師 洋

(北京智芯微電子科技有限公司，北京 102299)

面向互聯(lián)網(wǎng)的智能充電服務(wù)與運(yùn)營平臺設(shè)計

師 洋

(北京智芯微電子科技有限公司，北京102299)

隨著電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，近年來已經(jīng)有很多關(guān)于電動汽車充電服務(wù)與運(yùn)營管理相關(guān)的研究與應(yīng)用，但是結(jié)合海量智能充電樁的業(yè)務(wù)信息，在技術(shù)架構(gòu)、前置采集、計費(fèi)模式兼容、安全防護(hù)措施、突出用戶體驗(yàn)等幾個方面仍然缺乏整體可靠的綜合解決方案。為此，提出了面向互聯(lián)網(wǎng)的海量智能充電樁的電動汽車充電服務(wù)運(yùn)營平臺，對實(shí)際充電服務(wù)與運(yùn)營業(yè)務(wù)、平臺技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析與設(shè)計。進(jìn)一步增強(qiáng)平臺運(yùn)營的可靠性和充電服務(wù)應(yīng)用交互的便捷性，提升終端用戶體驗(yàn)，為電動汽車與配套充電設(shè)施的大規(guī)模推廣部署提供一種有效的智能化解決方案。

架構(gòu)設(shè)計；多協(xié)議適配；計費(fèi)模式；信息安全防護(hù)；充電服務(wù)與運(yùn)營

0 引言

電動汽車具有以電代油、環(huán)保高效的優(yōu)點(diǎn)，是節(jié)約能源的有效方式[1-4]。據(jù)統(tǒng)計，2016年中國新能源汽車生產(chǎn)51.7萬輛，銷售50.7萬輛，比上年同期分別增長51.7%和53%。其中純電動汽車產(chǎn)銷分別完成41.7萬輛和40.9萬輛，比上年同期分別增長63.9%和65.1%。2017年我國為配合電動汽車推廣，力爭新增充電樁數(shù)量達(dá)到80萬個。為適應(yīng)市場快速發(fā)展對充電服務(wù)體驗(yàn)、運(yùn)營管理體系提出的更高要求，國內(nèi)很多單位提出了關(guān)于智能充電的設(shè)想。文獻(xiàn)[4-9]分別提出了電動汽車智能充電的導(dǎo)航系統(tǒng)、智能充電樁、電動汽車智能服務(wù)平臺的設(shè)計，文獻(xiàn)[10]提出了集智能充電服務(wù)平臺、智能充電裝置和APP應(yīng)用軟件于一體的系統(tǒng)，但在實(shí)際應(yīng)用中，眾多運(yùn)營商各自建設(shè)的充電服務(wù)運(yùn)營系統(tǒng)，覆蓋的運(yùn)營范圍有限，接入充電終端的量級較低，系統(tǒng)整體設(shè)計的智能化程度不高。

針對目前國內(nèi)電動汽車充電服務(wù)運(yùn)營的現(xiàn)狀，本文設(shè)計了面向互聯(lián)網(wǎng)的智能充電服務(wù)與運(yùn)營平臺。從技術(shù)方面，優(yōu)化平臺總體架構(gòu)，強(qiáng)化平臺與用戶、終端之間的訪問處理能力；設(shè)計可靈活適配不同通信協(xié)議的前置采集；設(shè)計可兼容遠(yuǎn)程和本地費(fèi)控的計費(fèi)模式，滿足不同計費(fèi)場景的需求；強(qiáng)化安全防護(hù)設(shè)計，保障平臺運(yùn)營安全。從應(yīng)用方面，結(jié)合用戶側(cè)交互體驗(yàn)和管理側(cè)有序運(yùn)營的要求，對系統(tǒng)功能進(jìn)行優(yōu)化。

1 電動汽車充電服務(wù)運(yùn)營平臺組成

本平臺由運(yùn)營平臺、APP客戶端、智能充電樁三部分組成。

(1)運(yùn)營平臺，是銜接服務(wù)APP與智能充電終端互動的橋梁，負(fù)責(zé)對智能充電終端進(jìn)行指令下發(fā)與數(shù)據(jù)采集；響應(yīng)服務(wù)APP的訪問請求；供運(yùn)營管理者對充電業(yè)務(wù)信息進(jìn)行維護(hù)、統(tǒng)計、分析，配置平臺運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)測充電終端運(yùn)行工況。

圖1 平臺技術(shù)架構(gòu)示意圖

(2)服務(wù)APP，是電動汽車用戶參與充電服務(wù)互動的客戶端，主要實(shí)現(xiàn)用戶對智能充電樁進(jìn)行檢索、定位、導(dǎo)航、預(yù)約、收藏、充電控制等一系列操作，并提供相關(guān)業(yè)務(wù)信息、活動資訊、應(yīng)用配置參數(shù)的顯示與維護(hù)功能。

