基于電動汽車及充電設施大數(shù)據(jù)處理

郭大琦，安燕娜，李文靜

摘 要：電動汽車及充電設施的運行及運營數(shù)據(jù)分析對信息化數(shù)據(jù)采集提出了更高的要求。電動汽車大規(guī)模投入應用，相關信息系統(tǒng)也在不斷完善，信息化對電動汽車的發(fā)展越來越重要。智能充電樁與大數(shù)據(jù)技術相結合是目前的發(fā)展趨勢。從電動汽車及充電設施出發(fā)，以大數(shù)據(jù)和云計算技術為核心，對電動汽車運營管理系統(tǒng)、 充電設施監(jiān)控系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)信息進行采集和分析，實現(xiàn)了運營管理的智能化和信息化，有效推動了電動車的應用，提高了充電服務的高效性和便捷性。

關鍵詞：充電設施;大數(shù)據(jù);智能充電;電動汽車

中圖分類號：TP311.13 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）12-0098-04

Big Data Processing Based On Electric Vehicles and Charging Infrastructure

Guo Daqi1， An Yanna2， Li Wenjing2

（1.State Grid Hangzhou Yuhang District Power Supply Company， Hangzhou 311100， China; 2.Hangzhou Kaida Electric Power Construction Co.， Ltd. Automation Operation and Maintenance Branch， Hangzhou 311100， China）

Abstract：The operation and operation data analysis of electric vehicles and charging infrastructure put forward higher requirements for information data collection. With large-scale application of electric vehicles and continuous improvement of relevant information systems， informatization has become more and more important for the development of electric vehicles. The combination of intelligent charging pile and big data technology is the current development trend. Starting from electric vehicles and charging infrastructure， the big data and cloud computing technology are used as the core to collect and analyze the relevant data information of electric vehicle operation management systems and charging infrastructure monitoring systems. Thus the intelligence and informatization of operation management are realized. Furthermore， the application of electric vehicles is effectively promoted， and?the efficiency and convenience of the charging service are improved.which is effective It promotes the widespread application of electric vehicles， improves the efficiency and convenience of charging services， and has good application prospects and realistic application values.

Key words：Charging infrastructure; Big Data; Intelligent charging; Electric vehicles

0 引言

如今全球環(huán)境問題不斷受到社會各界的廣泛關注，傳統(tǒng)能源逐漸被新能源替代，電動汽車得到了大力發(fā)展和廣泛應用。由于其發(fā)展形成了一定的規(guī)模，電動汽車及其充電設施的運行數(shù)據(jù)分析、充電站運營管理數(shù)據(jù)分析以及電動車電池性能的分析對相關數(shù)據(jù)信息的采集提出了更高的要求，因此需要通過云計算和大數(shù)據(jù)技術對數(shù)據(jù)進行分析和處理，從而提高運營管理水平和充電效率，實現(xiàn)智能化充電[1]。

隨著大數(shù)據(jù)技術的迅速發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術在各個領域得到了廣泛的應用，成為推動企業(yè)發(fā)展的有效手段。大數(shù)據(jù)技術的引入可以優(yōu)化企業(yè)的運營管理方式，通過對相關數(shù)據(jù)進行采集、處理和分析，既能降低經(jīng)營成本、提高企業(yè)運營管理水平，同時還能推動社會發(fā)展。隨著電動汽車大規(guī)模投入使用，智能充電信息系統(tǒng)也在不斷完善，大數(shù)據(jù)應用于電動汽車及其充電設施是當前發(fā)展趨勢。因此對電動汽車及充電設施進行信息化管理，實現(xiàn)充電設施的互聯(lián)互通和充電服務的智能化和信息化受到了廣泛關注[2-4]。

本文通過對電動汽車運營管理系統(tǒng)、充電設施監(jiān)控系統(tǒng)及智能充電樁等數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)進行研究，采用大數(shù)據(jù)技術對復雜的關聯(lián)數(shù)據(jù)進行分析，并對數(shù)據(jù)的潛在價值進行挖掘，從而推動運營管理方式的轉變，提高充電設施的運營和系統(tǒng)管理水平的研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 電動汽車領域大數(shù)據(jù)

