基于可靠性的電動汽車監控系統設計與實現

張明江，袁 弘，王濱海，李建祥

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

(1.國網山東省電力公司 電力科學研究院，濟南 250002；2.山東魯能智能技術有限公司，濟南 250101)

0 引言

電動汽車采用電力作為動力，能夠有效降低二氧化碳的排放量，具有清潔、環保的優點，日漸受到人們的認可。同時，隨著石油價格的不斷上漲，電動汽車的成本優勢也日漸明顯，在人們的日常生活中的應用也越來越廣泛[1]。發展電動汽車是中國的重要產業政策，是實施可持續發展和新能源戰略的戰略決策[2]。

目前，國內的電動汽車正處于示范運行和考核階段，在該階段需要采集和存儲電動汽車的運行參數，尤其是動力蓄電池的運行參數，對電動汽車的運行進行有效的監控[3]。為全面考核和分析現有電動汽車的技術經濟性和整車可靠性，進一步完善電動汽車的設計和運營管理提供支持，需要通過現代化的技術手段和管理方法對電動汽車進行統一監控，實現電動汽車的安全和可靠運行[4,5]。我國頒布的《新能源汽車生產企業及產品準入管理規則》明確規定對處于起步期和發展期的新能源汽車進行實時監控，對新能源汽車質量進行跟蹤[5]。電動汽車監控系統的研究不僅使汽車生產企業具有生產新能源汽車的準入資格，而且對車輛的管理和維護具有指導意義。

電動汽車充換電設施所處環境復雜多樣，電磁干擾嚴重，嚴重影響了系統的可靠性和穩定性[2]；監控系統中設備較多，設備之間的通信方式多樣，包括串口、CAN總線、無線和以太網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可靠性，這都要求系統具有良好的可靠性。電動汽車移動范圍廣、流動性大和分散程度高，無線通信信號覆蓋范圍和信號強度難以保證電動車監控的可靠性和實時性。

電動汽車監控系統涉及充電、換電、配電和安防等多個異構子系統和設備，設備多樣復雜，設備廠家不盡相同，技術參數和指標難以一致[2,6]。這些子系統和設備的計算平臺、數據庫、操作系統、通信協議和信息輸入輸出接口等都不相同[6,7]。電動汽車監控系統需要異構環境中進行信息的共享、互聯和互操作。這使得電動汽車監控系統規模龐大，結構復雜，性能要求高，系統可靠性和安全性的實現受到相當大的挑戰。為了實現對電動汽車的可靠和安全監控，趙明宇等[2]、李濤等[7]通過分析電動汽車監控系統特點，采用數據采集-通信-站控的分層設計，較好的實現了異構環境下電動汽車的在站級的運行監控。但是該系統沒有解決了異構充換電站監控數據的整合，沒有實現電動汽車運行的集中監控。系統采用分層設計，系統的層與層之間的交互的可靠性對于整個系統可靠性影響很大，層級之間的級聯修改和故障，極大的影響了系統的整體可靠性和可維護性。嚴輝[6]等人基于電動汽車充換電站建設的三種典型模式，采用統一支撐平臺的方式，較好的完成了對各個不同運行模式下的電動汽車充換電站的監控。但是系統沒有給出電動汽車集中監控平臺的功能需求和系統結構。系統的可靠性過多依賴于統一支撐平臺的可靠性，系統的可擴展性受到很大限制。莊繼暉等[8]、王松宏等[9]采用無線通信方式對電動汽車進行監控，系統缺乏對電動汽車充換電站的站級監控，無法實現充換電站與電動汽車信息的交互和融合，系統的可靠性依賴于無線通信的可靠性。

為了解決上述問題，本文分析了現有的電動汽車運營特點，通過系統需求分析確定監控系統的功能要求，參考當前電力監控系統的設計思想，在設計系統設計和開發中大量應用框架和設計模式[10,11]，采用本地代理和遠程監控平臺相結合的分層設計方法，設計和開發了基于可靠性的電動汽車監控系統。

