電動(dòng)汽車充電樁運(yùn)行管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

劉瀟瀟，田建偉，王齊，劉金，黎曦

(湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410007)

在能源日益缺乏、石油價(jià)格高漲以及對(duì)環(huán)境污染問題非常重視的今天，迫使人們?nèi)ふ覀鹘y(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的代替品，各國(guó)紛紛發(fā)展電動(dòng)汽車，這不僅關(guān)系到一個(gè)國(guó)家汽車工業(yè)的發(fā)展方向，更是一個(gè)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題，事關(guān)各國(guó)的能源安全。

為積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，履行社會(huì)責(zé)任，2006年11月10日，國(guó)家電網(wǎng)公司(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)網(wǎng)”)在上海召開“推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展試點(diǎn)實(shí)施方案座談會(huì)”，并確定湖南省電力公司為推動(dòng)電動(dòng)汽車工作的7個(gè)試點(diǎn)省(市)公司之一。公司積極開展電動(dòng)汽車充電設(shè)施建設(shè)，湖南省廣泛部署電動(dòng)汽車充電樁，截止目前，全省共投運(yùn)充電樁300個(gè)，在建充電樁300個(gè)，預(yù)計(jì)“十二五”末將達(dá)到10 400個(gè)。

1 設(shè)計(jì)原則

1.1 標(biāo)準(zhǔn)化原則

系統(tǒng)采用國(guó)網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)采集各類數(shù)據(jù)，并按統(tǒng)一格式對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)管理。

1.2 安全性原則

系統(tǒng)操作具有權(quán)限及嚴(yán)格完善的密碼、日志管理。服務(wù)器要有必要的病毒入侵檢測(cè)手段和足夠的抗病毒能力。提供系統(tǒng)級(jí)和應(yīng)用級(jí)完備的數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)機(jī)制。

1.3 開放性原則

規(guī)范數(shù)據(jù)通信協(xié)議和功能規(guī)范，面向不同制造商各類信息接入;提供開放的軟件平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)接口;提供應(yīng)用開發(fā)環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用編程接口，便于用戶的應(yīng)用軟件開發(fā)和集成。

1.4 先進(jìn)性原則

在技術(shù)架構(gòu)上，采用多層邏輯處理層體系結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)分為表現(xiàn)層、控制層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)庫(kù)操作層，并采用當(dāng)前最流行的先進(jìn)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.5 可擴(kuò)展性原則

系統(tǒng)采用便于升級(jí)的模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)需求選擇模塊組合;系統(tǒng)升級(jí)時(shí)不影響系統(tǒng)運(yùn)行。

2 總體框架

全省電動(dòng)汽車充電樁運(yùn)行管理采用集中式管理模式，將分散在各地市的充電樁數(shù)據(jù)通過GPRS無(wú)線方式或CAN總線方式進(jìn)行采集管理，全省只部署1套主站軟件。運(yùn)行管理系統(tǒng)通過集成充電樁上傳的數(shù)據(jù)信息，并整合付費(fèi)IC卡系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全省充電樁及預(yù)付費(fèi)充值卡的集中管理。同時(shí)充電樁運(yùn)行管理系統(tǒng)還能與充電站監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行通訊，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)全省充電設(shè)施的統(tǒng)一監(jiān)管，降低運(yùn)營(yíng)成本。整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 充電樁總體架構(gòu)圖

3 數(shù)據(jù)集成方案

充電樁運(yùn)行管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要來源于2個(gè)子系統(tǒng)，即充電樁采集前置機(jī)和充值卡管理系統(tǒng)。

3.1 與充電機(jī)采集前置機(jī)數(shù)據(jù)集成

(1)采用C++語(yǔ)言開發(fā)通訊接口，供運(yùn)行管理系統(tǒng)調(diào)用，可根據(jù)需求變化隨時(shí)增加新功能，且不受開發(fā)平臺(tái)制約，具有較好的擴(kuò)展性，對(duì)國(guó)網(wǎng)充電站通信標(biāo)準(zhǔn)支持力度最好。

