基于WebGIS的分布式電動汽車充電樁運營管理系統設計與實現

胡勇，劉奇峰

(深圳市金宏威技術股份公司，廣東省深圳市518057)

基于WebGIS的分布式電動汽車充電樁運營管理系統設計與實現

胡勇，劉奇峰

(深圳市金宏威技術股份公司，廣東省深圳市518057)

為了對分布式電動汽車充電樁進行有效運營管理，根據電動汽車充電設施特點和用戶需求，提出分布式電動汽車充電樁運營管理模式。結合當前通信技術、數據采集技術、GIS技術、Web技術，提出了電動汽車充電樁運營管理系統建設方案。運營管理系統包括數據采集系統、發卡充值系統、網絡地理信息系統(Web geographic information system，WebGIS)。介紹了運營管理系統應用情況和未來發展方向。

電動汽車;運營管理系統;網絡地理信息系統(WebGIS);充電樁;發卡終端

0 引言

電動汽車全部(或部分)以電代油，具有“零排放”和明顯降低交通噪聲等優點，是解決交通環境污染和節能減排問題，緩解石油危機的有效手段之一。近年來，隨著動力電池技術的發展，電動汽車在性能和經濟性方面已經接近甚至優于傳統燃油汽車，并開始在世界范圍內逐漸推廣應用［1-2］。目前，電動汽車在北美、歐洲地區及日本等發達國家已初步形成規模市場。在《節能與新能源汽車產業發展規劃(2011—2020年)》中，我國提出到2020年電動汽車(包括插電式混合動力汽車、純電動汽車、氫燃料電池汽車等)保有量應達到500萬輛的發展規劃。

電動汽車能源供給設施是電動汽車產業鏈中的重要環節，其建設模式與電動汽車的發展密切相關。電動汽車能源供給設施主要包括交流充電樁、充電站、電池更換站3種類型［3］。國家電網公司等能源供給企業和相關科研機構在電動汽車能源供給設施關鍵技術研究、標準體系制定、示范工程建設、運行服務模式探索等方面已取得了一批成果。

隨著電動汽車廣泛應用，其充電設備技術必然伴隨著發展。由于電動汽車能源基礎服務設施的構成設備數量多、地點分散，地理信息系統(geographic information system，GIS)能把所有與空間地理位置有關的信息收集起來，建成多源空間信息數據庫，綜合分析利用，獲取有價值的信息，通過地圖和表格生動直觀地表達出來，供用戶有效地管理這些信息，更有效地做出決策。隨著Internet的快速發展，GIS技術與計算機網絡技術相結合產生了網絡地理信息系統(Web geographic information system，WebGIS)，使得空間信息及其服務能夠在分布式計算機網絡環境中部署，極大地提升了GIS的應用服務水平［4］。

文獻［5-9］介紹了電動汽車充電站監控系統的設計與運營管理，但對于分布式充電樁運營與管理系統建設方面研究和應用仍然很少。隨著電動汽車的推廣應用和大量的電動汽車充電站/充電樁的建設，如何保障電動汽車供電基礎服務設施，對分布式充電樁進行有效的運營管理成為一個亟待解決的問題。本文分析分布式充電樁運營管理特點，論述利用先進的通信技術、數據采集技術、Web和GIS技術，對電動汽車充電樁的運營和管理自動化系統進行設計和應用。該系統可降低工作人員的勞動強度，提高電動汽車充電樁運營和管理水平。

1 電動汽車充電樁運營特點

1.1 充電設施建設模式

目前，國內已建成或在建的充換電設施主要有充電站和充電樁。在充電站中，一般配有多個快速充電插頭和少數慢速充電樁。一些城市計劃在住宅小區、停車場和超市等公共場所建設充電樁。

電動汽車充電站是不可缺少的電動汽車能源服務基礎設施，其電能供給主要有交流、直流充電和電池組快速更換等典型方式。電動汽車用戶通過充電站內交流、直流充電樁直接為汽車充電，即時消費電力產品并通過現場付費的模式支付費用，完成交易。但充電站占地面積大、管理成本高，無法支撐大規模的家用電動汽車充電，較適合為數量較少的公共交通工具提供充電服務。

為滿足大規模的家用電動汽車用戶即時、方便地充電需求，采用分布式充電樁充電模式是最佳選擇。在住宅小區或商業大廈的專用停車場安裝一定數量的智能充電樁和少量的智能地面充電機，充電樁提供220 V或380 V交流電源接口，為電動汽車提供應急充電服務。且充電樁占地面積很少，建設成本較低，適合于大規模的家用電動汽車充電。