1 電動汽車監控系統框架

1.1 監控系統框架

軟件框架可以為用戶提供一個具有基礎功能和良好設計和代碼復用性一組的相互協作的類[12]。通過對框架的定制可產生滿足客戶具體需求的應用，可以對系統中較為通用的行業基礎功能進行實現，具有良好的復用特性，能很好的提高系統的整體的可靠性和健壯性。框架應用軟件框架進行系統實現也是現在較為普遍的提高系統可靠性的手段[13,14]。框架的內容定義了電動汽車監控系統軟件的總體架構和關鍵設計。

完全重新設計和開發一個框架需要耗費大量的人力和物力，成本相當高昂。為此，通過分析電動汽車監控的異構環境中信息交互、共享和互操作的基本特征，在系統的設計中參照了IEC61970中的CIM（通用信息交互模型）模型[15]。CIM模型給出了統一的數據交換方法和標準化的組件接口，各個應用程序無需知道別的應用程式的內部結構和環境，就可以訪問公共數據和交換信息，可有效實現異構環境信息的交互、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，具有系統和編程語言的無關性，具有良好的通用性和可擴展性[15,16]。通過組件可實現系統的組件的可插拔，提高組件的復用特性。電動汽車監控系統中的新的應用軟件，可遵循通用信息模型和組件接口描述實現對外接口，減少不同數據模式的轉換。系統中老的應用，則通過對老應用進行封裝，建立與CIM的映射關系，遵循組件接口描述規范，統一外部接口。

組件執行系統則根據電動汽車監控的特點，支持電動汽車監控組件之間的互操作，這對系統的可擴展性具有較大的意義[17,18]。電動汽車監控中涉及到大量的異構環境下的分布式組件之間的信息交互，需要實現系統中跨平臺的信息請求和響應。CORBA(公共對象請求代理體系結構)技術可提供異構網絡中跨平臺和操作系統進行交互操作的一種組件框架，能夠較好的滿足電動汽車監控系統中大量的異構網絡中跨平臺和操作系統的異構環境的交互需求[19]。

基于CIM模型和CORBA框架的設計思想，將系統從電動汽車監控框架設計為CORBA支撐平臺、CORBA數據接口、CIM數據模型、應用組件、高級應用5個大的要素，其結構如圖1所示。

圖1 系統框架結構圖

其中，C O R B A 支撐平臺構建在已有的CORBA組件技術基礎之上，支持通用的公共信息模型，通過公共信息信息模型實現數據的接入和交互。CORBA數據接口支持統一的組件接口規范，規定了數據模型中數據模型和訪問方法。CIM數據模型，統一定義了公共信息的模型，描述電動汽車監控的數據對象的邏輯結構和關系模型。應用組件則包含電動汽車監控中的基本的監控功能組件包括，報表組件、圖形組件、監控組件、通信組件、系統管理組件、權限管理組件和數據庫7個公用應用組件。高級應用通過COBRA平臺訪問應用組件，實現相應的高級應用功能，如充換電設施的電能狀態分析、電動汽車運營狀態分析、電動汽車運行狀態監控等功能。

1.2 監控系統框架中設計模式的應用

在系統的設計和開發中，大量應用設計模式，可有效提高系統研發效率和可靠性，降低系統的開發成本[11]。設計模式是軟件的設計和開發中設計經驗的總結和提煉。使用設計模式可重用代碼，讓代碼更容易理解和閱讀，保證代碼的可靠性，也是提高系統的可靠性的重要手段之一[14]。

在電動汽車監控系統中，根據組件發出的信息，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鍵。以前的組件通信適配模式，是通過輪詢的方式實現通信組件匹配。該種方式效率低下，通信的速度和實時性受到較大的限制。應用觀察者設計模式建立一種組件之間的通知依賴關系，一個對象（目標對象）的狀態發生改變，所有的依賴對象（觀察者對象）都將得到通知。命令模式把一個請求或者操作封裝到一個對象中。命令模式允許系統使用不同的請求把客戶端參數化，支持事務功能。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。適配器模式可應用于組件適配器模式的實現當中。其他的訪問者模式、工廠模式、責任鏈模式和裝飾模式等均可廣泛應用系統的設計和開發中，提高系統設計和開發效率，改善系統的可靠性，降低研發和維護成本。