1.1 電動汽車大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

電動汽車領域大數(shù)據(jù)主要由電動汽車及充電設施運行數(shù)據(jù)、相關設備的檢測數(shù)據(jù)和運營管理數(shù)據(jù)3部分構成。按數(shù)據(jù)結構可將其分為結構化數(shù)據(jù)和非結構化數(shù)據(jù)兩種類型，電動汽車信息系統(tǒng)的大部分數(shù)據(jù)都屬于結構化數(shù)據(jù)，通常在數(shù)據(jù)庫中存儲， 隨著電動汽車大規(guī)模投入，結構化數(shù)據(jù)也隨之快速增長。而非結構化數(shù)據(jù)是指那些不容易通過數(shù)據(jù)庫二維邏輯來表示的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)和圖像處理等數(shù)據(jù)均屬于該類數(shù)據(jù)。非結構化數(shù)據(jù)在電動汽車充電設施監(jiān)控系統(tǒng)中占有較大比例。

根據(jù)處理時限的不同要求可將結構化數(shù)據(jù)分為實時數(shù)據(jù)和準實時數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)主要是指充電設施遠程控制、預約充電和無卡充電等需要快速準確處理的數(shù)據(jù);對于系統(tǒng)設備運行及運營的狀態(tài)數(shù)據(jù)，實時性通常要求不高，因此以準實時數(shù)據(jù)的形式對其進行處理[5]。

1.2 電動汽車大數(shù)據(jù)特點

電動汽車及其充電設施的大數(shù)據(jù)具有規(guī)模大、種類多、價值密度低和變化快4個特點。

（1）數(shù)據(jù)規(guī)模大。隨著電動汽車廣泛推廣，相應的充電配套設施也日趨完善，以某城市為例，每天需要充電的電動汽車就有數(shù)千輛，同時需要對上千臺充電樁的運行數(shù)據(jù)進行采集，每天增加的數(shù)據(jù)信息量相當大。

（2）數(shù)據(jù)種類多。電動汽車及其充電設施的數(shù)據(jù)類型繁多且分布廣泛，數(shù)據(jù)主要由歷史數(shù)據(jù)、當前數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)等結構化、非結構化數(shù)據(jù)構成;與之對應的數(shù)據(jù)查詢和處理的要求也因數(shù)據(jù)類型的不同而不同。

（3）價值密度低。對于視頻監(jiān)控來說，其數(shù)據(jù)記錄是連續(xù)的，但有用的數(shù)據(jù)可能只有幾秒。電動汽車及充電設施監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)中，異常數(shù)據(jù)占有很小的比例，大部分數(shù)據(jù)是正常數(shù)據(jù);但是異常數(shù)據(jù)是系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的重要依據(jù)。

（4）變化快。為了給相關決策的制定提供支持，數(shù)據(jù)分析要在幾分之一秒內完成，同時要求對在線數(shù)據(jù)的處理能力要比離線數(shù)據(jù)高;與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘相比，在線數(shù)據(jù)分析要求更高[6-8]。

電動汽車及其充電設施的數(shù)據(jù)處理過程中，需要保證數(shù)據(jù)的質量，根據(jù)數(shù)據(jù)與特定類型數(shù)據(jù)相關的可靠性級別來對其進行評估。這樣就可以為數(shù)據(jù)分析和處理提供高質量的數(shù)據(jù)，從而為分析結果的正確性提供了重要保障。

2 大數(shù)據(jù)平臺整體架構

2.1 技術結構

為了提高電動汽車充電服務的質量和效率，提升企業(yè)運行管理水平，采用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云儲存等技術，構建充電設施大數(shù)據(jù)平臺。大數(shù)據(jù)、云計算和智能充電樁的關系如圖1所示。

其中云計算主要用來實現(xiàn)系統(tǒng)中相關數(shù)據(jù)的計算和存儲，通過云計算可以提高數(shù)據(jù)處理速度和信息交互效率;大數(shù)據(jù)技術為云計算提供數(shù)據(jù)來源，并對數(shù)據(jù)進行挖掘，根據(jù)不同的業(yè)務需求提供不同的應用。智能充電樁網(wǎng)絡是大數(shù)據(jù)技術在電動汽車領域的具體應用，三者之間形成有機統(tǒng)一體，從而實現(xiàn)了充電設施的智能化和信息化[9]。

