基于可靠性的電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張明江，袁 弘，王濱海，李建祥

ZHANG Ming-jiang1，YUAN Hong2，WANG Bin-hai1，LI Jian-xiang1

(1.國網(wǎng)山東省電力公司 電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250101)

0 引言

電動(dòng)汽車采用電力作為動(dòng)力，能夠有效降低二氧化碳的排放量，具有清潔、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，日漸受到人們的認(rèn)可。同時(shí)，隨著石油價(jià)格的不斷上漲，電動(dòng)汽車的成本優(yōu)勢也日漸明顯，在人們的日常生活中的應(yīng)用也越來越廣泛[1]。發(fā)展電動(dòng)汽車是中國的重要產(chǎn)業(yè)政策，是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展和新能源戰(zhàn)略的戰(zhàn)略決策[2]。

目前，國內(nèi)的電動(dòng)汽車正處于示范運(yùn)行和考核階段，在該階段需要采集和存儲(chǔ)電動(dòng)汽車的運(yùn)行參數(shù)，尤其是動(dòng)力蓄電池的運(yùn)行參數(shù)，對電動(dòng)汽車的運(yùn)行進(jìn)行有效的監(jiān)控[3]。為全面考核和分析現(xiàn)有電動(dòng)汽車的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和整車可靠性，進(jìn)一步完善電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理提供支持，需要通過現(xiàn)代化的技術(shù)手段和管理方法對電動(dòng)汽車進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的安全和可靠運(yùn)行[4,5]。我國頒布的《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理規(guī)則》明確規(guī)定對處于起步期和發(fā)展期的新能源汽車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對新能源汽車質(zhì)量進(jìn)行跟蹤[5]。電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)的研究不僅使汽車生產(chǎn)企業(yè)具有生產(chǎn)新能源汽車的準(zhǔn)入資格，而且對車輛的管理和維護(hù)具有指導(dǎo)意義。

電動(dòng)汽車充換電設(shè)施所處環(huán)境復(fù)雜多樣，電磁干擾嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[2]；監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)備較多，設(shè)備之間的通信方式多樣，包括串口、CAN總線、無線和以太網(wǎng)通信等多種通信方式[6]，不同通信方式之間信息的交互和銜接依賴于良好的系統(tǒng)可靠性，這都要求系統(tǒng)具有良好的可靠性。電動(dòng)汽車移動(dòng)范圍廣、流動(dòng)性大和分散程度高，無線通信信號覆蓋范圍和信號強(qiáng)度難以保證電動(dòng)車監(jiān)控的可靠性和實(shí)時(shí)性。

電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)涉及充電、換電、配電和安防等多個(gè)異構(gòu)子系統(tǒng)和設(shè)備，設(shè)備多樣復(fù)雜，設(shè)備廠家不盡相同，技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)難以一致[2,6]。這些子系統(tǒng)和設(shè)備的計(jì)算平臺、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)、通信協(xié)議和信息輸入輸出接口等都不相同[6,7]。電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)需要異構(gòu)環(huán)境中進(jìn)行信息的共享、互聯(lián)和互操作。這使得電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能要求高，系統(tǒng)可靠性和安全性的實(shí)現(xiàn)受到相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)汽車的可靠和安全監(jiān)控，趙明宇等[2]、李濤等[7]通過分析電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)采集-通信-站控的分層設(shè)計(jì)，較好的實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)環(huán)境下電動(dòng)汽車的在站級的運(yùn)行監(jiān)控。但是該系統(tǒng)沒有解決了異構(gòu)充換電站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的整合，沒有實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車運(yùn)行的集中監(jiān)控。系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的層與層之間的交互的可靠性對于整個(gè)系統(tǒng)可靠性影響很大，層級之間的級聯(lián)修改和故障，極大的影響了系統(tǒng)的整體可靠性和可維護(hù)性。嚴(yán)輝[6]等人基于電動(dòng)汽車充換電站建設(shè)的三種典型模式，采用統(tǒng)一支撐平臺的方式，較好的完成了對各個(gè)不同運(yùn)行模式下的電動(dòng)汽車充換電站的監(jiān)控。但是系統(tǒng)沒有給出電動(dòng)汽車集中監(jiān)控平臺的功能需求和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的可靠性過多依賴于統(tǒng)一支撐平臺的可靠性，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性受到很大限制。莊繼暉等[8]、王松宏等[9]采用無線通信方式對電動(dòng)汽車進(jìn)行監(jiān)控，系統(tǒng)缺乏對電動(dòng)汽車充換電站的站級監(jiān)控，無法實(shí)現(xiàn)充換電站與電動(dòng)汽車信息的交互和融合，系統(tǒng)的可靠性依賴于無線通信的可靠性。

