錢至遠 谷金健 孟瑜煒 李漢秋 俞榮棟 蔣肇標

【摘 要】文章梳理了目前前庭控制器（FCC）的基本功能，同時針對油機設(shè)備的快速發(fā)展，以及IFSF協(xié)議擴展到支持TCP/IP的改進，對虛擬FCC的實現(xiàn)方式進行研究，同時開發(fā)出一套完整的虛擬FCC系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到站級業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)與FCC同樣的功能與效果。

【關(guān)鍵詞】虛擬FCC;IFSF;TCP/IP;數(shù)據(jù)庫;通信報文

【中圖分類號】X924.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）10-0073-04

前庭控制器[1]（Fore Court Controller，F(xiàn)CC）是加油站管理系統(tǒng)架構(gòu)中的重要設(shè)備，負責(zé)傳遞站級系統(tǒng)與前庭設(shè)備之間的數(shù)據(jù)與指令，它不僅負責(zé)將設(shè)備數(shù)據(jù)上傳至前臺銷售系統(tǒng)（Point of Sale，POS）、后臺管理系統(tǒng)（Back Office System，BOS）等站級系統(tǒng)[2]，同時站級系統(tǒng)也通過FCC對前庭設(shè)備（如油槍、油機和液位儀等）進行控制[3-5]。

目前，國內(nèi)外加油站的前庭控制器主要是硬件設(shè)備，其運行往往受到時間、空間的限制，經(jīng)過長時間的運行之后，故障率會逐漸提高，因此容易影響加油站的正常營業(yè)[6，7]。

1 虛擬FCC功能簡介

傳統(tǒng)的FCC多由專用硬件組成，主要實現(xiàn)油機通信接口（多為串行接口，如RS485、電流環(huán)等）與后臺系統(tǒng)（主要為以太網(wǎng)接口）的通信和協(xié)議轉(zhuǎn)換。隨著加油機硬件的不斷改進和升級，如今大多數(shù)油機都自帶網(wǎng)絡(luò)接口，從而也具備了直接接入后臺管理系統(tǒng)的條件。因此，完全可以采用特定軟件控制程序的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件產(chǎn)品的功能，本研究稱之為虛擬FCC軟件。

基于虛擬FCC的加油站管理系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖1所示。

（1）通信協(xié)議處理模塊：該模塊主要實現(xiàn)與油機之間的通信，目前采用國際通用協(xié)議，實現(xiàn)了協(xié)議的基本框架和處理，并可根據(jù)新的功能需求擴展相關(guān)數(shù)據(jù)定義。

（2）系統(tǒng)配置及油機數(shù)據(jù)庫管理模塊：該模塊提供油機數(shù)據(jù)庫管理功能，可實現(xiàn)對多油機的配置數(shù)據(jù)、交易數(shù)據(jù)的管理，并提供對IFSF協(xié)議數(shù)據(jù)的映射功能。

（3）日志及故障診斷模塊：該模塊實現(xiàn)對油機交易及故障的日志記錄等功能，便于對通信和其他運行故障進行分析和處理。

（4）云平臺通信及管理模塊：該模塊實現(xiàn)與后臺云平臺的通信，負責(zé)將油機交易數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺，接受云平臺管理并控制油機。

虛擬FCC是前庭設(shè)備和后臺系統(tǒng)之間的網(wǎng)關(guān)軟件，在設(shè)計過程中需要注重標準化和模塊化，對外接口秉承統(tǒng)一規(guī)范的原則，因此虛擬FCC是設(shè)計開發(fā)的關(guān)鍵，在于對IFSF協(xié)議的實現(xiàn)。

2 基于IFSF協(xié)議的虛擬FCC實現(xiàn)

IFSF（International Forecourt Standard Forum）是石油零售行業(yè)的國際標準組織，致力于協(xié)調(diào)石油零售行業(yè)前庭設(shè)備的可互操作和通信標準。圖2是協(xié)議中一些常見狀態(tài)的邏輯切換。

早期的IFSF協(xié)議是基于LonWorks網(wǎng)絡(luò)規(guī)范制定的，后來進一步擴展到支持TCP/IP的標準網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在本研究的虛擬FCC軟件中，實現(xiàn)了基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的IFSF協(xié)議功能。

