劉皓天，陳 楓，吳振勇，趙 沖，楊 雷

（1.中船重工縱橫科技有限公司，湖北 宜昌443000；2.廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004）

1 引言

隨著電動汽車的快速發(fā)展，對汽柴油市場的影響日益凸顯，預(yù)計2030年前后，電力、氫能源將逐漸接管汽車動力市場[1]。國家電網(wǎng)公司于2006開始進入電動汽車充電設(shè)施建設(shè)投資領(lǐng)域，截止目前，累計接入充電樁總數(shù)16.8萬個[2]，根據(jù)由國家發(fā)展改革委等四部門編制的《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015～2020年）》的要求，至2020年我國車樁比例將達到接近1:1的合理水平，我國充電設(shè)施建設(shè)快速增長[3]。

一旦忽略充電樁運行過程中存在的安全隱患，引發(fā)起火事故，將會造成極大的經(jīng)濟損失,并產(chǎn)生不良的社會影響。因此，針對這一問題，對目前充電樁運行過程中存在的安全隱患進行分析，研究各類安全指標，利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)、DTU無線通信、Web、大數(shù)據(jù)技術(shù)，開發(fā)了一套基于DTU的充電樁電氣安全大數(shù)據(jù)管控平臺，用于實時分析海量充電樁群的運行數(shù)據(jù)，準確捕捉電氣火災(zāi)隱患，確保電氣火災(zāi)防患于未“燃”。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于DTU的充電樁電氣安全大數(shù)據(jù)管控平臺的整體架構(gòu)如圖1所示，主要分為感知層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層、接入層、應(yīng)用層等。其中：

感知層：利用傳感器獲得被測量（物理量、化學量或生物量）的模擬信號，并負責把模擬信號量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，也包括從電子設(shè)備（如串口設(shè)備）中采集到的直接的數(shù)字信號，最終由傳輸層轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用層。

控制層：主要負責控制終端設(shè)備執(zhí)行由接入層傳遞到應(yīng)用層的動作命令。

網(wǎng)絡(luò)層：主要負責傳遞和處理感知層獲取的信息。

接入層：用戶進行在線監(jiān)控、資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等業(yè)務(wù)操作的界面。

平臺層：在整個體系架構(gòu)中起著承上啟下的關(guān)鍵作用，它不僅為上層提供應(yīng)用開發(fā)和統(tǒng)一接口，構(gòu)建了設(shè)備和業(yè)務(wù)的端到端通道，同時，還提供了業(yè)務(wù)融合以及數(shù)據(jù)價值孵化的土壤，為提升產(chǎn)業(yè)整體價值奠定了基礎(chǔ)。

應(yīng)用層：根據(jù)業(yè)務(wù)需求建立相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)，為接入層提供在線監(jiān)控、資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等業(yè)務(wù)處理的應(yīng)用服務(wù)集合。

數(shù)據(jù)層：為核心外部輸入以及系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)存儲支持。

圖1系統(tǒng)總體邏輯架構(gòu)

從充電設(shè)備數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲存、分析、決策，建立“一平臺雙保險三級控”，實現(xiàn)對充電站“人財物”事前、事中、事后的管控。所謂“一平臺”即搭建一個大數(shù)據(jù)平臺；“雙保險”即充電設(shè)備異常時，消防設(shè)備可通過自動和遠程手動兩種方式動作；“三級控”即從區(qū)域級、站點級、設(shè)備級對相關(guān)充電設(shè)備進行管控。對“人財物”的管控，對人即為對充電站中人的行為進行管控，確保行為可追溯；對財即為對充電站中資產(chǎn)進行管控，確保資產(chǎn)信息有記錄；對物即為對充電站中設(shè)備的狀態(tài)進行管控，確保充電設(shè)備安全平穩(wěn)運行。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

本設(shè)計的硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。所設(shè)計的主控制器信號輸入端連接是用于檢測充電樁內(nèi)溫度的溫度傳感器和用于監(jiān)測充電樁內(nèi)CO氣體濃度的氣體傳感器；信號輸出端連接是用于觸發(fā)氣溶膠滅火器的滅火脈沖信號輸出、電源故障報警燈；主控制器上包含控制電路（包含電源電路以及信號采集電路等）以及CAN總線接口。

