新能源汽車數據采集云端鏈路設計

[摘 要]近年來，新能源汽車已然成為市場銷售熱門，為實現新能源汽車的安全管理及行駛安全保障，國家對新能源汽車安全監管體系建設提出嚴格的要求，就企業而言，必須依照GB/T32960的要求搭建自己的汽車監控平臺，實現新能源汽車數據的實時采集，并與國家、地方政府平臺對接傳輸。本文設計一種新能源汽車車輛行駛數據采集的云端鏈路，并對云端鏈路的架構進行介紹。

[關鍵詞]新能源汽車；車輛行駛數據采集；云端鏈路

中圖分類號：U469.72文獻標志碼：A文章編號：1003-8639（2023）

Talking about a new energy vehicles data collection cloud link

Wenquan Qin，Liang Zhang，KangzheGui，LihuaHuang，Laixi Guo

SAIC GM Wuling Automoblie Co.，Ltd .，Guangxi Laboratory of New Energy Automobile，Guangxi Key Laboratory of Automobile Four New Features，Liuzhou Guangxi，545007，China

[Abstract] In recent years，new energy vehicles have become popular in the market.In order to realize the safety management and driving safety of new energy vehicles，the state has put forward stricter requirements for the construction of new energy vehicle safety supervision system. For enterprises，they must build their own vehicle monitoring platform in accordance with the requirements of GB/T32960，realize real-time collection of new energy vehicle data，and connect with national and local government platforms for transmission. This paper briefly introduces a cloud link for the collection of driving data of new energy vehicles.

[Key words]New-energy vehicles；Vehicle driving data collection；Cloud link

作者簡介：覃文泉（1998—），男，助理工程師，主要從事大數據方向。

收稿日期：2022-11-07

自1886年卡爾本茨發明出三輪汽車并獲得專利后，以內燃機為核心的燃油汽車得到了突飛猛進的發展，直至今日，傳統的燃油車依舊是活躍在公路上的大頭。然而，石油資源的日益枯竭以及燃油車對環境的污染使人們對于新能源汽車愈發重視。

20世紀90年代，電池技術遲遲未能迎來重大突破，純電動汽車的制造盈利面臨巨大挑戰，在此背景下，傳統汽車制造商們另辟蹊徑，開始研究混合動力汽車，也就是我們常說的混動汽車，PHEV和HEV逐漸嶄露頭角。

進入21世紀后，電池技術迎來突破，意味著純電動汽車的時代拉開序幕。

新能源汽車被定義為使用非常規車用燃料作為動力來源，綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術，形成的技術原理先進、具有新技術、新結構的汽車，包括純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車、氫發動機汽車等。當然在目前市場上，純電動汽車顯然被認為是新能源汽車的代表，混動和燃料電池汽車齊頭并進[1]。

鑒于全球石油危機的影響及新能源汽車在節能減排及環境保護中所扮演的重要角色，國家高度鼓勵新能源汽車的研究和發展并大力扶持，國內新能源汽車制造廠商如雨后春筍般紛紛涌出，新能源汽車也快速進入老百姓的眼簾。據中國汽車工業協會統計，2022年中國新能源汽車保有量達1310萬輛，約占全球新能源汽車總量的63%。

面對如此龐大的新能源汽車保有量，安全監管變得至關重要，國家也高度重視新能源汽車的安全性問題，時至今日，國家出臺了一系列標準，2016年推行的GB/T.32960《電動汽車遠程服務與管理系統技術規范》便是其中之一。

GB/T.32960規定建立國家、政府、企業3級新能源汽車監控平臺，實現數據的實時采集與傳輸，因此，電動汽車廠家需要搭建自己的汽車監控平臺，以實現符合國家標準的新能源汽車實時數據的采集與傳輸?；诖诵枨?，本文淺談一種新能源汽車實時數據采集的云端鏈路架構，實現新能源汽車的實時數據采集。

