一款新型電動(dòng)汽車(chē)充電服務(wù)交互平臺(tái)設(shè)計(jì)

張?chǎng)析? 丁文杰 梁飛 狄燕燕 王書(shū)豪

摘??要：電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速崛起，已經(jīng)成為汽車(chē)這一支柱產(chǎn)業(yè)的另一經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，但電動(dòng)汽車(chē)的電池配套服務(wù)發(fā)展滯后，隨之而來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)充電問(wèn)題成為一大難點(diǎn)，亟待解決。為解決這一棘手且緊迫問(wèn)題，響應(yīng)國(guó)家低碳環(huán)保綠色出行的政策，本文提出一種新型的電動(dòng)汽車(chē)充電服務(wù)交互平臺(tái)設(shè)計(jì)，以著力實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)與充電樁的合理分配，解決當(dāng)前眾多電動(dòng)汽車(chē)充電難題，同時(shí)提高充電樁資源利用率。

關(guān)鍵詞：節(jié)能低碳；平臺(tái)設(shè)計(jì)；數(shù)字化

Design?of?a?New?Electric?Vehicle?Charging?Service?Interaction?Platform

Zhang?XinXin??Ding?Wenjie??Liang?Fei??Di?Yanyan??Wang?Shuhao

School?of?Business，?Shandong?University?of?Technology??ShandongZibo??255012

Abstract：?The?rapid?rise?of?the?electric?vehicle?industry?has?become?another?economic?growth?point?for?the?automotive?pillar?industry，?but?the?development?of?battery?supporting?services?for?electric?vehicles?lags?behind，?resulting?in?a?major?challenge?in?electric?vehicle?charging?that?urgently?needs?to?be?addressed.?In?order?to?solve?this?thorny?and?urgent?problem?and?respond?to?the?national?policy?of?low-carbon，?environment-friendly?and?green?travel，?this?paper?proposes?a?new?design?of?electric?vehicle?charging?service?interaction?platform，?which?aims?to?achieve?the?reasonable?distribution?of?electric?vehicles?and?Charging?station，?solve?many?current?electric?vehicle?charging?problems，?and?improve?the?resource?utilization?rate?of?Charging?station.

Keywords：?Energy?saving?and?low-carbon;?Platform?design;?digitization

據(jù)工信部發(fā)布數(shù)據(jù)：2021年中國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)已達(dá)354.5萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)1.6倍；但截至2021年底，全國(guó)充電設(shè)施規(guī)模才達(dá)到261.7萬(wàn)臺(tái)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析表明，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)存在“車(chē)多樁少”的問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)出行充電排長(zhǎng)龍的事件也是屢見(jiàn)不鮮。尤其在假期，這一矛盾沖突更是達(dá)到了高潮，僅針對(duì)自駕游出行，甚至出現(xiàn)“汽油車(chē)已經(jīng)游覽完景點(diǎn)回到家，而電動(dòng)汽車(chē)還在排隊(duì)充電的路上”的夸張說(shuō)法。反觀充電設(shè)施提供商方，由于充電樁多為單獨(dú)運(yùn)營(yíng)商設(shè)立，其選址分布不合理，而導(dǎo)致充電樁利用率整體較低。為解決這一棘手且緊迫問(wèn)題，為車(chē)主提供更好的充電服務(wù)，本文提出一種新型的電動(dòng)汽車(chē)與充電樁的合理分配，解決當(dāng)前眾多電動(dòng)汽車(chē)充電難題，同時(shí)提高充電樁資源利用率。

