基于大數(shù)據(jù)分析的加氫站智能管理系統(tǒng)

王嘉煒，妙 叢

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074）

氫能是一種公認(rèn)的清潔二次能源，因其燃燒產(chǎn)物潔凈、燃燒效率高、可再生等優(yōu)點，近年來推廣速度逐漸加快，推動著氫燃料電池車和加氫站建設(shè)的快速發(fā)展。隨之而來的是不可忽視的安全問題，氫在生產(chǎn)、存儲、分配和使用過程中的安全至關(guān)重要，任何項目的災(zāi)難性失敗，都可能損害公眾對氫和燃料電池的看法。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外氫能交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展

美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家將氫能列入國家戰(zhàn)略，不斷加大研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化扶持力度。目前美國、日本等國家在氫能應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，并已形成比較規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。全球加氫站建設(shè)方面，現(xiàn)在共約有500多座加氫站，其中1/3是液氫儲運的加氫站，大部分在歐美，其次在日本[1]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1.2.1 氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

截至2021年底，國內(nèi)加氫站共建成177座，在運營的超過100座，繼續(xù)引領(lǐng)國際氫能源基礎(chǔ)設(shè)施布局，同時，在車用氫燃料電池、氫燃料電池車、氫燃料電池重卡、叉車、摩托車等應(yīng)用場景都有了長足的發(fā)展。

1.2.2 智能監(jiān)控在氫能產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)企業(yè)都十分重視氫能應(yīng)用過程中的安全監(jiān)控，各企業(yè)都在探索結(jié)合云技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對設(shè)備的安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，目前還都處于探索階段，但針對設(shè)備的安全監(jiān)控其實遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，應(yīng)逐步拓展到與政府、車輛運營商、設(shè)備運營商進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，在生產(chǎn)、儲存、運輸、加注、使用等多個環(huán)節(jié)對氫能安全進(jìn)行監(jiān)控。

2 加氫站運行管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 加氫站運行管理系統(tǒng)的特點

目前加氫站主要為氫燃料電池車供應(yīng)35 MPa或70 MPa高壓氫氣，在加注過程中，加氫站需要實時監(jiān)測站內(nèi)氫源余量，設(shè)備狀態(tài)和整站及加注過程的安全狀態(tài)，確保加氫站加注安全和穩(wěn)定運行。

在氫燃料電池車、加氫站示范運行階段乃至商業(yè)化運行初期、氫燃料電池車未全面推廣的條件下，用戶需求分布不均，部分加氫站加注能力已趨于飽和的同時，部分加氫站運行時間不足，制約了加氫站運營及用戶體驗的提升，對加氫站的推廣應(yīng)用不利。

2.2 現(xiàn)有發(fā)展?fàn)顟B(tài)的缺陷與差距

2.2.1 缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃

雖然我國各地政府機(jī)構(gòu)正在積極地開展氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展工作，成立了有關(guān)園區(qū)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，但是全國范圍內(nèi)尚未進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，各部門之間、地區(qū)之間、行業(yè)之間的分割情況較為普遍，缺乏頂層設(shè)計，資源共享不足，加上規(guī)劃意識與協(xié)調(diào)機(jī)制的薄弱，凸顯難以形成產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、研究成本過高、資源利用率過低無序重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象嚴(yán)重的態(tài)勢。

2.2.2 核心技術(shù)缺位

縱觀我國氫能的技術(shù)創(chuàng)新，相當(dāng)一部分是在國外已有技術(shù)基礎(chǔ)上的深化和發(fā)展，通過增加新功能，來滿足國內(nèi)的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但這并不是從無到有的原生態(tài)創(chuàng)新，所以也很難形成核心技術(shù)，導(dǎo)致大量采用國外技術(shù)和核心設(shè)備，在專利方面受制于人，導(dǎo)致成本過高拖累整個行業(yè)的發(fā)展。

2.2.3 規(guī)模化應(yīng)用不足，準(zhǔn)入機(jī)制不明確，對氫能安全造成隱患

我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展雖然有了一些基礎(chǔ)應(yīng)用，但目前國內(nèi)的應(yīng)用需求還是低層次的，還處在野蠻生長的狀態(tài)。這種現(xiàn)狀對于氫能安全利用造成嚴(yán)重隱患，這極大損害公眾對氫和燃料電池的看法，一定程度上制約了產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

當(dāng)前我國氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，取得了很大成就，但是在當(dāng)前氫燃料電池車未全面推廣的條件下，用戶需求分布不均，部分加氫站加注能力已趨于飽和的同時，部分站運行時間不足，制約了加氫站運營及用戶體驗的提升，對加氫站的推廣應(yīng)用不利。

3 基于大數(shù)據(jù)分析的加氫站智能管理系統(tǒng)