2.1 IFSF數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫是IFSF協(xié)議中的核心內(nèi)容，油機和虛擬FCC之間交換的所有數(shù)據(jù)都在保存數(shù)據(jù)庫中。IFSF數(shù)據(jù)庫本質(zhì)是一個實時數(shù)據(jù)庫，主要保存實時交易的數(shù)據(jù)信息。IFSF的數(shù)據(jù)庫包含如下組成和層次。

（1）節(jié)點（Node）表示IFSF系統(tǒng)中的單一主體設(shè)備，如一臺油機、FCC或液位儀等。

（2）數(shù)據(jù)庫（Database）表示一個節(jié)點下的同一類數(shù)據(jù)的總和。在一個節(jié)點下可以由多個數(shù)據(jù)庫組成，單一數(shù)據(jù)庫由數(shù)據(jù)庫地址表示。

（3）數(shù)據(jù)（Data）表示在數(shù)據(jù)庫的所有數(shù)據(jù)，一個數(shù)據(jù)庫下可以由多個數(shù)據(jù)組成。每個單一數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)ID和數(shù)據(jù)內(nèi)容組成。

IFSF系統(tǒng)中的每個節(jié)點（如油機、FCC等），都具備一個或多個實時數(shù)據(jù)庫，IFSF協(xié)議本質(zhì)上就是交換設(shè)備節(jié)點之間的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。IFSF協(xié)議規(guī)定了一些常用的實時數(shù)據(jù)庫定義，包括常用的數(shù)據(jù)ID，例如用于油機設(shè)備的一些數(shù)據(jù)（如油品、單價、金額、升數(shù)等）。當然，IFSF也是一個開放式的協(xié)議，允許廠商根據(jù)需要增加不同的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)ID定義。

對于IFSF實時數(shù)據(jù)庫的具體實現(xiàn)，我們采用樹形結(jié)構(gòu)的方式：最上層結(jié)構(gòu)為ifsf_node_t，表示一個設(shè)備節(jié)點，全部節(jié)點用單鏈表串接。每個ifsf_node_t包含多個數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)ifsf_db_t，它們也采用同樣的方式串接，也通過鏈表串接。同樣的方式，在每個ifsf_db_t下包含多個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ifsf_db_

data_t?？傊?，通過這種樹形鏈表的方式，將形成一個完整的IFSF協(xié)議設(shè)備的實時數(shù)據(jù)庫內(nèi)存結(jié)構(gòu)，從而為協(xié)議報文的處理建立良好的基礎(chǔ)。IFSF數(shù)據(jù)庫樹形結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 IFSF基礎(chǔ)協(xié)議通信報文的實現(xiàn)

IFSF協(xié)議規(guī)定了在TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上的通信報文，主要包含用于基于UDP的節(jié)點之間心跳檢測報文及用于基于TCP的節(jié)點數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)傳遞報文，其在TCP基礎(chǔ)上的應(yīng)用數(shù)據(jù)傳遞報文格式見表1。

IFSF協(xié)議通過上述報文傳遞設(shè)備的數(shù)據(jù)，如虛擬FCC可以通過讀取報文獲得油機數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，油機收到發(fā)送報文后，回應(yīng)報文將當時數(shù)據(jù)值返回給虛擬FCC。

在具體協(xié)議代碼實現(xiàn)過程中，本研究主要采取以下方案：{1}IFSF報文的創(chuàng)建。用于從IFSF實時數(shù)據(jù)庫生成IFSF報文?？紤]到不同的報文格式，本研究采用了相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲報文信息，然后通過相關(guān)函數(shù)生成完整的報文。{2}IFSF報文的解析。用于對收到的IFSF報文進行解析。{3}報文交互流程，包括UDP心跳報文收發(fā)，建立與設(shè)備端的連接，并在連接上進行交互通信等。根據(jù)IFSF協(xié)議規(guī)范，虛擬FCC對每個油機節(jié)點建立兩條連接，一條連接用于發(fā)送報文，一條用于接收，最終虛擬FCC對多個油機節(jié)點的連接進行處理并實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