1 "云端鏈路基本架構

1.1 "總體架構介紹

新能源汽車數據上傳的心臟器官是車載終端，車輛行駛時，車載終端會向云端上傳實時報文，在滿足國標要求的前提下，報文采集頻率及上傳頻率由汽車廠商自己設定。

車載終端通過預先設定好的IP將報文上傳到云端，首先經過的是負載均衡，然后到達前置機，并在此進行云端平臺的登錄鑒權及報文解析。前置機鑒權通過后，大量數據會進入到消息隊列中，并通過分布式日志收集系統對其進行處理，再傳輸到大數據存儲集群中儲存或進入大數據計算集群、應用服務集群中加以利用，最終以可視化的形式呈現在企業監控平臺客戶端上。采集云端鏈路總體架構示意如圖1所示。

圖1 "采集云端鏈路總體架構示意圖

1.2 "負載均衡

負載均衡是數據流經過的第1道關卡，為什么要做負載均衡呢？

負載均衡顧名思義起到均衡數據流的作用，當車載終端的數量達到一定量級或處在車流高峰期時，會存在大量報文數據在短時間內從車載終端涌入前置機，若不做負載均衡，這些數據流有可能同時涌入同一臺前置機，給其造成巨大壓力。當前置機性能不足以處理這些數據流時，容易出現宕機的情況，從而影響業務。

那么負載均衡會起到什么作用呢？舉個簡單的例子，上學時會有一個課間操環節，當課間操結束后，學生們會在同一時間內從幾個門離開，這時極有可能出現大量學生同時擠向同一道門，產生擁擠的現象。但是，當每一道門都有教師在一旁指揮，將學生們平均分配給每一道門，且同一時間每道門只允許相同人數的學生通過，那么基本就不會出現擁擠的情況發生。負載均衡在云端鏈路中就扮演著老師的角色，將數據流均衡發送給各個前置機，防止某臺前置機因無法處理過量數據而出現宕機的情況。

通常來說，市面上廣泛應用的負載均衡技術有3種，分別為：基于DNS的負載均衡、基于軟件的負載均衡以及基于硬件的負載均衡，3種負載均衡有著各自的應用場景。

1）基于DNS的負載均衡是3種負載均衡技術中最簡單，也最容易實現的技術，其按照就近原則對用戶的請求進行分流處理。當服務器收到用戶的域名訪問請求時，首先會將IP地址解析出來，然后DNS服務器會根據用戶的地理位置返回對應區域的IP，實現負載均衡。其優點顯而易見，配置簡單，成本低，無需額外的開發及維護工作，缺點是受DNS多級緩存的特性限制，配置發生修改時IP無法及時更新，影響到負載均衡的效果。

2）基于軟件的負載均衡是目前市場上使用得最多的技術方式，指的是通過軟件方式實現流量的分發，如LVS和Nginx，二者的區別為：LVS是基于傳輸層做的流量分發，處理量在幾十萬每秒；Nginx則基于應用層做的流量分發，處理量只有幾萬每秒?？梢愿鶕唧w使用場景及流量規模選擇合適的方式進行負載均衡，二者成本都不高，但需要技術人員進行維護、優化[2]。

3）基于硬件的負載均衡技術顧名思義就是使用硬件進行流量分發處理，其處理能力是最佳的，并具有安全功能，如防火墻等，但相對要付出的成本也是最大的，所以這類技術只有不差錢的企業會去使用。

1.3 "前置機

一般而言，企業都會擁有自己的后臺處理系統用來對數據進行處理，或是向外提供接口服務，但是，我們不可能會讓外部業務直接訪問企業后臺系統，首先從數據安全角度就不被允許，其次從其他角度看也存在極大的業務風險，因此，我們需要采用一種技術方式將其進行隔離，前置機扮演的正是這個角色，如圖2所示。

圖2 "前置機交互圖

前置機指的是一種運行在企業內網，通過專線或硬件隔離技術實現與外網連接的計算機，當然該計算機上要運行相應的軟件。前置機可以是虛擬機也可以是物理機，相比于虛擬機，物理機性能更加穩定，實現的效果也更好。

通常來說，前置機具有隔離主機的作用，就像一臺適配器，也起到數據調度管理的作用，減輕后臺服務器的負擔，同時具有一定數據處理能力，如數據格式轉換等[3]。

作為內網守門員，實現與外部車載終端的直接交互，前置機應該是不二之選了。

1.4 "消息隊列服務

采集的數據進入后臺系統后，也需要在內部進行流轉，給各個計算任務等使用。

GB/T.32960中規定車輛信息上報的時間周期最大不應超過30s，若發生3級報警時，信息采樣周期不大于1s。僅從國標規定的報文采集頻率我們就能預想到業務流量是不小的，且隨著企業接入平臺的車輛數的增長，特別是用車高峰期的到來，業務流量暴增，很容易發生由于服務器處理能力不足導致應用掛掉的情況。因此，使用消息隊列中間件是一種有效的解決方案。