基于上述背景，本文設(shè)計了一種基于大數(shù)據(jù)分析的加氫站智能管理系統(tǒng)，采用大數(shù)據(jù)分析的方式打破了傳統(tǒng)意義上的站-車分離的狀態(tài)，實現(xiàn)了站-車數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)對加氫站運行計劃、車輛引流更為精準(zhǔn)的統(tǒng)籌優(yōu)化，對加氫站的設(shè)備安全穩(wěn)定，氫燃料電池車的推廣應(yīng)用及用戶體驗提升都有重要意義。

智能安全監(jiān)控平臺除了對加氫站運行進(jìn)行管理以外，還打通了氫能上下游鏈條，將從生產(chǎn)、儲存、運輸、加注、使用等多個環(huán)節(jié)，收集生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)、儲存指標(biāo)數(shù)據(jù)、運輸過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、加注數(shù)據(jù)、車輛使用數(shù)據(jù)等關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，深入發(fā)現(xiàn)原來忽視或不好管理的細(xì)節(jié)。然后依托物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、工作站，建立云端大數(shù)據(jù)管理平臺，形成“端+云+大數(shù)據(jù)”的業(yè)務(wù)體系和新的管理模式，建立產(chǎn)業(yè)鏈綜合管理平臺，打通從一線操作與遠(yuǎn)程監(jiān)管的數(shù)據(jù)鏈條。

構(gòu)筑的平臺通過智能采集層（傳感器）、結(jié)合運營商網(wǎng)絡(luò)和其他基礎(chǔ)設(shè)施，把數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器端，建立氫能數(shù)據(jù)中臺，整個中臺架構(gòu)如圖1所示，由計算存儲平臺、數(shù)據(jù)開發(fā)治理平臺、數(shù)據(jù)資產(chǎn)平臺、數(shù)據(jù)管理應(yīng)用平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺組成，采用先進(jìn)的云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動通訊等技術(shù)，通過“云+端”模式，將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、運輸數(shù)據(jù)、儲存數(shù)據(jù)、加注數(shù)據(jù)和車輛使用數(shù)據(jù)等及時上傳到智能管理平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)、安全、環(huán)境等各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的智能化、互聯(lián)網(wǎng)化管理。

圖1 加氫站智能監(jiān)控平臺架構(gòu)圖

4 技術(shù)路線與系統(tǒng)組成

4.1 大數(shù)據(jù)處理技術(shù)

加氫站及其上下游產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)以傳感器采集數(shù)據(jù)為主，隨著時間的推移，數(shù)據(jù)量會越來越大，傳感器歷史數(shù)據(jù)的積累對于業(yè)務(wù)服務(wù)具有非常大的價值。所以對于大數(shù)據(jù)的存儲和計算優(yōu)選當(dāng)前最先進(jìn)的基于Hadoop的分布式處理技術(shù)。

數(shù)據(jù)層架構(gòu)圖如圖2所示。大數(shù)據(jù)處理技術(shù)依托Hadoop等開放的底層技術(shù)。Hadoop是一種處理海量數(shù)據(jù)的并行編程模型和計算框架，用于對大規(guī)模數(shù)據(jù)集的并行計算，軟件開發(fā)者可以輕松地通過它編寫出分布式并行程序。Hadoop由許多元素構(gòu)成。其最底部是Hadoop Distributed File System（HDFS），它存儲Hadoop集群中所有存儲節(jié)點上的文件。HDFS（對于本文）的上一層是MapReduce引擎，該引擎由JobTrackers和TaskTrackers組成。通過對Hadoop分布式計算平臺最核心的分布式文件系統(tǒng)HDFS、MapReduce處理過程，以及數(shù)據(jù)倉庫工具Hive和分布式數(shù)據(jù)庫Hbase的介紹，基本涵蓋了Hadoop分布式平臺的所有技術(shù)核心[2]。基于Hadoop生態(tài)體系，整合先進(jìn)云計算技術(shù)，通過集成/優(yōu)化/封裝，可支持對海量結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲與高速處理，并且支持對數(shù)據(jù)的高并發(fā)快速查詢。

圖2 數(shù)據(jù)層架構(gòu)圖

4.2 基礎(chǔ)設(shè)施

4.2.1 網(wǎng)絡(luò)資源

因為涉及傳感器傳輸數(shù)據(jù)，所以網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可能異常復(fù)雜，同時需保證采集內(nèi)容的安全傳輸，都需要綜合考慮現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)條件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計，并在必要情況下支持人工數(shù)據(jù)錄入等手段保證數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

根據(jù)業(yè)務(wù)場景，涉及輸出傳輸?shù)姆?wù)對帶寬需求：采集回傳服務(wù)，包括遠(yuǎn)程回傳、終端采集等，上下行帶寬不低于2 Mbps；遠(yuǎn)程操作控制指揮服務(wù)，充分考慮穩(wěn)定性，上下行帶寬不低于10 Mbps；發(fā)布接口服務(wù)，大屏對接內(nèi)容發(fā)布，上下行帶寬不低于20 Mbps。

