基于车载终端的电动汽车运营监控系统设计

马逸然，王　蔚

（1.山东科技大学，山东　济南　250031；2.国网山东省电力公司济南市章丘区供电公司，山东　济南　250012）

0　引言

电动汽车作为一种清洁、高效交通工具，受到了世界各国的广泛重视与大力推广。发展绿色电动汽车产业也成为我国的重要能源产业政策，是未来交通工具的发展趋势，是实施可持续发展和新能源战略的战略决策[1]。

发展电动汽车是中国的重要产业政策，在未来电动汽车大规模普及的情景下，电动汽车及其充换电设施大量接入电网，必然对现有电网造成冲击[2-3]。电动汽车及其充换电业务作为智能用电的一项新型业务，和传统的电力业务相比，从业务范畴、业务边界、业务流程、业务标准上都几乎没有成熟经验，而且欧美国家在电动汽车充换电的业务开展也尚处在探索和试验阶段[4-5]。

为推动电动汽车产业的发展，需要通过现代化的技术手段和管理方法对电动汽车进行统一监控，实现电动汽车的安全和可靠运行[2-5]。我国明确规定对新能源汽车进行实时监控，以对新能源汽车质量进行跟踪。目前国内的主要电动汽车监控系统研制均采用了集中式监控。在电动汽车运营规模和地域较小、监控目标少、数据量小及数据处理算法相对简单时，单纯依靠异种设备互连和系统集成技术的集中式监控可以满足电动汽车运营系统监控需要。但随着电动汽车规模和运行地域的急剧扩大和运营环境的不断复杂化，集中式监控将越来难以满足今后电动汽车运营监控的需要。这使得电动汽车监控系统规模庞大，结构复杂，性能要求高，系统可靠性和安全性面临巨大挑战[5]。为实现电动汽车及其充换电设施的有序运营管理，进一步完善电动汽车运营、管理、维护，必然需要对电动汽车及其充换电设施进行实时监控和有序调度，实现电动汽车及其充换电设施的安全和可靠运行[4-5]。

为了解决上述问题，本文分析了现有的电动汽车及其充换电设施的运营特点，通过系统需求分析确定电动汽车运营监控系统的功能需求，应用CIM（通用信息交互模型）框架模型，采用分层监控的方法，提出了一种具有良好可靠性的电动汽车运营监控系统。同时，在系统的设计和开发中大量应用框架和设计模式，提高系统的可靠性。

1　功能需求

1.1　系统技术特点

1.1.1　监控设备种类较多

电动汽车运营涉及配电网、充换电设施、电动车辆等多个系统，涉及设备复杂多样，技术参数难以一致[5]。电动汽车监控系统需要接入电动汽车运营涉及的异构系统和设备，实现异构环境中进行信息的共享、互联和互操作[6-7]。

1.1.2　运行环境复杂

电动汽车运营环境复杂多样，在充换电站等区域内电磁环境复杂多样，极大考验着系统的可靠性。此外，电动汽车车载终端运行工况复杂，运行环境灰尘大，温差大，对监控设备的稳定可靠运行要求较高[8-11]。

1.1.3　系统功能需求特殊

电动汽车运营监控系统需要实现对正常运行状态电动汽车的监控，对处于充换电状态的电动汽车及其充换电设施进行监控。除系统监控外，还需实现电动汽车安全防护子系统与充电设施、配电设施监控等子系统的实时联动。此外，还需在集中管控平台中对监控数据进行分析，提前对电动汽车充换电进行有序引导，实现电动汽车的有序充电，实现多个监控、管理子系统在集中管控平台上的融合。

1.2　系统功能需求

电动汽车运营监控系统主要是通过车载终端实现对电动汽车运行速度、位置、电池状态进行监控，以及电动汽车充电设施有关的配电设备、充电设备、电池更换设备、安全防护设备的实时监控与管理，确保电动汽车的安全、可靠、高效运行。