(2)充電樁數(shù)據(jù)無(wú)線采集方式分為 pull和push＆pull。Pull方式下充電樁采集前置端作為接收服務(wù)器始終打開連接接收來自充電樁的GPRS數(shù)據(jù)。push＆pull方式下充電樁采集前置端先通過撥號(hào)方式與充電樁建立無(wú)線連接，然后發(fā)送接收指令接收充電樁數(shù)據(jù)。Pull方式始終打開連接資源耗費(fèi)較大，push＆pull方式每次接收GPRS數(shù)據(jù)都需發(fā)送指令建立連接才可接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集周期時(shí)間較Pull方式長(zhǎng)，但基于穩(wěn)定性、安全性和資源耗費(fèi)等方面綜合考慮，推薦采用第2種方式。

(3)充電樁數(shù)據(jù)有線采集方式采用CAN總線和以太網(wǎng)2層架構(gòu)，既能保證工業(yè)限產(chǎn)該數(shù)據(jù)可靠傳輸，又能滿足數(shù)據(jù)信息的分析、記錄、管理和遠(yuǎn)程共享管理。

3.2 與充值卡管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成

將IC卡串口讀寫操作封裝成dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，供運(yùn)行管理系統(tǒng)調(diào)用，同時(shí)IC卡數(shù)據(jù)操作同步寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。這種數(shù)據(jù)集成方式大大減少了程序的執(zhí)行代碼，有效地利用了內(nèi)存，并且由于dll文件通常作為一個(gè)單獨(dú)的程序模塊，封裝性和獨(dú)立性好，便于升級(jí)維護(hù)，大大提高了軟件開發(fā)維護(hù)效率。

4 功能介紹

4.1 系統(tǒng)管理

4.1.1 個(gè)人資料修改

主要對(duì)登錄進(jìn)來的用戶資料進(jìn)行修改，修改的信息包含:登錄賬號(hào)、用戶名稱、登錄密碼、確認(rèn)密碼、所屬角色、備注等。

4.1.2 用戶管理

系統(tǒng)管理員可對(duì)系統(tǒng)用戶進(jìn)行增加、修改、刪除以及查詢等操作。用戶只有與指定角色綁定后才能使用系統(tǒng)功能，一個(gè)用戶只能歸屬于一個(gè)角色，一個(gè)角色可以對(duì)應(yīng)多個(gè)用戶。

系統(tǒng)管理員能夠按照登錄賬號(hào)、姓名等對(duì)用戶基本資料進(jìn)行查詢，其中用戶基本信息的管理項(xiàng)目包括:登錄賬號(hào)、用戶名稱、登錄密碼、確認(rèn)密碼、所屬角色、所屬供電局、備注等基本資料。

4.1.3 角色管理

角色對(duì)應(yīng)可以操作的功能權(quán)限，用以保護(hù)系統(tǒng)訪問安全性。一個(gè)用戶只能歸屬于一個(gè)角色，一個(gè)角色可以對(duì)應(yīng)多個(gè)用戶。

4.1.4 操作事件管理

系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)添刪改操作等敏感事件進(jìn)行詳細(xì)記錄，建立完善的審計(jì)機(jī)制，從而保證系統(tǒng)安全性，并作為今后進(jìn)行事后監(jiān)督和責(zé)任追溯的參考評(píng)價(jià)依據(jù)。

4.1.5 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)參數(shù)配置主要針對(duì)充電樁所屬區(qū)域、上傳時(shí)間間隔參數(shù)等進(jìn)行靈活動(dòng)態(tài)配置。

4.2 充電樁監(jiān)測(cè)

4.2.1 全省充電樁監(jiān)測(cè)

集成全省各地市充電樁工作狀態(tài)、充電電量、計(jì)費(fèi)信息、充電機(jī)故障狀態(tài)等信息，以圖形、文字、表格相結(jié)合的直觀方式展現(xiàn)全省充電樁布局、數(shù)量、運(yùn)行狀況、經(jīng)營(yíng)情況等。

4.2.2 地市充電樁監(jiān)測(cè)

各電業(yè)局可對(duì)各自管轄范圍內(nèi)充電樁的工作狀態(tài)、電壓、電流、充電時(shí)間、充電電量、充電單價(jià)、充電總價(jià)、充電機(jī)故障狀態(tài)等信息進(jìn)行集中管理，顯示當(dāng)前充電樁準(zhǔn)實(shí)時(shí)信息，并以圖形、文字、表格相結(jié)合的直觀方式展現(xiàn)地市管轄范圍內(nèi)充電樁布局、數(shù)量、運(yùn)行狀況、經(jīng)營(yíng)情況等。