4.2.2 計算資源

由于涉及大量的設(shè)備，同時分布在不同的場景，對不同場景下的數(shù)據(jù)接入處理，需考慮對接平臺的I/O壓力；針對不同場景進(jìn)行交叉分析計算，牽扯大量的數(shù)據(jù)，需考慮服務(wù)器的計算能力。

4.2.3 存儲資源

平臺匯聚采集了大量的氫能產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為有多少傳感器就會有多少數(shù)據(jù)。假設(shè)有10 000臺采集設(shè)備，設(shè)備每天的傳輸數(shù)據(jù)量平均在100 K左右，則一年的數(shù)據(jù)量為100 K*10 000*365=365 G，同時考慮到未來發(fā)展趨勢，未來5~10年至少預(yù)留20倍于當(dāng)前的存儲空間。

4.2.4 大屏資源

大屏的尺寸需根據(jù)室內(nèi)版面的大小，做丈量以及相應(yīng)的設(shè)計。

4.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。根據(jù)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的不同階段采用不同的傳感器裝備，分別采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)、儲存數(shù)據(jù)、運輸數(shù)據(jù)、加注數(shù)據(jù)、車輛使用數(shù)據(jù)等，并回傳到數(shù)據(jù)中心。

圖3 數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4.4 主題數(shù)據(jù)庫建設(shè)

系統(tǒng)基于采集源構(gòu)建氫能生產(chǎn)標(biāo)簽主題、氫能儲存標(biāo)簽主題、氫能運輸標(biāo)簽主題、氫能加注標(biāo)簽主題和氫能使用標(biāo)簽主題等專題數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)資產(chǎn)分層建設(shè)，原始數(shù)據(jù)層盡可能保留原始全量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)層保留統(tǒng)一規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、標(biāo)簽數(shù)據(jù)層保持以對象為中心的全域標(biāo)簽數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)層面向特定應(yīng)用組裝的數(shù)據(jù)。

ODS：采集氫能產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)，幾乎不作處理或者只做簡單整合清洗。

DWD：傳統(tǒng)數(shù)倉層，維度建模，定義一致性指標(biāo)、維度，各版塊按照統(tǒng)一規(guī)范獨立建設(shè)。

TDM：實體建模，跨板塊跨業(yè)務(wù)，通過DT-mapping把各個業(yè)務(wù)板塊各個業(yè)務(wù)過程同一實體數(shù)據(jù)打通，數(shù)據(jù)應(yīng)用關(guān)鍵，針對氫能產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)可根據(jù)實際情況是否進(jìn)行實體建模。

ADM：按照業(yè)務(wù)的需要從中間層、標(biāo)簽層抽取數(shù)據(jù)組裝，以滿足業(yè)務(wù)以及性能需求為主。

通過數(shù)據(jù)模型的建立，業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入后，形成標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范統(tǒng)一的數(shù)據(jù)。

4.5 數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理

通過數(shù)據(jù)開發(fā)門戶提供統(tǒng)一的離線、實時、算法開發(fā)和相關(guān)的任務(wù)運維監(jiān)控服務(wù)，以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理、數(shù)據(jù)治理管理、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)安全管理等數(shù)據(jù)管理服務(wù)，快速完成數(shù)據(jù)清洗轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)融合等加工，以及相關(guān)的數(shù)據(jù)模型開發(fā)、標(biāo)簽開發(fā)和算法模型開發(fā)，輔助完成數(shù)據(jù)資產(chǎn)的建設(shè)，所有數(shù)據(jù)開發(fā)任務(wù)以任務(wù)流的形式存在，支持按時間周期以及任務(wù)之間的依賴關(guān)系進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度，并對任務(wù)進(jìn)行監(jiān)測，以基線的方式保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的正常產(chǎn)出。

數(shù)據(jù)管理功能主要包括元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)血緣、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)生命周期等幾大管理模塊，方便相關(guān)人員管理數(shù)據(jù)和使用數(shù)據(jù)[3]。

4.5.1元數(shù)據(jù)管理

（1）元數(shù)據(jù)：元數(shù)據(jù)信息包括數(shù)據(jù)對象以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如字段名稱、字段顯示名、字段長度、字段類型等。

（2）元數(shù)據(jù)查詢：查看數(shù)據(jù)存儲、字段、分區(qū)、產(chǎn)出信息，可以預(yù)覽數(shù)據(jù)，包括元數(shù)據(jù)目錄展示、查詢、高級檢索、詳情等。