為了解決上述問題，本文分析了現(xiàn)有的電動(dòng)汽車運(yùn)營特點(diǎn)，通過系統(tǒng)需求分析確定監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，參考當(dāng)前電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)中大量應(yīng)用框架和設(shè)計(jì)模式[10,11]，采用本地代理和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺相結(jié)合的分層設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于可靠性的電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)。

1 電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)框架

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)框架

軟件框架可以為用戶提供一個(gè)具有基礎(chǔ)功能和良好設(shè)計(jì)和代碼復(fù)用性一組的相互協(xié)作的類[12]。通過對框架的定制可產(chǎn)生滿足客戶具體需求的應(yīng)用，可以對系統(tǒng)中較為通用的行業(yè)基礎(chǔ)功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，具有良好的復(fù)用特性，能很好的提高系統(tǒng)的整體的可靠性和健壯性?？蚣軕?yīng)用軟件框架進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)也是現(xiàn)在較為普遍的提高系統(tǒng)可靠性的手段[13,14]?？蚣艿膬?nèi)容定義了電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)軟件的總體架構(gòu)和關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

完全重新設(shè)計(jì)和開發(fā)一個(gè)框架需要耗費(fèi)大量的人力和物力，成本相當(dāng)高昂。為此，通過分析電動(dòng)汽車監(jiān)控的異構(gòu)環(huán)境中信息交互、共享和互操作的基本特征，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中參照了IEC61970中的CIM（通用信息交互模型）模型[15]。CIM模型給出了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換方法和標(biāo)準(zhǔn)化的組件接口，各個(gè)應(yīng)用程序無需知道別的應(yīng)用程式的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和環(huán)境，就可以訪問公共數(shù)據(jù)和交換信息，可有效實(shí)現(xiàn)異構(gòu)環(huán)境信息的交互、共享和互操作[16]。

CIM框架模型中的組件中的重用級別是語言級別的，具有系統(tǒng)和編程語言的無關(guān)性，具有良好的通用性和可擴(kuò)展性[15,16]。通過組件可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的組件的可插拔，提高組件的復(fù)用特性。電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)中的新的應(yīng)用軟件，可遵循通用信息模型和組件接口描述實(shí)現(xiàn)對外接口，減少不同數(shù)據(jù)模式的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中老的應(yīng)用，則通過對老應(yīng)用進(jìn)行封裝，建立與CIM的映射關(guān)系，遵循組件接口描述規(guī)范，統(tǒng)一外部接口。

組件執(zhí)行系統(tǒng)則根據(jù)電動(dòng)汽車監(jiān)控的特點(diǎn)，支持電動(dòng)汽車監(jiān)控組件之間的互操作，這對系統(tǒng)的可擴(kuò)展性具有較大的意義[17,18]。電動(dòng)汽車監(jiān)控中涉及到大量的異構(gòu)環(huán)境下的分布式組件之間的信息交互，需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中跨平臺的信息請求和響應(yīng)。CORBA(公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu))技術(shù)可提供異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中跨平臺和操作系統(tǒng)進(jìn)行交互操作的一種組件框架，能夠較好的滿足電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)中大量的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中跨平臺和操作系統(tǒng)的異構(gòu)環(huán)境的交互需求[19]。

