面向互聯網的智能充電服務與運營平臺設計

師 洋

(北京智芯微電子科技有限公司，北京 102299)

面向互聯網的智能充電服務與運營平臺設計

師 洋

(北京智芯微電子科技有限公司，北京102299)

隨著電動汽車行業的快速發展，近年來已經有很多關于電動汽車充電服務與運營管理相關的研究與應用，但是結合海量智能充電樁的業務信息，在技術架構、前置采集、計費模式兼容、安全防護措施、突出用戶體驗等幾個方面仍然缺乏整體可靠的綜合解決方案。為此，提出了面向互聯網的海量智能充電樁的電動汽車充電服務運營平臺，對實際充電服務與運營業務、平臺技術應用進行了詳細分析與設計。進一步增強平臺運營的可靠性和充電服務應用交互的便捷性，提升終端用戶體驗，為電動汽車與配套充電設施的大規模推廣部署提供一種有效的智能化解決方案。

架構設計；多協議適配；計費模式；信息安全防護；充電服務與運營

0 引言

電動汽車具有以電代油、環保高效的優點，是節約能源的有效方式[1-4]。據統計，2016年中國新能源汽車生產51.7萬輛，銷售50.7萬輛，比上年同期分別增長51.7%和53%。其中純電動汽車產銷分別完成41.7萬輛和40.9萬輛，比上年同期分別增長63.9%和65.1%。2017年我國為配合電動汽車推廣，力爭新增充電樁數量達到80萬個。為適應市場快速發展對充電服務體驗、運營管理體系提出的更高要求，國內很多單位提出了關于智能充電的設想。文獻[4-9]分別提出了電動汽車智能充電的導航系統、智能充電樁、電動汽車智能服務平臺的設計，文獻[10]提出了集智能充電服務平臺、智能充電裝置和APP應用軟件于一體的系統，但在實際應用中，眾多運營商各自建設的充電服務運營系統，覆蓋的運營范圍有限，接入充電終端的量級較低，系統整體設計的智能化程度不高。

針對目前國內電動汽車充電服務運營的現狀，本文設計了面向互聯網的智能充電服務與運營平臺。從技術方面，優化平臺總體架構，強化平臺與用戶、終端之間的訪問處理能力；設計可靈活適配不同通信協議的前置采集；設計可兼容遠程和本地費控的計費模式，滿足不同計費場景的需求；強化安全防護設計，保障平臺運營安全。從應用方面，結合用戶側交互體驗和管理側有序運營的要求，對系統功能進行優化。

1 電動汽車充電服務運營平臺組成

本平臺由運營平臺、APP客戶端、智能充電樁三部分組成。

(1)運營平臺，是銜接服務APP與智能充電終端互動的橋梁，負責對智能充電終端進行指令下發與數據采集；響應服務APP的訪問請求；供運營管理者對充電業務信息進行維護、統計、分析，配置平臺運行參數，監測充電終端運行工況。

圖1 平臺技術架構示意圖

(2)服務APP，是電動汽車用戶參與充電服務互動的客戶端，主要實現用戶對智能充電樁進行檢索、定位、導航、預約、收藏、充電控制等一系列操作，并提供相關業務信息、活動資訊、應用配置參數的顯示與維護功能。

(3)智能充電樁，是供電動汽車充電的智能裝置，與傳統充電樁相比，差別在于增加了WiFi通信模塊，可借助互聯網通信與微控制單元(Micro Controller Unit, MCU)，實現對充電裝置的遠程控制。

2 電動汽車充電服務運營平臺設計

本平臺作為面向互聯網的電動汽車充電服務與運營管理整體解決方案，相對于目前主流的充電服務運營平臺，主要在優化架構技術應用、提升前置采集擴展性與并發性、增強計費模式兼容性三個方面進行重點設計。

2.1架構設計

本平臺架構采用分層處理策略，逐層分解數據處理壓力，提高系統整體性能和穩定性，具體分為展現層、應用層、數據層、采集層。技術架構如圖1所示。

(1)采集層：采用NIO技術和多線程技術，負責與充電樁的通信，包括數據采集、指令收發、通信協議解析、數據校驗、數據加密/解密、協議適配、WebService服務等功能。數據采集層由若干前置機組成，每臺前置機相對獨立，支持成本低廉的橫向擴展，以保證系統的可靠性和可擴展性。

(2)數據層：由下行業務處理服務和數據存儲服務組成，其中下行業務處理服務負責接收應用層的下行指令，自動進行業務協議匹配，并調用對應的WebService服務。數據存儲服務通過MySQL數據庫服務持久化業務數據，同時通過Redis內存數據庫存儲上行報文的實時狀態，供應用層定時調用。

(3)應用層：由Web負載均衡和應用服務組成，其中Web負載均衡采用NG+應用服務器集群實現，應用服務由Web應用服務、APP接口服務、數據挖掘服務組成。

圖2 網絡應用程序框架工作原理圖

(4)展現層：分別支持手機端APP和PC端瀏覽器兩種展現渠道，其中，手機端APP分為iOS與Android系統兩個版本，用于向電動汽車用戶提供充電服務相關的互動操作；PC端瀏覽器作為運營商的管理工具，主要用于查看充電業務信息、配置平臺運行參數、監測充電終端運行工況等。

