線網(wǎng)絡(luò)。

3） 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要有數(shù)據(jù)采集服務(wù)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、分析計算、處理存儲、數(shù)據(jù)查詢等，交易數(shù)據(jù)存儲在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)先暫存于實(shí)時數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過處理后，再轉(zhuǎn)存到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。

4） 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要是負(fù)責(zé)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的編輯，交易數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常檢測預(yù)警、分析，數(shù)據(jù)匯總展現(xiàn)、報表統(tǒng)計查詢等業(yè)務(wù)處理。

3 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本平臺主要是對充電樁運(yùn)行狀態(tài)，尤其是對充電過程中狀態(tài)參數(shù)及電池系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測，以及對充電交易的信息交互，因此設(shè)備數(shù)據(jù)采集對本平臺至關(guān)重要。平臺通過監(jiān)控攝像頭內(nèi)置的傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)圖像信息采集，通過充電樁設(shè)備內(nèi)置的傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測及充電實(shí)時數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)采集處理過程采用分布式處理，以保證系統(tǒng)高并發(fā)時的可靠性。

充電樁等設(shè)備與云端數(shù)據(jù)采集Netty[5]服務(wù)器通過TCP Socket 長連接的方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，充電樁以2 秒一次向Netty 服務(wù)器發(fā)送心跳，以保持在線狀態(tài)。

Netty服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過解析后轉(zhuǎn)發(fā)到RabbitMq[6]消息隊列中。

消息處理程序持續(xù)地從消息隊列中讀取消息，進(jìn)行解析處理，根據(jù)設(shè)定的編碼規(guī)則，將消息數(shù)據(jù)重新編碼，逐條存入文件中，文件按設(shè)備和日期獨(dú)立存儲；解析過程中檢查報文類型，如果類型為溫度、電壓等異常告警時，即將該狀態(tài)數(shù)據(jù)存入Redis[7]中，Redis根據(jù)字段值的變化，觸發(fā)相應(yīng)的事件處理程序。

數(shù)據(jù)處理程序不斷地遍歷數(shù)據(jù)文件，讀取文件中新寫入的數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析處理，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容，分別存儲到臨時數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，臨時數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)，主要是電池充電過程中的進(jìn)度、溫度、電流等實(shí)時變化數(shù)據(jù)，用于對近期指定充電過程的統(tǒng)計分析，對設(shè)備異常及交易異常的分析。

充電設(shè)備上線數(shù)據(jù)報文通用的數(shù)據(jù)類型標(biāo)識語義如下[8]：

消息處理程序從消息隊列中讀取消息，解析消息報文內(nèi)容，再根據(jù)報文類型進(jìn)行重新編碼后，以十六進(jìn)制格式存入文件。文件根據(jù)充電設(shè)備及日期分類存儲。

文件編碼格式示例如下：

消息處理程序在解析消息的同時，檢查消息類型，如果類型為需要實(shí)時監(jiān)測的狀態(tài)信息時，即將該狀態(tài)數(shù)據(jù)存入Redis 中，利用Redis 的鍵空間通知，實(shí)現(xiàn)自動觸發(fā)事件，啟動相應(yīng)的處理程序，例如將充電樁心跳數(shù)據(jù)存入Redis鍵值中，然后Redis開始對該鍵值更新時間進(jìn)行倒計時，如果在設(shè)定時間內(nèi)沒有對該鍵值進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，則觸發(fā)超時事件，即充電設(shè)備離線告警。

數(shù)據(jù)處理程序從存儲的文件中，讀取并解析數(shù)據(jù)，根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯運(yùn)算，分別將數(shù)據(jù)存儲到臨時數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。

4 系統(tǒng)界面功能實(shí)現(xiàn)

平臺采用Java語言開發(fā)，后端包括Web應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)處理程序，Web應(yīng)用系統(tǒng)采用B/S模式，前端采用JSP、JS、Ajax等腳本語言，圖表控件使用開源的Echarts。