基于CIM模型和CORBA框架的設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)從電動(dòng)汽車監(jiān)控框架設(shè)計(jì)為CORBA支撐平臺、CORBA數(shù)據(jù)接口、CIM數(shù)據(jù)模型、應(yīng)用組件、高級應(yīng)用5個(gè)大的要素，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

其中，C O R B A 支撐平臺構(gòu)建在已有的CORBA組件技術(shù)基礎(chǔ)之上，支持通用的公共信息模型，通過公共信息信息模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入和交互。CORBA數(shù)據(jù)接口支持統(tǒng)一的組件接口規(guī)范，規(guī)定了數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)模型和訪問方法。CIM數(shù)據(jù)模型，統(tǒng)一定義了公共信息的模型，描述電動(dòng)汽車監(jiān)控的數(shù)據(jù)對象的邏輯結(jié)構(gòu)和關(guān)系模型。應(yīng)用組件則包含電動(dòng)汽車監(jiān)控中的基本的監(jiān)控功能組件包括，報(bào)表組件、圖形組件、監(jiān)控組件、通信組件、系統(tǒng)管理組件、權(quán)限管理組件和數(shù)據(jù)庫7個(gè)公用應(yīng)用組件。高級應(yīng)用通過COBRA平臺訪問應(yīng)用組件，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的高級應(yīng)用功能，如充換電設(shè)施的電能狀態(tài)分析、電動(dòng)汽車運(yùn)營狀態(tài)分析、電動(dòng)汽車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等功能。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)框架中設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，大量應(yīng)用設(shè)計(jì)模式，可有效提高系統(tǒng)研發(fā)效率和可靠性，降低系統(tǒng)的開發(fā)成本[11]。設(shè)計(jì)模式是軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)中設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和提煉。使用設(shè)計(jì)模式可重用代碼，讓代碼更容易理解和閱讀，保證代碼的可靠性，也是提高系統(tǒng)的可靠性的重要手段之一[14]。

在電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)中，根據(jù)組件發(fā)出的信息，匹配通信的組件是最為普遍的通信通知方式。通信組件之間的通知方式是其中的關(guān)鍵。以前的組件通信適配模式，是通過輪詢的方式實(shí)現(xiàn)通信組件匹配。該種方式效率低下，通信的速度和實(shí)時(shí)性受到較大的限制。應(yīng)用觀察者設(shè)計(jì)模式建立一種組件之間的通知依賴關(guān)系，一個(gè)對象（目標(biāo)對象）的狀態(tài)發(fā)生改變，所有的依賴對象（觀察者對象）都將得到通知。命令模式把一個(gè)請求或者操作封裝到一個(gè)對象中。命令模式允許系統(tǒng)使用不同的請求把客戶端參數(shù)化，支持事務(wù)功能。適配器模式使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些組件和對象可以在一起工作。適配器模式可應(yīng)用于組件適配器模式的實(shí)現(xiàn)當(dāng)中。其他的訪問者模式、工廠模式、責(zé)任鏈模式和裝飾模式等均可廣泛應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)效率，改善系統(tǒng)的可靠性，降低研發(fā)和維護(hù)成本。

2 系統(tǒng)方案

2.1 通信方式

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的本質(zhì)差異是由所采用的通信方式?jīng)Q定的，其可靠性和穩(wěn)定性直接影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及系統(tǒng)的性能。電動(dòng)汽車移動(dòng)范圍廣、流動(dòng)性大、分散程度高，GPRS信號覆蓋范圍和信號強(qiáng)度難以保證電動(dòng)車實(shí)時(shí)監(jiān)控的可靠性和實(shí)時(shí)性。為此，采用具有高靈活性組網(wǎng)形式的ZigBee無線通信技術(shù)，與通信距離遠(yuǎn)、效率高的GPRS通信技術(shù)相結(jié)合，用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。ZigBee是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案，也是一種具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本特點(diǎn)的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域[21,22]。本方案采用Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎眯切途W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)備間采用點(diǎn)對點(diǎn)通信方式[24]，充換電站內(nèi)ZigBee設(shè)備作為主站，車載終端上ZigBee設(shè)備作為子站。