2 系統方案

2.1 通信方式

遠程監控系統的本質差異是由所采用的通信方式決定的，其可靠性和穩定性直接影響系統的正常運行以及系統的性能。電動汽車移動范圍廣、流動性大、分散程度高，GPRS信號覆蓋范圍和信號強度難以保證電動車實時監控的可靠性和實時性。為此，采用具有高靈活性組網形式的ZigBee無線通信技術，與通信距離遠、效率高的GPRS通信技術相結合，用于實現電動汽車監控系統的數據通信。ZigBee是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案，也是一種具有近距離、低復雜度、低功耗、低成本特點的雙向無線通信技術，主要適用于自動控制和遠程控制領域[21,22]。本方案采用Zigbee網絡拓撲采用星型網絡結構，設備間采用點對點通信方式[24]，充換電站內ZigBee設備作為主站，車載終端上ZigBee設備作為子站。

由于電動汽車監控中采用了大量的無線通信，無線通信的帶寬有限，難以滿足大數據量數據傳輸，尤其是在傳輸視頻數據時候。為了提高數據傳輸的質量和效率，降低實時性要求較低的視頻等數據對系統整體實時性的影響，提高系統信息傳輸的可靠性和有效性，對實時性要求較低的數據進行流量限制，提高實時性要求較高數據傳輸優先級。

此外，為提高數據傳輸的有效性和可靠性，采用LZO數據壓縮算法對監控數據進行數據壓縮傳輸，提高數據傳輸的效率。LZO算法具有高壓縮率低、RAM占用率的特點，有效降低系統的數據傳輸量。該算法占用內存較少，非常適合在監控終端這樣的嵌入式處理設備中實現[25]。

2.2 電動汽車監控模式

根據車輛運行狀態的不同，充換電站監控系統主要包括兩種模式：車輛運行模式、車輛充換電模式。車輛運行模式是電動汽車運行的默認模式，車輛處于運行狀態，可正常駕駛。車載終端實時記錄車輛運行數據，并通過無線網絡實時上傳監控代理。

當電動汽車停止運行，進入充換電狀態時，車輛不能駕駛，進入充換電模式，車載終端實時記錄電動汽車的充換電數據和運行狀態數據并上傳。為了節約通信流量，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通信網絡中，將記錄在車載終端的數據批量上傳至監控代理，有效提高監控數據的可靠性和有效性[6,7]。

2.3 電動汽車監控方法

由于電動汽車以及充換電設施所處電磁環境復雜，對監控中數據傳輸和網絡通信有干擾嚴重。尤其是監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，提高系統的可靠性，在監控代理和監控平臺之間通過帶有時間戳和序號的“監控信息快照”進行信息的傳輸。每幀的“監控信息快照”包含了監控代理的監控信息，當監控平臺在一定的時間閥值內，如果沒有收到某一幀“監控信息快照”，監控平臺則發送請求，要求重傳該幀“監控信息快照”。提高監控信息傳輸完整性和可靠性，實現監控信息的可靠傳輸。

3 總體架構

為使系統充分集成和高度融合，降低開發和維護的成本，提高系統的兼容性和擴展性，本文基于模塊化和組件化設計思想，采用分層融合方法，將系統從結構上分為電動汽車監控平臺和監控代理二個層級，以遠程和本地相結合的方式，實現電動汽車監控系統，其結構如圖2所示。電動汽車監控平臺與監控代理之間通過基于GPRS通信、以太網通信和無線通信在內的通信層進行信息交互。

監控代理采用統一架構，由監控模塊、通信模塊、知識庫、快照管理模塊和被監測系統構成。其中監控模塊對被監測系統進行感知，獲取外接傳來的數據。監控模塊根據知識庫中存儲的數據將監測信息通過快照管理模塊，完成監控快照的組幀后，將監控快照通過通信模塊發送到監控平臺，完成信息的監測。

