充電站運營綜合管理平臺的設計與實現

王兆波

關鍵詞：充電樁管理系統(tǒng)；充電站運營；物聯(lián)網；云計算；大數據；數據采集

0 引言

為了節(jié)能減排，保護環(huán)境，近年來，國家大力發(fā)展新能源汽車，隨著新能源汽車保有量的不斷增大，新能源汽車充電樁、充電站也正在大力發(fā)展建設，目前大部分充電站場的運營、運維、消防等管理比較薄弱，尤其是直流充電樁都是高電壓，汽車電池充電異常，使充電站場存在一定的安全隱患，因此為了解決這些問題，提高充電樁的運營、運維管理效率，需要構建一套開放、智能、互動、高效、安全的電動汽車充電站場綜合管理服務平臺，實現對充電站場遠程運營、運維管理及消防管理，尤其是對充電過程數據的實時監(jiān)控及集成站場監(jiān)控系統(tǒng)，實現對站場的全面監(jiān)控管理，盡可能地杜絕一切安全隱患。本文根據充電站場管理的實際需求，采用大數據處理、云服務、物聯(lián)網等技術，采用C/S數據采集，B/S的應用架構，實現充電站綜合管理服務平臺，管理人員通過PC瀏覽器登錄平臺，運維人員可通過手機App登錄，充電用戶通過手機App或微信公眾號登錄。

建設充電站運營運維管理平臺，實現運營管理、運維管理、安防管理，從而實現對充電站場全面、高效、安全的全方位管控。

1 需求分析

充電站場多，地理位置分布比較散而遠，管理成本高且難度大。充電站的主要充電設施是充電樁，充電樁的運作情況對整個充電站的運營影響非常大。充電樁運維效率低，設備管理混亂，嚴重影響站場正常運營。站場內充電樁數量多，人員復雜，高壓設備等，存在一定的安全隱患。

本平臺不僅實現充電樁的運營管理、運維管理、安防管理，還通過對車輛充電過程的實時數據監(jiān)測，同時對站場、箱變環(huán)境參數及煙感狀態(tài)進行采集，發(fā)現異常及時預警，并自動停止充電，如遇突發(fā)情況，通過平臺調用現場監(jiān)控設備，可以遠程了解現場情況，指揮現場處置。主要需求模塊如下：

1） 運營管理模塊，主要包括用戶管理、訂單管理、充值管理、價格管理、發(fā)票管理、統(tǒng)計報表、效益分析等，主要實現根據用戶具體充電時間計價，按充電量或充電時長計費，生成訂單并完成結算，能夠通過多個維度統(tǒng)計分析各個充電站場的運營情況及經營效益。

2） 運維管理模塊，主要包括運維人員管理、巡檢管理、維修管理等，主要實現通過現場監(jiān)控設備督促巡檢人員對設備巡檢計劃的有效執(zhí)行，及時發(fā)現并解決問題隱患。設備出現故障，可由系統(tǒng)自動配單到維修人員或由工作人員手動派單，并對維修情況及維修結果資料進行管理。

3） 安防管理模塊，主要包括安防監(jiān)控攝像頭管理、消防器材管理、監(jiān)控設備配置管理、站場環(huán)境參數采集監(jiān)測、異常情況的圖片及視頻資料管理等，主要通過監(jiān)控設備的人臉識別技術、場景識別技術，實現對危險人員、危險操作的及時識別、預警，并保存記錄。

4） 車輛管理模塊，主要包括車輛信息管理、車輛運行軌跡監(jiān)控、車載電池信息監(jiān)測等，本模塊主要針對自有或合作單位有營運車輛，主要通過車輛VIN 碼，實現插搶即充電，無須現場結算。實現對車載電池信息的實時監(jiān)測，能夠對電池使用過程中出現的異常進行預警，通過對數據分析，對電池可能將要出現的故障，進行提前提醒。

5） 設備監(jiān)控模塊，主要包括充電樁運行狀態(tài)監(jiān)測，充電電池監(jiān)測，故障監(jiān)測等，本模塊主要是對充電樁和車載電池運行情況進行持續(xù)實時監(jiān)測，尤其是對電池充電過程的交互數據進行監(jiān)測分析，出現異常情況（如電池溫度超高等），充電樁自動終止充電，平臺通知與充電樁綁定的監(jiān)控設備發(fā)出聲光報警，并在站場內監(jiān)控屏幕顯示報警信息。