由于電動(dòng)汽車監(jiān)控中采用了大量的無線通信，無線通信的帶寬有限，難以滿足大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)傳輸，尤其是在傳輸視頻數(shù)據(jù)時(shí)候。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率，降低實(shí)時(shí)性要求較低的視頻等數(shù)據(jù)對系統(tǒng)整體實(shí)時(shí)性的影響，提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃院陀行?，對?shí)時(shí)性要求較低的數(shù)據(jù)進(jìn)行流量限制，提高實(shí)時(shí)性要求較高數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級。

此外，為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃?，采用LZO數(shù)據(jù)壓縮算法對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。LZO算法具有高壓縮率低、RAM占用率的特點(diǎn)，有效降低系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量。該算法占用內(nèi)存較少，非常適合在監(jiān)控終端這樣的嵌入式處理設(shè)備中實(shí)現(xiàn)[25]。

2.2 電動(dòng)汽車監(jiān)控模式

根據(jù)車輛運(yùn)行狀態(tài)的不同，充換電站監(jiān)控系統(tǒng)主要包括兩種模式：車輛運(yùn)行模式、車輛充換電模式。車輛運(yùn)行模式是電動(dòng)汽車運(yùn)行的默認(rèn)模式，車輛處于運(yùn)行狀態(tài)，可正常駕駛。車載終端實(shí)時(shí)記錄車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳監(jiān)控代理。

當(dāng)電動(dòng)汽車停止運(yùn)行，進(jìn)入充換電狀態(tài)時(shí)，車輛不能駕駛，進(jìn)入充換電模式，車載終端實(shí)時(shí)記錄電動(dòng)汽車的充換電數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)并上傳。為了節(jié)約通信流量，提高通信的有效性和可靠性，在充換電模式下，車載終端接入充換電站的Zigbee通信網(wǎng)絡(luò)中，將記錄在車載終端的數(shù)據(jù)批量上傳至監(jiān)控代理，有效提高監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的可靠性和有效性[6,7]。

2.3 電動(dòng)汽車監(jiān)控方法

由于電動(dòng)汽車以及充換電設(shè)施所處電磁環(huán)境復(fù)雜，對監(jiān)控中數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)通信有干擾嚴(yán)重。尤其是監(jiān)控中采用了大量的無線通信，無線通信本身就極易受到外界的干擾，造成信息通信的丟失。為了保障信息的完整，提高系統(tǒng)的可靠性，在監(jiān)控代理和監(jiān)控平臺之間通過帶有時(shí)間戳和序號的“監(jiān)控信息快照”進(jìn)行信息的傳輸。每幀的“監(jiān)控信息快照”包含了監(jiān)控代理的監(jiān)控信息，當(dāng)監(jiān)控平臺在一定的時(shí)間閥值內(nèi)，如果沒有收到某一幀“監(jiān)控信息快照”，監(jiān)控平臺則發(fā)送請求，要求重傳該幀“監(jiān)控信息快照”。提高監(jiān)控信息傳輸完整性和可靠性，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息的可靠傳輸。

3 總體架構(gòu)

為使系統(tǒng)充分集成和高度融合，降低開發(fā)和維護(hù)的成本，提高系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性，本文基于模塊化和組件化設(shè)計(jì)思想，采用分層融合方法，將系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為電動(dòng)汽車監(jiān)控平臺和監(jiān)控代理二個(gè)層級，以遠(yuǎn)程和本地相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。電動(dòng)汽車監(jiān)控平臺與監(jiān)控代理之間通過基于GPRS通信、以太網(wǎng)通信和無線通信在內(nèi)的通信層進(jìn)行信息交互。

