物联网在电动汽车行业深化应用的展望及建议

阮 庄，焦海文，周 黎，熊昊哲，宋 杨，田晨丞

（1.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；3.湖北省产品质量监督检验研究院，湖北 武汉 430061）

0 引言

“物联网”概念的正式问世，打破了之前的传统思维。过去的规划建设思路中一直很强调的是如何能够将城市各种的物理基础设施和一些其他的IT 领域的物理基础设施进行分开：一方面主要的是一些机场、公路、建筑物，而另一方面的又可能是一些各种大型数据中心［1］，个人电脑、宽带系统等。物联网作为新型数字基础设施的重要组成部分，与第五代移动通信、大数据、云计算、人工智能、区块链、数字孪生等技术深度融合［2］，正在深刻改变技术产业体系、推动数字经济快速发展，开启了万物智联的"智慧物联网系统"新阶段。

当前正处于智能信息技术快速发展的新时代，因此，“物联网”［3］数据被广泛称为本世纪下一个万亿级发展的通信新业务，包括了经济管理、生产运行、管理乃至个人生活［4］，在今天已经到来的物联网新时代，此领域的发展与应用是国际上竞相研究的热点。泛在电力物联网的快速发展带动了新一轮技术和产业变革［5］，着眼于深刻理解我国物联网发展，凝练智慧物联网系统应用中的共性赋能技术和应用关键技术，总结智慧物联网系统在代表性领域的应用场景和案例，进一步形成通过分析用户充电需求，提出电动汽车充电设施优化配置等多功能的［6］智慧物联网系统在电动汽车行业深化应用重要性。

1 物联网综述

物联网技术是基于互联网，并利用先进的RFID、无线数据通信等技术构造的一个覆盖更多事物的网络，保障事物能够在不需要人为干预下通过此网络进行交流。从整个技术体系构架层次上进行分析综合来看，其应用内容上主要还应考虑包括：① 感知层。感知层类似于物联网硬件设备上的皮肤和五官，能够对外界物体信号进行快速识别，包括二维码、条形码、RFID 及电子防伪码标签、读写器、识读器、GPS、摄像头、传感器网络模块等［7］，并可对未被传感器识别检测到的某物联关键特征信息数据进行自动采集。② 网络层。网络层相当于物联网体系中的大脑神经中枢，对传感器自动采集和接收感知到的相关数据信息进行智能加工或处理，并直接将该数据的加工结果给它们对应的网络模块。③ 应用层。应用层是基于物联网技术的现代社会产业分工，并结合传统行业发展的一些实际生产需求，促进产业智能化生产的实现，是推动物联网技术与其它各垂直行业进行无缝融合应用的有效纽带。

2 物联网的多行业应用

物联网正在改变人们的生活和工作方式——物联网设备使人们每天的生活变得更便捷、更智能；企业的业务模式也因为物联网而变得更安全、更高效。

从全球范围甚至跨行业领域来看，采用物联网技术能够使企业变得更高效、更智能、更安全。然而同时，也需要面临复杂性，安全性和人才资源等挑战。拥有丰富的物联网知识、有技能的员工、充沛的资源以及领导的支持，都更有利于企业的项目通过概念验证，进入良性发展阶段。即使是那些成功率较低的企业，也仍然致力于在当前或未来应用物联网，尤其考虑到未来几年的投资回报率可能会增加。

中国在智能制造、智能农业、智能电网、智能医疗、智能交通、智能环保等领域的应用场景的实践案例，已取得了丰富的物联网系统应用示范经验，展示了智慧物联网系统的应用价值［8］。

在这十大行业中，采用物联网技术的主要作用就是为了获取数据，而后可根据获取的数据运用云计算、边缘计算以及人工智能等技术进行处理，帮助人们更好地进行决策。物联网等相关技术作为数据获取的主要方式，在未来的发展中至关重要。物联网是一个大的产业，涉及方方面面。面对新一轮的科技革命和产业革命，物联网正孕育着巨大的潜能，中国在物联网研究及多行业应用取得了长足的发展和瞩目的成就，为今后国家适应世界技术和经济的发展推动中国全领域、多行业技术和经济的迅猛发展打下坚实基础［9］。其中，强化顶层设计，更好更快地建设泛在电力物联网，在电动汽车示范运营过程中，很多试点城市都探索了不同的商业模式［8］，积累了宝贵的可借鉴经验［10］，也为更多行业深入地应用互联网技术取得实效，积累了宝贵的成功经验。

