一種專用充電平臺方案的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

周山虎 郭 葳 方 韜 馬占業(yè) 張 軍

（1. 許昌許繼軟件技術(shù)有限公司，河南 許昌 461000；2. 許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 許昌 461000；3. 河南省安陽鋼鐵集團有限公司，河南 安陽 455004）

0 引言

隨著燃油車輛對環(huán)境污染的日益加劇及公共交通對乘車舒適性的愈加重視，電動車輛以其低污染、低運營成本等優(yōu)勢被廣泛使用。電動車在公交和物流行業(yè)大量普及，也將成為未來城鎮(zhèn)公交物流車的主力[1-2]。現(xiàn)有技術(shù)中，公交、物流及環(huán)衛(wèi)等專用領(lǐng)域的電動車輛（以下簡稱專用車輛），由于其運營過程存在集中管理、統(tǒng)一充電、夜間主充、日間補電等特點，傳統(tǒng)離散的設(shè)施接入方式效率低下，接入流程繁瑣，夜間無法做到無人刷卡統(tǒng)一充電享受谷電價優(yōu)惠，同時先充值后充電的結(jié)算方式也不適用于公交公司、物流公司等企業(yè)需求。傳統(tǒng)的賬戶鑒權(quán)方式也比較復(fù)雜，極大地影響了公交、物流等專用充電用戶的使用體驗。

為提升充電站運營服務(wù)管理能力[3-4]，針對公交、物流、出租、環(huán)衛(wèi)等專用領(lǐng)域車輛的特殊場景提供充電設(shè)施的建設(shè)、運營、管理、統(tǒng)計分析服務(wù)，簡化專用車輛用戶充電流程[5]，滿足“充電更簡單、管理更明晰、結(jié)算更迅速”的需要，本文設(shè)計一種專用充電服務(wù)平臺[6]，實現(xiàn)充電設(shè)施整站一鍵自動接入，車輛充電即插即充，運營商與用戶便捷結(jié)算等功能，滿足了充電用戶和運營商的需求。

1 現(xiàn)狀分析

本文調(diào)研走訪了山東、浙江兩個省電動汽車服務(wù)公司，濟南市、合肥市兩個公交集團，以及合肥邵大郢、湖州童裝城、濟南漿水泉3個公交場站，了解了目前專用車輛或使用傳統(tǒng)的離散樁接入的方式接入通用平臺，平臺既為專用車輛服務(wù)，也為社會車輛服務(wù)；又或由專用車輛單位獨立運營，使用站級系統(tǒng)自用自充不接入平臺的方式，缺少線上計量和結(jié)算手段，缺乏充電設(shè)施專業(yè)的運營平臺和設(shè)備維護技術(shù)。傳統(tǒng)離散樁和專用站特點對比見表1。

表1 傳統(tǒng)離散樁和專用站特點對比

由于服務(wù)客戶特性不同，相比傳統(tǒng)充電用戶離散樁的充電場景，專用充電場站在“接入方式”“充電控制”“結(jié)算模式”上均存在較大差異：

1）傳統(tǒng)充電面向社會公眾，范圍廣泛且不確定，而專用站面向固定客戶，服務(wù)對象明確。

2）傳統(tǒng)充電用戶需在平臺充值，專用站無須預(yù)充值；社會充電用戶充電啟動時需在平臺鑒權(quán)，而專用站以合同約定的方式來確保收入安全，站級系統(tǒng)通過白名單來鑒權(quán)。

3）傳統(tǒng)充電用戶單次充電單次結(jié)算，專用站集中充電統(tǒng)一結(jié)算；專用站的結(jié)算為企業(yè)間的行為，可采用多種計費模式（如充電訂單累加、關(guān)口表計量、服務(wù)費套餐等）。

4）傳統(tǒng)充電用戶統(tǒng)一充值到平臺，各運營商與平臺進行清分結(jié)算才能獲取充電收益；專用站用戶和充電場景相對固定，專用站公交用戶可直接與運營商結(jié)算。