監(jiān)控代理采用統(tǒng)一架構(gòu)，由監(jiān)控模塊、通信模塊、知識庫、快照管理模塊和被監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成。其中監(jiān)控模塊對被監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行感知，獲取外接傳來的數(shù)據(jù)。監(jiān)控模塊根據(jù)知識庫中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)將監(jiān)測信息通過快照管理模塊，完成監(jiān)控快照的組幀后，將監(jiān)控快照通過通信模塊發(fā)送到監(jiān)控平臺，完成信息的監(jiān)測。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控地代理中的快照管理模塊包含了信息壓縮功能單元和加密處理單元。其中信息壓縮單元采用LZO壓縮算法對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。該算法占用內(nèi)存空間較少，對于小數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)壓縮速度較快，代碼量也較少，十分的靈活方便。加密處理單元，則對壓縮后的數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一的安全加密算法進(jìn)行加密。加密完成后，則將相應(yīng)信息添加時(shí)間戳和幀序列號，組成監(jiān)控快照。通過通信模塊將相應(yīng)信息發(fā)送到監(jiān)控平臺。

現(xiàn)有電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)中的代理，包含了兩大類監(jiān)控代理，一類是充換電站監(jiān)控代理，用于完成充電電站中監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)控和轉(zhuǎn)發(fā)；另一類是電動(dòng)汽車監(jiān)控代理，用于完成電動(dòng)汽車狀態(tài)信息的監(jiān)控。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 電動(dòng)汽車監(jiān)控平臺

電動(dòng)汽車監(jiān)控平臺主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、前置通信服務(wù)器以及監(jiān)控工作站組成，完成數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、圖形化數(shù)據(jù)展示以及遠(yuǎn)程命令控制等功能。監(jiān)控平臺的軟件結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)平臺層、公共服務(wù)層、應(yīng)用層3層，如圖3所示。為了適應(yīng)不同地區(qū)、不同用戶的需求，監(jiān)控平臺兼容Linux，Unix和Windows等多種主流操作系統(tǒng)，支持跨平臺和混合平臺操作。系統(tǒng)平臺層為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫訪問服務(wù)和通用的網(wǎng)絡(luò)通信支撐平臺，通信平臺基于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議TCP/IP，以提高網(wǎng)絡(luò)通信及異種操作系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)交換的可靠性。

公共服務(wù)層在系統(tǒng)平臺層的基礎(chǔ)上把各類應(yīng)用共同需求抽象出來，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的CORBA組件接口和CIM數(shù)據(jù)通信模型，實(shí)現(xiàn)了GIS組件、系統(tǒng)管理組件、權(quán)限管理組件、報(bào)表組件、數(shù)據(jù)庫組件、通信組件、監(jiān)控組件和圖形組件等。這提高了代碼的復(fù)用性，為公用服務(wù)的開發(fā)維護(hù)提供便利。

圖3 軟件體系結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用層是通過公共服務(wù)層提供的各類功能組件搭建出不同應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)充電監(jiān)控、換電監(jiān)控、車輛監(jiān)控、電池監(jiān)控、身份識別、遠(yuǎn)程控制、故障告警和GIS監(jiān)控等功能應(yīng)用。將各子功能在統(tǒng)一的平臺上有機(jī)整合，協(xié)同一致的為電動(dòng)汽車的監(jiān)控管理目標(biāo)服務(wù)。