4.5.2 數(shù)據(jù)血緣

支持?jǐn)?shù)據(jù)血緣追溯，通過血緣分析直觀展示數(shù)據(jù)的來源、數(shù)據(jù)間的關(guān)系。

4.5.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量管理

（1）表級監(jiān)控：支持對數(shù)據(jù)表的存儲、增長等進(jìn)行監(jiān)控。（2）字段級監(jiān)控：支持對字段的規(guī)范性，字段值等進(jìn)行監(jiān)控。（3）監(jiān)控告警：根據(jù)規(guī)則設(shè)置監(jiān)控和告警，支持短信、郵件、電話等多種告警方式，支持在告警的同時可以對前端的任務(wù)進(jìn)行阻塞操作。（4）數(shù)據(jù)質(zhì)量報告：提供綜合的數(shù)據(jù)報告，對各種信息進(jìn)行匯總、統(tǒng)計和分析，并可以導(dǎo)出和訂閱數(shù)據(jù)質(zhì)量報告。

4.5.4 數(shù)據(jù)生命周期管理

支持對數(shù)據(jù)進(jìn)行生命周期的設(shè)置，并可以提供相應(yīng)的生命周期建議，生命周期到期后具備完善的處理機(jī)制。

4.6 數(shù)據(jù)服務(wù)管理

數(shù)據(jù)服務(wù)管理是數(shù)據(jù)應(yīng)用的統(tǒng)一入口，對數(shù)據(jù)、工具、應(yīng)用統(tǒng)一管理并提供服務(wù)，包括分析服務(wù)、查詢服務(wù)、算法模型服務(wù)以及數(shù)據(jù)服務(wù)API管理，服務(wù)的發(fā)布端發(fā)布各種數(shù)據(jù)服務(wù)，服務(wù)的使用者申請相關(guān)服務(wù)權(quán)限，所有數(shù)據(jù)服務(wù)平臺統(tǒng)一管控，基于統(tǒng)一管控方便對服務(wù)調(diào)用、效果做監(jiān)控統(tǒng)計。

數(shù)據(jù)開發(fā)服務(wù)是數(shù)據(jù)使用和價值變現(xiàn)的基礎(chǔ)平臺，在數(shù)據(jù)使用者和數(shù)據(jù)提供者之間建立有效通道，本項目數(shù)據(jù)打通類需求，通過數(shù)據(jù)服務(wù)模塊滿足。數(shù)據(jù)服務(wù)包含接口服務(wù)概覽、接口服務(wù)生成、接口服務(wù)管理等功能。

4.7 業(yè)務(wù)可視化

4.7.1 建立指標(biāo)體系

氫能數(shù)據(jù)展示需根據(jù)整個產(chǎn)業(yè)鏈中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，分不同的版塊進(jìn)行指標(biāo)梳理。整體可分為生產(chǎn)版塊、儲存版塊、運輸板塊、加注板塊、車輛使用板塊。

4.7.2 大屏版面設(shè)計

建立完指標(biāo)體系之后，則可根據(jù)大屏的大小，進(jìn)行整體的設(shè)計，整屏分為多個版面，每個版面承載一個板塊的指標(biāo)。對于一個板塊指標(biāo)體系較多，可設(shè)計分屏展示。氫能汽車運營調(diào)度大屏的示例如圖4所示。

圖4 智能安全監(jiān)控平臺建設(shè)-大屏展示

4.8 虛擬現(xiàn)實內(nèi)容快速生成

氫能全流程管理，針對回傳數(shù)據(jù)，可借助“數(shù)字孿生”技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)實內(nèi)容1∶1虛擬化實現(xiàn)，提升應(yīng)急處理能力。

平臺提供組件化、模式化的通用內(nèi)容解決方案。場景組件均基于標(biāo)準(zhǔn)場景組件接口，實現(xiàn)高程數(shù)據(jù)+衛(wèi)星貼圖+局部精細(xì)建模。一旦發(fā)生應(yīng)急事件，根據(jù)模擬場景來進(jìn)行指揮調(diào)度。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈場景模擬包括生產(chǎn)場景模擬、儲存場景模擬、運輸場景模擬、加氫場景模擬、車輛使用場景模擬。模擬場景可配合大屏、傳感器數(shù)據(jù)實時顯示，輔助決策和運營。

5 結(jié)束語

根據(jù)《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》[4]，預(yù)計到2025年國內(nèi)燃料電池汽車總量將達(dá)到30 000輛，配套的加氫站將達(dá)到上千座，制氫、儲氫總量達(dá)到30 000 t以上，液氫、氫氣轉(zhuǎn)運車輛千余輛。

通過智能安全監(jiān)控平臺的應(yīng)用與推廣，可實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的安全監(jiān)控與數(shù)據(jù)共享，方便整體統(tǒng)一指揮調(diào)度，保證整個氫能產(chǎn)業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。僅就安全預(yù)警一項應(yīng)用即可實現(xiàn)年節(jié)約運行成本5 775萬元。