3 虛擬FCC的設(shè)計方案

由于本研究基于為加油站設(shè)計開發(fā)的一套站級信息管理系統(tǒng)，因此需要針對站點內(nèi)部需求對協(xié)議進行改造，以滿足實際業(yè)務(wù)需要和場景，同時為了方便協(xié)同開發(fā)，本文在編碼中將虛擬FCC命名為Fuel。

3.1 基于IFSF協(xié)議標準的改造

在站級的日常管理中，除了交易記錄外，還有績效、盤存等其他日常事務(wù)，因此信息系統(tǒng)需要完善功能，例如記錄加油員授權(quán)油槍加油記錄，支持客戶通過虛擬加油卡預(yù)授權(quán)加油等。為了實現(xiàn)以上功能，需要對現(xiàn)有的IFSF基礎(chǔ)協(xié)議進行改造，從而滿足業(yè)務(wù)需求，表2是協(xié)議新增的命令信息。

3.2 功能流程

隨著物聯(lián)網(wǎng)及移動支付的快速發(fā)展，在加油站中衍生出如車牌付、自助加油等新的業(yè)務(wù)形式，這讓加油員或者客戶可以通過一些交互設(shè)備控制油機油槍，而Fuel的設(shè)計剛好符合這種業(yè)務(wù)形式下軟件程序開發(fā)的需求。

圖4是基于Fuel的加油業(yè)務(wù)時序圖，F(xiàn)uel在通過IFSF協(xié)議實現(xiàn)與油機交互功能后，將油機交易記錄上傳到業(yè)務(wù)系統(tǒng)，同時基于新協(xié)議的命令信息，交易記錄中帶有員工卡號、起止泵碼數(shù)等數(shù)據(jù)，為員工績效、損益分析、庫存盤點等其他功能模塊提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

由于Fuel能夠?qū)崿F(xiàn)對油機的控制，因此開發(fā)站級業(yè)務(wù)系統(tǒng)時，只需要通過調(diào)用Fuel的對外接口，就可以通過軟件系統(tǒng)實現(xiàn)對油機油槍的控制。

3.3 主要功能清單

（1）基本功能。①IFSF協(xié)議支持，支持加油站標準IFSF通信協(xié)議，主要包括IFSF TCP協(xié)議報文格式支持，支持讀消息、寫消息、應(yīng)答消息、帶確認數(shù)據(jù)消息等;IFSF UDP協(xié)議報文支持，主要用于傳送廣播和心跳;IFSF協(xié)議數(shù)據(jù)格式支持，支持整數(shù)、浮點、字符串、金額等多種數(shù)據(jù)格式;IFSF協(xié)議交互功能，用于油機或液位儀與FCC之間的協(xié)議交互;錯誤處理功能。②多設(shè)備通信網(wǎng)關(guān)及后臺通信功能：FCC可以同時與多臺油機或液位儀進行通信，并可以將所有信息進行匯總處理，并統(tǒng)一打包上傳;將匯總后的油機交易數(shù)據(jù)上報到站級后臺管理系統(tǒng)（如Fuel Server）;接收后臺管理系統(tǒng)的要求，并下發(fā)到油機，如設(shè)置油品價格、鎖槍和解鎖等。③本地存儲功能：虛擬FCC具備一定的本地交易存儲功能，當發(fā)生通信中斷時可以保存一定的交易數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時上傳至后臺管理系統(tǒng)。④外部通用接口功能：除與站級管理系統(tǒng)通信外，虛擬FCC還可以提供通用的接口，用于將交易上報到特定的應(yīng)用中，如云平臺數(shù)據(jù)中心等，用于數(shù)據(jù)分析等功能。虛擬FCC還可以接入非油機或液位儀的其他設(shè)備，只要滿足IFSF協(xié)議的通用接口均可接入。⑤界面配置功能：虛擬FCC雖然主要用于后臺協(xié)議報文通信和處理功能，但也包括特定的Web交互界面，用于參數(shù)配置、相關(guān)交易信息顯示等功能，以及輔助在無后臺管理情況下的狀態(tài)顯示和分析工作。⑥故障診斷和數(shù)據(jù)分析功能：包括油機通信中斷及相關(guān)系統(tǒng)故障分析，交易數(shù)據(jù)的特定處理和分析功能。