圖2 系統總體結構圖

監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壓縮算法對相應的數據進行數據壓縮。該算法占用內存空間較少，對于小數據量的數據壓縮速度較快，代碼量也較少，十分的靈活方便。加密處理單元，則對壓縮后的數據使用統一的安全加密算法進行加密。加密完成后，則將相應信息添加時間戳和幀序列號，組成監控快照。通過通信模塊將相應信息發送到監控平臺。

現有電動汽車監控系統中的代理，包含了兩大類監控代理，一類是充換電站監控代理，用于完成充電電站中監控數據的監控和轉發；另一類是電動汽車監控代理，用于完成電動汽車狀態信息的監控。

4 系統實現

4.1 電動汽車監控平臺

電動汽車監控平臺主要由數據服務器、前置通信服務器以及監控工作站組成，完成數據的采集、處理、存儲、圖形化數據展示以及遠程命令控制等功能。監控平臺的軟件結構分為系統平臺層、公共服務層、應用層3層，如圖3所示。為了適應不同地區、不同用戶的需求，監控平臺兼容Linux，Unix和Windows等多種主流操作系統，支持跨平臺和混合平臺操作。系統平臺層為系統提供數據庫訪問服務和通用的網絡通信支撐平臺，通信平臺基于標準的網絡互聯協議TCP/IP，以提高網絡通信及異種操作系統平臺數據交換的可靠性。

公共服務層在系統平臺層的基礎上把各類應用共同需求抽象出來，實現統一的CORBA組件接口和CIM數據通信模型，實現了GIS組件、系統管理組件、權限管理組件、報表組件、數據庫組件、通信組件、監控組件和圖形組件等。這提高了代碼的復用性，為公用服務的開發維護提供便利。

圖3 軟件體系結構圖

應用層是通過公共服務層提供的各類功能組件搭建出不同應用，實現充電監控、換電監控、車輛監控、電池監控、身份識別、遠程控制、故障告警和GIS監控等功能應用。將各子功能在統一的平臺上有機整合，協同一致的為電動汽車的監控管理目標服務。

4.2 充換電站監控

如圖4所示，充換電站監控包含了監控管理層、通行層和數據采集層三個層次，其中監控管理層包含了站級監控平臺和監控代理。站級監控平臺通過通信層對充換電站內的設備進行狀態監控，并將監控的數據通過監控代理發送監控平臺。通信層包含了充換電站的無線通信、以太網通信、串口通信和移動通信等多種通信方式，實現設備數據的上傳和下發。數據采集層則對充電樁、換電設備、BMS、配電設備、計量電表、離散樁、充電機、錄像機和安防設備進行狀態數據的采集和上傳。

圖4 充換電站監控結構圖

4.3 電動汽車監控

如圖5所示，電動汽車的車輛狀態監控通過車載終端來完成的。車載終端主要實現車輛狀態數據的采集、處理、監控展示以及監控數據的上傳操作。車載終端通過CAN總線與電動汽車內的各個功能部件通信，讀取車輛內的電動汽車電池狀態數據、行駛里程、GPS位置等信息。監控代理通過CAN總線讀取監控數據，并通過通信模塊將車輛數據發送到充換電站監控和監控平臺中。

圖5 電動汽車監控結構圖

車載終端的結構如圖6所示，主要實現原始數據的采集、處理、上送以及控制執行等功能[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、指示燈等構成。主控板是整個設備的核心部分，采用支持ARM系列處理器，支持多種主流嵌入式操作系統，具有很好的兼容性。為滿足車載終端的實時性要求，車載終端采用開源的RTLinux操作系統作為車載終端的系統平臺，對系統資源進行管理和調度。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電壓等級的芯片提供電源。CAN總線控制器通過SPI（串行設備外圍接口）與主控板相連，外接到CAN總線上，與CAN總線上的節點進行數據的交互。