1?國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

在國(guó)外，市場(chǎng)中主要通過(guò)選址多元化與充電平臺(tái)提高充電樁的利用程度。Dan?Xiao等人（2021）構(gòu)建了考慮有限隊(duì)列長(zhǎng)度排隊(duì)行為的電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃優(yōu)化模型，從選址開(kāi)始考慮有效供給[1]。Babic?Jurica等人（2022）基于離散事件模擬和排隊(duì)理論的新框架對(duì)大型充電地充電器接收數(shù)量，用戶(hù)使用特征及優(yōu)化的定價(jià)服務(wù)提出對(duì)策[2]。Zongfei?Wang等人（2020）認(rèn)為可以基于場(chǎng)景的電動(dòng)汽車(chē)充電調(diào)度隨機(jī)優(yōu)化模型對(duì)不確定性充電需求進(jìn)行需求響應(yīng)[3]。為連接充電樁資源與消費(fèi)者需求，盡管不同國(guó)家出臺(tái)了規(guī)范充電樁建設(shè)的相關(guān)政策，推出連接B端與C端用戶(hù)的平臺(tái)或軟件，但國(guó)外與中國(guó)在車(chē)樁比，電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)分布與使用特征方面存在差異，解決充電樁利用問(wèn)題的思路可以借鑒但不能完全照搬。

在國(guó)內(nèi)，伴隨我國(guó)雙碳目標(biāo)的出臺(tái)，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展迎來(lái)利好環(huán)境，但電動(dòng)汽車(chē)充電問(wèn)題成為制約降低汽車(chē)碳排放的重要因素。在充電系統(tǒng)服務(wù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，于德翔（2015）認(rèn)為要通過(guò)智能充電運(yùn)營(yíng)服務(wù)平臺(tái)的云計(jì)算與數(shù)據(jù)分析，以“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維構(gòu)建電動(dòng)汽車(chē)充電服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈，形成可持續(xù)發(fā)展的“互聯(lián)網(wǎng)+”充電基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系[4]。邢霽月（2017）提出通過(guò)情景分析法探究四類(lèi)使用情境下的主體需求，基于充電需求的SFPA充電模型提出，大型綜合性服務(wù)，多層次一體式服務(wù)，體驗(yàn)型充電服務(wù)，保障型服務(wù)四種服務(wù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。胡道棟等人（2021），提出以充電服務(wù)為平臺(tái)，根據(jù)充電需求與充電樁數(shù)量三種供需情境下算法，發(fā)送不同類(lèi)型驗(yàn)證碼實(shí)現(xiàn)公用充電站排隊(duì)有序充電的策略，為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)預(yù)約充電提供參考[6]。

雖然眾多學(xué)者對(duì)如何解決充電樁選址與優(yōu)化服務(wù)設(shè)計(jì)問(wèn)題提出大量豐富的理論，但仍無(wú)整套以新能源車(chē)主為主體提供定制化服務(wù)的算法平臺(tái)。本項(xiàng)目將以為車(chē)主提供定制化充電服務(wù)方案為目的，將充電優(yōu)化服務(wù)理論付諸實(shí)踐，同時(shí)注入個(gè)性化理念，達(dá)到充電樁資源有效供給與車(chē)主滿(mǎn)意度高的雙重愿景。

2?研究?jī)?nèi)容

本文以“解決電動(dòng)汽車(chē)充電樁分配不均而導(dǎo)致的供求矛盾”為課題開(kāi)展，選取電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用較為廣泛的城市，選取已有的電動(dòng)汽車(chē)便捷充電服務(wù)平臺(tái)作為調(diào)研對(duì)象，深挖充電樁資源分配不均現(xiàn)象，打造助力資源合理分配的創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)，緩解充電樁使用極端化的現(xiàn)象，促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展。

2.1電動(dòng)汽車(chē)構(gòu)造類(lèi)型研究

電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展速度較快，常見(jiàn)的充電方式有兩種，分別是快充和慢充。由于電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)不同，驅(qū)動(dòng)方式不同，其充電方式也不同，因此，需首先對(duì)電動(dòng)汽車(chē)構(gòu)造、驅(qū)動(dòng)方式、電池材質(zhì)種類(lèi)進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)軟件可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)場(chǎng)景做出分析，保證滿(mǎn)足充電需求的前提下，根據(jù)充電樁距離、電價(jià)等信息，為車(chē)主提供合理化便捷化充電方案。具體電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)方式如下：