Web應(yīng)用程序采用Java EE應(yīng)用的分層設(shè)計與開發(fā)，系統(tǒng)中的對象按層分為：數(shù)據(jù)對象，業(yè)務(wù)對象和展現(xiàn)層對象，分別負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)持久化、業(yè)務(wù)邏輯處理和頁面渲染展示。利用統(tǒng)一的接入服務(wù)，業(yè)務(wù)對象可以為不同的客戶端提供服務(wù)，同時也能方便地轉(zhuǎn)換為WebService發(fā)布。

分層體系結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)邏輯、業(yè)務(wù)邏輯與數(shù)據(jù)邏輯相分離，提高了系統(tǒng)的并行操作能力及系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能，基于Spring框架的開發(fā)，降低編碼開發(fā)難度和成本，同時降低了程序組件間的耦合度，極大地增強(qiáng)了程序的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

平臺業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)不同的用戶分為三個部分，分別為充電客戶使用的終端App，設(shè)備運(yùn)維人員的終端App，平臺管理系統(tǒng)。

充電客戶使用的App，供使用充電樁充電的車主用戶使用，主要為用戶提供充電站查找、地圖導(dǎo)航、掃碼充電、充電結(jié)算、充電進(jìn)度查看、消費(fèi)記錄查詢等功能。

設(shè)備運(yùn)維人員的終端App，供站場內(nèi)充電樁日常巡檢及維修的人員使用，主要功能有站場地圖、地圖導(dǎo)航、派單通知、工單完成進(jìn)度、工單查詢、巡檢記錄等。

平臺管理系統(tǒng)，供管理人員使用，實(shí)現(xiàn)對充電站場的全面運(yùn)營管理、信息維護(hù)、經(jīng)營分析，系統(tǒng)主要包含運(yùn)營管理、運(yùn)維管理、安防管理、車輛管理、設(shè)備管理、告警/配置、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、站場管理、賬號管理、日志管理等功能模塊。

運(yùn)營管理模塊主要實(shí)現(xiàn)充電交易的管理，主要功能為：訂單的管理、電費(fèi)單價管理、充電服務(wù)費(fèi)管理、充值管理、發(fā)票管理、統(tǒng)計報表、經(jīng)營分析等。

運(yùn)維模塊主要實(shí)現(xiàn)對充電樁的日常巡檢及維護(hù)的管理，主要功能為：巡檢管理、維修管理、運(yùn)維人員管理等。

設(shè)備監(jiān)測主要實(shí)現(xiàn)對充電樁充電過程中的實(shí)時參數(shù)采集、分析，發(fā)現(xiàn)異常及時終止充電并發(fā)出告警信息；檢測到交易終止條件時，通知充電設(shè)備終止充電。

5 結(jié)束語

云計算、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)代表了信息技術(shù)領(lǐng)域最新的技術(shù)發(fā)展趨勢，也是當(dāng)前最熱門的信息應(yīng)用技術(shù)，在很多行業(yè)領(lǐng)域中都得到了成功的運(yùn)用。本文介紹的充電站場運(yùn)營綜合管理平臺，通過將終端充電設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，對設(shè)備運(yùn)行信息及站場的環(huán)境的在線數(shù)據(jù)采集，大數(shù)據(jù)量分析，實(shí)現(xiàn)對零散分布在各個區(qū)域的充電站場進(jìn)行全面管理，也是云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個實(shí)際應(yīng)用。本平臺已上線應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用效果比較顯著，實(shí)現(xiàn)了地理上分散的充電站場整體綜合管理；實(shí)現(xiàn)了車輛通過VIN碼，插搶自動識別充電，簡化人工操作；系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，幫助管理人員了解各充電站場的充電樁的使用效率；系統(tǒng)的運(yùn)維管理，提高了管理人員對充電樁設(shè)備的日常巡檢及維護(hù)的管理效率，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對日常巡檢及維護(hù)工作的監(jiān)督；平臺的異常監(jiān)測告警和現(xiàn)場監(jiān)控攝像機(jī)的實(shí)時監(jiān)控及異常抓拍，為充電站場的安全運(yùn)營，提供了保障。