基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫的氫能源動(dòng)力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王煥濤 周念 陳俊彥

（1.天府新區(qū)通用航空職業(yè)學(xué)院 四川省成都市 620500）

（2.桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息安全學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541004）

在國家新能源政策的大力支持下，我國已經(jīng)發(fā)展了一批擁有自主核心技術(shù)的燃料電池和燃料電池生產(chǎn)企業(yè)，并且企業(yè)開始布局燃料電池零部件、制氫、儲運(yùn)、加氫站等產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)。隨著氫能源有軌電車的大規(guī)模應(yīng)用，實(shí)時(shí)監(jiān)測氫軌電車的電池及其發(fā)動(dòng)機(jī)等主要部件的運(yùn)行狀態(tài)就顯得尤其重要。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測并收集氫軌電車的相關(guān)數(shù)據(jù)，不僅可以對氫軌電車的動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行趨勢分析并在維修維護(hù)時(shí)提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)支撐，同時(shí)也提供了在大數(shù)據(jù)分析下對電池組及發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)改進(jìn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)，通過終端使用內(nèi)置的非易失性存儲器卡進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與存儲，車輛檢修維護(hù)時(shí)上傳運(yùn)行數(shù)據(jù)，具有技術(shù)成熟、部署簡單等特點(diǎn)。但考慮到氫能源具有發(fā)熱值高、燃燒性能極好等特點(diǎn)，一旦動(dòng)力單元出現(xiàn)異常而不能及時(shí)解決異常的情況，往往會(huì)造成災(zāi)難性事故的發(fā)生。因此傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)并不能完全滿足對于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳性、時(shí)序性、準(zhǔn)確性與安全性的要求。

針對上述問題，本文提出了以時(shí)序數(shù)據(jù)庫和分布式消息隊(duì)列為核心，配合基于4G/5G 數(shù)據(jù)終端的實(shí)時(shí)氫能源動(dòng)力單元監(jiān)控系統(tǒng)，以及基于可視化組件的監(jiān)控平臺一體化解決方案，能夠滿足對大規(guī)模運(yùn)營的氫軌電車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的業(yè)務(wù)需求。

1 系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

氫能源動(dòng)力監(jiān)測系統(tǒng)由車載終端、服務(wù)器組、用戶終端及公共資源組成，如圖1所示。車載終端通過CAN 總線實(shí)時(shí)獲取動(dòng)力系統(tǒng)控制器的內(nèi)部數(shù)據(jù)和故障狀態(tài)，同時(shí)采集電池組及發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的工作電壓、電流，結(jié)合GPS/北斗模塊獲取定位信息和行駛方向及車速，最后，將這些數(shù)據(jù)同步存儲在本地非易失性存儲器中，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器組。用戶通過可以連接到Internet 的終端設(shè)備對車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控、分析以及故障診斷。

圖1：氫能源動(dòng)力監(jiān)測系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的分層功能邏輯架構(gòu)，從下至上可分為數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)傳輸層、邏輯規(guī)則層以及應(yīng)用層四個(gè)層次，如圖2所示。

圖2：氫能源動(dòng)力監(jiān)測系統(tǒng)邏輯功能架構(gòu)

每個(gè)層次的邏輯組成及其相互關(guān)系如下所述。

數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層為整個(gè)數(shù)據(jù)采集與服務(wù)系統(tǒng)提供的底層數(shù)據(jù)儲存與管理的支持，它的主要功能就是數(shù)據(jù)的采集、查詢和存儲管理。待更新和發(fā)布的軟件由軟件包和軟件包描述信息兩部分組成，所有的軟件包的描述信息都需要存儲在數(shù)據(jù)庫中，而軟件包物理文件存儲在文件存儲服務(wù)器中。動(dòng)力設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)則保存在數(shù)據(jù)庫（包括本地暫存和服務(wù)器儲存）之中，便于后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析處理以及數(shù)據(jù)的復(fù)用。

數(shù)據(jù)傳輸層。設(shè)備數(shù)據(jù)和軟件包數(shù)據(jù)邏輯上通過數(shù)據(jù)傳輸層向上逐層遞交，最終送達(dá)應(yīng)用層進(jìn)行處理。軟件包的數(shù)據(jù)包括軟件包自己的屬性信息和軟件包物理文件。設(shè)備數(shù)據(jù)包括動(dòng)力設(shè)備具體的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)與位置、運(yùn)行診斷狀態(tài)數(shù)據(jù)等。兩者在具體的實(shí)現(xiàn)上，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶卣鳎謩e采用了不同的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，具體細(xì)節(jié)將在論文的后續(xù)部分進(jìn)行描述。總之，傳輸層主要負(fù)責(zé)穩(wěn)定無誤的將應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