5）傳統(tǒng)充電場景使用單樁接入，專用站充電設(shè)施建設(shè)相對集中，使用整站接入的方式。

2 專用充電平臺方案設(shè)計

2.1 總體業(yè)務(wù)設(shè)計

基于對專用場站的業(yè)務(wù)需求梳理，綜合全國范圍內(nèi)多場站調(diào)研的實際結(jié)果，將專用場站的關(guān)鍵業(yè)務(wù)歸結(jié)為“整站接入”“白名單充電”“統(tǒng)一結(jié)算”及“專用車輛統(tǒng)計”四項業(yè)務(wù)；關(guān)于“運營商”“平臺總部”和“站級系統(tǒng)”“專用站平臺”之間關(guān)系如圖1所示。

圖1 專用站總體業(yè)務(wù)概述

2.2 職責(zé)劃分

以“各司其責(zé)、簡單易用”為指導(dǎo)原則，在上述業(yè)務(wù)方案中，平臺總部主要完成審批決策、統(tǒng)計考評、數(shù)據(jù)服務(wù)等工作；運營商主要完成建設(shè)運維、業(yè)務(wù)開拓、結(jié)算控制、設(shè)計商業(yè)模式等相關(guān)工作。平臺主要負責(zé)數(shù)據(jù)存儲和規(guī)范業(yè)務(wù)流程；站級系統(tǒng)主要負責(zé)充電控制及提供結(jié)算依據(jù)。如圖2所示。

3 系統(tǒng)整體框架

總體技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計劃分為五層，具體如下：

1）通信協(xié)議層。構(gòu)建支持HTTP/HTTPS協(xié)議、TCP/IP協(xié)議、MQTT協(xié)議、REST協(xié)議、SOAP協(xié)議及聚合支付協(xié)議[7-8]等通信協(xié)議的服務(wù)。

圖2 專用站各方職責(zé)示意圖

2）數(shù)據(jù)存儲層。基于分布式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（distribute relational database service, DRDS）實現(xiàn)關(guān)系型數(shù)據(jù)分布式部署；基于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)文件訪問，降低技術(shù)應(yīng)用難度，提高應(yīng)用效率。

3）中間組件層。基于數(shù)據(jù)庫加密組件、分布式服務(wù)總線[9-12]、RocketMQ消息隊列服務(wù)、遠程RPC接口[13]組件等進行系統(tǒng)常規(guī)業(yè)務(wù)功能實現(xiàn)，提高系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范性。

4）業(yè)務(wù)邏輯層。在中間組件層提供的技術(shù)條件下，采用微服務(wù)思路實現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能，功能服務(wù)組合成模塊微服務(wù)集合，最終形成專用充電服務(wù)管理業(yè)務(wù)模塊微服務(wù)中心。

圖3 專用站總體技術(shù)架構(gòu)

5）Web應(yīng)用層。以瀏覽器網(wǎng)站作為系統(tǒng)展示應(yīng)用入口。

4 關(guān)鍵流程

4.1 整站接入業(yè)務(wù)

專用場站場景下，以站點為單位，將“場站”“充電樁”信息匯總后統(tǒng)一接入平臺。

整站接入具有以下優(yōu)點：

1）充電設(shè)施批量接入平臺。由站級系統(tǒng)統(tǒng)一發(fā)起接入申請，充電樁無須逐個接入。

2）資產(chǎn)碼與充電設(shè)施的自動對應(yīng)。按照站級系統(tǒng)與平臺交互的業(yè)務(wù)規(guī)則進行模型設(shè)計，實現(xiàn)平臺下發(fā)資產(chǎn)碼的自動對應(yīng)，減少配置工作量。

3）復(fù)用已有接入流程。在目前單樁接入流程基礎(chǔ)上進行微調(diào)，即可實現(xiàn)整站的統(tǒng)一接入。

充電設(shè)施的整個接入流程如圖4所示。

1）站點和接入設(shè)施信息錄入。運營商接入人員在專用站平臺網(wǎng)站將需要接入的站點信息和充電設(shè)施數(shù)目、類型進行錄入，完成平臺站點的建站申請，平臺存儲站點信息數(shù)據(jù)，等待審核。

2）站點信息審核。平臺管理人員審核充電站點的建站信息、審核接入的充電設(shè)施數(shù)目類型等基本信息。

3）平臺生成注冊碼和密鑰。管理人員審核建站信息通過后，生成站點對應(yīng)的接入密鑰和設(shè)施注冊碼，并按照申請的充電設(shè)施數(shù)目自動生成N個注冊碼，可以通過平臺（接入APP等）進行查看。