2.2 智能充電樁大數(shù)據(jù)架構

基于大數(shù)據(jù)技術構建智能充電平臺，可對充電樁基礎設施的使用情況進行大數(shù)據(jù)分析，同時可以實現(xiàn)充電樁實時運行狀態(tài)監(jiān)控，為用戶提供充電一體化服務，有效提升了充電效率和企業(yè)運營管理水平。智能充電樁大數(shù)據(jù)架構如圖2所示。

該架構主要由數(shù)據(jù)管理、備份與恢復、服務器和操作系統(tǒng)等模塊構成，采用大數(shù)據(jù)技術中的分布式文件處理技術實現(xiàn)整體功能，通過大數(shù)據(jù)調度框架和訪問框架實現(xiàn)智能充電樁的各種應用，并以Hadoop文件系統(tǒng)形式對大數(shù)據(jù)進行存儲，從而實現(xiàn)PB、ZB級的數(shù)據(jù)存儲和查詢[10]。

2.3 數(shù)據(jù)結構

充電設施能對自身的實時狀態(tài)進行檢測，同時還具有計量的功能，通過大數(shù)據(jù)及通信技術對相關數(shù)據(jù)進行采集和讀取，并通過數(shù)據(jù)庫保存。這樣既可以實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的獲取又可以對充電樁的相關運行參數(shù)進行遠程設置。

數(shù)據(jù)采集與存儲。充電樁通常在戶外安裝，所處環(huán)境較惡劣，而且電磁干擾較大，數(shù)據(jù)信息交互通常采用GPRS通信，復雜的電磁環(huán)境會導致數(shù)據(jù)通信延時甚至中斷。正常運行時充電樁實時上傳運行數(shù)據(jù)，根據(jù)實際功能需求對所需的數(shù)據(jù)進行采集，然后在客戶端對所要監(jiān)視的數(shù)據(jù)進行展示。根據(jù)充電樁技術規(guī)范相關規(guī)定，數(shù)據(jù)及事件的記錄、數(shù)據(jù)保存時間都有明確要求，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳的完整性，在數(shù)據(jù)采集過程中采用啟動召喚和定時召喚兩種策略，保證所有記錄信息錄入數(shù)據(jù)庫。

參數(shù)遠程設置。為了實現(xiàn)分布式充電樁的集中管理，同時為運維提供便捷，充電樁要滿足參數(shù)遠程設置的需求，可以對系統(tǒng)相關保護值、控制參數(shù)以及費率進行本地或遠程設置。工作人員通過網(wǎng)絡及操作界面對參數(shù)進行遠程設置，為了保證系統(tǒng)的安全性，需要對操控權限進行管理，并通過不同功能模塊間的協(xié)同化來實現(xiàn)[11]。

3 關鍵技術

3.1 數(shù)據(jù)處理技術

電動汽車充電設施大數(shù)據(jù)處理技術包括分布式計算、內存計算和流處理技術。如圖3所示，分布式計算技術用來實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的分布式存儲及處理;內存計算技術主要用來對在線數(shù)據(jù)進行實時計算，并對數(shù)據(jù)進行高效讀取和處理;對于實時到達并且速度和規(guī)模都不可控的數(shù)據(jù)，通過流處理技術可以對其有效處理。

分布式計算根據(jù)問題的難易程度對其進行分解，通過其他計算機對分解后的部分進行處理，并對每個計算機的結果進行綜合從而得到最后的結果。

通過在內存中對數(shù)據(jù)進行計算可以減少磁盤讀寫所需時間，有利于數(shù)據(jù)計算速度的提升，內存計算可以降低業(yè)務處理時間，為數(shù)據(jù)挖掘創(chuàng)造了有利條件，同時滿足數(shù)據(jù)分析實時性的要求。

流處理技術將實時數(shù)據(jù)以流的形式進行處理，從而保證新數(shù)據(jù)可以有效處理并及時返回，然而數(shù)據(jù)信息的價值會隨時間不斷降低，因此對新數(shù)據(jù)的分析和處理要迅速。電動汽車及其充電設施數(shù)據(jù)實時處理需求不斷提高，流處理技術恰好可以滿足該需求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在線分析和處理，從而可以更好為決策的制定提供依據(jù)[12-14]。