邏輯規(guī)則層。軟件包的數(shù)據(jù)與動(dòng)力設(shè)備的數(shù)據(jù)經(jīng)過傳輸層傳遞給應(yīng)用層，需要經(jīng)過邏輯規(guī)則層進(jìn)行一定的邏輯處理，將符合邏輯的數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用層，比如軟件包下載規(guī)則限定了軟件包下載的邏輯，只有符合該邏輯（如只有特定型號、特定批次的平臺，才能進(jìn)行某項(xiàng)功能的更新）的軟件包才能被下載更新升級。邏輯層保證只將符合規(guī)則的數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用層。

應(yīng)用層。應(yīng)用層是直接和用戶進(jìn)行交互的層次。包括了客戶端應(yīng)用、服務(wù)器端應(yīng)用。需求分析中提出的各種功能需求，都將在應(yīng)用層進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 車載終端設(shè)計(jì)

車載終端被設(shè)計(jì)成獨(dú)立的應(yīng)用程序，運(yùn)行在以STM32 為核心的硬件平臺上，采用uCos 作為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，使用MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。

車載終端的主要功能是采集動(dòng)力模塊的信息上報(bào)給服務(wù)器，并將服務(wù)器下發(fā)的指定傳遞至動(dòng)力單元，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲與發(fā)送。同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和可用性，車載終端還具備本地?cái)?shù)據(jù)存儲和獨(dú)立的電源模塊，可以支持網(wǎng)絡(luò)故障/中斷或外部電源故障時(shí)能夠正常工作一段時(shí)間。

車載終端硬件平臺圍繞MCU，提供了CAN、GPS/北斗模塊、可定制制式的4G 模塊、可選Wi-Fi 模塊等通訊接口，同時(shí)提供了板載Flash、板載備用電源、加速度傳感器等硬件資源，此外還支持通過TF卡進(jìn)行存儲容量的擴(kuò)展。車載終端的軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3：車載終端軟件架構(gòu)

3 服務(wù)器組設(shè)計(jì)

服務(wù)器組是實(shí)現(xiàn)氫能源監(jiān)測大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的核心，由應(yīng)用接入服務(wù)器、時(shí)序數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web服務(wù)器組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4：服務(wù)器組織結(jié)構(gòu)

應(yīng)用接入服務(wù)器主要負(fù)責(zé)接入設(shè)備的身份驗(yàn)證、負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)解析與預(yù)處理的工作，并將來自車載終端的數(shù)據(jù)寫入時(shí)序數(shù)據(jù)庫之中。

考慮到目前氫能源有軌電車的數(shù)量在萬輛級別，在未來的5 至10年內(nèi)可能增長到10 萬級別，我們在時(shí)序數(shù)據(jù)庫的選型中使用了可以支持每秒百萬級別并發(fā)寫入的TDEngine 作為時(shí)序數(shù)據(jù)的存儲部件，而摒棄了傳統(tǒng)的Kafka、HDFS/HBase/Spark、Redis大數(shù)據(jù)架構(gòu)，大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)、部署成本。一輛有軌電車由若干節(jié)車廂組成，每節(jié)車廂都搭載了氫能源動(dòng)力系統(tǒng)。因此，在TDEngine 數(shù)據(jù)庫建模時(shí)，選取車輛編號、發(fā)動(dòng)機(jī)編號雙標(biāo)簽為每類監(jiān)測數(shù)據(jù)建立超級表，可有效的應(yīng)對后端Web服務(wù)器的時(shí)序數(shù)據(jù)查詢和聚合查詢。

Web 服務(wù)器和MySQL 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為大數(shù)據(jù)的可視化展示提供支持。在設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中，本系統(tǒng)采用了ECharts 和百度地圖作為可視化組件，為氫能源監(jiān)測應(yīng)用進(jìn)行了定制，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行路線、能效分析、故障報(bào)警及處理等功能的可視化展示與響應(yīng)。

在實(shí)際應(yīng)用之中，可按系統(tǒng)的負(fù)載情況為服務(wù)器組分配物理運(yùn)行平臺。如當(dāng)在軌運(yùn)行的電車數(shù)量在10 萬輛以下時(shí)，可靈活的將應(yīng)用接入服務(wù)器與時(shí)序數(shù)據(jù)庫部署在一臺物理機(jī)上，Web 服務(wù)器和MySQL 服務(wù)器部署在另一臺物理機(jī)上，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的部署成本。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)目前已經(jīng)在某系列型號的氫燃料動(dòng)力有軌電車上得到了實(shí)際應(yīng)用。基于以TDEngine 為核心的時(shí)序數(shù)據(jù)庫，大幅簡化了大數(shù)據(jù)平臺的設(shè)計(jì)，降低了研發(fā)成本和運(yùn)營成本，提高了系統(tǒng)方案的靈活性和可擴(kuò)展性，為國家新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做了一定的貢獻(xiàn)，有較好的工程應(yīng)用價(jià)值和較為廣泛的應(yīng)用前景。