段芃芃，劉 鋰

(成都理工大學 工程技術(shù)學院，四川 樂山 614007)

0 引 言

當前龐大的汽車擁有量使得汽車燃油消耗量已成為世界石油消耗的主體，而且化石燃料燃燒后產(chǎn)生的廢氣對自然環(huán)境也造成了巨大的污染。近年來，國內(nèi)各大城市普遍出現(xiàn)污染的主要原因就是汽車尾氣的超量排放。

有效節(jié)能、減少環(huán)境污染，成為各國關(guān)注的焦點。電動汽車以電代油，能夠?qū)崿F(xiàn)“零排放”，是解決能源和環(huán)境問題的重要手段之一。

以電動汽車為代表的新一代節(jié)能與環(huán)保汽車是中國乃至全球發(fā)展的必然趨勢[1]。

當前電動汽車充電站[2]相對分散，充電站內(nèi)充電樁運營管理不統(tǒng)一，充電樁電量信息、充電樁使用時間、充電樁健康狀況等信息收集困難，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。而充電站的管理模式偏向無人值班或配置較少人員值守的現(xiàn)狀。因此，設(shè)計一個現(xiàn)代化城市的充電站智能管理系統(tǒng)，對電動汽車的發(fā)展和普及，具有非常重要的意義和實際實用價值。

1 系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計

電動汽車充電管理系統(tǒng)的設(shè)計核心是：直觀方便掌握各充電站的位置分布，實時地顯示各充電站內(nèi)充電樁的電量情況，全局掌握各充電樁的使用次數(shù)及健康狀況，充電樁智能的提示維護消息，以及各項數(shù)據(jù)的智能統(tǒng)計。根據(jù)其核心的設(shè)計思想，采用了GIS技術(shù)[3]、空間分析算法[4]、分布式資源服務[5]和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[6]進行系統(tǒng)框架設(shè)計。

GIS技術(shù)，采用了“一張圖”[7]的設(shè)計思想，將研究區(qū)域地圖上的所有相關(guān)信息矢量化為二維電子地圖和空間數(shù)據(jù)信息，方便數(shù)據(jù)的地位和查找。將充電站的位置、充電樁電量、充電次數(shù)等數(shù)據(jù)信息以空間數(shù)據(jù)方式進行處理和關(guān)聯(lián)。將完成的二維空間數(shù)據(jù)和電子地圖發(fā)布到地圖服務器。

空間分析，主要采用了附近設(shè)施點分析、最短路徑分析[8]和緩沖分析技術(shù)。附近設(shè)施點分析用來分析附近的充電站位置，并通過電量、健康狀況和位置等條件的綜合對比進行篩選，顯示最優(yōu)的充電站位置信息。最短路徑分析用來生成當前位置與最優(yōu)的充電站位置的最短路徑。緩沖分析用來查找充電站指定范圍內(nèi)的維修部門，并定位顯示。

分布式資源服務，即REST[9]面向資源服務的技術(shù)，地圖服務、空間數(shù)據(jù)信息、充電數(shù)據(jù)實時采集等，采用REST面向資源服務的技術(shù)在服務器進行發(fā)布，客戶端通過服務提供的URL方式進行讀取，在性能上達到實時性強，響應速度快，穩(wěn)定性高，出錯率低，擴展性好。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的充電樁電量數(shù)據(jù)通過專業(yè)的傳感器獲取當前的使用時間、電量信息、狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)，然后通過GPRS/3G/4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實時上傳到遠程數(shù)據(jù)接收模塊。最后數(shù)據(jù)通過訪問服務器的REST資源地址，通過客戶端進行結(jié)果呈現(xiàn)。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

以實用性、高效性、功能完整性、可擴展性以及智能性為設(shè)計原則，系統(tǒng)模塊功能總體分為“用戶服務模塊”和“充電站管理模塊”兩部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體功能劃分

用戶服務模塊主要是為客戶提供服務，滿足用戶對城市充電站查詢導航和其他城市信息點的需求。包括了城市信息智能查詢和智能充電站查詢。

用戶可以有多種查詢方式查詢所需地點，可以由已知地點名稱關(guān)鍵字直接輸入檢索查詢相應多個地點，也可以由查詢對話框下拉菜單的分類圖標進行智能查詢。智能查詢是為用戶提供快速查找地點的一個功能，該功能定位快速準確，滿足廣大客戶需求，主要的實現(xiàn)過程為在地圖上查詢?nèi)缓箫@示。

充電站智能查詢，根據(jù)電動汽車用戶需求手動定位，查詢附近充電站，按照路線實現(xiàn)查詢，為用戶提供智能的導航功能，查找最近的充電站。包括了充電站名查詢、定位查詢和路徑導航。