3.2 數(shù)據(jù)集成管理技術

通過數(shù)據(jù)集成管理技術可以將兩個或者兩個以上應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)合并，從而產(chǎn)生具有更多功能的應用系統(tǒng)。該技術可以將系統(tǒng)中不同結構和不同性質的數(shù)據(jù)進行整合和集成，有效降低了系統(tǒng)間數(shù)據(jù)信息的復雜性，通過構建能夠如實反映歷史變化并相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)集合，實現(xiàn)不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)信息資源共享。將數(shù)據(jù)集成管理技術應用在電動汽車充電設施網(wǎng)絡，首先對系統(tǒng)中不同類型的數(shù)據(jù)進行提取和匯總，并將實體和關系從數(shù)據(jù)庫中提取，然后將其融合集成，對不同格式的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一并存儲。為了保證數(shù)據(jù)的質量和正確性，還需要對數(shù)據(jù)進行清洗[15]。

4 大數(shù)據(jù)在電動汽車領域應用

4.1 充電設施運維

通過大數(shù)據(jù)技術可實現(xiàn)對充電設施的運行狀態(tài)以及使用情況的實時監(jiān)控，當數(shù)據(jù)發(fā)生異常時可以及時發(fā)出警報，以便運維人員對其進行處理。通過對充電樁建設情況、故障記錄以及自身缺陷等相關數(shù)據(jù)信息的采集和處理，構建充電設施運行狀態(tài)監(jiān)測預警系統(tǒng)，采用大數(shù)據(jù)技術對分布式充電樁的建造時間、設備型號以及運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)進行分析和預測，根據(jù)預測結果對其出現(xiàn)概率較高的故障進行預估，從而為設備檢修人員提供重要依據(jù)，通過提前維護為設備的正常運行提供了保障。充電樁利用率計算公式：

式中，N 表示充電樁的利用率;T 表示某段時間內充電樁充電時間;T1表示某個時間內的時長。1天時間充電樁的利用率計算如下：T1=24 h，

式中，T'

n 表示第n次充電結束時間;T n表示第n次充電開始時間。充電站所有充電樁的利用率計算如下：

式中，表示站內所有充電樁的時長;n表示站內充電樁的個數(shù);N'表示某段時間時長。

4.2 企業(yè)運行調度

電動汽車充電設施網(wǎng)絡包括電力變換、分配和用電等部分，不同功能產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)，這些信息數(shù)據(jù)的資源共享可以實現(xiàn)電力生產(chǎn)、充電設施運維和企業(yè)運營管理的協(xié)調發(fā)展，有利于實現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置。通過大數(shù)據(jù)技術對電動汽車充電設施網(wǎng)絡中不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行匯總并實現(xiàn)統(tǒng)一管理，從而形成一個有機體，這些數(shù)據(jù)對電力資源的配置具有重要的作用。通過大數(shù)據(jù)技術的應用，一方面可以提高企業(yè)整體運營的協(xié)調性;另一方面可以為智能化充電協(xié)調運行提供重要保證，進而實現(xiàn)充電系統(tǒng)高效運行。

4.3 客戶分析

通過大數(shù)據(jù)技術可對充電用戶所處的區(qū)域、充電時長以及用戶的類別進行全方位分析，根據(jù)用戶的地域分布和充電時間選擇對電動車充電設施進行優(yōu)化調整，并對其電力資源進行優(yōu)化配置，從而保證充電智能化和便捷化，為用戶提供高質量的充電服務。大數(shù)據(jù)技術在充電設施中的應用不但滿足了客戶的充電需求，還能提高企業(yè)的運營管理水平，企業(yè)根據(jù)不同客戶對充電的需求，實施個性化服務，客戶滿意度顯著提高，為企業(yè)的長久發(fā)展提供了重要保障[16]。

5 結語

基于電動汽車及其充電設施大數(shù)據(jù)平臺體系的建設，可滿足用戶的智能充電和運營商高效管理的需求。將大數(shù)據(jù)和云計算技術應用在電動汽車領域，通過對運營管理系統(tǒng)、充電設施監(jiān)控系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)信息進行采集和分析，實現(xiàn)了運營管理的智能化和信息化，有效推動了電動車的廣泛應用，提高了充電服務的高效性和便捷性，具有很好的應用前景和現(xiàn)實的應用價值。

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