目前，电动汽车运营管控系统从功能上主要分为车辆监控、电池监控、位置监控、身份识别、远程控制、安全防护、充换监控、换电监控、车辆管理9个模块。

2　系统方案

2.1　电动汽车监控模式

电动汽车运营监控系统从采用分层监控模式，总体上分为集中监控平台、站级监控平台、车载终端3层，以电动汽车、充电站、换电站等相关电动汽车运营主体为监控对象，构建以集中监控平台为核心，实现跨区域、全覆盖的电动汽车运营监控系统。

分层监控模式，其基本思路是通过将监控对象分为不同的层级，各个层级在服从整体目标的基础上，相对独立地开展控制活动。分层监控思路清晰，易于扩展，可靠性高，适用于大规模电动汽车的调度控制[12]。可以有效地在监控端和数据采集端之间通过层级式的中间层结点进行配置，有效兼容集中式监控和分布式监控，具有很好的灵活性，降低了单点失效的风险，提高了系统的负载能力[13-14]。

在分层的电动汽车运营监控系统架构中，集中监控平台是整个系统的运营管理核心，依据电动汽车信息、充换电设施、路况等约束信息，对电动汽车及其充换电设施进行调控，实现电动汽车有序充换电和安全可靠运营。站级监控平台是本地充换电设施、电动汽车集群的数据采集和监控中心，对监控区域内的电动汽车进行实时监控，对电动汽车充换电设施进行调控，实现电动汽车的有序充换电和可靠运行。

2.2　监控系统通信模式

如图1所示，电动汽车运营监控系统在站级监控系统与集中监控平台之间通过国家电网公司SDH骨干传输网进行数据交互和通信。国家电网公司SDH骨干传输网以骨干通信电路、跨区联网通信电路为主，各级通信网协调发展的电力专用通信网。综合数据网中继带宽由n×155 Mbit／s增加至m×1 000 Mbit／s，通信网承载能力完全可以满足电动汽车运营监控的要求。

电动汽车接入站级监控平台通过GPRS无线通信方式接入网。电动汽车移动范围广、流动性大、分散程度高。GPRS是目前无线远程监控系统中传输速率与经济性兼具的无线通信方式，在相对较低的网络使用资费情况下，具有较高的网络传输速率，可以快速有效接入站级监控平台。同时，由于GPRS远程监控场景的大量应用，其可选设备数量多，成本相对较低。GPRS支持SMS短消息服务，使其在灵活性和易用性方面更具优势。此外，GPRS多模芯片兼容3G和2G通信模式，使其在灵活性和易用性方面更具优势。因此，GPRS无线通信方式是目前无线监控系统可采用的最好的通信方式[13-14]。此外，集中监控平台也可直接通过GPRS网络实现对电动汽车运行位置信息的直接控制。

图1　电动汽车运营监控系统通信组网

Zigbee是一种具有近距离、低功耗、低成本特点的近距无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域[15-16]。本方案采用Zigbee近距通信方式，实现电动汽车与站级监控之间的快速通信，将车载终端存储的数据上传到站级监控平台，站级监控平台将数据推送到监控管理模块。同时，通过站级监控平台通过Zigbee网络实现对车载终端的远程控制。

2.3　电动汽车运行模式

根据车辆运行状态的不同，可将电动汽车运行分为两种模式：车辆运行模式和车辆充换电模式。车辆运行模式是电动汽车运行的正常模式，车辆处于正常运行状态，可正常驾驶。车载终端实时记录车辆运行数据并实时上传。

当电动汽车需要进行充换电时，车辆不能驾驶，进入充换电模式，车载终端实时记录电动汽车的充换电数据和运行状态数据并上传。在充换电模式下，电动汽车车载终端通过Zigbee近距无线通信接入站级监控平台，实现电动汽车离线运行批量数据的上传和车辆充换状态的监控，实现电动汽车的有序充换电。

