基于物聯(lián)網(wǎng)的車用氣瓶監(jiān)管系統(tǒng)

馬玉鵬，蔣同海

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;2.中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引言

壓縮天然氣CNG 是一種理想的車用替代能源，其應(yīng)用技術(shù)經(jīng)數(shù)十年發(fā)展已日趨成熟。它具有成本低、效益高、無污染，使用安全便捷等特點，正日益顯示出強大的發(fā)展?jié)摿?。新疆?994 年推廣CNG 汽車，截至2013 年底，共有天然氣汽車80 余萬輛，占全疆營運車輛的60%，主要安裝在公交車、出租車、私家車和部分運輸車上。天然氣汽車的推廣應(yīng)用對于節(jié)約能源和環(huán)境保護有著重要意義［1-2］。

隨著疆內(nèi)天然氣車輛數(shù)量的不斷增長，車用氣瓶泄漏和充裝站爆炸事故時有發(fā)生，事故呈上升趨勢，近年，全區(qū)已發(fā)生車用氣瓶爆炸、自燃事故多起，造成人員傷亡和不良的社會影響。主要是以下原因?qū)е?充裝站使用的加氣機無鑒定合格印證;現(xiàn)場充裝的車載氣瓶未經(jīng)檢驗，存在未經(jīng)檢驗和超檢驗周期進行充裝的情況;充裝站的車用氣瓶充裝人員無證上崗操作等。如何杜絕“黑鋼瓶”及這些“流動的炸彈”，加強氣瓶安全管理，實施動態(tài)監(jiān)控，成為擺在質(zhì)檢部門面前的問題［3-4］。

面對燃?xì)廛囕v日益增長的形式和迫切的監(jiān)管需求，傳統(tǒng)的信息化手段力有未逮，一方面不能全面掌控氣瓶信息，識別非法鋼瓶，另一方面，也缺乏有力抓手，無法控制及責(zé)任溯源。

本文研究的車用氣瓶監(jiān)管系統(tǒng)主要運用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，通過對車用氣瓶粘貼電子標(biāo)簽實施管理，建立我區(qū)“車用氣瓶電子監(jiān)管系統(tǒng)”。系統(tǒng)通過對氣瓶電子標(biāo)簽的信息讀取，實現(xiàn)對車用氣瓶的實時、動態(tài)、全過程監(jiān)管，提高車用氣瓶的監(jiān)管能力和氣瓶檢驗率，有效杜絕非法改裝、加氣站管理混亂違規(guī)操作和假證充裝等違法行為，幫助充裝站提高安全管理水平，消除安全隱患，確保人民群眾人身財產(chǎn)安全［5-6］。

1 相關(guān)技術(shù)

RFID:射頻識別(Radio Frequency Identification)技術(shù)，又稱無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸。RFID 電子標(biāo)簽的閱讀器通過天線與RFID 電子標(biāo)簽進行無線通信，可以實現(xiàn)對標(biāo)簽識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀取或?qū)懭氩僮?。RFID 技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便［7-9］。

ZigBee:是基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議的一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有非常強的可應(yīng)用性［10-11］。

PSAM 卡:PSAM(Purchase Secure Access Module)終端安全控制模塊，符合《中國金融集成電路(IC 卡)PSAM 卡規(guī)范》，主要用于商用POS，網(wǎng)點終端，直連終端等設(shè)備上，具有安全控制管理功能，支持多級發(fā)卡機制，適用于多應(yīng)用環(huán)境［12-13］。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

車用氣瓶監(jiān)管系統(tǒng)依托新疆天山云計算中心軟硬件資源，采用分布式虛擬節(jié)點方式部署，資源按需擴展，系統(tǒng)遵循物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)構(gòu)建，分為數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)傳輸層和用戶應(yīng)用層。

感知層以粘貼了RFID 電子標(biāo)簽的車用氣瓶為感知對象，利用三防手持POS 機為感知手段，通過無線射頻識別技術(shù)實現(xiàn)車載氣瓶生產(chǎn)、改裝、檢驗和充裝數(shù)據(jù)的快速采集。

傳輸層應(yīng)用有線、ZigBee、WiFi、3G 等多種通信技術(shù)，通過信息加密、身份驗證、數(shù)據(jù)校驗等方式實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的有效可靠傳輸。