（1）純電動(dòng)汽車(chē)（Battery?Electrical?Vehicle，簡(jiǎn)稱(chēng)EV），它沒(méi)有燃油箱和發(fā)動(dòng)機(jī)，由電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能給車(chē)輪。由于動(dòng)力完全靠電池驅(qū)動(dòng)，因此對(duì)電池的性能要求是全方位的，通常需要配置較大容量的電池，以滿(mǎn)足能量和續(xù)航的要求。

（2）插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（Plug-in?hybrid?electric?Vehicle，簡(jiǎn)稱(chēng)PHEV）是介于純電動(dòng)汽車(chē)與燃油汽車(chē)兩者之間的一種新能源汽車(chē)，分成三種形式：并聯(lián)式、混聯(lián)式、增程式。

（3）電池材質(zhì)分析。三元鋰電池，磷酸鐵鋰電池，鎳氫電池，氫能源燃料電池，這四種電池都是新能源汽車(chē)非常常見(jiàn)的電池種類(lèi)，因此需根據(jù)汽車(chē)不同種電池類(lèi)型及汽車(chē)構(gòu)造合理提供充電方案。

2.2基于云計(jì)算大數(shù)據(jù)分析的電動(dòng)汽車(chē)充電匹配技術(shù)研究

2.2.1大數(shù)據(jù)分析電動(dòng)汽車(chē)數(shù)據(jù)方法

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)以及充電樁的數(shù)據(jù)來(lái)源有多種，包括充電樁商戶(hù)內(nèi)部來(lái)源、電動(dòng)汽車(chē)公司內(nèi)部來(lái)源和外部來(lái)源，像機(jī)器和傳感器數(shù)據(jù)、人為數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)上的“開(kāi)放數(shù)據(jù)”來(lái)源等多種途徑。

首先采用特征數(shù)據(jù)分析法，根據(jù)計(jì)算電動(dòng)汽車(chē)、充電樁的特定相關(guān)特征集等方法，可提高充電樁與電動(dòng)汽車(chē)匹配合適度，為用戶(hù)提供智能個(gè)性化充電方案提供保障。

其次，在收集到大量充電樁閑置或利用情況的數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行分析時(shí)，需要對(duì)充電樁使用情況進(jìn)行可視化。觀察大數(shù)據(jù)的特征，可以讓用戶(hù)直觀看到各個(gè)地方充電樁的使用情況以及充電樁地理位置分布情況，便于用戶(hù)查詢(xún)充電樁信息。

最后針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等功能的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)采用“復(fù)雜事件處理”（?Complex?Event?Processing，CEP）技術(shù)，通過(guò)分析電動(dòng)汽車(chē)與充電樁、地理位置等方面的關(guān)系，建立不同的事件關(guān)系序列庫(kù)，利用過(guò)濾、關(guān)聯(lián)、聚合等技術(shù)，最終產(chǎn)生高級(jí)的個(gè)性化只能提供充電方案，檢測(cè)車(chē)輛信息、充電樁使用情況等。

2.2.2行駛里程預(yù)測(cè)技術(shù)

現(xiàn)針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)行駛里程預(yù)測(cè)的方法較為繁多，追溯其本質(zhì)，研究方法可歸納為兩類(lèi)，一類(lèi)是使用傳統(tǒng)統(tǒng)的回歸模型對(duì)行駛里程進(jìn)行預(yù)測(cè)；一類(lèi)是使用人工智能方法進(jìn)行建模預(yù)測(cè)。因此我們將綜合考慮兩種研究方法，使用CART（Classification?And?Regression?Tree）隨機(jī)森林和GBDT（Gradient?Boosting?Decision?Tree）等三種模型來(lái)進(jìn)行行駛里程的預(yù)測(cè)。

