基于車載終端的電動汽車運營監控系統設計

馬逸然，王　蔚

（1.山東科技大學，山東　濟南　250031；2.國網山東省電力公司濟南市章丘區供電公司，山東　濟南　250012）

0　引言

電動汽車作為一種清潔、高效交通工具，受到了世界各國的廣泛重視與大力推廣。發展綠色電動汽車產業也成為我國的重要能源產業政策，是未來交通工具的發展趨勢，是實施可持續發展和新能源戰略的戰略決策[1]。

發展電動汽車是中國的重要產業政策，在未來電動汽車大規模普及的情景下，電動汽車及其充換電設施大量接入電網，必然對現有電網造成沖擊[2-3]。電動汽車及其充換電業務作為智能用電的一項新型業務，和傳統的電力業務相比，從業務范疇、業務邊界、業務流程、業務標準上都幾乎沒有成熟經驗，而且歐美國家在電動汽車充換電的業務開展也尚處在探索和試驗階段[4-5]。

為推動電動汽車產業的發展，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[2-5]。我國明確規定對新能源汽車進行實時監控，以對新能源汽車質量進行跟蹤。目前國內的主要電動汽車監控系統研制均采用了集中式監控。在電動汽車運營規模和地域較小、監控目標少、數據量小及數據處理算法相對簡單時，單純依靠異種設備互連和系統集成技術的集中式監控可以滿足電動汽車運營系統監控需要。但隨著電動汽車規模和運行地域的急劇擴大和運營環境的不斷復雜化，集中式監控將越來難以滿足今后電動汽車運營監控的需要。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面臨巨大挑戰[5]。為實現電動汽車及其充換電設施的有序運營管理，進一步完善電動汽車運營、管理、維護，必然需要對電動汽車及其充換電設施進行實時監控和有序調度，實現電動汽車及其充換電設施的安全和可靠運行[4-5]。

為了解決上述問題，本文分析了現有的電動汽車及其充換電設施的運營特點，通過系統需求分析確定電動汽車運營監控系統的功能需求，應用CIM（通用信息交互模型）框架模型，采用分層監控的方法，提出了一種具有良好可靠性的電動汽車運營監控系統。同時，在系統的設計和開發中大量應用框架和設計模式，提高系統的可靠性。

1　功能需求

1.1　系統技術特點

1.1.1　監控設備種類較多

電動汽車運營涉及配電網、充換電設施、電動車輛等多個系統，涉及設備復雜多樣，技術參數難以一致[5]。電動汽車監控系統需要接入電動汽車運營涉及的異構系統和設備，實現異構環境中進行信息的共享、互聯和互操作[6-7]。

1.1.2　運行環境復雜

電動汽車運營環境復雜多樣，在充換電站等區域內電磁環境復雜多樣，極大考驗著系統的可靠性。此外，電動汽車車載終端運行工況復雜，運行環境灰塵大，溫差大，對監控設備的穩定可靠運行要求較高[8-11]。

1.1.3　系統功能需求特殊

電動汽車運營監控系統需要實現對正常運行狀態電動汽車的監控，對處于充換電狀態的電動汽車及其充換電設施進行監控。除系統監控外，還需實現電動汽車安全防護子系統與充電設施、配電設施監控等子系統的實時聯動。此外，還需在集中管控平臺中對監控數據進行分析，提前對電動汽車充換電進行有序引導，實現電動汽車的有序充電，實現多個監控、管理子系統在集中管控平臺上的融合。

1.2　系統功能需求

電動汽車運營監控系統主要是通過車載終端實現對電動汽車運行速度、位置、電池狀態進行監控，以及電動汽車充電設施有關的配電設備、充電設備、電池更換設備、安全防護設備的實時監控與管理，確保電動汽車的安全、可靠、高效運行。

