師 洋

(北京智芯微電子科技有限公司，北京 102299)

面向互聯(lián)網(wǎng)的智能充電服務與運營平臺設(shè)計

師 洋

(北京智芯微電子科技有限公司，北京102299)

隨著電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，近年來已經(jīng)有很多關(guān)于電動汽車充電服務與運營管理相關(guān)的研究與應用，但是結(jié)合海量智能充電樁的業(yè)務信息，在技術(shù)架構(gòu)、前置采集、計費模式兼容、安全防護措施、突出用戶體驗等幾個方面仍然缺乏整體可靠的綜合解決方案。為此，提出了面向互聯(lián)網(wǎng)的海量智能充電樁的電動汽車充電服務運營平臺，對實際充電服務與運營業(yè)務、平臺技術(shù)應用進行了詳細分析與設(shè)計。進一步增強平臺運營的可靠性和充電服務應用交互的便捷性，提升終端用戶體驗，為電動汽車與配套充電設(shè)施的大規(guī)模推廣部署提供一種有效的智能化解決方案。

架構(gòu)設(shè)計；多協(xié)議適配；計費模式；信息安全防護；充電服務與運營

0 引言

電動汽車具有以電代油、環(huán)保高效的優(yōu)點，是節(jié)約能源的有效方式[1-4]。據(jù)統(tǒng)計，2016年中國新能源汽車生產(chǎn)51.7萬輛，銷售50.7萬輛，比上年同期分別增長51.7%和53%。其中純電動汽車產(chǎn)銷分別完成41.7萬輛和40.9萬輛，比上年同期分別增長63.9%和65.1%。2017年我國為配合電動汽車推廣，力爭新增充電樁數(shù)量達到80萬個。為適應市場快速發(fā)展對充電服務體驗、運營管理體系提出的更高要求，國內(nèi)很多單位提出了關(guān)于智能充電的設(shè)想。文獻[4-9]分別提出了電動汽車智能充電的導航系統(tǒng)、智能充電樁、電動汽車智能服務平臺的設(shè)計，文獻[10]提出了集智能充電服務平臺、智能充電裝置和APP應用軟件于一體的系統(tǒng)，但在實際應用中，眾多運營商各自建設(shè)的充電服務運營系統(tǒng)，覆蓋的運營范圍有限，接入充電終端的量級較低，系統(tǒng)整體設(shè)計的智能化程度不高。

針對目前國內(nèi)電動汽車充電服務運營的現(xiàn)狀，本文設(shè)計了面向互聯(lián)網(wǎng)的智能充電服務與運營平臺。從技術(shù)方面，優(yōu)化平臺總體架構(gòu)，強化平臺與用戶、終端之間的訪問處理能力；設(shè)計可靈活適配不同通信協(xié)議的前置采集；設(shè)計可兼容遠程和本地費控的計費模式，滿足不同計費場景的需求；強化安全防護設(shè)計，保障平臺運營安全。從應用方面，結(jié)合用戶側(cè)交互體驗和管理側(cè)有序運營的要求，對系統(tǒng)功能進行優(yōu)化。

1 電動汽車充電服務運營平臺組成

本平臺由運營平臺、APP客戶端、智能充電樁三部分組成。

(1)運營平臺，是銜接服務APP與智能充電終端互動的橋梁，負責對智能充電終端進行指令下發(fā)與數(shù)據(jù)采集；響應服務APP的訪問請求；供運營管理者對充電業(yè)務信息進行維護、統(tǒng)計、分析，配置平臺運行參數(shù)，監(jiān)測充電終端運行工況。

圖1 平臺技術(shù)架構(gòu)示意圖

(2)服務APP，是電動汽車用戶參與充電服務互動的客戶端，主要實現(xiàn)用戶對智能充電樁進行檢索、定位、導航、預約、收藏、充電控制等一系列操作，并提供相關(guān)業(yè)務信息、活動資訊、應用配置參數(shù)的顯示與維護功能。

(3)智能充電樁，是供電動汽車充電的智能裝置，與傳統(tǒng)充電樁相比，差別在于增加了WiFi通信模塊，可借助互聯(lián)網(wǎng)通信與微控制單元(Micro Controller Unit, MCU)，實現(xiàn)對充電裝置的遠程控制。

2 電動汽車充電服務運營平臺設(shè)計

本平臺作為面向互聯(lián)網(wǎng)的電動汽車充電服務與運營管理整體解決方案，相對于目前主流的充電服務運營平臺，主要在優(yōu)化架構(gòu)技術(shù)應用、提升前置采集擴展性與并發(fā)性、增強計費模式兼容性三個方面進行重點設(shè)計。

2.1架構(gòu)設(shè)計

本平臺架構(gòu)采用分層處理策略，逐層分解數(shù)據(jù)處理壓力，提高系統(tǒng)整體性能和穩(wěn)定性，具體分為展現(xiàn)層、應用層、數(shù)據(jù)層、采集層。技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