6） 告警模塊，主要包括告警規(guī)則配置，報警設備綁定管理等，本模塊主要實現告警規(guī)則的配置，報警終端配置，如果站場內發(fā)生事故，可以遠程通過平臺綁定的監(jiān)控設備，實時查看現場畫面，方便上級領導及時對現場處置進行指揮。

2 系統(tǒng)總體設計

充電樁和監(jiān)控攝像頭均采用無線連接方式，接入本平臺，無線信號不穩(wěn)定的地方，則改用有線連接入網。

集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控圖像數據分別送往存儲設備進行存儲，視頻服務器進行解碼顯示在監(jiān)控設備上。監(jiān)控攝像機抓的圖像、人臉識別等數據，通過移動網絡發(fā)送到運營平臺，平臺也可以對攝像頭進行的控制操作。

平臺后端監(jiān)管，可以分站場和總部，進行兩級部署，站場部署大屏，顯示本站充電樁運營狀態(tài)，異常時，自動發(fā)出告警，無須專人值守。

1） 設備層

設備層主要是監(jiān)控攝像機、直流充電樁、環(huán)境監(jiān)測相關傳感器，攝像機及充電樁都集成數據傳輸設備，支持有線及無線連接網絡。本層用于完成設備運行數據的采集和系統(tǒng)下發(fā)控制指令的接收及執(zhí)行。采集的數據包括攝像頭抓拍的圖像，充電樁空閑時的心跳，充電樁充電的簽權及交易數據，充電電壓、電流、車載電池的參數及實時溫度。本系統(tǒng)還支持第三方軟件接口的集成，主要用于電池的實時溫度監(jiān)測及車輛GPS定位等。

2） 網絡層

網絡層主要是將設備采集的數據通過無線或有線網絡傳輸到云端數據服務器，根據實際場地環(huán)境選擇網絡連接方式。移動網絡信號穩(wěn)定的地方，選擇4G/5G網絡；移動網絡信號不穩(wěn)定或信號很弱的地方，選擇Internet有線網絡。

3） 數據層

數據層主要有數據采集服務、數據處理服務、數據存儲服務，實現數據的接收、分析計算、處理存儲、數據查詢等，交易數據存儲在業(yè)務數據庫，設備狀態(tài)監(jiān)測數據先暫存于實時數據庫，經過處理后，再轉存到業(yè)務數據庫。

4） 應用層

應用層主要是負責基礎數據的編輯，交易數據的統(tǒng)計分析，監(jiān)測數據的異常檢測預警、分析，數據匯總展現、報表統(tǒng)計查詢等業(yè)務處理。

3 數據采集子系統(tǒng)實現

本平臺主要是對充電樁運行狀態(tài)，尤其是對充電過程中狀態(tài)參數及電池系統(tǒng)的實時狀態(tài)參數的監(jiān)測，以及對充電交易的信息交互，因此設備數據采集對本平臺至關重要。平臺通過監(jiān)控攝像頭內置的傳輸設備實現圖像信息采集，通過充電樁設備內置的傳輸設備實現狀態(tài)監(jiān)測及充電實時數據采集。

數據采集處理過程采用分布式處理，以保證系統(tǒng)高并發(fā)時的可靠性。

充電樁等設備與云端數據采集Netty[5]服務器通過TCP Socket 長連接的方式，進行數據傳輸，充電樁以2 秒一次向Netty 服務器發(fā)送心跳，以保持在線狀態(tài)。

Netty服務器接收到數據后，經過解析后轉發(fā)到RabbitMq[6]消息隊列中。

消息處理程序持續(xù)地從消息隊列中讀取消息，進行解析處理，根據設定的編碼規(guī)則，將消息數據重新編碼，逐條存入文件中，文件按設備和日期獨立存儲；解析過程中檢查報文類型，如果類型為溫度、電壓等異常告警時，即將該狀態(tài)數據存入Redis[7]中，Redis根據字段值的變化，觸發(fā)相應的事件處理程序。

數據處理程序不斷地遍歷數據文件，讀取文件中新寫入的數據，進行解析處理，根據數據內容，分別存儲到臨時數據庫和業(yè)務數據庫，臨時數據庫中存儲的數據，主要是電池充電過程中的進度、溫度、電流等實時變化數據，用于對近期指定充電過程的統(tǒng)計分析，對設備異常及交易異常的分析。