應(yīng)用層依托云平臺虛擬化資源，采用組件技術(shù)實現(xiàn)J2EE 架構(gòu)的車載氣瓶監(jiān)管系統(tǒng)，匯聚各種終端采集來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對氣瓶的感知、定位、追蹤，進而實現(xiàn)覆蓋氣瓶生產(chǎn)、改裝、檢驗和充裝全生命周期的動態(tài)監(jiān)管。為政府職能部門、監(jiān)管機構(gòu)和普通用戶提供服務(wù)［14-16］。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 主要業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)基于J2EE 多層體系設(shè)計，分為支撐層、應(yīng)用層及用戶層3 大層面。支撐層包括硬件、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫和中間件環(huán)境，均由云平臺虛擬化資源池提供;應(yīng)用層包括業(yè)務(wù)功能和用戶、權(quán)限等基礎(chǔ)組件;用戶層則包括職能部門、監(jiān)管機構(gòu)、普通用戶和其他第三方系統(tǒng)。

系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能主要分為以下6 個子系統(tǒng)，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

3.1 電子標(biāo)簽發(fā)行系統(tǒng)

完成對電子標(biāo)簽初始化功能，為保障標(biāo)簽數(shù)據(jù)可靠，杜絕外來標(biāo)簽，采用驗證算法，在電子標(biāo)簽中寫入驗證碼，以備在檢驗、加氣、巡檢時確認(rèn)電子標(biāo)簽身份。標(biāo)簽發(fā)行由區(qū)級質(zhì)監(jiān)機構(gòu)完成，各地州獨立標(biāo)識、使用，權(quán)責(zé)到人，方便管理。

3.2 氣瓶檢驗系統(tǒng)

完成對氣瓶安裝和產(chǎn)品質(zhì)量檢測信息的管理，包括耐壓檢測、壁厚、外觀等檢測項目。由各地州質(zhì)檢部門負(fù)責(zé)維護，包括檢驗、審核、審批3 個步驟，保障檢驗結(jié)果及時、無誤地錄入系統(tǒng)。

3.3 氣瓶巡檢系統(tǒng)

巡檢員用手持機對過往車輛進行不定期巡檢，讀取電子標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)，判斷該氣瓶是否合法，如不合法，比如已過檢驗期或是非法身份鋼瓶，則責(zé)令整改，并通過3G/GPRS 等無線方式上傳巡檢及處理結(jié)果。

3.4 氣瓶改裝系統(tǒng)

完成對氣瓶安裝、移裝、拆卸時相關(guān)信息的采集，由經(jīng)質(zhì)監(jiān)部門認(rèn)證的正規(guī)改裝廠完成錄入，信息包括改裝單位、鋼瓶信息、車輛信息及改裝人員信息等，為后期氣瓶溯源提供依據(jù)。

3.5 氣瓶充裝系統(tǒng)

氣瓶充裝在整個監(jiān)管系統(tǒng)中處于核心部分，系統(tǒng)以氣瓶充裝為抓手，應(yīng)用無線傳輸、智能控制技術(shù)實現(xiàn)嚴(yán)格控制非法改裝及黑氣瓶的使用，從而杜絕安全隱患。

圖3 充裝流程圖

充裝系統(tǒng)由手持POS、無線接收裝置和站控系統(tǒng)3 部分構(gòu)成，手持POS 機采用三防設(shè)計，通過掃描電子標(biāo)簽采集車載氣瓶信息;無線接收裝置應(yīng)用ZigBee無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)對POS 采集數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換和處理;站控系統(tǒng)收到無線裝置轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)后進行身份及合法性驗證，同時過濾黑名單和充裝規(guī)則，自動判定是否為合法用戶，是否允許充裝，驗證通過后即可對加氣機發(fā)送控制指令，開啟加氣槍，進行充裝，不受加氣員個人感情干擾。同時，充裝完成后，站控系統(tǒng)還負(fù)責(zé)接收充裝過程的狀態(tài)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一格式后自動上傳至云平臺，供后續(xù)統(tǒng)計、分析和研判使用，充裝流程圖如圖3 所示。