在充電站智能查詢下拉菜單欄中選擇分類圖標充電站或者檢索關(guān)鍵詞充電站，點擊“查詢”按鈕后，查詢的相應地名圖片及其他信息顯示于左側(cè)智能查詢結(jié)果欄中；打開右上角懸浮框點擊“設(shè)置我的位置”按鈕，在地圖上定位當前位置，顯示當前位置詳細信息；點擊“查找附近充電站”按鈕，地圖上顯示查找附近充電站，附近充電站詳細信息顯示于右側(cè)結(jié)果欄中，查看路線，路線導航。

充電站管理模塊主要是管理員通過統(tǒng)計圖管理充電站電量信息、充電站充電次數(shù)，處理充電站維護任務和查看充電站健康狀態(tài)，以提高工作效率，降低管理員的工作強度。包括電量統(tǒng)計、充電次數(shù)統(tǒng)計和充電站維護。

電量統(tǒng)計：統(tǒng)計充電站當前電量、歷史電量和輸入輸出電量，便于管理員做好相應的登記工作，從統(tǒng)計圖表形象直觀地得出當月、當季甚至這一年每個充電站電量情況，有利于充電站后續(xù)推廣，增加其經(jīng)濟效益。

充電次數(shù)統(tǒng)計：包括充電站當前使用次數(shù)統(tǒng)計和歷史充電次數(shù)統(tǒng)計，方便管理員比較不同地點充電站的充電次數(shù)差別，了解充電站電池使用情況，為更換充電站電池提前做出安排，有效降低充電站管理員的工作強度。

充電站維護：當充電站充電次數(shù)過多而到達警戒區(qū)間，充電站系統(tǒng)智能檢測發(fā)出警報，管理員通知維修人員前來維修，充電電池不再重復使用時，充電站健康狀態(tài)為紅色，提醒管理員更換電池。

3 智能化數(shù)據(jù)處理

智能化數(shù)據(jù)處理主要包括路徑分析算法、緩沖分析算法和最近設(shè)施分析算法。

(1)路徑分析。

路徑分析指的是通過道路交通網(wǎng)根據(jù)用戶需求對所需要的路線進行分析，用戶也可以根據(jù)起點和終點的輸入自動生成到達目的地路徑。所求的路徑一般都是通過算法實現(xiàn)的最短路徑分析。

在解決最短路徑問題時，最常用的算法有Dijkstra[10]算法、A*算法、Bellman-Ford算法、Floyd-Warshall算法、Johnson算法。而文中使用Dijkstra算法，通過算法和C#代碼來實現(xiàn)最短路徑分析功能。

圖2為Dijkstra算法的無向圖，設(shè)A為起點，求A到其他各頂點(B、C、D、E、F)的最短路徑。線上所標注為相鄰線段之間的距離，即權(quán)值。選入A，此時S=最短路徑A→A=0，以A為中間點，從A開始找；選入C，此時S=，最短路徑A→A=0，A→C=3，以C為中間點，從A→C=3這條最短路徑開始找；選入B，此時S=，最短路徑A→A=0，A→C=3，A→C→B=5，以B為中間點，從A→C→B=5這條最短路徑開始找。其他的D、E、F根據(jù)該方法也可以找到最短路徑。

圖2 Dijkstra算法的無向圖

(2)緩沖區(qū)分析。

緩沖區(qū)分析是在管理系統(tǒng)中進行城市信息和充電站信息查詢過程中，進行范圍查詢的搜索查詢，主要的實現(xiàn)原理是對該區(qū)域進行緩沖區(qū)分析。下面主要講解一下進行緩沖區(qū)分析的算法過程。

首先，緩沖區(qū)分析即是基于空間目標拓撲關(guān)系的距離分析。空間目標Oi緩沖區(qū)定義為：

Bi={x:d(x,Oi)≤R}

即對象Oi的半徑為R的緩沖區(qū)是全部距Oi的距離d小于等于R點的集合。d一般指最小歐氏距離?？臻g目標集合的半徑為R的緩沖區(qū)是單個物體緩沖區(qū)的并集。

(3)附近設(shè)施分析算法。

附近設(shè)施分析算法的原理是給定已知點和權(quán)值區(qū)間，求在此權(quán)值區(qū)間限制內(nèi)從給定點出發(fā)所能到達的所有節(jié)點的路徑。常用算法是普利姆(Prim)小生成樹算法。

利用普利姆算法[11]來構(gòu)造最小生成樹的過程是從集合中一個頂點U={u0}作為初態(tài)，尋找與集合U中頂點相鄰并且具有最小代價邊的另一個頂點，直到將集合U擴充至U=V為止。

假設(shè)有N=(V,E)是連通網(wǎng)，TE是連通網(wǎng)N中最小生成樹的邊的集合。令算法從U={u0}(u0∈V)且TE={}開始，對以下操作進行重復執(zhí)行：