充電設備上線數據報文通用的數據類型標識語義如下[8]：

消息處理程序從消息隊列中讀取消息，解析消息報文內容，再根據報文類型進行重新編碼后，以十六進制格式存入文件。文件根據充電設備及日期分類存儲。

文件編碼格式示例如下：

消息處理程序在解析消息的同時，檢查消息類型，如果類型為需要實時監(jiān)測的狀態(tài)信息時，即將該狀態(tài)數據存入Redis 中，利用Redis 的鍵空間通知，實現自動觸發(fā)事件，啟動相應的處理程序，例如將充電樁心跳數據存入Redis鍵值中，然后Redis開始對該鍵值更新時間進行倒計時，如果在設定時間內沒有對該鍵值進行數據更新，則觸發(fā)超時事件，即充電設備離線告警。

數據處理程序從存儲的文件中，讀取并解析數據，根據業(yè)務邏輯運算，分別將數據存儲到臨時數據庫和業(yè)務數據庫。

4 系統(tǒng)界面功能實現

平臺采用Java語言開發(fā)，后端包括Web應用程序及數據處理程序，Web應用系統(tǒng)采用B/S模式，前端采用JSP、JS、Ajax等腳本語言，圖表控件使用開源的Echarts。

Web應用程序采用Java EE應用的分層設計與開發(fā)，系統(tǒng)中的對象按層分為：數據對象，業(yè)務對象和展現層對象，分別負責系統(tǒng)的數據持久化、業(yè)務邏輯處理和頁面渲染展示。利用統(tǒng)一的接入服務，業(yè)務對象可以為不同的客戶端提供服務，同時也能方便地轉換為WebService發(fā)布。

分層體系結構，將系統(tǒng)邏輯、業(yè)務邏輯與數據邏輯相分離，提高了系統(tǒng)的并行操作能力及系統(tǒng)的整體運行性能，基于Spring框架的開發(fā)，降低編碼開發(fā)難度和成本，同時降低了程序組件間的耦合度，極大地增強了程序的可維護性和可擴展性。

平臺業(yè)務應用系統(tǒng)根據不同的用戶分為三個部分，分別為充電客戶使用的終端App，設備運維人員的終端App，平臺管理系統(tǒng)。

充電客戶使用的App，供使用充電樁充電的車主用戶使用，主要為用戶提供充電站查找、地圖導航、掃碼充電、充電結算、充電進度查看、消費記錄查詢等功能。

設備運維人員的終端App，供站場內充電樁日常巡檢及維修的人員使用，主要功能有站場地圖、地圖導航、派單通知、工單完成進度、工單查詢、巡檢記錄等。

平臺管理系統(tǒng)，供管理人員使用，實現對充電站場的全面運營管理、信息維護、經營分析，系統(tǒng)主要包含運營管理、運維管理、安防管理、車輛管理、設備管理、告警/配置、設備狀態(tài)監(jiān)測、站場管理、賬號管理、日志管理等功能模塊。

運營管理模塊主要實現充電交易的管理，主要功能為：訂單的管理、電費單價管理、充電服務費管理、充值管理、發(fā)票管理、統(tǒng)計報表、經營分析等。

運維模塊主要實現對充電樁的日常巡檢及維護的管理，主要功能為：巡檢管理、維修管理、運維人員管理等。

設備監(jiān)測主要實現對充電樁充電過程中的實時參數采集、分析，發(fā)現異常及時終止充電并發(fā)出告警信息；檢測到交易終止條件時，通知充電設備終止充電。

5 結束語

云計算、物聯(lián)網和大數據代表了信息技術領域最新的技術發(fā)展趨勢，也是當前最熱門的信息應用技術，在很多行業(yè)領域中都得到了成功的運用。本文介紹的充電站場運營綜合管理平臺，通過將終端充電設備進行聯(lián)網，對設備運行信息及站場的環(huán)境的在線數據采集，大數據量分析，實現對零散分布在各個區(qū)域的充電站場進行全面管理，也是云計算、物聯(lián)網技術的一個實際應用。本平臺已上線應用，實際應用效果比較顯著，實現了地理上分散的充電站場整體綜合管理；實現了車輛通過VIN碼，插搶自動識別充電，簡化人工操作；系統(tǒng)的數據統(tǒng)計，幫助管理人員了解各充電站場的充電樁的使用效率；系統(tǒng)的運維管理，提高了管理人員對充電樁設備的日常巡檢及維護的管理效率，結合現場監(jiān)控設備，實現了對日常巡檢及維護工作的監(jiān)督；平臺的異常監(jiān)測告警和現場監(jiān)控攝像機的實時監(jiān)控及異常抓拍，為充電站場的安全運營，提供了保障。