1.2 運營管理系統功能需求

充電樁、充電站是以點為基本特征的充電設施構成一個電動汽車充電網絡。充電樁數量較多，且地理位置分散，多數充電樁直接安裝在室外，長期處于濕度大、灰塵大、溫差大等環境下，及時掌控其運行狀態是保證設備穩定可靠運行的基礎。

分布式充電樁運營維護管理涉及到對分散于市區內充電設施的資產管理、充電樁充電監視及相關參數的設置管理、電動汽車用戶卡的發放、充值、解鎖等。分布式充電樁運營管理系統的功能主要包括以下方面。

(1)遠方監視功能，結合充電樁地理位置監視其狀態信息、報警信息以及充電監視;

(2)遠方控制功能，實現對充電樁保護定值以及交易費率等參數設置控制;

(3)計費管理功能，記錄充電計費信息，并提供數據分析統計功能;

(4)資產管理功能，實現對充電設施全生命周期管理，提供其相關信息查詢以及利用率分析功能;

(5)分布式管理功能，對管理權限設置，通過系統與互聯網技術緊密結合，實現城市片區集中管理功能;

(6)用戶卡管理功能，能滿足在市內不同片區建立充值卡營銷網點，實現電動汽車用戶多點發卡與充值功能。

1.3 運營管理系統總體結構

根據上述功能需求，分布式充電樁運營管理系統由3個子系統構成，包括數據采集系統、發卡充值系統、WebGIS系統。管理中心(內網)與互聯網(外網)通過安全防護相連，外網程序通過訪問Web服務器的接口與內網進行數據交互。通過系統共享數據，管理中心可以統一管理，也可以給相關管理人員指定不同區域管理權限，通過互聯網實現分布式管理。發卡充值系統可分布在城市各網點。分布式充電樁運營管理系統結構如圖1所示。

通過運營管理系統實現電動汽車用戶、充電設施以及運營維護人員有機協調，才能保證電動汽車用戶可靠供電，提高充電設備利用率和管理人員的工作效率。

2 運營管理系統架構設計

2.1 通信架構

充電樁分布廣，且沒有專門通信通道，有效管理既要保證所有充電設備信息上傳，又要降低通信成本，因此需要充分考慮通信方式。充電樁上行通信信道支持GPRS/CDMA，并具有串口或以太網接口［10］，布置于小區、公用停車場內的充電樁相對集中，可采用數據匯集器實現充電樁信息匯集上傳。充電樁信息通過CAN/RS485/232通信接口與數據匯集裝置通信，也可以考慮采用電力載波方式實現信息匯集，數據匯集裝置通過已有網絡或以GPRS/CDMA專網方式與管理中心通信;對于街道沿線分散的單個充電樁直接采用GPRS/CDMA專網方式與管理中心通信;已建監控系統的充電站內充電樁信息可直接通過專網與管理中心信息交互［9］。充電樁運營管理系統通信組網方式如圖2所示。

2.2 軟件結構

電動汽車充電樁運營管理系統軟件宜采用3層結構，包括系統平臺層、支撐服務層、業務應用層。縱向業務應用與相應支撐服務相關聯，橫向不同的服務通過數據庫松耦合，添加新的服務功能不涉及系統結構也不影響已有的業務，方便系統應用功能的擴充。運營管理系統軟件結構如圖3所示。

(1)系統平臺層。為適應不同用戶的要求，系統的開發需兼容多種主流操作系統(Windows/UNIX/ Linux)支持跨平臺和混合平臺操作。

(2)支撐服務層。支撐服務層為增強系統的開放性和可擴展性，建立統一規范的底層交互平臺，實現服務層與應用層的分離。提供統一的數據傳輸接口、數據庫訪問接口以及控制命令接口等，使上層的應用層開發可以專注于業務功能的實現，無須關心底層服務的實現。

(3)業務應用層。業務應用層建立在支撐服務層之上，通過服務功能模塊搭建出不同的應用系統基礎，實現實時狀態監視、圖形化展示、控制交互操作、業務數據記錄查詢、統計分析、報表曲線等多種功能。此外，提供嚴格的用戶管理和授權管理，保證系統數據的安全性。