消息隊列是分布式系統中的重要組件，主要用于解決異步消息、應用解耦和流量削峰等問題。像上面提到的流量高峰問題，使用消息隊列中間件后可以先把收到的請求放到隊列中，根據服務器處理能力分配消費，當然處理時長會比正常情況下要慢些，但不至于直接掛掉，等流量高峰期過去之后，服務器也就沒了壓力。

保證了流量高峰期服務器不會掛掉，接下來該考慮的就是大量日志數據的保存與使用問題，消息隊列組件中的分布式日志收集系統正好能應用于此。

日志收集系統分為Zookeeper注冊中心、日志收集客戶端、Kafka集群和Storm集群4部分。其中，Zookeeper為注冊中心，是一個開源的、分布式的程序協調服務，主要用于配置管理、集群管理等；日志收集客戶端主要用于日志采集并將其推送至Kafka；Kafka是一個高吞吐的、可擴展的分布式消息隊列，可作為一種高性能、低延遲的日志存儲系統使用，也可作為分布式消息消費系統使用；Storm是一種分布式實時大數據計算系統，可以實時消費隊列中的大批量數據，畢竟車輛數據處理的實時性要求很高，如預警功能等，Storm作為實時版Hadoop能夠很好地解決實時性需求，且可伸縮性很高，擴展一個實時任務只需要提高計算任務的并行度即可，同時Storm存在重試機制，容錯性較高[4]。

當然，市面上還存在其他各式各樣的系統組件，根據實際業務場景選擇最合適的組件才是性價比最高的方式。

1.5 "應用服務集群及前端web平臺

1.5.1 "應用服務集群

將車載終端數據接入到后臺系統后，接下來就該結合業務場景對使用功能進行開發，而應用服務集群就是對各項應用服務的服務器進行集中，比如對車輛運行軌跡的遠程監控服務，將數據轉發到國家、政府平臺的數據轉發服務，配置中心及一些開放接口服務等。

使用服務集群可以利用多個計算機進行并行計算，提高計算速度，同時也能減少單點故障數量，實現集群化資源的高可用性。但是，使用集群最主要的目的還是實現負載均衡，集群化后可以將客戶端的請求盡可能平分到集群的機器中，即使某臺服務器因請求過高而出現故障，也可以通過負載均衡規避掉，使用戶能夠正常訪問。

1.5.2 "前端web平臺

經過上述的一系列步驟之后，車載終端的數據有了，針對業務場景的功能開發也完成了，最后就是將數據和功能展示出來，即可視化Web頁面開發。

通俗來說，企業檢測平臺就是一個Web瀏覽器頁面，上面集成了多項便于企業運營人員針對不同業務場景所使用的前端功能，如車輛列表查詢、車載終端報文查詢、車輛數據轉發甚至是與終端交互的遠程控制指令的下發等，能夠滿足企業運營人員開展日常工作的需求。

2 總結

本文針對新能源汽車發展背景、數據采集需求，介紹了一種新能源汽車數據采集的云端鏈路架構，簡單描述了鏈路中負載均衡、前置機及消息隊列的部分常用技術，當然市面上相關技術還有很多，最好是根據實際業務場景選擇性價比最高的技術方式，本文介紹的云端鏈路架構具有一定的參考意義。

參考文獻：

[1]于永初. 新能源汽車發展勢不可擋[J]. 汽車工藝師，2022（4）：5.

[2]周瑩蓮，劉甫. 服務器負載均衡技術研究[J]. 計算機與數字工程，2010，38（4）：11-14，35.

[3]陳鑫. 多機冗余前置機系統[D]. 濟南：山東大學，2011.

[4]劉邦，余華平. Kafka分布式消息隊列的高性能研究[J]. 電腦知識與技術，2019，15（32）：4-6.

（編輯 "楊 "景）