4.2.3 充電樁歷史記錄

采集充電樁工作狀態(tài)、電壓、電流、充電電量、充電開始時(shí)間、充電結(jié)束時(shí)間、充電時(shí)間、充電電量、充電單價(jià)、充電總價(jià)、充電機(jī)故障狀態(tài)等信息，并將其存入運(yùn)行管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，形成充電樁的完整歷史數(shù)據(jù)記錄;

提供查詢功能，可按時(shí)間段、區(qū)域等條件進(jìn)行查詢，顯示滿足查詢條件的充電樁歷史記錄，并提供報(bào)表生成。

4.3 充值卡管理

4.3.1 建立人員檔案

建立充值卡人員檔案信息，包括:人員姓名、聯(lián)系方式、所屬地區(qū)等。

4.3.2 充值卡操作

提供充值卡開戶、銷戶、掛失、補(bǔ)卡等操作。充值卡狀態(tài)有4種:待銷售、售出中、已充值、注銷中。

執(zhí)行開戶操作后的充值卡均會(huì)在數(shù)據(jù)庫(kù)中留下入庫(kù)記錄，對(duì)已經(jīng)入庫(kù)的充值卡進(jìn)行入庫(kù)成功校驗(yàn)后將充值卡狀態(tài)統(tǒng)一置為待銷售;卡銷售時(shí)，只能銷售狀態(tài)為待銷售的卡;銷售后，卡狀態(tài)統(tǒng)一置為售出中;用戶充值時(shí)，卡狀態(tài)必須為售出中，且其卡密碼經(jīng)校驗(yàn)后與數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的一致，方可執(zhí)行充值操作;充值完成后卡狀態(tài)置為已充值，同時(shí)將充值信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中;充值信息成功錄入數(shù)據(jù)庫(kù)后，充值卡狀態(tài)又會(huì)置為售出中。只有具備權(quán)限的用戶才能注銷待銷售狀態(tài)的充值卡，其他處于銷售和充值狀態(tài)中的卡是不能注銷的，所有入庫(kù)后的卡一律不允許刪除。如客戶卡丟失，還可執(zhí)行補(bǔ)卡操作將原卡信息寫入新卡，同時(shí)原卡作廢處理。

4.3.3 充值卡充值

讀取充值卡信息，在對(duì)充值卡進(jìn)行充值之前，驗(yàn)證充值卡是否為有效卡，充值卡狀態(tài)是否正確。無(wú)誤后，方可執(zhí)行充值操作。

該功能只有分配了相應(yīng)權(quán)限的人員才可訪問執(zhí)行相關(guān)操作，不可越權(quán)操作。

4.3.4 充值卡繳費(fèi)記錄

可按時(shí)間段、卡號(hào)、卡用戶名稱等，查詢充值卡繳費(fèi)記錄等;

具體顯示信息包括:流水線號(hào)、卡號(hào)、卡內(nèi)剩余金額、卡狀態(tài)、卡入庫(kù)日期、售出日期、充值日期、充值用戶號(hào)、用戶姓名、操作員工號(hào)等。

4.4 前置采集端

前置采集機(jī)是系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，主要完成與通信和規(guī)約解釋相關(guān)的處理邏輯，要求系統(tǒng)具有處理大規(guī)模并發(fā)任務(wù)的能力。前置采集分為前置通信調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理等部分。前置通信調(diào)度是對(duì)各種與終端的遠(yuǎn)程通信方式進(jìn)行通信的管理和調(diào)度;數(shù)據(jù)采集負(fù)責(zé)采集充電樁數(shù)據(jù)，并進(jìn)行協(xié)議解析;數(shù)據(jù)管理負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的合理性檢查、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車充電樁運(yùn)行管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠及時(shí)獲得充電樁運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，及時(shí)觀察到各類異常情況，從而使得電力工作人員面對(duì)眾多分散零散的充電樁管理有條不紊。同時(shí)，集成的充值卡系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行，投資成本低，未來可考慮與電、水、煤氣、天然氣等充值卡統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)繳費(fèi)一體化，進(jìn)一步擴(kuò)展電力營(yíng)銷服務(wù)。今后隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電動(dòng)汽車充電樁運(yùn)行管理系統(tǒng)的重要性將日益凸顯。