段芃芃，劉 鋰

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614007)

0 引 言

當(dāng)前龐大的汽車擁有量使得汽車燃油消耗量已成為世界石油消耗的主體，而且化石燃料燃燒后產(chǎn)生的廢氣對(duì)自然環(huán)境也造成了巨大的污染。近年來，國內(nèi)各大城市普遍出現(xiàn)污染的主要原因就是汽車尾氣的超量排放。

有效節(jié)能、減少環(huán)境污染，成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)。電動(dòng)汽車以電代油，能夠?qū)崿F(xiàn)“零排放”，是解決能源和環(huán)境問題的重要手段之一。

以電動(dòng)汽車為代表的新一代節(jié)能與環(huán)保汽車是中國乃至全球發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。

當(dāng)前電動(dòng)汽車充電站[2]相對(duì)分散，充電站內(nèi)充電樁運(yùn)營管理不統(tǒng)一，充電樁電量信息、充電樁使用時(shí)間、充電樁健康狀況等信息收集困難，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。而充電站的管理模式偏向無人值班或配置較少人員值守的現(xiàn)狀。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)現(xiàn)代化城市的充電站智能管理系統(tǒng)，對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及，具有非常重要的意義和實(shí)際實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車充電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心是：直觀方便掌握各充電站的位置分布，實(shí)時(shí)地顯示各充電站內(nèi)充電樁的電量情況，全局掌握各充電樁的使用次數(shù)及健康狀況，充電樁智能的提示維護(hù)消息，以及各項(xiàng)數(shù)據(jù)的智能統(tǒng)計(jì)。根據(jù)其核心的設(shè)計(jì)思想，采用了GIS技術(shù)[3]、空間分析算法[4]、分布式資源服務(wù)[5]和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[6]進(jìn)行系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)。

GIS技術(shù)，采用了“一張圖”[7]的設(shè)計(jì)思想，將研究區(qū)域地圖上的所有相關(guān)信息矢量化為二維電子地圖和空間數(shù)據(jù)信息，方便數(shù)據(jù)的地位和查找。將充電站的位置、充電樁電量、充電次數(shù)等數(shù)據(jù)信息以空間數(shù)據(jù)方式進(jìn)行處理和關(guān)聯(lián)。將完成的二維空間數(shù)據(jù)和電子地圖發(fā)布到地圖服務(wù)器。

空間分析，主要采用了附近設(shè)施點(diǎn)分析、最短路徑分析[8]和緩沖分析技術(shù)。附近設(shè)施點(diǎn)分析用來分析附近的充電站位置，并通過電量、健康狀況和位置等條件的綜合對(duì)比進(jìn)行篩選，顯示最優(yōu)的充電站位置信息。最短路徑分析用來生成當(dāng)前位置與最優(yōu)的充電站位置的最短路徑。緩沖分析用來查找充電站指定范圍內(nèi)的維修部門，并定位顯示。

分布式資源服務(wù)，即REST[9]面向資源服務(wù)的技術(shù)，地圖服務(wù)、空間數(shù)據(jù)信息、充電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集等，采用REST面向資源服務(wù)的技術(shù)在服務(wù)器進(jìn)行發(fā)布，客戶端通過服務(wù)提供的URL方式進(jìn)行讀取，在性能上達(dá)到實(shí)時(shí)性強(qiáng)，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性高，出錯(cuò)率低，擴(kuò)展性好。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的充電樁電量數(shù)據(jù)通過專業(yè)的傳感器獲取當(dāng)前的使用時(shí)間、電量信息、狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)，然后通過GPRS/3G/4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收模塊。最后數(shù)據(jù)通過訪問服務(wù)器的REST資源地址，通過客戶端進(jìn)行結(jié)果呈現(xiàn)。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

以實(shí)用性、高效性、功能完整性、可擴(kuò)展性以及智能性為設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)模塊功能總體分為“用戶服務(wù)模塊”和“充電站管理模塊”兩部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體功能劃分

用戶服務(wù)模塊主要是為客戶提供服務(wù)，滿足用戶對(duì)城市充電站查詢導(dǎo)航和其他城市信息點(diǎn)的需求。包括了城市信息智能查詢和智能充電站查詢。

