上海交通投資信息科技有限公司

0 引 言

上海作為中國(guó)最早開(kāi)辦城市公交的城市之一，多年來(lái)一直領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)同行業(yè)發(fā)展步伐。2006年8月，上海11路超級(jí)電容城市客車上線并投入運(yùn)營(yíng)。超級(jí)電容城市客車每次充滿電可以運(yùn)行5 km。所有候車站改造成候車充電站，公交車每次停靠，均可通過(guò)車頂?shù)某潆娫O(shè)備實(shí)現(xiàn)幾十秒“快速充電”，然后繼續(xù)行駛。這樣既節(jié)省大量燃料費(fèi)用，清潔環(huán)保，又因?yàn)槭抢密囕v載客時(shí)停站的“碎片”時(shí)間充電，節(jié)省了充電的時(shí)間，不影響正常載客運(yùn)營(yíng)，同時(shí)可以保證24小時(shí)不間斷運(yùn)營(yíng)。

1 原有技術(shù)問(wèn)題

經(jīng)過(guò)十余年的運(yùn)營(yíng)，當(dāng)初的超級(jí)電容城市客車逐漸暴露出不少問(wèn)題，如超級(jí)電容器件笨重，沒(méi)有電力監(jiān)控，一次充電續(xù)駛里程短，動(dòng)力不足時(shí)只能占車道等待救援等。如今，車輛站間的充電次數(shù)愈加頻繁，滯留時(shí)間較長(zhǎng)，引起乘客的諸多抱怨。

公交11路、26路沿途共設(shè)44個(gè)候車充電站，維護(hù)成本高。沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，需要人工處理所有事件，后期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)平臺(tái)之間數(shù)據(jù)不共享，需要利用介質(zhì)傳輸，尤其是與車輛運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)不互通，車輛的用電數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確。

2 系統(tǒng)目標(biāo)

本項(xiàng)目基于國(guó)家大力發(fā)展新能源的目標(biāo)與現(xiàn)行政策，從各個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，綜合考慮了車型、供配電設(shè)施、充電設(shè)備、可行性等因素，基于超級(jí)電容技術(shù)的提升提出了科學(xué)的充電運(yùn)營(yíng)管理方案。因地制宜，優(yōu)化充電設(shè)施，合理規(guī)劃布局[1]；搭建多類監(jiān)控一體化的站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，管理超級(jí)電容城市客車的智能化充電；搭建大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，異構(gòu)多樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、清洗，多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合，大數(shù)據(jù)分析、挖掘與處理；發(fā)揮大數(shù)據(jù)的價(jià)值，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)研究超級(jí)電容的衰減特性，推進(jìn)節(jié)能與新能源汽車的推廣使用。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)不同用戶的數(shù)據(jù)權(quán)限及對(duì)不同類數(shù)據(jù)的要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩級(jí)：站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)和企業(yè)級(jí)私有云的大數(shù)據(jù)平臺(tái)。站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)完成現(xiàn)場(chǎng)管控，大數(shù)據(jù)平臺(tái)分析整理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，完成遠(yuǎn)程監(jiān)管。

3.1 站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)超級(jí)電容城市客車、終點(diǎn)站充電設(shè)備、配電房電力負(fù)荷、遠(yuǎn)程計(jì)量、車輛就位檢測(cè)、視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)綜合信息的統(tǒng)一監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作、集中管理。對(duì)于突發(fā)異常情況，可分級(jí)報(bào)警、應(yīng)急處理。監(jiān)控充電過(guò)程如圖1所示。