4.2 充換電站監(jiān)控

如圖4所示，充換電站監(jiān)控包含了監(jiān)控管理層、通行層和數(shù)據(jù)采集層三個(gè)層次，其中監(jiān)控管理層包含了站級監(jiān)控平臺和監(jiān)控代理。站級監(jiān)控平臺通過通信層對充換電站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，并將監(jiān)控的數(shù)據(jù)通過監(jiān)控代理發(fā)送監(jiān)控平臺。通信層包含了充換電站的無線通信、以太網(wǎng)通信、串口通信和移動(dòng)通信等多種通信方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)。數(shù)據(jù)采集層則對充電樁、換電設(shè)備、BMS、配電設(shè)備、計(jì)量電表、離散樁、充電機(jī)、錄像機(jī)和安防設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和上傳。

圖4 充換電站監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

4.3 電動(dòng)汽車監(jiān)控

如圖5所示，電動(dòng)汽車的車輛狀態(tài)監(jiān)控通過車載終端來完成的。車載終端主要實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、處理、監(jiān)控展示以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的上傳操作。車載終端通過CAN總線與電動(dòng)汽車內(nèi)的各個(gè)功能部件通信，讀取車輛內(nèi)的電動(dòng)汽車電池狀態(tài)數(shù)據(jù)、行駛里程、GPS位置等信息。監(jiān)控代理通過CAN總線讀取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并通過通信模塊將車輛數(shù)據(jù)發(fā)送到充換電站監(jiān)控和監(jiān)控平臺中。

圖5 電動(dòng)汽車監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

車載終端的結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的采集、處理、上送以及控制執(zhí)行等功能[12,13]。如圖3所示，主要由主控板、供電模塊、CAN總線控制器、GPRS模塊、GPS定位接收器、顯示器、鍵盤、指示燈等構(gòu)成。主控板是整個(gè)設(shè)備的核心部分，采用支持ARM系列處理器，支持多種主流嵌入式操作系統(tǒng)，具有很好的兼容性。為滿足車載終端的實(shí)時(shí)性要求，車載終端采用開源的RTLinux操作系統(tǒng)作為車載終端的系統(tǒng)平臺，對系統(tǒng)資源進(jìn)行管理和調(diào)度。供電模塊使用車載直流電源（12V或者24V蓄電池）作為輸入電源，為車載終端中的各個(gè)電壓等級的芯片提供電源。CAN總線控制器通過SPI（串行設(shè)備外圍接口）與主控板相連，外接到CAN總線上，與CAN總線上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。

圖6 車載終端結(jié)構(gòu)圖

GPS選用的型號是GPS3110，該模塊價(jià)格低廉，模塊功率較小，通過RS232串口與主控板相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。車載控終端中的GPRS模塊選用的型號是ZSD3100，該型無線通信模塊支持GPRS和CDMA兩種移動(dòng)通信方式，具有較好的靈活性，并且價(jià)格低廉，性價(jià)比較高。GPRS模塊通過RS232串口與主控板相連，進(jìn)行通信。Zigbee模塊型號SZ02-RS232，通過RS232串口與主控板相連。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用mini-SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，通過SDIO（安全數(shù)字輸入輸出接口）或者USB（通用串行總線）接口與主控板相連，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

4.4 通信方式

通信層主要由數(shù)據(jù)通信管理機(jī)，數(shù)據(jù)集中器等組成，主要完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與控制命令的下發(fā)。本系統(tǒng)包含三種基本通信組網(wǎng)方式：1）車載終端與充換電站通過Zigbee無線通信和GPRS通信將電動(dòng)汽車中采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到充換電站中；2）通過GPRS移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車載終端與監(jiān)控平臺之間的直接通信，對電動(dòng)汽車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；3）充換電站監(jiān)控通過GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)與監(jiān)控平臺進(jìn)行通信，將充換電站中監(jiān)控和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳集中器，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳集中器將數(shù)據(jù)推送到監(jiān)控平臺。這三種通信組網(wǎng)方式以充換電站監(jiān)控監(jiān)控代理和電動(dòng)汽車監(jiān)控代理為核心，相互配合，完成對電動(dòng)汽車的監(jiān)控。