(3)智能充電樁，是供電動汽車充電的智能裝置，與傳統(tǒng)充電樁相比，差別在于增加了WiFi通信模塊，可借助互聯(lián)網(wǎng)通信與微控制單元(Micro Controller Unit, MCU)，實(shí)現(xiàn)對充電裝置的遠(yuǎn)程控制。

2 電動汽車充電服務(wù)運(yùn)營平臺設(shè)計

本平臺作為面向互聯(lián)網(wǎng)的電動汽車充電服務(wù)與運(yùn)營管理整體解決方案，相對于目前主流的充電服務(wù)運(yùn)營平臺，主要在優(yōu)化架構(gòu)技術(shù)應(yīng)用、提升前置采集擴(kuò)展性與并發(fā)性、增強(qiáng)計費(fèi)模式兼容性三個方面進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計。

2.1架構(gòu)設(shè)計

本平臺架構(gòu)采用分層處理策略，逐層分解數(shù)據(jù)處理壓力，提高系統(tǒng)整體性能和穩(wěn)定性，具體分為展現(xiàn)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、采集層。技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

(1)采集層：采用NIO技術(shù)和多線程技術(shù)，負(fù)責(zé)與充電樁的通信，包括數(shù)據(jù)采集、指令收發(fā)、通信協(xié)議解析、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)加密/解密、協(xié)議適配、WebService服務(wù)等功能。數(shù)據(jù)采集層由若干前置機(jī)組成，每臺前置機(jī)相對獨(dú)立，支持成本低廉的橫向擴(kuò)展，以保證系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。

(2)數(shù)據(jù)層：由下行業(yè)務(wù)處理服務(wù)和數(shù)據(jù)存儲服務(wù)組成，其中下行業(yè)務(wù)處理服務(wù)負(fù)責(zé)接收應(yīng)用層的下行指令，自動進(jìn)行業(yè)務(wù)協(xié)議匹配，并調(diào)用對應(yīng)的WebService服務(wù)。數(shù)據(jù)存儲服務(wù)通過MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)持久化業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，同時通過Redis內(nèi)存數(shù)據(jù)庫存儲上行報文的實(shí)時狀態(tài)，供應(yīng)用層定時調(diào)用。

(3)應(yīng)用層：由Web負(fù)載均衡和應(yīng)用服務(wù)組成，其中Web負(fù)載均衡采用NG+應(yīng)用服務(wù)器集群實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用服務(wù)由Web應(yīng)用服務(wù)、APP接口服務(wù)、數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)組成。

圖2 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序框架工作原理圖

(4)展現(xiàn)層：分別支持手機(jī)端APP和PC端瀏覽器兩種展現(xiàn)渠道，其中，手機(jī)端APP分為iOS與Android系統(tǒng)兩個版本，用于向電動汽車用戶提供充電服務(wù)相關(guān)的互動操作；PC端瀏覽器作為運(yùn)營商的管理工具，主要用于查看充電業(yè)務(wù)信息、配置平臺運(yùn)行參數(shù)、監(jiān)測充電終端運(yùn)行工況等。

2.2支持高并發(fā)與多協(xié)議適配的前置采集

本平臺的充電數(shù)據(jù)來源于海量離散部署的充電樁，充電樁與前置服務(wù)器之間通過建立長連接進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信息的互傳。由于各廠商充電樁的通信協(xié)議存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的情況，因此要求數(shù)據(jù)采集層中的前置服務(wù)器，不僅應(yīng)具有與海量充電樁進(jìn)行高并發(fā)通信的能力，還應(yīng)具有適配多種通信協(xié)議的能力?；谏鲜鲆螅痉桨覆捎镁W(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用程序框架異步的、事件驅(qū)動的非阻塞I/O通信模型，實(shí)現(xiàn)對高并發(fā)、多協(xié)議適配的支持。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序框架工作原理如圖2所示。

要實(shí)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序框架服務(wù)器端，需要在Mina框架配置文件中配置指向不同通信協(xié)議的多個通信端口?？蛻舳薈onnector通過指定端口與服務(wù)端Acceptor建立連接，服務(wù)端Processor線程負(fù)責(zé)IO讀寫，并與Filter、Handler協(xié)同工作，執(zhí)行具有高并發(fā)通信能力的解析處理邏輯。

圖3 安全防護(hù)范圍示意圖

2.3多種計費(fèi)模式兼容

本平臺針對不同的應(yīng)用場景可支持多種計費(fèi)模式，包括：終端計費(fèi)、平臺計費(fèi)。

(1)終端計費(fèi)模式，是指平臺將計費(fèi)模型下發(fā)至充電終端，由終端負(fù)責(zé)充電電量和充電費(fèi)用的計量與計算?；谠撚嬞M(fèi)模式的應(yīng)用特性，在充電樁離線的情況下，既可保證當(dāng)次充電交易不受影響，也可保證用戶持充電卡進(jìn)行正常充電操作，為用戶體驗(yàn)提供基本保障。