用戶可以有多種查詢方式查詢所需地點(diǎn)，可以由已知地點(diǎn)名稱關(guān)鍵字直接輸入檢索查詢相應(yīng)多個(gè)地點(diǎn)，也可以由查詢對(duì)話框下拉菜單的分類圖標(biāo)進(jìn)行智能查詢。智能查詢是為用戶提供快速查找地點(diǎn)的一個(gè)功能，該功能定位快速準(zhǔn)確，滿足廣大客戶需求，主要的實(shí)現(xiàn)過程為在地圖上查詢?nèi)缓箫@示。

充電站智能查詢，根據(jù)電動(dòng)汽車用戶需求手動(dòng)定位，查詢附近充電站，按照路線實(shí)現(xiàn)查詢，為用戶提供智能的導(dǎo)航功能，查找最近的充電站。包括了充電站名查詢、定位查詢和路徑導(dǎo)航。

在充電站智能查詢下拉菜單欄中選擇分類圖標(biāo)充電站或者檢索關(guān)鍵詞充電站，點(diǎn)擊“查詢”按鈕后，查詢的相應(yīng)地名圖片及其他信息顯示于左側(cè)智能查詢結(jié)果欄中；打開右上角懸浮框點(diǎn)擊“設(shè)置我的位置”按鈕，在地圖上定位當(dāng)前位置，顯示當(dāng)前位置詳細(xì)信息；點(diǎn)擊“查找附近充電站”按鈕，地圖上顯示查找附近充電站，附近充電站詳細(xì)信息顯示于右側(cè)結(jié)果欄中，查看路線，路線導(dǎo)航。

充電站管理模塊主要是管理員通過統(tǒng)計(jì)圖管理充電站電量信息、充電站充電次數(shù)，處理充電站維護(hù)任務(wù)和查看充電站健康狀態(tài)，以提高工作效率，降低管理員的工作強(qiáng)度。包括電量統(tǒng)計(jì)、充電次數(shù)統(tǒng)計(jì)和充電站維護(hù)。

電量統(tǒng)計(jì)：統(tǒng)計(jì)充電站當(dāng)前電量、歷史電量和輸入輸出電量，便于管理員做好相應(yīng)的登記工作，從統(tǒng)計(jì)圖表形象直觀地得出當(dāng)月、當(dāng)季甚至這一年每個(gè)充電站電量情況，有利于充電站后續(xù)推廣，增加其經(jīng)濟(jì)效益。

充電次數(shù)統(tǒng)計(jì)：包括充電站當(dāng)前使用次數(shù)統(tǒng)計(jì)和歷史充電次數(shù)統(tǒng)計(jì)，方便管理員比較不同地點(diǎn)充電站的充電次數(shù)差別，了解充電站電池使用情況，為更換充電站電池提前做出安排，有效降低充電站管理員的工作強(qiáng)度。

充電站維護(hù)：當(dāng)充電站充電次數(shù)過多而到達(dá)警戒區(qū)間，充電站系統(tǒng)智能檢測(cè)發(fā)出警報(bào)，管理員通知維修人員前來維修，充電電池不再重復(fù)使用時(shí)，充電站健康狀態(tài)為紅色，提醒管理員更換電池。

3 智能化數(shù)據(jù)處理

智能化數(shù)據(jù)處理主要包括路徑分析算法、緩沖分析算法和最近設(shè)施分析算法。

(1)路徑分析。

路徑分析指的是通過道路交通網(wǎng)根據(jù)用戶需求對(duì)所需要的路線進(jìn)行分析，用戶也可以根據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)的輸入自動(dòng)生成到達(dá)目的地路徑。所求的路徑一般都是通過算法實(shí)現(xiàn)的最短路徑分析。

在解決最短路徑問題時(shí)，最常用的算法有Dijkstra[10]算法、A*算法、Bellman-Ford算法、Floyd-Warshall算法、Johnson算法。而文中使用Dijkstra算法，通過算法和C#代碼來實(shí)現(xiàn)最短路徑分析功能。