此外為降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)資費(fèi)，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃?，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行傳輸優(yōu)先級劃分，將溫度、車輛速度、車輛地理位置、關(guān)鍵報(bào)警信息等重要性較高的數(shù)據(jù)作為一級數(shù)據(jù)，通過GPRS每10秒上送監(jiān)控管理系統(tǒng)一次。其他車輛動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行狀況、動(dòng)力電池運(yùn)行統(tǒng)計(jì)信息作為二級數(shù)據(jù)，每分鐘上送監(jiān)控平臺一次。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

在該系統(tǒng)中，工作人員可以通過GIS地圖對電動(dòng)汽車的運(yùn)行車輛進(jìn)行監(jiān)控，查看當(dāng)前運(yùn)行車輛的位置、故障報(bào)警信息和運(yùn)營車輛的類型等信息。在車輛監(jiān)控中，對車輛的行駛里程、速度、位置等信息進(jìn)行監(jiān)控。用戶可以通過頁面按鈕對電動(dòng)汽車進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作。在用戶信息模塊中對車輛的用戶姓名、手機(jī)號碼、車牌號碼、車輛類型等進(jìn)行管理。工作人員還可以通過GIS監(jiān)控模塊中的車輛基本信息和電池信息監(jiān)控畫面監(jiān)視充換電站中動(dòng)力電池的輸出電壓、電流、電量，以及各個(gè)單體電池的電壓、溫度信息。對充換電站中的充電樁、充電機(jī)和換電設(shè)備進(jìn)行有效監(jiān)控。

該系統(tǒng)在臨沂焦莊進(jìn)行了一年的運(yùn)行測試，測試結(jié)果與設(shè)計(jì)相符并且性能穩(wěn)定。目前該系統(tǒng)已在臨沂和濟(jì)南等地推廣，實(shí)現(xiàn)了對145輛電動(dòng)公共汽車，28輛家用電動(dòng)汽車的運(yùn)行監(jiān)控，擔(dān)負(fù)電動(dòng)汽車的自動(dòng)化監(jiān)控和管理任務(wù)。該系統(tǒng)提高了電動(dòng)汽車運(yùn)營維護(hù)的工作效率和工作質(zhì)量，節(jié)約了人力資源成本，為電動(dòng)汽車的生產(chǎn)管理工作帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

該系統(tǒng)采集和存儲(chǔ)電動(dòng)汽車的運(yùn)行參數(shù)，對電動(dòng)汽車的運(yùn)行進(jìn)行有效的監(jiān)控。為全面考核和分析現(xiàn)有電動(dòng)汽車的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和整車可靠性，進(jìn)一步完善電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理提供支持。此外該系統(tǒng)對電動(dòng)汽車對運(yùn)營基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，開展電動(dòng)汽車運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性運(yùn)營分析，可以為后續(xù)出臺電動(dòng)汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)做數(shù)據(jù)支撐。電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)存在著海量數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，可根據(jù)用戶需求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)提煉，為進(jìn)一步的研究，如電動(dòng)汽車負(fù)荷預(yù)測、充電站布點(diǎn)規(guī)劃等提供數(shù)據(jù)支撐。

6 結(jié)束語

如何以相對較低成本提高電動(dòng)汽車運(yùn)行的安全性和可靠性，是目前電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)全面推廣和發(fā)展面臨的一個(gè)關(guān)鍵性問題。本文從電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)，大量應(yīng)用框架和設(shè)計(jì)模式，采用本地監(jiān)控代理與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺相結(jié)合的監(jiān)控方法，應(yīng)用GPRS與Zigbee相結(jié)合的通信組網(wǎng)方式對電動(dòng)汽車進(jìn)行監(jiān)控，并對通信信息進(jìn)行壓縮和加密，提高電動(dòng)汽車運(yùn)行的安全性和可靠性。在設(shè)計(jì)過程中，參考電力監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線及發(fā)展趨勢，應(yīng)用框架和設(shè)計(jì)模式的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，降低系統(tǒng)的開發(fā)維護(hù)成本。對于系統(tǒng)大量應(yīng)用的分層設(shè)計(jì)，采用本地代理和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺相結(jié)合方法，優(yōu)化分層設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的整體的性能和可靠性。