圖1 監(jiān)控充電過(guò)程

站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)由以下相輔相成的六大模塊組成：

（1）充電監(jiān)控模塊。監(jiān)控服務(wù)器與各通信管理機(jī)之間采用高速光纖網(wǎng)，就地采用CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）通信總線連接。服務(wù)器與現(xiàn)場(chǎng)所有充電設(shè)備通信，讀取實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，對(duì)信息進(jìn)行定時(shí)采樣處理，形成歷史數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在系統(tǒng)中。根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算統(tǒng)計(jì)各類設(shè)備實(shí)時(shí)用電量、負(fù)荷率、越限率，分析設(shè)備在線時(shí)間、離線時(shí)間和投退次數(shù)，利用HTML5動(dòng)畫(huà)展示場(chǎng)景。監(jiān)控模塊對(duì)電池過(guò)溫、電路異常、電池過(guò)充、數(shù)據(jù)不刷新等11種情況進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷和全面防護(hù)，通過(guò)局放、直流電阻監(jiān)測(cè)和故障錄波技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池安全隱患的偵測(cè)。

（2）電力監(jiān)控模塊（簡(jiǎn)稱SCADA）。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制) 模塊，對(duì)變電所高低壓配電回路用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus（串行通信協(xié)議）通信規(guī)約[2]。通過(guò)電氣圖的呈現(xiàn)，值班管理人員根據(jù)供配電的運(yùn)行情況進(jìn)行負(fù)荷分析，當(dāng)線路出現(xiàn)電力負(fù)荷容量不足或發(fā)生故障時(shí)，遠(yuǎn)程控制合分閘投切到備用線路，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)降容，采用分流措施實(shí)現(xiàn)特殊工況下的充電任務(wù)。

（3）車位檢測(cè)模塊。每個(gè)充電車位安裝一套車輛泊位檢測(cè)裝置，利用RFID（Radio Frequency Identification， 射頻識(shí)別）技術(shù)識(shí)別車輛身份，進(jìn)行身份合法驗(yàn)證。車位自動(dòng)檢測(cè)裝置通過(guò)硬件和軟件過(guò)濾算法，設(shè)置誤動(dòng)作過(guò)濾時(shí)間，消除現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾。

（4）安防模塊。實(shí)現(xiàn)安全防范及實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)行實(shí)時(shí)的視頻偵測(cè)、視頻監(jiān)控、信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)取實(shí)時(shí)及歷史圖像，并具有圖像復(fù)核、視頻分析等功能。

（5）事件模塊。包含開(kāi)關(guān)事件、SOE（Sequence of Event，事件順序記錄）事件、預(yù)警事件、系統(tǒng)事件、操作事件等[3]。每個(gè)事件及時(shí)醒目地提醒值班人員，可根據(jù)報(bào)警事件等級(jí)設(shè)置不同的語(yǔ)音報(bào)警，對(duì)每個(gè)事件分為已處理和未處理，處理事件同時(shí)記錄處理方式、結(jié)果、處理人。并可以通過(guò)每個(gè)對(duì)象元素跟蹤它的歷史動(dòng)作情況。

（6）接口通信。與大數(shù)據(jù)平臺(tái)通信，與公交運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)；與上海市充換電設(shè)施公共數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)市級(jí)平臺(tái)通信，市級(jí)范圍內(nèi)共享充電樁的使用情況。通信采用密鑰體系，包括平臺(tái)密鑰、消息密鑰、簽名密鑰、消息密鑰初始化向量，保障數(shù)據(jù)通信的安全性。

3.2 企業(yè)級(jí)私有云的大數(shù)據(jù)平臺(tái)

大數(shù)據(jù)架構(gòu)是整合數(shù)據(jù)資源的重要途徑，使得信息化建設(shè)從孤立的應(yīng)用系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)共享融合的一體化統(tǒng)籌平臺(tái)。本平臺(tái)采用Hadoop分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)、Spark實(shí)時(shí)計(jì)算引擎、Hive離線數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、Yarn作業(yè)調(diào)度和集群資源管理器等，打造一個(gè)安全穩(wěn)定高效的云平臺(tái)框架（見(jiàn)圖2）。運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)、智能傳感技術(shù)、虛擬化技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等，實(shí)時(shí)采集多樣信號(hào)，同步進(jìn)行監(jiān)控展示，解決了新老充電國(guó)標(biāo)通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)同步不實(shí)時(shí)等問(wèn)題；提供遠(yuǎn)程故障分析及應(yīng)急保障能力，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)解決大容量的數(shù)據(jù)吞吐、數(shù)據(jù)并發(fā)；提供復(fù)合的查詢統(tǒng)計(jì)、報(bào)表匯總、數(shù)據(jù)分析、資源共享。