3 物联网在电动汽车行业的应用

电动汽车由于节能减排方面具有明显优势而受到各国大力支持［11］，汽车车联网充分利用传感器、智能设备、电力物联网［12］，融合了大数据、互联网、无线通信等技术，可以向用户提供安全、自动化、智能的行车应用，根据Statista预测，到2023年，自动驾驶汽车市场将增长近60%，车联网正朝着娱乐、商业生态的方向发展。近年来，新能源汽车的占比也越来越高，车联网的应用场景丰富，随着相关技术的不断发展，汽车车联网模式也不断成熟［13］，为用户提供更加安全、高效的充分服务［14］，图1为智联网汽车示意图。

图1 智联网汽车示意图Fig.1 Schematic diagram of AIoT vehicles

3.1 物联网背景下电动汽车车联网模式与发展

3.1.1 车联网构建模式

车联网是智慧交通系统中重要的环节，通过车联网相关的设备、应用可向汽车用户提供应急救援、安全驾驶等基本服务［13］，结合业务需求，开展数据需求分析［15］。例如，在行驶过程中，汽车发生故障或发生与汽车无关的意外事故时，车辆网系统通过无线通信服务与控制中心通信，对汽车进行远程监测、分析，对故障进行远程诊断，协助用户解决相关问题。车联网系统通过记录汽车电池的相关数据，对电池老化情况进行评估，可避免因电池老化、故障等引起的车辆安全事故的发生。此外，用户可通过车联网系统提供的地图服务、位置服务、娱乐服务等获取最新的路况。

3.1.2 车联网的应用

车联网与互联网有众多相似之处，通过收集各类传感设备的实时数据，基于无线通信技术，将数据传输至车联网控制中心，经过控制中心的数据分析，将分析结果反馈给车联网用户［13］。其中各类传感设备包括高清摄像设备、温度传感器、速度传感器等。现有的新能源汽车，中控设备不仅具有娱乐功能，同时也有拓展功能，通过中控设备车内成员可以进行互动，通过显示屏导航或开展各类娱乐活动。车联网系统不仅可为用户提供更好的驾驶体验，而且通过车况监测、远程故障监测，可在一定程度上确保驾驶者的安全。

随着城市的不断发展，人口增加、车辆增加，城市交通越来越拥堵。基于车联网系统，将地理可达性分析应用于电动汽车充电设施布局［16］，通过云计算、大数据分析，对前方道路情况进行实时分析，基于人工智能为用户提供更加合理的行车路线，在缓解交通问题的同时为用户带来更好的驾驶体验［13］。

3.2 物联网应用于充电设施

电动汽车的迅猛发展带动了电动汽车充电设备行业的快速扩张［17］。充电设施指能够为其电池提供电能补给的设施，包括交流充电桩和充电站，物联网技术在电动汽车充电设施中主要有以下几方面的应用［7］。

3.2.1 在调度中的应用

以物联网技术为支撑，可以将传感器设备放置到电动汽车上。如果电动汽车玻璃贴上标签RFID，电动汽车通过充电设施后，充电设施中RFID读写器自动识别途经电动汽车状况，并通过传感器网络再次综合性分析确定电动汽车型号，通过该方法可以统计并分析出一定范围内电动汽车数量，运行状态等信息，并传送至对应系统中，从而实现电动汽车由流量大地区调度至流量小地区，也可为今后电动汽车充电设施规划，型号选择及道路改造提供精准依据。同时还能通过RFID标签放置到电动汽车动力电池上，待电动汽车接近充电设施后，充电设施上的RFID阅读器及时感知电动汽车动力电池内剩余电量，并反馈前方排队车辆数，充电设施内充电位信息至电动汽车调度指挥中心，此时调度指挥中心能够协调待充电车辆，并向车主就近提供充电设施，路线等相关信息，大大减少车主途中等候时间，确保车辆充电效果。其次，还可以解决多能互补协调好电动汽车在集中时段充电的难题［18］。