首先初步針對(duì)某款電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，采用單一CART決策樹(shù)算法建立了預(yù)測(cè)模型，同時(shí)為提高預(yù)測(cè)精度，采用隨機(jī)森林與GBDT算法兩種不同的模型融合算法，進(jìn)一步準(zhǔn)確預(yù)測(cè)可行駛里程，為用戶(hù)帶來(lái)方便。

2.2.3充電監(jiān)控技術(shù)

首先需與充電樁建立起信息交互，在汽車(chē)進(jìn)行充電時(shí)可將電壓、電流等信號(hào)傳遞給云端服務(wù)器，結(jié)合數(shù)據(jù)處理技術(shù)，隨機(jī)森林分類(lèi)算法形成充電樁在線(xiàn)診斷故障方法，最終實(shí)現(xiàn)充電樁的智能運(yùn)維。

2.3基于電動(dòng)汽車(chē)和資源合理配置為一體的充電服務(wù)平臺(tái)

（1）新用戶(hù)詳細(xì)信息收集：新用戶(hù)登錄平臺(tái)后，強(qiáng)制填寫(xiě)車(chē)牌號(hào)、車(chē)輛型號(hào)及電池類(lèi)型等信息，即車(chē)輛認(rèn)證，用以后臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理，方便后期使用。且定期提醒用戶(hù)更新信息，方便合理匹配。且與用戶(hù)提前簽訂好協(xié)議，極力保護(hù)用戶(hù)隱私。

（2）信息顯示：不同于其他同款A(yù)PP，本平臺(tái)以用戶(hù)為主導(dǎo)，根據(jù)用戶(hù)個(gè)人喜好、實(shí)時(shí)位置及前期統(tǒng)計(jì)的信息，顯示最合適該用戶(hù)的充電樁，為其提供個(gè)性化充電方案，并利用GPS定位功能為其導(dǎo)航，確保利用最少的電量準(zhǔn)確引導(dǎo)用戶(hù)到達(dá)目的地。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：在汽車(chē)未充電狀態(tài)下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車(chē)電量續(xù)航問(wèn)題，針對(duì)不同汽車(chē)構(gòu)造、電池種類(lèi)等設(shè)置汽車(chē)保護(hù)電量，在電量剩余量達(dá)到這一值時(shí)，及時(shí)提醒用戶(hù)進(jìn)行充電，并對(duì)其提供合理、便捷化充電方案，并根據(jù)剩余電量情況實(shí)時(shí)變動(dòng)充電方案；在汽車(chē)充電狀態(tài)下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車(chē)充電情況，顯示電量百分比，提供電量充滿(mǎn)所需時(shí)間及剩余時(shí)間，并在即將充滿(mǎn)時(shí)提醒用戶(hù)及時(shí)取車(chē)。能夠及時(shí)提醒用戶(hù)汽車(chē)電量情況，便捷用戶(hù)充電選擇流程，進(jìn)一步緩解“久站短充”現(xiàn)象。

（4）提供平臺(tái)預(yù)約：用戶(hù)可以提前繳納定金，在特定時(shí)間段或特定地點(diǎn)根據(jù)推薦方案或自行選擇預(yù)約充電樁。即在已預(yù)約的時(shí)間段，該充電樁僅為預(yù)約用戶(hù)一人開(kāi)放。

（5）合作充電樁：與私人充電樁所有者達(dá)成合作，收錄其充電樁信息，合理利用其充電樁并為其獲取收益，一舉兩得。

2.4保護(hù)用戶(hù)隱私研究

2.4.1數(shù)據(jù)信息保護(hù)

2.4.1.1?數(shù)據(jù)生成階段

數(shù)據(jù)生成有主動(dòng)數(shù)據(jù)生成和被動(dòng)數(shù)據(jù)生成兩種。主動(dòng)數(shù)據(jù)生成是數(shù)據(jù)所有者將數(shù)據(jù)提供給第三方，被動(dòng)數(shù)據(jù)生成是指數(shù)據(jù)所有者的在線(xiàn)操作（例如瀏覽），或數(shù)據(jù)擁有者可能不知道的數(shù)據(jù)收集。可以通過(guò)限制訪(fǎng)問(wèn)或偽造數(shù)據(jù)來(lái)最小化數(shù)據(jù)生成過(guò)程中的隱私風(fēng)險(xiǎn)。