(1)采集層：采用NIO技術(shù)和多線程技術(shù)，負責與充電樁的通信，包括數(shù)據(jù)采集、指令收發(fā)、通信協(xié)議解析、數(shù)據(jù)校驗、數(shù)據(jù)加密/解密、協(xié)議適配、WebService服務等功能。數(shù)據(jù)采集層由若干前置機組成，每臺前置機相對獨立，支持成本低廉的橫向擴展，以保證系統(tǒng)的可靠性和可擴展性。

(2)數(shù)據(jù)層：由下行業(yè)務處理服務和數(shù)據(jù)存儲服務組成，其中下行業(yè)務處理服務負責接收應用層的下行指令，自動進行業(yè)務協(xié)議匹配，并調(diào)用對應的WebService服務。數(shù)據(jù)存儲服務通過MySQL數(shù)據(jù)庫服務持久化業(yè)務數(shù)據(jù)，同時通過Redis內(nèi)存數(shù)據(jù)庫存儲上行報文的實時狀態(tài)，供應用層定時調(diào)用。

(3)應用層：由Web負載均衡和應用服務組成，其中Web負載均衡采用NG+應用服務器集群實現(xiàn)，應用服務由Web應用服務、APP接口服務、數(shù)據(jù)挖掘服務組成。

圖2 網(wǎng)絡應用程序框架工作原理圖

(4)展現(xiàn)層：分別支持手機端APP和PC端瀏覽器兩種展現(xiàn)渠道，其中，手機端APP分為iOS與Android系統(tǒng)兩個版本，用于向電動汽車用戶提供充電服務相關(guān)的互動操作；PC端瀏覽器作為運營商的管理工具，主要用于查看充電業(yè)務信息、配置平臺運行參數(shù)、監(jiān)測充電終端運行工況等。

2.2支持高并發(fā)與多協(xié)議適配的前置采集

本平臺的充電數(shù)據(jù)來源于海量離散部署的充電樁，充電樁與前置服務器之間通過建立長連接進行通信，實現(xiàn)信息的互傳。由于各廠商充電樁的通信協(xié)議存在標準不統(tǒng)一的情況，因此要求數(shù)據(jù)采集層中的前置服務器，不僅應具有與海量充電樁進行高并發(fā)通信的能力，還應具有適配多種通信協(xié)議的能力。基于上述要求，本方案采用網(wǎng)絡通信應用程序框架異步的、事件驅(qū)動的非阻塞I/O通信模型，實現(xiàn)對高并發(fā)、多協(xié)議適配的支持。網(wǎng)絡應用程序框架工作原理如圖2所示。

要實現(xiàn)該網(wǎng)絡應用程序框架服務器端，需要在Mina框架配置文件中配置指向不同通信協(xié)議的多個通信端口。客戶端Connector通過指定端口與服務端Acceptor建立連接，服務端Processor線程負責IO讀寫，并與Filter、Handler協(xié)同工作，執(zhí)行具有高并發(fā)通信能力的解析處理邏輯。

圖3 安全防護范圍示意圖

2.3多種計費模式兼容

本平臺針對不同的應用場景可支持多種計費模式，包括：終端計費、平臺計費。

(1)終端計費模式，是指平臺將計費模型下發(fā)至充電終端，由終端負責充電電量和充電費用的計量與計算?；谠撚嬞M模式的應用特性，在充電樁離線的情況下，既可保證當次充電交易不受影響，也可保證用戶持充電卡進行正常充電操作，為用戶體驗提供基本保障。

圖4 運營平臺功能設(shè)計

(2)平臺計費模式，是指平臺將計費模型與充電樁進行信息關(guān)聯(lián)，分別由終端負責充電電量計量，由平臺負責充電費用計算。基于該計費模式的應用特性，當充電過程中發(fā)生設(shè)備通信中斷、緊急停止充電按鈕觸發(fā)、設(shè)備故障等異常情況時，通過自動停止充電操作、自動結(jié)算充電交易等充電異常處理機制，可為用戶和運營商利益提供保障。

2.4安全防護設(shè)計

本平臺針對運營中可能存在的信息安全隱患，依據(jù)《信息系統(tǒng)安全等級保護定級指南》(GB/T 22240-2008)，從應用安全、數(shù)據(jù)安全、主機安全、網(wǎng)絡安全、終端安全、物理安全、邊界安全七個方面進行安全防護設(shè)計，如圖3所示。

應用安全保障應用層信息交互安全；數(shù)據(jù)安全保障敏感數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)安全，并提供容災機制；主機安全針對服務器設(shè)備設(shè)計安全防護措施；網(wǎng)絡安全用于防范網(wǎng)絡設(shè)備安全隱患；終端安全針對APP客戶端和充電樁設(shè)計安全防護措施，防范偽基站、偽客戶端非法入侵；物理安全用于防范存放計算機、網(wǎng)絡等信息設(shè)備和存儲介質(zhì)的場所免受物理環(huán)境損害、自然災害以及人為的操作失誤和惡意損害；邊界安全制定內(nèi)外網(wǎng)信息出入安全規(guī)則，加強邊界內(nèi)信息訪問安全。