3　系统设计

3.1　CIM框架设计

基于分层监控策略的电动汽车监控系统，融合集中式控制和分布式控制，本身具有异构环境中信息交互、共享和互操作的基本特征，涉及大量的异构环境下的分布式组件之间的信息交互，需要实现系统中跨平台的信息请求和响应[15-16]。为此，在系统的设计中应用CIM通用信息交互框架，基于CIM框架的统一数据交换方法和标准化数据接口，通过公共对象请求代理引擎实现公共数据和交换信息的访问和交互，如图2所示[17]。各组件无需知道其他组件的内部结构和环境，就可以有效实现异构环境信息的交互、共享和互操作。CIM框架模型中组件具有系统和编程语言的无关性以及良好的通用性和可扩展性[18]。

CIM模型一般依托于公共对象请求代理引擎实现异构网络中跨平台和操作系统的交互操作，能够较好满足电动汽车监控系统中大量的异构网络中跨平台和操作系统的异构环境的交互需求[19]。通过对象组件实现系统组件的可插拔，提高组件的复用特性。

图2　CIM框架架构

基于CIM模型将系统从电动汽车监控框架设计为由公共对象请求代理引擎、数据接口、公共信息模型、公共组件、应用组件以及高级应用6大要素组成。其中，公共对象请求代理引擎即支撑平台构建在已有的组件技术基础之上，支持通用的公共信息模型，通过公共信息模型实现数据的接入和交互。在电动汽车监控系统中，应用标准化的公共信息模型，定义电动汽车监控数据对象的逻辑结构和关系模型。公共信息模型定义了统一的数据接口规范，规定了标准化的交互方法。公共组件，提供系统运行的公共基础组件，为系统运营提供公共支撑，包括通信组件、报表组件、图形组件、权限组件、日志组件、数据库管理组件等。应用组件则包含电动汽车监控中的基本的监控功能，其组件包括充电设施监控组件、换电设施监控组件、车辆监控组件、运营GIS地图等。高级应用通过支撑平台访问应用组件，实现相应的功能。

3.2　系统硬件架构设计

如图3所示，该系统集中监控平台在物理架构上配置了3台服务器，分别为GIS服务器、数据服务器、应用服务器。其中GIS服务器用于提供电动汽车运行的地图信息服务，解算车辆位置信息，跟踪电动汽车车辆运行轨迹，管理运行路径信息和相应运行历史记录。数据服务器用于对站级服务平台和运行车辆数据的收集和整理，对电动汽车运行数据进行清洗，消除数据冗余，形成电动汽车及其充换电设施的有效运行数据，为集中监控应用提供数据支撑。应用服务器上运行相关车辆监控、电池监控、充电监控、换电监控、身份识别、安全防护、故障预警等应用。通过3台服务器的配置模式，有效降低大规模电动汽车运行下数据集聚对服务器造成的负载压力，确保系统稳定、可靠。

图3　系统硬件架构图

在站级监控平台同样配置了数据服务器，有效实现对监控数据的收集和整理，对电动汽车运行数据进行清洗，消除数据冗余，形成电动汽车及其充换电设施的有效运行数据，并将相应数据上传给集中监控平台，应用服务专注于提供应用服务，减少了数据通信和上传的负载压力。车载终端通过GPRS向集中监控平台上传运行位置、电池电量等数据量相对较小的运行关键数据，同时向站级监控平台上传运行实时数据。此外，电动汽车车载终端通过Zigbee网络接入站级监控平台，实现电动汽车充换电的有效控制和有序充换电，完成车载终端离线数据的上传。

3.3　系统软件架构设计

监控系统软件结构分为系统层、服务层、应用层3层，如图4所示。为了适应不同地区、不同用户的需求，系统兼容Linux，Unix和Windows等多种主流操作系统，支持跨平台和混合平台操作，提高系统的兼容度和可靠性。系统层为系统提供数据库服务和网络通信，通信平台基于标准多并发的网络互联协议TCP／IP，以提高网络通信及异构操作系统平台数据交换的可靠性。

服务层在系统层的基础上把各类应用共同需求抽象出来，基于CIM通用接口，实现统一的服务接口，实现了数据库访问服务、控制命令服务、数据传输服务、GIS服务、系统管理、权限管理、报表服务等CIM通用组件。应用层通过CIM引擎调用相关服务组件，这提高了代码的复用性，为公用服务的开发维护提供便利。