圖2硬件模塊結(jié)構(gòu)圖

主控制器控制電路中的電源電路（電源電路的電源采用充電樁內(nèi)部已有的直流開關(guān)電源）同時給信號采集電路、CAN總線電路、滅火脈沖輸出電路、顯示及報警電路提供電源，信號采集電路將溫度傳感器和氣體傳感器的信號傳輸給控制電路，再由控制電路傳輸給主控制器。主控制器分別控制滅火脈沖輸出電路和CAN總線電路，滅火脈沖輸出電路與氣溶膠滅火器相連接。充電站內(nèi)的每個充電樁連接一個主控制器，各個主控制器通過CAN總線接口與數(shù)據(jù)信號集中器相連。

設(shè)計的數(shù)據(jù)信號集中器包含CAN總線接口、DTU無線通信模組以及控制電路（包含電源電路以及信號采集電路等）。DTU無線通信模塊作為移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸接入層，提供終端設(shè)備與移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。在通信過程中，它建立串口與IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的傳輸鏈路，并對數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)校驗，它已經(jīng)逐漸替代了傳統(tǒng)的長距離有線傳輸成為了主要的遠程管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸手段[4-5]。電源電路同時給DTU無線通信模組電路和CAN總線電路提供電源，CAN總線電路與滅火主控制器的CAN總線電路相連接，DTU無線通信模組電路將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層上傳至主中心服務(wù)器。

設(shè)計的顯示及報警電路采用LED燈，可根據(jù)實際情況進行報警，若是充電樁內(nèi)狀態(tài)正常則LED燈呈現(xiàn)綠色；若氣體濃度超過閾值報警，或溫度超過閾值，則LED燈呈現(xiàn)黃色；若系統(tǒng)內(nèi)損壞，則LED燈呈現(xiàn)為閃爍狀態(tài)。

3.2 軟件設(shè)計

平臺的軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。開發(fā)的主控制器模塊通過模糊理論算法確定相應(yīng)的報警閾值。模糊理論算法是在模糊集的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，適用于多傳感器的數(shù)據(jù)融合。模糊集第一次是由L.A.Zadeh在1965年的時候提出的。模糊算法在此處的應(yīng)用，是把傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)信息模糊化，使得之前元素與集合關(guān)系的絕對化變?yōu)榱烁怕驶?。?shù)據(jù)模糊化之后利用特定的方法把所有的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的加工處理，最終的結(jié)果即為系統(tǒng)需要的融合結(jié)果或是決策。模糊算法因其本身的特性非常適用于對模糊的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)進行融合[6]。傳感器采集的溫度、氣體濃度值以及由模糊理論算法融合溫度、氣體濃度值得到的報警信號通過CAN總線上傳，同時也可以通過CAN總線下發(fā)由主中心服務(wù)器發(fā)送的滅火信號。

圖3軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

開發(fā)的數(shù)據(jù)信號集中器模塊采集各個主控制器的信號并對各個主控制器的信號進行集中、整合，通過DTU通信模組進行數(shù)據(jù)傳輸，DTU將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)，由傳輸鏈路將十六進制數(shù)據(jù)上傳至主中心服務(wù)器。

開發(fā)的基于NIO數(shù)據(jù)交換模塊通過非阻塞通信技術(shù)——NIO（Non-blocking IO）來實現(xiàn)高并發(fā)通信，它是一種基于通道和緩沖區(qū)來執(zhí)行輸入輸出流的新方式[7]。在NIO中訪問數(shù)據(jù)，都是通過緩沖區(qū)操作[8]，同時通過多路復(fù)用Selector來實現(xiàn)選擇已就緒的任務(wù)的功能，突破了最大連接句柄的限制。相對于傳統(tǒng)的BIO（Blocking IO），NIO可以在短時間內(nèi)響應(yīng)請求并處理消息，而非阻塞線程等待數(shù)據(jù)的到來，提高了數(shù)據(jù)交換模塊并發(fā)處理數(shù)據(jù)的能力，在一定程度上減少了資源的消耗?；贜IO數(shù)據(jù)交換模塊接收由傳輸鏈路上傳的數(shù)據(jù)，傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊。