（1）訪(fǎng)問(wèn)限制：如果數(shù)據(jù)擁有者認(rèn)為不應(yīng)該共享，可以拒絕提供這些數(shù)據(jù)，例如對(duì)當(dāng)前位置的授權(quán)。如果數(shù)據(jù)所有者被動(dòng)地提供數(shù)據(jù)，則可采取一些措施來(lái)確保隱私，如反跟蹤擴(kuò)展插件，加密工具。

（2）偽造數(shù)據(jù)：在有的場(chǎng)景下，完全拒絕敏感數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)是不現(xiàn)實(shí)的。在這種情況下可以偽造數(shù)據(jù)。例如：充電過(guò)程中采用昵稱(chēng)形式，后臺(tái)對(duì)真實(shí)姓名進(jìn)行打碼處理。

2.4.1.2?數(shù)據(jù)存儲(chǔ)階段

如果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)遭到攻擊，個(gè)人信息可能會(huì)泄漏，而在分布式環(huán)境中，應(yīng)用可能需要來(lái)自多個(gè)數(shù)據(jù)集，因此面臨隱私保護(hù)的挑戰(zhàn)?？梢圆捎迷贫穗[私保護(hù)。

主要方法包括：（1）加密訪(fǎng)問(wèn)控制；（2）同態(tài)加密；（3）存儲(chǔ)路徑加密，可以保護(hù)云端大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

2.4.2位置隱私保護(hù)

當(dāng)車(chē)主導(dǎo)航去目的地時(shí)，在LBS（基于位置服務(wù)）系統(tǒng)中用戶(hù)根據(jù)自己所在的位置和自己的需求設(shè)置不同的敏感位置點(diǎn)，車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)的需求為其推薦多條前往目標(biāo)興趣點(diǎn)的駕駛路線(xiàn)。在此基礎(chǔ)上引入多屬性決策理論建立效用模型，以選擇效用最高的駕駛路線(xiàn)；根據(jù)用戶(hù)的隱私偏好需求，以距離占比為衡量指標(biāo)為用戶(hù)分配合適的隱私預(yù)算，并確定虛假位置的生成范圍，利用分配的隱私預(yù)算大小對(duì)其進(jìn)行加噪處理生成虛假位置，以生成效用最高的服務(wù)請(qǐng)求位置。

結(jié)語(yǔ)

本文研究表明，電動(dòng)汽車(chē)充電服務(wù)交互平臺(tái)設(shè)計(jì)一是服務(wù)于我國(guó)雙碳戰(zhàn)略的實(shí)施，支持電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展；著力解決充電樁與電動(dòng)汽車(chē)之間的供求矛盾，帶動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)更大程度上的數(shù)量增長(zhǎng)，進(jìn)一步助力實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。二是惠及民生，切實(shí)解決人民熱點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，助力智慧城市的建設(shè)。利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)解決電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主充電難、充電慢的迫切問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)車(chē)主與充電樁信息對(duì)稱(chēng)，讓車(chē)主充電更加高效便捷，減少因?qū)ふ页潆姌痘虻却潆姌抖鴮?dǎo)致時(shí)間上的浪費(fèi)。三是提高充電樁的資源利用效率。實(shí)現(xiàn)人民需求與充電樁供應(yīng)合理化分配，改善部分充電樁利用不充分問(wèn)題，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)充電樁運(yùn)營(yíng)商的信心，增加充電樁數(shù)量，進(jìn)而增加對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的需求量，為中國(guó)市場(chǎng)綠色低碳發(fā)展提供了一種新型方案。

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作者簡(jiǎn)介：張?chǎng)析危?001—??），女，漢族，山東德州人，山東理工大學(xué)本科生在讀，信息管理與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)。