本文研究成果已在臨沂市和濟(jì)南市等地的電動(dòng)汽車監(jiān)控中得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過工程實(shí)踐的不斷完善，系統(tǒng)得以不斷擴(kuò)展、優(yōu)化，順利實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)汽車的監(jiān)控，有效保障電動(dòng)汽車的安全、高效運(yùn)行，得到用戶的檢驗(yàn)、認(rèn)可。現(xiàn)場的運(yùn)行情況表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、可行。

[1]張文亮,武斌,李武峰,等.我國純電動(dòng)汽車的發(fā)展方向及能源供給模式的探討[J].電網(wǎng)技術(shù),2009(4):1-5.

[2]趙明宇,王剛,汪映輝,等.電動(dòng)汽車充電設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011,35(10):65-69.

[3]Allen F.Hybrid vehicles and the future of personal transportation[G].CRC Press,2008:10-13.

[4]楊華,孫振東,劉玉光.純電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)研究[J].上海汽車,2007(9):3-5.

[5]中華人民共和國工業(yè)和信息化部.新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理規(guī)則[Z].2009-7-1.

[6]嚴(yán)輝,李庚銀,趙磊,等.電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù),2009(12):15-19.

[7]李濤,吳俊陽,周鈺.電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2012(6):97-101.

[8]莊繼暉,謝輝,嚴(yán)英.基于GPRS的電動(dòng)汽車道路行駛工況自學(xué)習(xí)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2010,43(42):16-17.

[9]王松宏,李德華.純電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及故障診斷方法研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2005(06):184-186.

[10]王曉波,樊紀(jì)元.電力調(diào)度中心統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺的設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2006(22):89-92.

[11]王康元,黃武浩,劉宇,等.設(shè)計(jì)模式在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2003(13):50-53.

[12]何昭,李傳湘,崔巍.基于面向?qū)ο罂蚣艿能浖_發(fā)方法[J].計(jì)算機(jī)工程,2002(4):50-53.

[13]Grant L.Component Based Enterprise Framework[J].Communication of the ACM,2000:43(10).

[14]劉邏.軟件可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用研究[D].長春:中國科學(xué)院,2013.1.

[15]孫宏斌,吳文傳,張伯明,等.IEC61970標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展在調(diào)度控制中心集成化中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2005(16):21-25.

[16]崔巍,史永,孫兵.基于IEC61970/61968電網(wǎng)模型構(gòu)建和整合[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2011(17):60-63.

[17]劉瑜,王立副,張世琨.軟件開發(fā)過程研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2004(2):26-28.

[18]童立,馬遠(yuǎn)良.設(shè)計(jì)模式在基于組件的框架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2004(2):26-28.

[19]潘惠芳,周興社,於志文.CORBA構(gòu)件模型綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2005(5):14-15.

[20]粱竹靚,石超.基于CORBA 技術(shù)的分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2008(17):67-70.

[21]路娟,師衛(wèi).基于ZigBee與GPRS網(wǎng)絡(luò)的電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2012(5):5-6.

[22]李聯(lián)輝.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的汽車智能測試系統(tǒng)的研究[D].河南科技大學(xué),2010.

[23]周家樂.基于ZigBee技術(shù)的電動(dòng)汽車鋰電池組管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].東華大學(xué),2011.

[24]嚴(yán)輝,趙彥強(qiáng),丁剛.基于無線網(wǎng)絡(luò)的空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2007(4):27-28.

[25]李玉爽,劉東明,朱愛玲.基于LZO算法的嵌入式高速無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù),2011,34(7):67-70.