圖4 整站接入業(yè)務(wù)流程

4）站點接入密鑰線下分發(fā)。平臺將生成的站點接入密鑰以線下發(fā)放的形式分發(fā)給各個站級系統(tǒng)管理人員。

5）站級系統(tǒng)激活認(rèn)證。站級系統(tǒng)使用平臺分發(fā)的密鑰和資產(chǎn)碼，向平臺進行鑒權(quán)，完成激活和認(rèn)證。

6）站級系統(tǒng)配置站內(nèi)設(shè)施注冊碼。站級系統(tǒng)按照平臺生成的站內(nèi)充電設(shè)施的注冊碼，在站級系統(tǒng)進行錄入，配置充電設(shè)施和注冊碼對應(yīng)信息。

7）站級系統(tǒng)獲取資產(chǎn)碼。站級系統(tǒng)完成充電設(shè)施和注冊碼的綁定后，批量將站內(nèi)充電設(shè)施的注冊碼上傳給平臺中心鑒權(quán)，鑒權(quán)通過后獲得資產(chǎn)碼和注冊碼的對應(yīng)關(guān)系列表。

8）站級系統(tǒng)更新設(shè)施和資產(chǎn)碼對應(yīng)關(guān)系。站級系統(tǒng)按照注冊碼和資產(chǎn)碼的申請對應(yīng)關(guān)系，更新充電設(shè)施和資產(chǎn)碼的對應(yīng)關(guān)系，完成充電設(shè)施的資產(chǎn)碼綁定，完成資產(chǎn)接入。

4.2 白名單充電業(yè)務(wù)

白名單充電業(yè)務(wù)是專用車輛使用白名單憑證申請啟動充電，經(jīng)過站級系統(tǒng)鑒權(quán)后開啟充電的專用服務(wù)，白名單充電業(yè)務(wù)具有以下優(yōu)點：

1）簡化充電流程。用戶啟動充電直接在充電設(shè)施上點擊“確認(rèn)”即可，完成充電后，無須支付結(jié)算。

2）簡化數(shù)據(jù)傳輸流程。站級系統(tǒng)本地完成鑒權(quán)，充電啟動數(shù)據(jù)流程和結(jié)束數(shù)據(jù)流程得到簡化。

3）降低充電設(shè)施離線率。站級系統(tǒng)和充電設(shè)施使用本地局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)可靠性更高，提升了充電設(shè)施的可使用率。

需要說明的是，使用白名單充電業(yè)務(wù)的需使用車輛管理模塊將車輛的基礎(chǔ)信息錄入到專用站平臺數(shù)據(jù)庫，具體包括電動汽車型號、所屬公司、所屬公交線路、BMS編號、車牌號碼、車架號、公交司機和所屬用戶等信息。由于車輛信息管理為常規(guī)信息錄入，本文不再展開描述。

具體流程如圖5所示。

圖5 白名單充電業(yè)務(wù)流程

1）車輛準(zhǔn)備充電。用戶將充電槍與車輛連接完成后，系統(tǒng)根據(jù)用戶使用的充電方式開始進入不同流程。

2）用戶確認(rèn)充電方式。為了保證用戶充電安全，在開啟充電時需要用戶確認(rèn)，同時指明用戶使用的充電方式。

3）充電設(shè)施上送充電身份標(biāo)識。車輛BMS與充電設(shè)施建立通信，充電設(shè)施獲取車輛的相關(guān)充電參數(shù)后將車輛充電身份標(biāo)識上送給站級系統(tǒng)，站級系統(tǒng)判斷是否收到車輛充電身份標(biāo)識。

4）站級系統(tǒng)檢測車輛惟一標(biāo)識是否有效。站級系統(tǒng)如果收到了車輛的充電身份標(biāo)識參數(shù)，就在本地白名單中進行查詢，檢查車輛的充電身份標(biāo)識是否合法有效。

5）車輛未在白名單中。如果站級系統(tǒng)收到的車輛充電身份標(biāo)識不是當(dāng)前站點有效的白名單憑證，則站級系統(tǒng)告知充電設(shè)施白名單充電方式啟動失敗原因：車輛未在白名單中。