3.6 監(jiān)管查詢系統(tǒng)

技術(shù)監(jiān)督機構(gòu)對本轄區(qū)所管理的改裝廠、充裝站、燃?xì)廛囕v、鋼瓶數(shù)量、到檢信息等提供監(jiān)管查詢。系統(tǒng)基于全面感知氣瓶改裝、檢驗、充裝過程等狀態(tài)信息，通過對感知數(shù)據(jù)的智能處理和實時分析，實現(xiàn)了對氣瓶隱患和不安全行為的預(yù)警和制止，包括:通過對充裝次數(shù)、下次檢驗時間、充裝前壓力的信息采集，禁止不安全氣瓶的充裝;通過黑名單管理，對處于其他原因的不安全車輛禁止充裝;通過對多次充裝記錄的分析，對過壓充裝或是充裝次數(shù)超過氣瓶限定次數(shù)的情況，給予預(yù)警及拒絕充裝;通過對多次充裝記錄的分析，如果發(fā)現(xiàn)充裝氣量多次大于氣瓶額定氣量，且超過一定額度，判定其可能私自加裝了多個氣瓶，給予預(yù)警及拒絕充裝。

系統(tǒng)通過對這些狀態(tài)信息的感知、分析，全面掌握了氣瓶的安全狀況，有效預(yù)防了氣瓶泄漏、爆炸等事故隱患，達到了實時動態(tài)監(jiān)管的目的，為燃?xì)廛囕v的營運生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

系統(tǒng)運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)運行統(tǒng)計圖

系統(tǒng)運行監(jiān)管數(shù)據(jù)截圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)運行氣瓶監(jiān)管圖

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 數(shù)據(jù)格式定義

電子標(biāo)簽作為氣瓶唯一性標(biāo)識，承載了氣瓶的生產(chǎn)、改裝、檢驗、巡檢等信息，為滿足全疆適用的特點，制定了新疆車載氣瓶電子標(biāo)簽編碼格式規(guī)范。

為加強充裝過程合法性驗證強度，系統(tǒng)設(shè)置了黑名單及加氣規(guī)則功能，通過XML 格式定義文件內(nèi)容，下發(fā)至充裝站，以備驗證使用。為適應(yīng)新疆特色，系統(tǒng)添加了維文描述，方便少數(shù)民族地區(qū)使用。

黑名單采用XML 格式，文件名為GasBlkList.xml，文件內(nèi)容示例如下:

充裝規(guī)則文件名定義為GasFillRule.xml，文件內(nèi)容示例如下:

另外，在數(shù)據(jù)采集端，也定義了相關(guān)的文件規(guī)范，包括改裝信息、檢驗信息、充裝信息等，以充裝信息為例，充裝記錄文件名定義為 10101 _ fill _20130701123546.xml，意為編號10101 的充裝站在2013 年7 月1 日充裝信息，文件內(nèi)容示例如下:

4.2 標(biāo)簽數(shù)據(jù)的安全性

為保障標(biāo)簽中數(shù)據(jù)的安全性，防止其被篡改，系統(tǒng)引入PSAM 卡設(shè)計，為氣瓶標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)建立一套安全的數(shù)據(jù)完整性檢驗機制。使用的算法為銀行卡體系中基于3DES 的標(biāo)準(zhǔn)MAC 算法。主管機構(gòu)可以使用相應(yīng)的授權(quán)SAM 管理卡計算相應(yīng)數(shù)據(jù)的簽名并將其寫入標(biāo)簽，而用戶可以使用用戶SAM 卡對標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)簽名進行校驗。

系統(tǒng)使用128 位3DES 主密鑰，經(jīng)氣瓶標(biāo)簽唯一序列號(UID)分散后，對需簽名數(shù)據(jù)進行MAC 計算，得到4 Byte 數(shù)字簽名，將其寫入氣瓶標(biāo)簽相應(yīng)簽名區(qū)。由于每個標(biāo)簽均使用不同的MAC 密鑰，系統(tǒng)安全性大大提高。