圖2為Dijkstra算法的無向圖，設(shè)A為起點(diǎn)，求A到其他各頂點(diǎn)(B、C、D、E、F)的最短路徑。線上所標(biāo)注為相鄰線段之間的距離，即權(quán)值。選入A，此時(shí)S=最短路徑A→A=0，以A為中間點(diǎn)，從A開始找；選入C，此時(shí)S=，最短路徑A→A=0，A→C=3，以C為中間點(diǎn)，從A→C=3這條最短路徑開始找；選入B，此時(shí)S=，最短路徑A→A=0，A→C=3，A→C→B=5，以B為中間點(diǎn)，從A→C→B=5這條最短路徑開始找。其他的D、E、F根據(jù)該方法也可以找到最短路徑。

圖2 Dijkstra算法的無向圖

(2)緩沖區(qū)分析。

緩沖區(qū)分析是在管理系統(tǒng)中進(jìn)行城市信息和充電站信息查詢過程中，進(jìn)行范圍查詢的搜索查詢，主要的實(shí)現(xiàn)原理是對(duì)該區(qū)域進(jìn)行緩沖區(qū)分析。下面主要講解一下進(jìn)行緩沖區(qū)分析的算法過程。

首先，緩沖區(qū)分析即是基于空間目標(biāo)拓?fù)潢P(guān)系的距離分析?？臻g目標(biāo)Oi緩沖區(qū)定義為：

Bi={x:d(x,Oi)≤R}

即對(duì)象Oi的半徑為R的緩沖區(qū)是全部距Oi的距離d小于等于R點(diǎn)的集合。d一般指最小歐氏距離。空間目標(biāo)集合的半徑為R的緩沖區(qū)是單個(gè)物體緩沖區(qū)的并集。

(3)附近設(shè)施分析算法。

附近設(shè)施分析算法的原理是給定已知點(diǎn)和權(quán)值區(qū)間，求在此權(quán)值區(qū)間限制內(nèi)從給定點(diǎn)出發(fā)所能到達(dá)的所有節(jié)點(diǎn)的路徑。常用算法是普利姆(Prim)小生成樹算法。

利用普利姆算法[11]來構(gòu)造最小生成樹的過程是從集合中一個(gè)頂點(diǎn)U={u0}作為初態(tài)，尋找與集合U中頂點(diǎn)相鄰并且具有最小代價(jià)邊的另一個(gè)頂點(diǎn)，直到將集合U擴(kuò)充至U=V為止。

假設(shè)有N=(V,E)是連通網(wǎng)，TE是連通網(wǎng)N中最小生成樹的邊的集合。令算法從U={u0}(u0∈V)且TE={}開始，對(duì)以下操作進(jìn)行重復(fù)執(zhí)行：

在所有的u∈V中，v∈V-U的邊(u，v)中找出最小邊(u0，v0)并將此邊并入集合TE，同時(shí)在U集合中并入v0。

當(dāng)集合U=V時(shí)，結(jié)束重復(fù)執(zhí)行操作，結(jié)束時(shí)集合TE中必然有n-1條邊，此時(shí)T=(V，{TE})為連通網(wǎng)N的最小生成樹。

(4)分布式面向資源服務(wù)。

文中采用的分布式面向資源的服務(wù)，就是采用REST模式，REST模式[12]的服務(wù)與復(fù)雜的SOAP、XML-RPC[13]對(duì)比更加簡潔，越來越多的服務(wù)開始采用REST模式進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

在REST中一切都被認(rèn)為是一種資源，每個(gè)資源都由URI標(biāo)識(shí)。對(duì)資源的操作包括獲取、創(chuàng)建、修改和刪除等方法，使用的都是統(tǒng)一的接口，而不像SOAP風(fēng)格那樣的服務(wù)，每個(gè)服務(wù)方法名稱都是不同的；而且每個(gè)請(qǐng)求都是獨(dú)立的請(qǐng)求，資源的表現(xiàn)形式采用的是JSON、XML等多樣化的數(shù)據(jù)返回形式。