6）站級系統(tǒng)允許充電設(shè)施啟動。如果車輛惟一標(biāo)識在白名單中，且有效，則站級系統(tǒng)通知充電設(shè)施可以允許啟動充電。

7）進入啟動充電子流程。充電設(shè)施開始進入啟動充電子流程。

8）充電設(shè)施上送專用卡號。如果用戶使用專用卡充電，設(shè)施上送用戶刷卡的專用卡號給站級系統(tǒng)。進入流程③交由站級系統(tǒng)判斷專用卡是否為白名單憑證。

9）站級系統(tǒng)檢測專用卡號是否為白名單憑證。站級系統(tǒng)在收到充電設(shè)施上送的充電卡卡號之后，在本地白名單中進行查詢，檢查充電卡卡號是否為有效的白名單憑證。如果是，則進入站級系統(tǒng)允許啟動充電流程⑤。

4.3 統(tǒng)一結(jié)算業(yè)務(wù)

站級系統(tǒng)基于設(shè)定好的結(jié)算模式，按照結(jié)算周期（日、周、月、季、年）統(tǒng)計生成賬單，同時可以生成周期（約定的結(jié)算周期）報表，一次性地統(tǒng)一確認(rèn)簽字，簡化紙質(zhì)簽單記錄流程，對賬更便捷。

專用站的充電用戶按照協(xié)議周期對充電消費訂單進行統(tǒng)一財務(wù)結(jié)算；公交公司與運營商直接結(jié)算，縮短了結(jié)算周期。具體流程如圖6所示。

圖6 統(tǒng)一結(jié)算業(yè)務(wù)流程圖

1）專用車輛充電。充電用戶下的車輛在專用站點充電，站級系統(tǒng)存儲并記錄用戶充電過程信息和充電交易記錄。

2）站級系統(tǒng)形成賬單。站級系統(tǒng)按周期根據(jù)結(jié)算憑據(jù)形成賬單，結(jié)算憑據(jù)一般包括用戶的充電記錄、站內(nèi)電表數(shù)據(jù)、合同約定的服務(wù)費等。

3）站級系統(tǒng)上送賬單和憑據(jù)。站級系統(tǒng)將統(tǒng)計生成的賬單和結(jié)算憑據(jù)上送給平臺，由平臺統(tǒng)一存儲管理。

4）用戶錄入轉(zhuǎn)賬付款憑據(jù)。充電用戶按照賬單金額向運營商賬戶轉(zhuǎn)賬，同時將銀行流水號錄入專用站平臺網(wǎng)站，形成付款記錄，待運營商財務(wù)審核。

5）運營商財務(wù)審核轉(zhuǎn)賬信息。運營商財務(wù)確認(rèn)收到轉(zhuǎn)賬后，登錄專用站平臺，確認(rèn)付款記錄，完成付款審核。

6）運營商財務(wù)上傳發(fā)票結(jié)算信息。運營商財務(wù)在確認(rèn)充電用戶付款后，按照付款金額開具發(fā)票，將發(fā)票信息上傳到專用站平臺，供充電用戶下載使用。

7）完成用戶結(jié)算流程。開始下一個用戶結(jié)算周期。

4.4 專用車輛統(tǒng)計業(yè)務(wù)

專用車輛統(tǒng)計業(yè)務(wù)是在用戶指定時間范圍內(nèi)對車輛的充電次數(shù)、充電電量、充電金額和車輛平均能耗比進行分析統(tǒng)計。為專用充電用戶提供單車考核數(shù)據(jù)支撐，滿足公交公司對能耗考核指標(biāo)的數(shù)據(jù)支持。

能耗比計算如下：

式中：ξt為能耗比；Pt為正向電量；Ot為行駛里程。

式中：Ot為行駛里程；Lt為公交線路長度；Nt為每日公交排班班次。

5 專用站平臺示范應(yīng)用

本系統(tǒng)的開發(fā)工具為IntelliJ IDEA 2018.3.5 x64；操作系統(tǒng)為Windows 10；開發(fā)語言為Java、JavaScript；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為MySQL；數(shù)據(jù)總線為RocketMQ；遠程 RPC組件為 Alibaba HSF；生產(chǎn)服務(wù)器環(huán)境為Linux、Ali-Tomcat7；客戶端操作系統(tǒng)為 Windows7、Windows8、Windows10、WindowsXP等；客戶端瀏覽器為IE 10、Chrome、360瀏覽器等。