圖6 車載終端結構圖

GPS選用的型號是GPS3110，該模塊價格低廉，模塊功率較小，通過RS232串口與主控板相連，進行數據通信。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兩種移動通信方式，具有較好的靈活性，并且價格低廉，性價比較高。GPRS模塊通過RS232串口與主控板相連，進行通信。Zigbee模塊型號SZ02-RS232，通過RS232串口與主控板相連。數據存儲模塊選用mini-SD卡作為存儲介質，通過SDIO（安全數字輸入輸出接口）或者USB（通用串行總線）接口與主控板相連，用于數據存儲。

4.4 通信方式

通信層主要由數據通信管理機，數據集中器等組成，主要完成數據的轉發與控制命令的下發。本系統包含三種基本通信組網方式：1）車載終端與充換電站通過Zigbee無線通信和GPRS通信將電動汽車中采集的數據實時上傳到充換電站中；2）通過GPRS移動無線網絡實現車載終端與監控平臺之間的直接通信，對電動汽車運行狀態進行監控；3）充換電站監控通過GPRS移動通信網絡和以太網與監控平臺進行通信，將充換電站中監控和存儲的數據上傳到數據遠傳集中器，數據遠傳集中器將數據推送到監控平臺。這三種通信組網方式以充換電站監控監控代理和電動汽車監控代理為核心，相互配合，完成對電動汽車的監控。

此外為降低數據傳輸的網絡資費，提高網絡數據傳輸的有效性和可靠性，將監控數據進行傳輸優先級劃分，將溫度、車輛速度、車輛地理位置、關鍵報警信息等重要性較高的數據作為一級數據，通過GPRS每10秒上送監控管理系統一次。其他車輛動力系統運行狀況、動力電池運行統計信息作為二級數據，每分鐘上送監控平臺一次。

5 系統應用

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

該系統在臨沂焦莊進行了一年的運行測試，測試結果與設計相符并且性能穩定。目前該系統已在臨沂和濟南等地推廣，實現了對145輛電動公共汽車，28輛家用電動汽車的運行監控，擔負電動汽車的自動化監控和管理任務。該系統提高了電動汽車運營維護的工作效率和工作質量，節約了人力資源成本，為電動汽車的生產管理工作帶來了巨大的經濟效益。

該系統采集和存儲電動汽車的運行參數，對電動汽車的運行進行有效的監控。為全面考核和分析現有電動汽車的技術經濟性和整車可靠性，進一步完善電動汽車的設計和運營管理提供支持。此外該系統對電動汽車對運營基礎數據進行積累，開展電動汽車運營經濟性運營分析，可以為后續出臺電動汽車相關標準做數據支撐。電動汽車監控系統存在著海量數據的采集和存儲，可根據用戶需求，對數據進行統計提煉，為進一步的研究，如電動汽車負荷預測、充電站布點規劃等提供數據支撐。

6 結束語

如何以相對較低成本提高電動汽車運行的安全性和可靠性，是目前電動汽車產業全面推廣和發展面臨的一個關鍵性問題。本文從電動汽車監控系統設計出發，大量應用框架和設計模式，采用本地監控代理與遠程監控平臺相結合的監控方法，應用GPRS與Zigbee相結合的通信組網方式對電動汽車進行監控，并對通信信息進行壓縮和加密，提高電動汽車運行的安全性和可靠性。在設計過程中，參考電力監控系統的技術實現路線及發展趨勢，應用框架和設計模式的設計思想，設計了本系統，提高系統的可靠性和可維護性，降低系統的開發維護成本。對于系統大量應用的分層設計，采用本地代理和遠程監控平臺相結合方法，優化分層設計，提高系統的整體的性能和可靠性。

本文研究成果已在臨沂市和濟南市等地的電動汽車監控中得到廣泛應用。經過工程實踐的不斷完善，系統得以不斷擴展、優化，順利實現對電動汽車的監控，有效保障電動汽車的安全、高效運行，得到用戶的檢驗、認可。現場的運行情況表明，系統設計合理、可行。

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