目前，電動汽車運營管控系統從功能上主要分為車輛監控、電池監控、位置監控、身份識別、遠程控制、安全防護、充換監控、換電監控、車輛管理9個模塊。

2　系統方案

2.1　電動汽車監控模式

電動汽車運營監控系統從采用分層監控模式，總體上分為集中監控平臺、站級監控平臺、車載終端3層，以電動汽車、充電站、換電站等相關電動汽車運營主體為監控對象，構建以集中監控平臺為核心，實現跨區域、全覆蓋的電動汽車運營監控系統。

分層監控模式，其基本思路是通過將監控對象分為不同的層級，各個層級在服從整體目標的基礎上，相對獨立地開展控制活動。分層監控思路清晰，易于擴展，可靠性高，適用于大規模電動汽車的調度控制[12]。可以有效地在監控端和數據采集端之間通過層級式的中間層結點進行配置，有效兼容集中式監控和分布式監控，具有很好的靈活性，降低了單點失效的風險，提高了系統的負載能力[13-14]。

在分層的電動汽車運營監控系統架構中，集中監控平臺是整個系統的運營管理核心，依據電動汽車信息、充換電設施、路況等約束信息，對電動汽車及其充換電設施進行調控，實現電動汽車有序充換電和安全可靠運營。站級監控平臺是本地充換電設施、電動汽車集群的數據采集和監控中心，對監控區域內的電動汽車進行實時監控，對電動汽車充換電設施進行調控，實現電動汽車的有序充換電和可靠運行。

2.2　監控系統通信模式

如圖1所示，電動汽車運營監控系統在站級監控系統與集中監控平臺之間通過國家電網公司SDH骨干傳輸網進行數據交互和通信。國家電網公司SDH骨干傳輸網以骨干通信電路、跨區聯網通信電路為主，各級通信網協調發展的電力專用通信網。綜合數據網中繼帶寬由n×155 Mbit／s增加至m×1 000 Mbit／s，通信網承載能力完全可以滿足電動汽車運營監控的要求。

電動汽車接入站級監控平臺通過GPRS無線通信方式接入網。電動汽車移動范圍廣、流動性大、分散程度高。GPRS是目前無線遠程監控系統中傳輸速率與經濟性兼具的無線通信方式，在相對較低的網絡使用資費情況下，具有較高的網絡傳輸速率，可以快速有效接入站級監控平臺。同時，由于GPRS遠程監控場景的大量應用，其可選設備數量多，成本相對較低。GPRS支持SMS短消息服務，使其在靈活性和易用性方面更具優勢。此外，GPRS多模芯片兼容3G和2G通信模式，使其在靈活性和易用性方面更具優勢。因此，GPRS無線通信方式是目前無線監控系統可采用的最好的通信方式[13-14]。此外，集中監控平臺也可直接通過GPRS網絡實現對電動汽車運行位置信息的直接控制。

圖1　電動汽車運營監控系統通信組網

Zigbee是一種具有近距離、低功耗、低成本特點的近距無線通信技術，主要適用于自動控制和遠程控制領域[15-16]。本方案采用Zigbee近距通信方式，實現電動汽車與站級監控之間的快速通信，將車載終端存儲的數據上傳到站級監控平臺，站級監控平臺將數據推送到監控管理模塊。同時，通過站級監控平臺通過Zigbee網絡實現對車載終端的遠程控制。

2.3　電動汽車運行模式

根據車輛運行狀態的不同，可將電動汽車運行分為兩種模式：車輛運行模式和車輛充換電模式。車輛運行模式是電動汽車運行的正常模式，車輛處于正常運行狀態，可正常駕駛。車載終端實時記錄車輛運行數據并實時上傳。

當電動汽車需要進行充換電時，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。在充換電模式下，電動汽車車載終端通過Zigbee近距無線通信接入站級監控平臺，實現電動汽車離線運行批量數據的上傳和車輛充換狀態的監控，實現電動汽車的有序充換電。