在所有的u∈V中，v∈V-U的邊(u，v)中找出最小邊(u0，v0)并將此邊并入集合TE，同時在U集合中并入v0。

當集合U=V時，結(jié)束重復執(zhí)行操作，結(jié)束時集合TE中必然有n-1條邊，此時T=(V，{TE})為連通網(wǎng)N的最小生成樹。

(4)分布式面向資源服務。

文中采用的分布式面向資源的服務，就是采用REST模式，REST模式[12]的服務與復雜的SOAP、XML-RPC[13]對比更加簡潔，越來越多的服務開始采用REST模式進行設(shè)計和實現(xiàn)。

在REST中一切都被認為是一種資源，每個資源都由URI標識。對資源的操作包括獲取、創(chuàng)建、修改和刪除等方法，使用的都是統(tǒng)一的接口，而不像SOAP風格那樣的服務，每個服務方法名稱都是不同的；而且每個請求都是獨立的請求，資源的表現(xiàn)形式采用的是JSON、XML等多樣化的數(shù)據(jù)返回形式。

REST風格的工作原理，通信只能由客戶端當面發(fā)起，表現(xiàn)為請求/響應的形式；通信的會話狀態(tài)全部由客戶端負責，系統(tǒng)的靈活性和擴展性更好；響應的內(nèi)容可以在通信鏈的某處被緩存，可以改善網(wǎng)絡(luò)效率；通信鏈的組件之間通過統(tǒng)一的接口相互通信，提高了交互的可見性；通過限制組件的行為，可以將架構(gòu)分解為若干等級的層，分層機制優(yōu)越；服務器可以按客戶端的請求所需而響應服務，易于功能的擴展。

4 實驗分析

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為：開發(fā)平臺：MapGIS 10、MapGIS IGServer for .NET；開發(fā)工具：Visual Studio 2012；操作平臺：Windows 7；開發(fā)語言：C#、JavaScript、HTML、CSS；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：SQL Server 2008、MapGIS 10 HDF；服務器：MapGIS IGServer for .NET。運行環(huán)境為：Microsoft Windows系列，包括Windows XP、Windows 7、Windows 8、Windows 10等版本。

測試數(shù)據(jù)：以峨眉山市為例，建立了峨眉山市統(tǒng)一完整的道路、服務設(shè)施點和停車場信息庫，該庫為MapGIS地理數(shù)據(jù)庫；系統(tǒng)通過模擬大量充電站數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)挖掘的處理技術(shù)，模擬了實時出行數(shù)據(jù)，提供實時出行數(shù)據(jù)的智能化服務；建立文檔數(shù)據(jù)與圖形間的連接，實現(xiàn)實時互訪；提供便捷的充電站位置、道路信息和地點設(shè)施查閱。

實時電量：顯示各個充電站當前剩余電量，形成實時電量統(tǒng)計表，通過顯示所有充電站實時電量，進行直觀的統(tǒng)計圖顯示。

圖3所示，充電站管理員可以快速查看當前各地方充電站電量情況。

圖3 實時電量專題圖

歷史電量：通過充電站電量的累積統(tǒng)計，管理人員查看充電站輸入電量和輸出電量(見圖4)，根據(jù)充電站電量使用情況，做好相關(guān)登記，便于分析該充電站產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，提供城市對充電站建設(shè)的依據(jù)。

圖4 歷史電量專題圖

歷史充電次數(shù)：顯示該充電站歷史充電次數(shù)，統(tǒng)計充電站電池一共使用次數(shù)(見圖5)，有利于管理員了解充電站電池使用情況，為更換充電站電池提前做出安排。

圖5 充電次數(shù)專題圖

用戶由關(guān)鍵字搜索查詢或者圖標分類查詢，準確快速地對充電站進行精確定位(見圖6)，并顯示信息點詳細信息，滿足用戶基本需求。

圖6 充電站智能定位

5 結(jié)束語

根據(jù)充電站的特點，以用戶和充電站管理為研究對象，設(shè)計了城市充電站管理系統(tǒng)。結(jié)合GIS技術(shù)、空間分析算法、面向資源的REST分布式技術(shù)，實現(xiàn)了智能充電站管理系統(tǒng)，提供了充電站的智能查詢、智能路徑規(guī)劃和導航、充電樁的智能電量管理、智能維護和設(shè)備的智能統(tǒng)計等功能，有效解決了電動汽車行駛中充電難的問題，提高了充電設(shè)施的利用率，滿足了用戶需求，降低了充電站管理員的工作強度。系統(tǒng)通過實例進行了驗證和測試，各項功能達到了預計的目的。該系統(tǒng)的實現(xiàn)，具有一定的研究價值和經(jīng)濟意義，為智能充電站管理系統(tǒng)的研究提供了技術(shù)參考。