3.2.2 在监控中的应用

由于电动汽车充电设施内设备众多，特别是充电站数量众多，所以必须要在确保充电站能够正常工作的前提下加强对各个设备安全性的检测，同时，不断提升配置系统的安全防护等级和监测［19］。通常在充电站中，都要对充电车位，充电状态以及安全设施进行监控，这也可以更好地保障电动汽车安全可靠地充电。例如可以将RFID 标签放置于充电站充电桩和充电机上，车辆接近充电桩或充电机后，它可以识别电动汽车充电电池组电量剩余情况，并依据识别结果重新计算待充电时间。另外，在充电过程中，如果有火灾发生，则会启动声光报警器发出警报信号，这不仅能够避免火灾造成损失，而且还有效减少人员被烫伤的可能性。此外，该系统还具有远程控制功能，方便使用者使用，降低劳动强度，提高工作效率，节省人力成本。该方法还可以实现充电电路的自动开启与关闭，继而实现充电情况的自动化管理。不仅如此，电气技术人员可利用物联网技术连接电动汽车充电设施内部烟雾报警传感器、安防传感器、视频传感器以及监控系统，从而使得工作人员可监控电动汽车充电设施内部各个装置的运行状态，为电动汽车充电设施内部的各个装置提供了安全保障，同时确保了电动汽车充电设施内部装置的安全性。

3.2.3 在计量中的应用

从目前电动汽车事业的发展趋势来看，电动汽车在中国有着极大的发展空间，在未来新型电力系统背景下［20］，为了保证各电动汽车的安全运行，充电设施尤其是交流充电桩将会遍及更多的城市［7］。因此，对电动汽车充电设施的计量计费也会更加复杂。而将物联网技术应用在电动汽车充电设施计量计费中，车主通过二维码、支付宝、APP等就可自动完成电动汽车充电设施的计量计费等工作，不但减少了工作人员的工作量，还能够有效减少电动汽车在充电设施方面投入的运行成本［7］。可将智能电表、刷卡器、RFID 标签等置入电动汽车充电设施中，当电动汽车充电完成后，后台系统可将所充的电量直接显示在智能电表中，并且计算出本次充电所需要的费用，车主可通过扫描二维码直接支付本次产生的费用［7］。物联网与营运中心之间数据信息的交互，也可对车主的相关账户信息、费用结算等过程进行自动化管理。与此同时，营运中心还向车主提供了投诉、用户信息查询等功能，实现分布式电能质量监测［21］，保障了电动汽车充电计量计费的安全。同时，还将为开展综合能源服务多元化特征和效益测算提供数据支撑［22］。

3.2.4 在资产管理中的应用

在电动汽车充电设施［17］数量逐渐增加的情况下，对于这些设施的有效管理变得越来越重要。若将物联网技术运用于电动汽车充电设施资产管理，可使管理人员能够借助物联网技术掌握电动汽车充电设施安全状态［23］，定期检修充电设备，发现充电设备可能存在的故障隐患并及时修复，确保电动汽车充电设施全生命周期管理。例如可以将RFID标签，对应标识编码系统放置于电动汽车充电设施内，从而实现电动汽车充电设施资产身份管理、资产使用状态实时监控、资产寿命情况全周期管理等功能，同时将标识后的信息数据传输至电动汽车充电设施资产管理中心及时完成电动汽车充电设施针对性、计划性巡检维护［7］。

3.3 物联网应用于充电运营服务

电动汽车充电设施作为电动汽车与用户数据和能源数据互动的关键枢纽和电力物联网向客户侧延伸的重要门户，依照国家加快转变能源发展战略，积极响应国家电能替代［24］，扎实开展多维充电设施业务应用工程落地工作，重点实现充电设施布局泛化，充电站场地采集部件泛化和充电智能业务终端泛化，确保电动汽车出行顺畅无后顾之忧，实现电动汽车用户由有电可充向充电无后顾之忧的转变。