3　系統設計

3.1　CIM框架設計

基于分層監控策略的電動汽車監控系統，融合集中式控制和分布式控制，本身具有異構環境中信息交互、共享和互操作的基本特征，涉及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[15-16]。為此，在系統的設計中應用CIM通用信息交互框架，基于CIM框架的統一數據交換方法和標準化數據接口，通過公共對象請求代理引擎實現公共數據和交換信息的訪問和交互，如圖2所示[17]。各組件無需知道其他組件的內部結構和環境，就可以有效實現異構環境信息的交互、共享和互操作。CIM框架模型中組件具有系統和編程語言的無關性以及良好的通用性和可擴展性[18]。

CIM模型一般依托于公共對象請求代理引擎實現異構網絡中跨平臺和操作系統的交互操作，能夠較好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]。通過對象組件實現系統組件的可插拔，提高組件的復用特性。

圖2　CIM框架架構

基于CIM模型將系統從電動汽車監控框架設計為由公共對象請求代理引擎、數據接口、公共信息模型、公共組件、應用組件以及高級應用6大要素組成。其中，公共對象請求代理引擎即支撐平臺構建在已有的組件技術基礎之上，支持通用的公共信息模型，通過公共信息模型實現數據的接入和交互。在電動汽車監控系統中，應用標準化的公共信息模型，定義電動汽車監控數據對象的邏輯結構和關系模型。公共信息模型定義了統一的數據接口規范，規定了標準化的交互方法。公共組件，提供系統運行的公共基礎組件，為系統運營提供公共支撐，包括通信組件、報表組件、圖形組件、權限組件、日志組件、數據庫管理組件等。應用組件則包含電動汽車監控中的基本的監控功能，其組件包括充電設施監控組件、換電設施監控組件、車輛監控組件、運營GIS地圖等。高級應用通過支撐平臺訪問應用組件，實現相應的功能。

3.2　系統硬件架構設計

如圖3所示，該系統集中監控平臺在物理架構上配置了3臺服務器，分別為GIS服務器、數據服務器、應用服務器。其中GIS服務器用于提供電動汽車運行的地圖信息服務，解算車輛位置信息，跟蹤電動汽車車輛運行軌跡，管理運行路徑信息和相應運行歷史記錄。數據服務器用于對站級服務平臺和運行車輛數據的收集和整理，對電動汽車運行數據進行清洗，消除數據冗余，形成電動汽車及其充換電設施的有效運行數據，為集中監控應用提供數據支撐。應用服務器上運行相關車輛監控、電池監控、充電監控、換電監控、身份識別、安全防護、故障預警等應用。通過3臺服務器的配置模式，有效降低大規模電動汽車運行下數據集聚對服務器造成的負載壓力，確保系統穩定、可靠。

圖3　系統硬件架構圖

在站級監控平臺同樣配置了數據服務器，有效實現對監控數據的收集和整理，對電動汽車運行數據進行清洗，消除數據冗余，形成電動汽車及其充換電設施的有效運行數據，并將相應數據上傳給集中監控平臺，應用服務專注于提供應用服務，減少了數據通信和上傳的負載壓力。車載終端通過GPRS向集中監控平臺上傳運行位置、電池電量等數據量相對較小的運行關鍵數據，同時向站級監控平臺上傳運行實時數據。此外，電動汽車車載終端通過Zigbee網絡接入站級監控平臺，實現電動汽車充換電的有效控制和有序充換電，完成車載終端離線數據的上傳。

3.3　系統軟件架構設計

監控系統軟件結構分為系統層、服務層、應用層3層，如圖4所示。為了適應不同地區、不同用戶的需求，系統兼容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，提高系統的兼容度和可靠性。系統層為系統提供數據庫服務和網絡通信，通信平臺基于標準多并發的網絡互聯協議TCP／IP，以提高網絡通信及異構操作系統平臺數據交換的可靠性。

服務層在系統層的基礎上把各類應用共同需求抽象出來，基于CIM通用接口，實現統一的服務接口，實現了數據庫訪問服務、控制命令服務、數據傳輸服務、GIS服務、系統管理、權限管理、報表服務等CIM通用組件。應用層通過CIM引擎調用相關服務組件，這提高了代碼的復用性，為公用服務的開發維護提供便利。