2.5功能設(shè)計

2.5.1運營平臺

運營平臺功能模塊構(gòu)成如圖4所示，主要分為運營管理、APP接口、采集解析三個功能類。其中：運營管理用于向管理者提供完整運營信息的查看、維護、統(tǒng)計與分析功能；APP接口用于對APP實現(xiàn)的各項功能提供操作響應、數(shù)據(jù)響應；采集解析基于充電樁與平臺通信協(xié)議執(zhí)行報文解析任務。

2.5.2服務APP

服務APP功能模塊構(gòu)成如圖5所示，主要分為首頁、用戶管理、電子商城和充電服務四個功能類。其中：首頁是用戶訪問充電服務應用的門戶，提供可快捷進入相關(guān)功能以及瀏覽廣告和資訊的入口；用戶管理主要提供與用戶個人相關(guān)的信息查看、參數(shù)設(shè)置與業(yè)務辦理等功能；電子商城主要為用戶提供商品瀏覽、積分兌換、在線購買等電子商務功能，有助于鼓勵用戶積極參與充電交易換取積分，增強充電服務的用戶粘性；充電服務作為核心功能類，主要提供與充電交易全流程相關(guān)的全部功能，可方便用戶快捷定位、預約所需充電樁，全程監(jiān)控動態(tài)充電參數(shù)等。

圖5 APP功能設(shè)計示意圖

3 結(jié)論

電動汽車充電服務運營平臺可為充電樁大規(guī)模建設(shè)部署提供有效的推進力，是促進用戶有序充電、快捷充電、合理充電的關(guān)鍵。本文探討了互聯(lián)網(wǎng)的智能充電服務與運營平臺的整體結(jié)構(gòu)，分析了技術(shù)架構(gòu)、前置采集通信框架、計費模式、功能應用的優(yōu)化設(shè)計思路，為電動汽車用戶與智能充電樁網(wǎng)絡進行快捷互動提供了可靠平臺。

[1] 薛飛，雷憲章，張野飚，等. 電動汽車與智能電網(wǎng)從V2G到B2G的全新結(jié)合模式[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2012, 36(2)：29-34.

[2] 林惠真. 電動汽車充電設(shè)施規(guī)劃探討[J]. 供用電，2012,29(3)：26-34.

[3] SORTOMME E, EL-SHARKAWI M A. Optimal charging strategies for unidirectional vehicle-to-grid [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2011, 2(1): 131-138.

[4] 殷樹剛，劉磊，胡宇宣，等.市政路燈和電動汽車充電樁的一體化系統(tǒng)研究[J]. 供用電，2014,31(8)：24-27.

[5] 孫曉明. 電動汽車充電電價時段劃分方法及有序充電策略研究[D]. 北京：北京交通大學，2014.

[6] 唐曉瑭，倪樺，王永生. 電動汽車供電能源優(yōu)化組合及智能充電策略[J]. 電力建設(shè)，2013, 34(12)：111-115.

[7] 蘇舒，孫近文，林湘寧，等.電動汽車智能充電導航[J]. 中國電機工程學報，2013,33(增刊)：59-67.

[8] 徐志丹，趙宏振，張宗慧. 基于云計算平臺的電動汽車充電樁設(shè)計與實現(xiàn)[J].電氣時代，2014(5)：68-71.

[9] 潘明宇，賀家勝，遲忠君，等. 電動汽車智能服務平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電力信息與通信技術(shù)，2014,12(1)：78-81.

[10] 殷樹剛，龔桃榮，劉瑞，等. 基于云平臺的電動汽車智能充電系統(tǒng)設(shè)計與應用[J]. 供用電，2015,32(7)：43-47.

2017-04-18)

師洋(1981-)，男，學士，工程師，主要研究方向：用電節(jié)能、智能用電等。

Design of intelligent charging service and operation platform for Internet

Shi Yang

(Beijing Smart-chip Microelectronics Technology Ltd., Beijing 102200, China)

With the rapid development of electric vehicle industry in recent years, there have been a lot of researches and applications of the electric vehicle charging service and management, but combined with business information of massive intelligent charging piles, it still lacks of overall and reliable comprehensive solution in the technical architecture, pre-acquisition and billing mode compatibility, safety precautions, and highlighting the user experience. For this reason, this paper puts forward the charging platform of electric vehicle charging service, which is based on the Internet intelligent charging pile. It further enhances the reliability of platform operation convenience and charging service applications, enhances the end user experience, and provides an intelligent electric vehicle and charging facilities supporting the deployment of large-scale promotion plan.

architecture design; multi-protocol adaptation; billing model; information security protection; charging services and operations

TP399

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.22.006

師洋.面向互聯(lián)網(wǎng)的智能充電服務與運營平臺設(shè)計J.微型機與應用，2017,36(22)：19-22.