3.3.1 充电设备状态的现场全面感知

为了达到对状态的整体感知，对作业现场信息进行综合获取与研判是必不可少的。国网浙江杭州供电公司为实现充电站场景视频监控、充电状态、环境监测和检测设备状态综合感知，重点应用研发了附着在充电站内部设备上的多样化物联采集部分，丰富了状态综合感知监管平台的应用。部署充电桩TCU（计费控制单元）、部署IPC（网络摄像机）、部署环境量监测终端、部署SOC（充电状态）多媒体展示，以达到对充电设备状态的现场全面感知。

3.3.2 充电智能业务终端全覆盖

大力扩展智能巡检作业终端、智能车位管控终端、全智能洗车机、音视频互动终端等智能终端功能，提供全方位便捷服务，实现对充电智能业务终端的全覆盖，分析不同终端的通用能力及交互信息关联关系，提升业务终端智能化管理水平，实现边缘物联，减轻监控主站工作压力，提升充电设施的运营管控工作效率及效益。

4 基于物联网充电业务与电动汽车联合发展

物联网是新型信息技术的重要发展方向，车联网与物联网的结合使得车联网可以发挥出更加出色的综合服务能力，是智能技术发展的体现。对于电动汽车来说，车联网的应用更加广阔，车联网对于生活服务的提供和基本行车服务的提供更加全面也更加智能，结合物联网技术，车联网不仅可以实现对于汽车状态的全面监测，还能通过通信技术和定位技术更加合理地帮助用户规划行车路线，有效地缓解交通拥堵问题。相信随着技术的不断进步和创新，车联网技术必然会更加成熟和强大，可以提供更加优质的行车服务。

积极把握建设物联网带来的转型升级机遇，依托电动汽车充电设施服务体系泛在应用的构建，实现充电设施运营形象良好、服务规范、管理精益、运维高效的目标，在智能感知、智能应用和辅助决策等方面，着力提升互联基础支撑能力、智慧充电运营能力和外部营销业务拓展能力［25-27］，培育新型充电服务商业模式、提高利润增长点，为国家物联网整体发展多行业应用提供参考引领作用。

时代催生电动汽车发展，知识经济使电动汽车充电桩的运行维护环境和工作机制发生变革，物联网能够对电动汽车充电桩运行维护进行良好的管理，提升运行维护效率、降低运行维护成本［25］，做到终端泛在覆盖、创造状态综合感知、做到数据综合贯通。通过泛在电力物联网，将充电服务上、下游企业联系起来，利用电网核心资源优势最终达到终端完全覆盖、状态完全感知、数据完全打通、业务完全渗透，打造共建共治共赢的综合服务生态圈。“创新”是推动发展的主要力量，主动顺应周边环境的改变，电动汽车充电运营管理也应朝着标准化、信息化和柔性化方向持续发展。

5 结语

物联网被称为计算机互联网之后第三次世界信息产业革命已涉及到全球各个环节、各行各业。也正因如此，物联网成为世界各国关注的热点和重点研究及全力培育的产业，随着国际信息技术的发展和多领域技术的进步及各行各业发展的旺盛需求，物联网和更多行业的深化应用将更为深入且快速地提升和发展，持续的研究也将迎来更大的突破和收获。

通过对我国物联网发展现状，多行业应用进行了宏观分析可知，中国已具有了国家高度重视、应用需求巨大、技术实力雄厚、经济需求旺盛、网络大而广、应用产业链完整等综合优势。但是标准体系尚不完善、关键技术与国际先进相比仍有很大差距，在国际竞争中面临较大挑战。

目前我国物联网的应用在智能交通、精细农业、智能物流环境保护、智能电力等10 多个领域，在国家支持、行业积极、社会响应、共同攻关下，均已取得不同程度的突破和成就。今后随着电动汽车行业的迅猛发展和普及，结合我国多行业物联网的应用经验，重点针对物联网在电动汽车行业的应用情况，特别是在充电设施、充电运营服务、充电桩运营的管理创新等方面的应用，必将取得更多的成就和技术进步，同时也将为综合能源服务提供丰富的应用场景［28-30］，促进物联网在多行业的深化应用拓展更大的空间。