圖4 運(yùn)營平臺功能設(shè)計

(2)平臺計費(fèi)模式，是指平臺將計費(fèi)模型與充電樁進(jìn)行信息關(guān)聯(lián)，分別由終端負(fù)責(zé)充電電量計量，由平臺負(fù)責(zé)充電費(fèi)用計算。基于該計費(fèi)模式的應(yīng)用特性，當(dāng)充電過程中發(fā)生設(shè)備通信中斷、緊急停止充電按鈕觸發(fā)、設(shè)備故障等異常情況時，通過自動停止充電操作、自動結(jié)算充電交易等充電異常處理機(jī)制，可為用戶和運(yùn)營商利益提供保障。

2.4安全防護(hù)設(shè)計

本平臺針對運(yùn)營中可能存在的信息安全隱患，依據(jù)《信息系統(tǒng)安全等級保護(hù)定級指南》(GB/T 22240-2008)，從應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全、主機(jī)安全、網(wǎng)絡(luò)安全、終端安全、物理安全、邊界安全七個方面進(jìn)行安全防護(hù)設(shè)計，如圖3所示。

應(yīng)用安全保障應(yīng)用層信息交互安全；數(shù)據(jù)安全保障敏感數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全，并提供容災(zāi)機(jī)制；主機(jī)安全針對服務(wù)器設(shè)備設(shè)計安全防護(hù)措施；網(wǎng)絡(luò)安全用于防范網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全隱患；終端安全針對APP客戶端和充電樁設(shè)計安全防護(hù)措施，防范偽基站、偽客戶端非法入侵；物理安全用于防范存放計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等信息設(shè)備和存儲介質(zhì)的場所免受物理環(huán)境損害、自然災(zāi)害以及人為的操作失誤和惡意損害；邊界安全制定內(nèi)外網(wǎng)信息出入安全規(guī)則，加強(qiáng)邊界內(nèi)信息訪問安全。

2.5功能設(shè)計

2.5.1運(yùn)營平臺

運(yùn)營平臺功能模塊構(gòu)成如圖4所示，主要分為運(yùn)營管理、APP接口、采集解析三個功能類。其中：運(yùn)營管理用于向管理者提供完整運(yùn)營信息的查看、維護(hù)、統(tǒng)計與分析功能；APP接口用于對APP實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能提供操作響應(yīng)、數(shù)據(jù)響應(yīng)；采集解析基于充電樁與平臺通信協(xié)議執(zhí)行報文解析任務(wù)。

2.5.2服務(wù)APP

服務(wù)APP功能模塊構(gòu)成如圖5所示，主要分為首頁、用戶管理、電子商城和充電服務(wù)四個功能類。其中：首頁是用戶訪問充電服務(wù)應(yīng)用的門戶，提供可快捷進(jìn)入相關(guān)功能以及瀏覽廣告和資訊的入口；用戶管理主要提供與用戶個人相關(guān)的信息查看、參數(shù)設(shè)置與業(yè)務(wù)辦理等功能；電子商城主要為用戶提供商品瀏覽、積分兌換、在線購買等電子商務(wù)功能，有助于鼓勵用戶積極參與充電交易換取積分，增強(qiáng)充電服務(wù)的用戶粘性；充電服務(wù)作為核心功能類，主要提供與充電交易全流程相關(guān)的全部功能，可方便用戶快捷定位、預(yù)約所需充電樁，全程監(jiān)控動態(tài)充電參數(shù)等。

圖5 APP功能設(shè)計示意圖

3 結(jié)論

電動汽車充電服務(wù)運(yùn)營平臺可為充電樁大規(guī)模建設(shè)部署提供有效的推進(jìn)力，是促進(jìn)用戶有序充電、快捷充電、合理充電的關(guān)鍵。本文探討了互聯(lián)網(wǎng)的智能充電服務(wù)與運(yùn)營平臺的整體結(jié)構(gòu)，分析了技術(shù)架構(gòu)、前置采集通信框架、計費(fèi)模式、功能應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)計思路，為電動汽車用戶與智能充電樁網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快捷互動提供了可靠平臺。

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2017-04-18)

師洋(1981-)，男，學(xué)士，工程師，主要研究方向：用電節(jié)能、智能用電等。

Design of intelligent charging service and operation platform for Internet

Shi Yang

(Beijing Smart-chip Microelectronics Technology Ltd., Beijing 102200, China)

With the rapid development of electric vehicle industry in recent years, there have been a lot of researches and applications of the electric vehicle charging service and management, but combined with business information of massive intelligent charging piles, it still lacks of overall and reliable comprehensive solution in the technical architecture, pre-acquisition and billing mode compatibility, safety precautions, and highlighting the user experience. For this reason, this paper puts forward the charging platform of electric vehicle charging service, which is based on the Internet intelligent charging pile. It further enhances the reliability of platform operation convenience and charging service applications, enhances the end user experience, and provides an intelligent electric vehicle and charging facilities supporting the deployment of large-scale promotion plan.

architecture design; multi-protocol adaptation; billing model; information security protection; charging services and operations

TP399

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.22.006

師洋.面向互聯(lián)網(wǎng)的智能充電服務(wù)與運(yùn)營平臺設(shè)計J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(22)：19-22.