充電管理系統(tǒng)采用兩級(jí)平臺(tái)、多種模式，推動(dòng)技術(shù)融合、業(yè)務(wù)融合、數(shù)據(jù)融合，打通了信息壁壘，構(gòu)建上海巴士公交集團(tuán)的智能充電信息共享體系，提高對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、防范、感知、處理能力。

4 自動(dòng)充電流程

圖2 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)圖

超級(jí)電容城市客車駛?cè)胝緟^(qū)，RFID識(shí)別車輛身份。安防監(jiān)控將視頻圖像推送至車載設(shè)備，語(yǔ)音提示司機(jī)調(diào)整車身位置。司機(jī)通過(guò)車輛儀表盤(pán)上的充電按鈕開(kāi)啟充電，授電弓自動(dòng)落弓，與車頂受電車架進(jìn)行連接，通過(guò)車載CAN總線關(guān)閉車輛總電源，啟動(dòng)充電。在充電結(jié)束后，授電弓自動(dòng)斷電，并收起弓頭，通知駕駛員可以離開(kāi)。

站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)在充電過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控，充電全過(guò)程無(wú)人干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了便捷、高效、智能、全自動(dòng)充電。

5 系統(tǒng)及設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)于2018年7月1日設(shè)立《智能化高能超級(jí)電容城市客車公交系統(tǒng)集成示范工程應(yīng)用研究》項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：18DZ1201600），研究?jī)?nèi)容分為智能化快速充電技術(shù)、高能量長(zhǎng)壽命超級(jí)電容系統(tǒng)研究、快速充電超級(jí)電容電動(dòng)城市客車研制，并搭建超級(jí)電容公交智能化平臺(tái)。本文研究的充電管理系統(tǒng)是該課題項(xiàng)目的子課題，開(kāi)發(fā)兼容現(xiàn)有各類型快充電動(dòng)城市客車的快速充電系統(tǒng)，提高充電系統(tǒng)的利用率。

5.1 云平臺(tái)架構(gòu)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用

企業(yè)級(jí)私有云的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，支撐整個(gè)充電調(diào)度運(yùn)營(yíng)需求。系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)、虛擬化技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，能實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)接入和大并發(fā)訪問(wèn)，軟件結(jié)構(gòu)清晰明了，支持主流瀏覽器、web中間件、數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。

通過(guò)與公交智能調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合，獲取下個(gè)班次的時(shí)間及里程需求，與新能源汽車電池管理系統(tǒng)顯示的電池剩余容量及大數(shù)據(jù)計(jì)算出的歷史同車同時(shí)的耗電情況等，分析下個(gè)班次前是否需要補(bǔ)電。

采用優(yōu)先充電模式，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過(guò)聚類和分類算法，合理調(diào)整充電時(shí)段，提高電網(wǎng)利用的效率，節(jié)約用電成本。

利用相關(guān)性建立數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型和算法，進(jìn)行電耗分析，預(yù)測(cè)車輛百公里能耗。通過(guò)綜合監(jiān)控和分析平臺(tái)的大數(shù)據(jù)挖掘，使新能源公交車充電更加智能，進(jìn)一步降低能源消耗，節(jié)能減排，提高運(yùn)營(yíng)效率。