應用層是通過服務層CIM引擎提供的各類CIM組件搭建出各類不同應用，或者通過CIM組件來根據不同應用進行相關的功能擴展，最終實現車輛監控、電池監控、充電監控、換電監控、GPS監控、身份識別、遠程監控、故障告警等功能應用。將各子功能在統一的平臺上有機整合，協同一致地為電動汽車的監控管理目標服務。

3.4　通信組網方式

電動汽車監控系統對電動汽車采取分層監控策略，這就要求電動汽車依據其集中式、分布式以及分層監控的策略特點，結合應用遠程、近距以及有限組網方式[17]。

圖4　系統軟件架構圖

圖5　通信網絡結構圖

集中監控平臺與站級監控平臺之間通過國家電網公司SDH骨干傳輸網實現大批量、實時數據的快速交互。

車輛運行狀態下，站級監控平臺與車載終端之間通過GPRS無線通信實現實時數據的交互，實時傳輸車輛位置、電量、身份信息、車速等實時監控數據。充換電狀態下，站級監控平臺與車載終端之間通過具有高靈活性的Zigbee無線通信技術用于實現電動汽車監控離線數據的批量上傳，以及充換電狀態數據的交互和控制。

車載終端通過CAN總線接口與車輛總線相連接，實現電動汽車的運行數據采集和運行控制。該通信方式將車載終端作為CAN總線的一個通信節點接入到電動汽車CAN總線通信網絡中，實現對電動汽車運行里程、電池電量、車速等車輛運行數據的采集。

4　系統實現與應用

4.1　設計模式的應用

在本系統的設計過程中，基于CIM框架技術，大量應用了組件技術，以及適配器、訂閱者、命令、創造者、工廠和裝飾等設計模式，不但大大提升了代碼復用率，提升了開發效率，更實現了高層次的設計復用，從根本上解決了對電動汽車監控系統軟件核心內容的重復理解和重復設計的問題，并且提高了軟件質量[19]。

適配器模式，應用在異構環境中多并發進程通信的實現中，基于公共通用信息模型，實現了異構組件的通信[20]。訂閱者模式，應用在站級監控平臺組件輪詢通信中。以前的站內監控組件通信模式，是通過輪詢的方式實現通信組件匹配，例如電動汽車電池組件中電壓過低或者電量過低提示量發生了改變，其他關心該變量變化的組件需要立即做出相應動作，這就需要變量變化的組件觸發消息發布模式，通知關心該變量變化的組件。該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（訂閱者對象）都將得到觸發通知，實現了松耦合狀態下異構組件工作協同[20]。

電動汽車分層監控框架中控制指令與消息指令是監控系統的核心，命令模式，把請求或者操作方法封裝到對象中，允許系統使用不同的請求把客戶端參數化，尤其異構環境下的控制指令予以抽象，實現控制指令的事務化管理。

設計模式在系統設計和開發中的應用，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。

4.2　系統應用

目前，該系統在臨沂焦莊、青島薛家島的運行測試已經結束，測試結果與設計相符并且性能穩定，通過驗收，并在臨沂、濟南、青島等地進行了推廣，擔負電動汽車的自動化監控和管理任務，運行良好。該系統提高了電動汽車運營維護的工作效率，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。

5　結語

如何以相對較低成本實現電動汽車的有效監控和有序運營，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應用面臨的一個關鍵性問題。本文基于電動汽車運營特點，以系統運行可靠和安全為目標，從電動汽車監控系統設計出發，大量應用框架和設計模式，應用電動汽車分層監控策略，實現電動汽車運營的有效監控和有序調度，提高系統的可靠性和可維護性，降低系統的開發維護成本。

本文研究成果經過工程實踐的不斷完善，系統架構得以不斷擴展、優化，順利實現對電動汽車的有效監控，實現電網負荷有序調控，有效保障電動汽車的安全、高效運行，得到用戶的檢驗、認可。

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