应用层是通过服务层CIM引擎提供的各类CIM组件搭建出各类不同应用，或者通过CIM组件来根据不同应用进行相关的功能扩展，最终实现车辆监控、电池监控、充电监控、换电监控、GPS监控、身份识别、远程监控、故障告警等功能应用。将各子功能在统一的平台上有机整合，协同一致地为电动汽车的监控管理目标服务。

3.4　通信组网方式

电动汽车监控系统对电动汽车采取分层监控策略，这就要求电动汽车依据其集中式、分布式以及分层监控的策略特点，结合应用远程、近距以及有限组网方式[17]。

图4　系统软件架构图

图5　通信网络结构图

集中监控平台与站级监控平台之间通过国家电网公司SDH骨干传输网实现大批量、实时数据的快速交互。

车辆运行状态下，站级监控平台与车载终端之间通过GPRS无线通信实现实时数据的交互，实时传输车辆位置、电量、身份信息、车速等实时监控数据。充换电状态下，站级监控平台与车载终端之间通过具有高灵活性的Zigbee无线通信技术用于实现电动汽车监控离线数据的批量上传，以及充换电状态数据的交互和控制。

车载终端通过CAN总线接口与车辆总线相连接，实现电动汽车的运行数据采集和运行控制。该通信方式将车载终端作为CAN总线的一个通信节点接入到电动汽车CAN总线通信网络中，实现对电动汽车运行里程、电池电量、车速等车辆运行数据的采集。

4　系统实现与应用

4.1　设计模式的应用

在本系统的设计过程中，基于CIM框架技术，大量应用了组件技术，以及适配器、订阅者、命令、创造者、工厂和装饰等设计模式，不但大大提升了代码复用率，提升了开发效率，更实现了高层次的设计复用，从根本上解决了对电动汽车监控系统软件核心内容的重复理解和重复设计的问题，并且提高了软件质量[19]。

适配器模式，应用在异构环境中多并发进程通信的实现中，基于公共通用信息模型，实现了异构组件的通信[20]。订阅者模式，应用在站级监控平台组件轮询通信中。以前的站内监控组件通信模式，是通过轮询的方式实现通信组件匹配，例如电动汽车电池组件中电压过低或者电量过低提示量发生了改变，其他关心该变量变化的组件需要立即做出相应动作，这就需要变量变化的组件触发消息发布模式，通知关心该变量变化的组件。该设计模式建立一种组件之间的通知依赖关系，一个对象（目标对象）的状态发生改变，所有的依赖对象（订阅者对象）都将得到触发通知，实现了松耦合状态下异构组件工作协同[20]。

电动汽车分层监控框架中控制指令与消息指令是监控系统的核心，命令模式，把请求或者操作方法封装到对象中，允许系统使用不同的请求把客户端参数化，尤其异构环境下的控制指令予以抽象，实现控制指令的事务化管理。

设计模式在系统设计和开发中的应用，提高系统设计和开发效率，改善系统的可靠性，降低研发和维护成本。

4.2　系统应用

目前，该系统在临沂焦庄、青岛薛家岛的运行测试已经结束，测试结果与设计相符并且性能稳定，通过验收，并在临沂、济南、青岛等地进行了推广，担负电动汽车的自动化监控和管理任务，运行良好。该系统提高了电动汽车运营维护的工作效率，节约了人力资源成本，为电动汽车的生产管理工作带来了巨大的经济效益。

5　结语

如何以相对较低成本实现电动汽车的有效监控和有序运营，提高电动汽车运行的安全性和可靠性，是目前电动汽车产业全面推广和应用面临的一个关键性问题。本文基于电动汽车运营特点，以系统运行可靠和安全为目标，从电动汽车监控系统设计出发，大量应用框架和设计模式，应用电动汽车分层监控策略，实现电动汽车运营的有效监控和有序调度，提高系统的可靠性和可维护性，降低系统的开发维护成本。

本文研究成果经过工程实践的不断完善，系统架构得以不断扩展、优化，顺利实现对电动汽车的有效监控，实现电网负荷有序调控，有效保障电动汽车的安全、高效运行，得到用户的检验、认可。

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