3 運營管理系統實現

3.1 軟件結構實現

系統的軟件結構是基于易擴展、松耦合機制實現的。參考當前充電監控系統［5-9］與電力監控系統的技術實現路線［10］及發展趨勢，采用平臺化、模塊化、組件化設計思想。系統選用C/C++語言底層開發，進行模塊化設計，將系統功能開發分解為多個組件的開發。組件是構成系統最小功能單位，在運行時期重新裝配，創建出組件的克隆，共同創建一個應用程序。系統服務模塊或程序間采用軟總線(Softbus)技術信息交互，通過基于SOA的訂閱、發布的方式進行功能模塊間信息交互。不同服務模塊訂閱需要信息，完成特定的功能后把結果發布到總線上。在圖形系統方面，采用了QT作為底層圖形庫。QT不僅使代碼的編制實現了統一，而且運行界面風格不再受操作系統和圖形環境的限制，在所有的平臺上具有統一的風格。運營管理系統邏輯結構如圖4所示。

完成系統平臺化、模塊化、組件化設計，首先要開發系列跨平臺的組件，如系統提供統一的數據庫接口的數據庫訪問組件，其他模塊訪問數據時無須關注具體的訪問實現，直接調用組件可訪問各種類型的數據庫數據;事件通道組件用來注冊、訂閱所需要的事件，實現事件更新功能;軟總線組件實現各個程序、功能模塊間的數據通信;應用組件包括實現圖形處理、報表曲線、事件報警、數據查詢、權限管理等多個組件。在此組件基礎上整合業務應用，構筑不同業務監控人機操作界面。

由通道組件、軟總線組件及規約組件等組成通信服務功能模塊，進行與實際通道相應的通道的建立、打開關閉、數據通信、規約解析、數據預處理并發送至數據采集服務功能模塊。

3.2 數據采集系統實現

分布于市區各地的充電樁具備計量及監測功能，讀取充電樁運行數據并保存到數據庫，是系統的基礎。數據采集系統通過通信網絡獲取各充電樁計量信息、狀態信息及報警事件信息等，也可實現對充電樁的參數遠程設定，從而做到主動安全、主動管理、主動控制，是運營管理系統核心。

(1)數據采集處理。充電樁通常安裝在室外，電磁干擾較大，環境較為惡劣，主要采用GPRS/CDMA通信方式，數據上傳難免會出現短時間內通信中斷或延時。通信正常時，充電樁會主動上送數據，采集服務會產生相應事件存到臨時事件表，并立即發送給各監視客戶端，但并不能保證此前無記錄缺失。充電樁技術規范規定，充電樁可保存10 000條充電記錄數據，關鍵事件的存儲不少于100條，安全存儲周期至少達7天［11］。因此，為保證所有充電樁記錄上傳，利用充電樁內保存充電記錄的流水號連續性，采集服務程序設計中采取啟動召喚、定時召喚策略，可確保所有充電記錄均已錄入系統數據庫。數據采集處理流程如圖5所示。

(2)遠方參數設置處理。為確保充電樁易于運營維護及統一管理，深圳市市場監督管理局制定了充電樁技術規范［12］，充電樁支持本地或遠方費率設置和保護定值設置，其中費率設置包括當前費率單價設置、備用費率單價、備用費率單價切換時間，定值設置包括過壓過流保護等定值以及延時時間、提示余額低金額、充電最小電流閥值參數等。對遠方充電樁參數設定過程主要涉及到維護人員、工作界面、通信網絡及遠方設備，充分考慮了系統安全性，系統程序由人機界面、控制服務、通信服務等模塊協同處理。遠方參數設置程序處理流程如圖6所示。

3.3 發卡充值系統實現

發卡充值是分布式充電樁運營管理系統工作任務的一個重要組成部分。發卡充值直接面對用戶，集中用戶到同一地點發卡充值不利于用戶，因而利用互聯網特性，采用B/S結構設計，共享管理中心數據庫，在市區各地設置充值網點，安裝發卡終端和發卡充值應用程序。

充電樁發卡系統主要向用戶提供了新卡發放、已發卡管理的功能。新卡發放即是對一張空白卡的初始化過程;已發卡管理包括卡片的充值、解鎖、余額以及充值次數的查詢等功能，解鎖是針對充電樁出故障導致卡片灰鎖的恢復處理。發卡充值程序設計流程如圖7所示。

3.4 WebGIS系統實現

目前，通用的GIS系統在市面上已有成熟的支撐平臺，如ArcGIS、MapInfo等，在電力企業有著廣泛應用［13］。對平臺的選擇可根據系統的功能需求特點及支撐平臺的性能價格比等因素，結合實際情況進行選擇，本系統采用ArcGIS平臺進行設計。