根據(jù)用戶需求及使用場景不同，SAM 卡分為2種類型:主管機構(gòu)卡和用戶卡。用戶卡可以使用所有3 種密鑰進行簽名驗證工作，但無法使用簽名計算功能。在充裝場景，用戶卡用于充裝站的簽名驗證，驗證通過后確認(rèn)為系統(tǒng)下發(fā)的標(biāo)簽后才可進行進一步充裝操作。主管部門卡除了執(zhí)行用戶卡所有功能外，還可以使用有授權(quán)的密鑰進行簽名計算。根據(jù)授權(quán)情況不同，可以為多個主管部門配發(fā)擁有不同權(quán)限的卡，在本系統(tǒng)中，主管機構(gòu)卡用于質(zhì)監(jiān)部門初始化及基本信息寫入時的簽名計算。

使用SAM 卡進行簽名命令A(yù)PDU 片段如下:

1)校驗SAM 口令，成功后才可進行簽名計算。

返回值9000，即通過驗證，可進行下一步操作。

2)初始化生成體系，用氣瓶標(biāo)簽UID 進行生成初始化。

返回值9000，代表利用UID 初始化完成。

3)生成數(shù)據(jù)簽名，數(shù)據(jù)必須為8 Byte 的整數(shù)倍長，如果不是就需要進行填充。

由此，即可得出對標(biāo)簽數(shù)據(jù)的數(shù)字簽名5A79743E，寫入標(biāo)簽，此簽名為標(biāo)簽數(shù)據(jù)被讀取時提供驗證，保證數(shù)據(jù)未被篡改。

4.3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

為屏蔽異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和終端，系統(tǒng)定義了一套數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，數(shù)據(jù)報文采用基于Socket 通訊機制進行傳輸，交互采用會話機制，請求與應(yīng)答對應(yīng)，會話之間相對獨立，支持結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)傳輸與斷點續(xù)傳功能。

在傳輸過程中，任何一次交互的消息報文均由消息包頭、消息包體、校驗位3 部分組成，消息包頭又可劃分為包長度、同步信息、壓縮加密等。詳細(xì)消息報文結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 傳輸協(xié)議報文結(jié)構(gòu)定義

通訊協(xié)議的交互流程采用請求、應(yīng)答的會話模式，首先由客戶端發(fā)起會話請求，服務(wù)端經(jīng)過終端身份驗證、報文格式校驗后，回復(fù)客戶端;然后，再由客戶端發(fā)起傳輸數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)請求，在整個交互過程中均采用CRC 校驗確保數(shù)據(jù)完整性，對于安全級別較高的場景，還可對報文內(nèi)容進行加密處理［17-18］。

傳輸數(shù)據(jù)交互步驟如下:

1)客戶端發(fā)起文件傳輸請求，服務(wù)端返回待傳輸?shù)南?yīng)答;

2)客戶端收到成功應(yīng)答后，發(fā)送數(shù)據(jù)請求;

3)服務(wù)端接收到消息后，發(fā)送數(shù)據(jù)報文，如果數(shù)據(jù)過大，則分包處理;

4)重復(fù)步驟2)，3)直到傳輸完畢;

5)轉(zhuǎn)步驟1)，重復(fù)以上流程，直到所有數(shù)據(jù)傳輸完畢后關(guān)閉連接。

通過此數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，系統(tǒng)可完成充裝站與中心端、巡檢手持機與平臺端的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)束語

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的車用氣瓶監(jiān)管系統(tǒng)，依托天山云計算平臺，采用J2EE 多層體系架構(gòu)分布式部署方式，建立以電子標(biāo)簽為信息載體、無線通信技術(shù)為橋梁、智能控制為監(jiān)管手段的車用氣瓶動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，系統(tǒng)服務(wù)于政府職能部門、質(zhì)監(jiān)機構(gòu)、普通用戶等群體，實現(xiàn)了對氣瓶的全生命周期監(jiān)管。目前，系統(tǒng)已在“天山云”正式部署，多個地州已上線封閉運行，已完成近8 萬燃?xì)廛囕v的貼標(biāo)工作，其他地州也正在改造實施中。未來，系統(tǒng)將覆蓋全疆14 個地州，實現(xiàn)全疆80 余萬車用氣瓶的動態(tài)監(jiān)管，為燃?xì)廛囕v的長期安全運行提供有效的技術(shù)保障。

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