5.2 利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行電池補(bǔ)電預(yù)測(cè)分析

大數(shù)據(jù)平臺(tái)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建模，它的基本思路是將模型作為黑箱，不考慮內(nèi)部機(jī)理，專注于其輸入輸出的關(guān)系[4]。本平臺(tái)采用三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)大量充電數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型。本平臺(tái)的輸入節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)電流、電池剩余容量、溫度、運(yùn)營(yíng)里程等數(shù)據(jù)，輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)完成運(yùn)營(yíng)所需充電電量。

選取11路、26路充電樣本數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，通過(guò)訓(xùn)練來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（隱含層及其神經(jīng)元數(shù)目）及各種變量值。利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算，完成電流、電池剩余容量、溫度、運(yùn)營(yíng)里程與所需充電電量的非線性映射。最后根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)找到與之對(duì)應(yīng)的結(jié)果。如果所需充電電量大于電池儲(chǔ)能容量最大值的80%，則計(jì)劃安排車輛白天補(bǔ)電。

5.3 利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行電池健康度分析

大數(shù)據(jù)平臺(tái)利用Hive技術(shù)離線分析，選取11路、26路充電記錄，計(jì)算電池充滿電時(shí)所充電量與充電前后電池剩余容量差值的比率，比率越高，表明電池的健康度越高。計(jì)算公式如下：

式中：D為健康度；β為溫度校準(zhǔn)系數(shù)，依環(huán)境溫度變化波動(dòng)；Ke為本次充電結(jié)束時(shí)的充電電量；Ks為本次充電開(kāi)始時(shí)的電量；SOCe為本次充電結(jié)束時(shí)的電池剩余容量；SOCs為本次充電開(kāi)始時(shí)的電池剩余容量。

經(jīng)過(guò)6個(gè)月的使用及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，超級(jí)電容前3個(gè)月衰減0.83%，后3個(gè)月衰減0.26%，衰減性能趨于穩(wěn)定，符合年衰減≤2%的設(shè)計(jì)要求。

5.4 采用第三代超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)環(huán)?？斐?/h3>

相對(duì)動(dòng)力鋰電池，第三代超級(jí)電容具有以下特性：尺寸小，重量輕；支持大電流充電，充電速度快[5]；充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)；原材料貴金屬含量低；工作溫度范圍寬，控制簡(jiǎn)單。

5.5 超級(jí)電容城市客車與配套授電弓智能快充的組合應(yīng)用

應(yīng)用超級(jí)電容的城市客車支持高頻次、大電流快速充電。以11路為例，從停車、落弓、充電、升弓完成全過(guò)程只需8分鐘，可以在發(fā)車間隔（12分鐘）內(nèi)完成充電；超級(jí)電容城市客車一次可充35 kW·h，只需6次充電，即可完成一天營(yíng)運(yùn)要求。

下壓式授電弓滿功率輸出360 kW，充電速度是普通充電槍的2倍，滿足超級(jí)電容城市客車大功率充電的需求。

超級(jí)電容城市客車與配套授電弓的組合，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)的充電過(guò)程，提高了充電效率與運(yùn)行的流暢性。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的智能充電管理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)半年多的上線運(yùn)營(yíng)，目前技術(shù)成熟可靠，為后續(xù)866路、930路等公交線路的候車充電站建設(shè)打好基礎(chǔ)。從2019年10月到2020年4月，11路、26路累計(jì)充電達(dá)到37 096次，節(jié)油量達(dá)到124 555 L，減排二氧化碳83 t，節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本352萬(wàn)元。

本系統(tǒng)的建設(shè)將滿足當(dāng)前及未來(lái)高能超級(jí)電容城市客車的充電需求，提高供電質(zhì)量滿足供電安全，使充電及供電設(shè)備符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，從而確保高能超級(jí)電容城市客車的正常安全運(yùn)營(yíng)。本項(xiàng)目建設(shè)符合當(dāng)前純電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展方向，整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施將為美化城市、安全運(yùn)營(yíng)、完善設(shè)施、方便市民做出新的貢獻(xiàn)。