REST風(fēng)格的工作原理，通信只能由客戶端當(dāng)面發(fā)起，表現(xiàn)為請(qǐng)求/響應(yīng)的形式；通信的會(huì)話狀態(tài)全部由客戶端負(fù)責(zé)，系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性更好；響應(yīng)的內(nèi)容可以在通信鏈的某處被緩存，可以改善網(wǎng)絡(luò)效率；通信鏈的組件之間通過統(tǒng)一的接口相互通信，提高了交互的可見性；通過限制組件的行為，可以將架構(gòu)分解為若干等級(jí)的層，分層機(jī)制優(yōu)越；服務(wù)器可以按客戶端的請(qǐng)求所需而響應(yīng)服務(wù)，易于功能的擴(kuò)展。

4 實(shí)驗(yàn)分析

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為：開發(fā)平臺(tái)：MapGIS 10、MapGIS IGServer for .NET；開發(fā)工具：Visual Studio 2012；操作平臺(tái)：Windows 7；開發(fā)語言：C#、JavaScript、HTML、CSS；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：SQL Server 2008、MapGIS 10 HDF；服務(wù)器：MapGIS IGServer for .NET。運(yùn)行環(huán)境為：Microsoft Windows系列，包括Windows XP、Windows 7、Windows 8、Windows 10等版本。

測(cè)試數(shù)據(jù)：以峨眉山市為例，建立了峨眉山市統(tǒng)一完整的道路、服務(wù)設(shè)施點(diǎn)和停車場信息庫，該庫為MapGIS地理數(shù)據(jù)庫；系統(tǒng)通過模擬大量充電站數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)挖掘的處理技術(shù)，模擬了實(shí)時(shí)出行數(shù)據(jù)，提供實(shí)時(shí)出行數(shù)據(jù)的智能化服務(wù)；建立文檔數(shù)據(jù)與圖形間的連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互訪；提供便捷的充電站位置、道路信息和地點(diǎn)設(shè)施查閱。

實(shí)時(shí)電量：顯示各個(gè)充電站當(dāng)前剩余電量，形成實(shí)時(shí)電量統(tǒng)計(jì)表，通過顯示所有充電站實(shí)時(shí)電量，進(jìn)行直觀的統(tǒng)計(jì)圖顯示。

圖3所示，充電站管理員可以快速查看當(dāng)前各地方充電站電量情況。

圖3 實(shí)時(shí)電量專題圖

歷史電量：通過充電站電量的累積統(tǒng)計(jì)，管理人員查看充電站輸入電量和輸出電量(見圖4)，根據(jù)充電站電量使用情況，做好相關(guān)登記，便于分析該充電站產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，提供城市對(duì)充電站建設(shè)的依據(jù)。

圖4 歷史電量專題圖

歷史充電次數(shù)：顯示該充電站歷史充電次數(shù)，統(tǒng)計(jì)充電站電池一共使用次數(shù)(見圖5)，有利于管理員了解充電站電池使用情況，為更換充電站電池提前做出安排。

圖5 充電次數(shù)專題圖

用戶由關(guān)鍵字搜索查詢或者圖標(biāo)分類查詢，準(zhǔn)確快速地對(duì)充電站進(jìn)行精確定位(見圖6)，并顯示信息點(diǎn)詳細(xì)信息，滿足用戶基本需求。

圖6 充電站智能定位

5 結(jié)束語

根據(jù)充電站的特點(diǎn)，以用戶和充電站管理為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了城市充電站管理系統(tǒng)。結(jié)合GIS技術(shù)、空間分析算法、面向資源的REST分布式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能充電站管理系統(tǒng)，提供了充電站的智能查詢、智能路徑規(guī)劃和導(dǎo)航、充電樁的智能電量管理、智能維護(hù)和設(shè)備的智能統(tǒng)計(jì)等功能，有效解決了電動(dòng)汽車行駛中充電難的問題，提高了充電設(shè)施的利用率，滿足了用戶需求，降低了充電站管理員的工作強(qiáng)度。系統(tǒng)通過實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證和測(cè)試，各項(xiàng)功能達(dá)到了預(yù)計(jì)的目的。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，具有一定的研究價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義，為智能充電站管理系統(tǒng)的研究提供了技術(shù)參考。