開發(fā)的數(shù)據(jù)處理模塊通過分布式消息隊列Kafka獲取數(shù)據(jù)交換模塊傳遞的數(shù)據(jù)，利用Spark Streaming根據(jù)通信協(xié)議實時解析、校驗、計算十六進制數(shù)據(jù)，并將計算結(jié)果發(fā)送到Kafka，由Websocket服務(wù)模塊調(diào)用Kafka數(shù)據(jù)對外提供實時分析服務(wù)，同時計算結(jié)果也存入數(shù)據(jù)存儲模塊中，為平臺進行歷史數(shù)據(jù)分析、挖掘以及融合提供海量數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)存儲模塊包含分布式數(shù)據(jù)庫Hbase和傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Mysql。其中Hbase用于存儲由管控終端傳遞的海量的監(jiān)控數(shù)據(jù)，而MySQL用于存儲一般的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。將分布式數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，保障平臺高效平穩(wěn)運行。

4 應(yīng)用實例及效果

為了驗證基于DTU的充電樁電氣安全大數(shù)據(jù)管控平臺的完整性、可用性以及穩(wěn)定性，能夠為電動汽車充電站安全運營提供保障，平臺在國家電網(wǎng)某電動汽車充電站進行了部署，并進行了相關(guān)功能實驗。部署平臺如圖4所示。

圖4基于DTU的充電樁電氣安全大數(shù)據(jù)管控平臺

平臺通過區(qū)域級、站點級、設(shè)備級三級對相關(guān)充電樁進行實時狀態(tài)監(jiān)控，從事前、事中、事后對充電設(shè)備進行管控。其中設(shè)備級監(jiān)控如圖5所示，通過實時監(jiān)控充電樁溫度值、氣體濃度值以及預(yù)警等級，管控充電樁的運行情況，一旦充電樁出現(xiàn)異常狀態(tài)，預(yù)警等級將升為對應(yīng)的等級狀態(tài)，并觸發(fā)警報。充電站運維人員可在平臺上遠程觸發(fā)滅火裝置，也可由滅火裝置自動滅火（需到達三級預(yù)警狀態(tài)）。

圖5設(shè)備級監(jiān)控

通過對基于DTU的充電樁電氣安全大數(shù)據(jù)管控平臺進行數(shù)據(jù)傳輸功能實驗、實時監(jiān)控功能實驗、數(shù)據(jù)管理功能實驗以及穩(wěn)定性測試等，表明了該平臺可較為穩(wěn)定地為充電站管控終端提供無線數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中管理、并行實時分析、監(jiān)控各個充電樁的運行情況，為充電站提供可靠的數(shù)據(jù)監(jiān)管分析，提升充電站管控電氣安全能力。

5 結(jié)束語

國家電網(wǎng)有限公司在所印發(fā)的《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)2020年重點建設(shè)任務(wù)大綱》中提出2020年智慧物聯(lián)的重點是初步建成設(shè)備側(cè)的智慧物聯(lián)體系，隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及相關(guān)硬件產(chǎn)品的高速發(fā)展，促使了愈來愈多遠程管控平臺出現(xiàn)?；诒O(jiān)測、采集設(shè)備的電氣安全大數(shù)據(jù)管控平臺，可實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中各個設(shè)備實時監(jiān)控、生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)實時分析、異常狀態(tài)自動報警，最大限度地降低事故所帶來的經(jīng)濟損失、環(huán)境代價以及社會影響，已經(jīng)成為安全生產(chǎn)生活的必要保障。后續(xù)研究中還需對基于大數(shù)據(jù)挖掘融合和機器學習等技術(shù)分析電氣安全事故潛在風險等問題進行深入研究，為安全生產(chǎn)、運營以及管理提供更好更完備的支持與服務(wù)。