2.2支持高并發與多協議適配的前置采集

本平臺的充電數據來源于海量離散部署的充電樁，充電樁與前置服務器之間通過建立長連接進行通信，實現信息的互傳。由于各廠商充電樁的通信協議存在標準不統一的情況，因此要求數據采集層中的前置服務器，不僅應具有與海量充電樁進行高并發通信的能力，還應具有適配多種通信協議的能力。基于上述要求，本方案采用網絡通信應用程序框架異步的、事件驅動的非阻塞I/O通信模型，實現對高并發、多協議適配的支持。網絡應用程序框架工作原理如圖2所示。

要實現該網絡應用程序框架服務器端，需要在Mina框架配置文件中配置指向不同通信協議的多個通信端口?？蛻舳薈onnector通過指定端口與服務端Acceptor建立連接，服務端Processor線程負責IO讀寫，并與Filter、Handler協同工作，執行具有高并發通信能力的解析處理邏輯。

圖3 安全防護范圍示意圖

2.3多種計費模式兼容

本平臺針對不同的應用場景可支持多種計費模式，包括：終端計費、平臺計費。

(1)終端計費模式，是指平臺將計費模型下發至充電終端，由終端負責充電電量和充電費用的計量與計算?；谠撚嬞M模式的應用特性，在充電樁離線的情況下，既可保證當次充電交易不受影響，也可保證用戶持充電卡進行正常充電操作，為用戶體驗提供基本保障。

圖4 運營平臺功能設計

(2)平臺計費模式，是指平臺將計費模型與充電樁進行信息關聯，分別由終端負責充電電量計量，由平臺負責充電費用計算。基于該計費模式的應用特性，當充電過程中發生設備通信中斷、緊急停止充電按鈕觸發、設備故障等異常情況時，通過自動停止充電操作、自動結算充電交易等充電異常處理機制，可為用戶和運營商利益提供保障。

2.4安全防護設計

本平臺針對運營中可能存在的信息安全隱患，依據《信息系統安全等級保護定級指南》(GB/T 22240-2008)，從應用安全、數據安全、主機安全、網絡安全、終端安全、物理安全、邊界安全七個方面進行安全防護設計，如圖3所示。

應用安全保障應用層信息交互安全；數據安全保障敏感數據和業務數據安全，并提供容災機制；主機安全針對服務器設備設計安全防護措施；網絡安全用于防范網絡設備安全隱患；終端安全針對APP客戶端和充電樁設計安全防護措施，防范偽基站、偽客戶端非法入侵；物理安全用于防范存放計算機、網絡等信息設備和存儲介質的場所免受物理環境損害、自然災害以及人為的操作失誤和惡意損害；邊界安全制定內外網信息出入安全規則，加強邊界內信息訪問安全。

2.5功能設計

2.5.1運營平臺

運營平臺功能模塊構成如圖4所示，主要分為運營管理、APP接口、采集解析三個功能類。其中：運營管理用于向管理者提供完整運營信息的查看、維護、統計與分析功能；APP接口用于對APP實現的各項功能提供操作響應、數據響應；采集解析基于充電樁與平臺通信協議執行報文解析任務。

2.5.2服務APP

服務APP功能模塊構成如圖5所示，主要分為首頁、用戶管理、電子商城和充電服務四個功能類。其中：首頁是用戶訪問充電服務應用的門戶，提供可快捷進入相關功能以及瀏覽廣告和資訊的入口；用戶管理主要提供與用戶個人相關的信息查看、參數設置與業務辦理等功能；電子商城主要為用戶提供商品瀏覽、積分兌換、在線購買等電子商務功能，有助于鼓勵用戶積極參與充電交易換取積分，增強充電服務的用戶粘性；充電服務作為核心功能類，主要提供與充電交易全流程相關的全部功能，可方便用戶快捷定位、預約所需充電樁，全程監控動態充電參數等。

圖5 APP功能設計示意圖

3 結論

電動汽車充電服務運營平臺可為充電樁大規模建設部署提供有效的推進力，是促進用戶有序充電、快捷充電、合理充電的關鍵。本文探討了互聯網的智能充電服務與運營平臺的整體結構，分析了技術架構、前置采集通信框架、計費模式、功能應用的優化設計思路，為電動汽車用戶與智能充電樁網絡進行快捷互動提供了可靠平臺。

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2017-04-18)

師洋(1981-)，男，學士，工程師，主要研究方向：用電節能、智能用電等。

Design of intelligent charging service and operation platform for Internet

Shi Yang

(Beijing Smart-chip Microelectronics Technology Ltd., Beijing 102200, China)

With the rapid development of electric vehicle industry in recent years, there have been a lot of researches and applications of the electric vehicle charging service and management, but combined with business information of massive intelligent charging piles, it still lacks of overall and reliable comprehensive solution in the technical architecture, pre-acquisition and billing mode compatibility, safety precautions, and highlighting the user experience. For this reason, this paper puts forward the charging platform of electric vehicle charging service, which is based on the Internet intelligent charging pile. It further enhances the reliability of platform operation convenience and charging service applications, enhances the end user experience, and provides an intelligent electric vehicle and charging facilities supporting the deployment of large-scale promotion plan.

architecture design; multi-protocol adaptation; billing model; information security protection; charging services and operations

TP399

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.22.006

師洋.面向互聯網的智能充電服務與運營平臺設計J.微型機與應用，2017,36(22)：19-22.