專用充電服務(wù)平臺已成功地將安徽省合肥市某充電站的20臺樁作為試點批量接入，目前正在穩(wěn)定運行。站點自2019年8月21日接入到2019年8月29日試運營期間，充電共計482次，累計充電電量33 511.67kW·h。

下面通過示范站點的接入方式、充電流程、結(jié)算方式等方面對比分析傳統(tǒng)平臺和專用充電平臺，見表2。

表2 示范站采用傳統(tǒng)平臺和專用充電平臺對比表

從表2可以看出，專用充電平臺更加貼合專用站點的建設(shè)、運營場景，具體表現(xiàn)為：

1）接入硬件成本方面，傳統(tǒng)充電平臺使用單樁接入，每個充電樁配套接入設(shè)備的價格為 3 000～4 000元，專用充電平臺根據(jù)專用站點集中建設(shè)這一特點，使用站級系統(tǒng)將站點下充電設(shè)施接入平臺，節(jié)省了接入設(shè)備，降低了接入成本。

2）接入調(diào)試時間方面，傳統(tǒng)充電平臺接入時，操作員需要對每個樁申請注冊碼、手工配置注冊碼、等待審批資產(chǎn)碼最終完成接入。單個設(shè)施流程約需要 0.3個工作日。專用站平臺使用一鍵自動接入的方式，使用站級系統(tǒng)統(tǒng)一配置充電設(shè)施編號，由站級系統(tǒng)負責(zé)申請注冊碼、寫入充電設(shè)施配置信息、審核完畢后自動記錄資產(chǎn)碼信息。自動化操作降低了接入調(diào)試的工作量，整站操作在1個工作日即可完成。

3）充電操作時長方面，傳統(tǒng)充電平臺啟動充電時需平臺遠程身份鑒權(quán)和充電前的用戶密碼校驗，充電完成后需要充電結(jié)算，操作流程大約需要 2～3min。而專用充電平臺基于站級系統(tǒng)白名單充電，正常情況下連接車輛即可啟動充電，整個操作流程只需要 30s～1min，操作更加便捷，同時方便夜間使用谷時段集中批量啟動充電。

4）設(shè)施離線率方面，傳統(tǒng)充電平臺充電需要平臺鑒權(quán)，使用無線 4G方式與平臺通信，存在一定的離線率，加上服務(wù)器維護、光纖物理通道維護等問題，以本次市場調(diào)研的情況統(tǒng)計，設(shè)施離線率約在 3%～5%。而專用充電站點集中建設(shè)，站級系統(tǒng)與充電設(shè)施之間通信使用有線局域網(wǎng)方式，同時站級系統(tǒng)可以獨立鑒權(quán)啟動設(shè)施，在試運行期間設(shè)施離線率為0，有效地降低了設(shè)施離線率。

5）結(jié)算模式方面，傳統(tǒng)充電平臺收取充電用戶費用后，與運營商清分結(jié)算需要1個月左右。而專用充電平臺支持多種結(jié)算方式，運營商直接與充電用戶結(jié)算，1周內(nèi)即可完成結(jié)算過程。

專用充電服務(wù)平臺實現(xiàn)了對公交、物流等專用車輛充電設(shè)施的集中統(tǒng)一管理，優(yōu)化了接入流程，簡化了用戶充電操作，改善了設(shè)施運營商與充電用戶的結(jié)算模式，增強了用戶對車輛的信息掌控情況。很好地滿足了專用充電站點的信息化管理的需求，專用充電服務(wù)平臺網(wǎng)站使用界面如圖7所示。

圖7 專用充電服務(wù)平臺網(wǎng)站使用界面

6 結(jié)論

本文通過對專用車輛充電服務(wù)平臺的設(shè)計研究，搭建了專用充電車輛的充電平臺，很好地解決了專用充電車輛在推廣發(fā)展過程中的一系列瓶頸問題，提升了專用車輛充電設(shè)施的接入效率，簡化了專用車輛用戶的充電操作流程。為建設(shè)好面向?qū)Ｓ密囕v充電服務(wù)平臺，并對提升公交、物流電動汽車在國內(nèi)的使用效率與推動其健康發(fā)展發(fā)揮至關(guān)重要的作用。