分布式充電樁只有在地理圖形建立了模型，才能夠完整準確地描述充電設施，管理系統與GIS平臺之間通過數據庫關聯，集成Web和GIS功能，從而實現有效的管理，其功能層結構如圖8所示。WebGIS系統采用Java技術開發，提高了擴展性和兼容性。

GIS服務提供數據服務和功能服務，其中，數據服務通過服務接口向外提供空間數據，功能服務通過接口向外提供對空間數據的操作和處理功能。Web服務通過應用程序對業務數據處理，提供可以對外的數據服務接口，對用戶提供數據發布、瀏覽、查詢、計算等功能。

GIS服務功能通過Web技術發布WebGIS擴展接口，使Web系統可以整合GIS功能，Internet用戶可以通過網頁查看充電樁的地理位置、充電狀態、計費信息、業務處理軟件分析計算結果和存儲空間數據等;瀏覽WebGIS站點中的空間數據以及進行各種空間數據檢索和空間分析，實現空間數據的增值。

WebGIS定位顯示流程如圖9所示。首先由用戶通過頁面導航樹選擇關注的充電樁，瀏覽器分別向Web Server和WebGIS Server發送定位顯示和地圖請求，由Web Server根據請求返回充電樁定位數據(如經緯度、圖標、狀態等信息)，由WebGIS Server根據請求返回地圖圖形數據，瀏覽器根據返回數據，調用ArcGIS API創建充電樁GIS對象，并使該對象顯示在地圖上。

WebGIS查找功能流程如圖10所示。首先由用戶輸入要查找的關鍵字，瀏覽器調用ArcGIS API向WebGIS Server發送查找請求，WebGIS Server根據請求的關鍵字查找匹配GIS信息，返回查找結果并在瀏覽器通過列表或地圖顯示。

4 運營管理系統應用情況

目前電動汽車充電樁運營管理系統已在多個城市試運行，根據市、區、商業中心或居民小區建立一個樹形結構管理模型，對市內所有充電樁進行管理。

運營管理系統實現了對市區所有充電樁的監視，并提供充電樁遠方參數批量設置、發卡充值、計費管理以及相關數據的查詢和統計分析等功能;地理信息有效地輔助和增強了充電設施管理，為充電樁的運營、維護管理部門提供了處理信息的協同作業平臺，在可視化、直觀化的環境下提高了設備管理工作的效率。

除上述功能，運營管理系統還提供了對片區充電樁的充電量、充電次數、充電時域等數據進行綜合分析的高級應用功能，在地圖上動態地顯示區域充電設備占有率以及使用率等信息;并可發揮GIS功能進行充電樁、充電站的選址分析;當市場發生變化時，利用GIS功能還可以制定出最佳的應對措施和資產配置方案。該系統能及時高效地調整調度，科學控制和利用資源，保證了充電樁的可靠性、可用性和擴展性，為電動汽車充電提供更好的服務。

5 結語

電動汽車是未來新能源汽車的主要發展方向，而充電體系的建立是其發展的前提和基礎。構建基于WebGIS統一信息管理平臺，能夠適應電動汽車用電對移動性和多樣性的要求，有利于充電網絡建設統一規劃，促進充電服務產業規范有序發展;有利于發揮規模效益，降低系統運營維護成本。隨著充換電服務網絡建設逐步開展，最終形成區域內電動汽車充電業務及功能的互聯互通，實現電動汽車充電樁統一化管理。

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(編輯:盧文艷)

Design and implementation of Operation Management System for Distributed EV Charging Pile Based on WebGIS

HU Yong，LIU Qifeng
(1.Shenzhen Golden Highway Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518057，Guangdong Province，China)

In order to realize the effective operation management of distributed electric vehicle＇s(EV)charging pile，according to the characteristics of EV charging facility and the requirement of users，the operation management mode of distributed EV charging pile was put forward.In combination with the current communication technology，data acquisition technology，GIS technology and Web technology，this paper proposed the construction scheme for the operation management system of EV charging pile，which included data acquisition system，card management system and web geographic information system.Finally，the application situation and future development direction of operation management system were introduced.

electric vehicle(EV);operation management system;Web geographic information system(WebGIS); charging pile;card issuing terminal

TM 910.6

A

1000－7229(2014)01－0098－06

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.019［HT］

2013-07-12

2013-10-15

胡勇(1968)，男，碩士，高級工程師，從事電力系統保護及調度自動化、新能源研究工作，E-mail:wilard@21cn.com;

劉奇峰(1980)，女，工程師，主要研究方向為電力系統通信、新能源。