（2）油機功能。①油機數(shù)據(jù)讀取功能，主要包括與油機的數(shù)據(jù)通信和采集，具體為油機狀態(tài)獲取，包括空閑、提槍、授權(quán)、加油、掛槍等不同的油機狀態(tài)獲取;獲取油品信息，包括不同油品代號、油品描述信息等;獲取實時加油數(shù)據(jù)信息，包括當前加油的升數(shù)和金額信息;獲取交易信息，包括一次交易的油品、升數(shù)、金額等信息;獲取油泵信息，如起止泵碼信息;獲取離線脫機交易信息，包括油機脫機交易的升數(shù)、金額等信息;油氣二次回收數(shù)據(jù)獲取，根據(jù)油機實時加油升數(shù)和氣體流量計的讀數(shù)，實時計算油氣回收比，對偏離系統(tǒng)設(shè)定值的交易進行報警處理;在線監(jiān)測，實時監(jiān)測站級設(shè)備的工作狀態(tài)，實時顯示交易數(shù)據(jù)。并可將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳給指定平臺或者數(shù)據(jù)中心。②油機控制功能，主要用于對油機的數(shù)據(jù)配置和控制功能，具體為（也可以在虛擬FCC上實現(xiàn)透傳，在上位油品/氣品/電力控制服務(wù)器上實現(xiàn)）設(shè)置油品價格，用于下發(fā)新的油品價格給油機;交易確認及清除功能，可用于確認并清除油機保存的在線和離線交易;授權(quán)功能，用于對油槍進行授權(quán)，提槍后只有獲得授權(quán)的油槍才能加油;鎖槍功能，在特定條件下用于禁止油槍加油;解鎖功能，對加鎖的油槍進行解鎖;通信設(shè)置功能，如設(shè)置實時交易數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間間隔等。③虛擬油機功能：虛擬FCC除可以與真實油機通信外，還可以支持虛擬油機，虛擬油機用于模擬加油功能，可以與真實油機一樣實現(xiàn)完整的提槍、授權(quán)、加油、掛槍等過程。通過虛擬油機可以實現(xiàn)對整個FCC系統(tǒng)的功能測試和壓力測試等。

（3）液位儀功能。液位儀通信功能，主要用于獲取液位儀數(shù)據(jù)，具體如下：獲取液位儀狀態(tài)，如正常、故障、報警等;獲取液位儀當前數(shù)據(jù)，包括油高、水高、油體積、水體積、油水總體積、溫度等。

（4）地罐泄漏檢測系統(tǒng)。①支持從雙層罐主板獲取檢測數(shù)據(jù)并上傳到上位服務(wù)器。具體如下：能檢測出雙層系統(tǒng)中液面以上和以下的滲漏。存在檢漏液進入環(huán)境的可能性。Ⅰ級測漏系統(tǒng)通過在雙層罐的中間層施加正壓或真空進行測漏，原先施加在油罐中間層的壓力或真空度就會發(fā)生變化，從而被檢測儀器感應(yīng)到，觸發(fā)報警。Ⅱ級液媒測漏系統(tǒng)利用測漏液體自身的重力進行測漏，不需要額外的氣壓源和動力源。②支持從SCADA系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)并上傳到上位服務(wù)器。具體為SCADA數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)及各類信號報警等功能;支持從SCADA系統(tǒng)獲取檢測數(shù)據(jù)并上傳到上位服務(wù)器，并可以透傳相關(guān)控制指令及報文給SCADA系統(tǒng)。

（5）加氣機機功能。①氣機數(shù)據(jù)讀取功能，主要包括與氣機的數(shù)據(jù)通信和采集，具體為加氣機狀態(tài)獲取，包括空閑、提槍、授權(quán)、加氣、掛槍等不同的氣機狀態(tài)獲取;獲取實時加氣數(shù)據(jù)信息，包括當前加氣的升數(shù)和金額信息;獲取交易信息，包括一次交易的升數(shù)、金額等信息;獲取氣泵信息，如起止泵碼信息;獲取離線脫機交易信息，包括加氣機脫機交易的升數(shù)、金額等信息。②加氣機控制功能，主要用于對加氣機的數(shù)據(jù)配置和控制功能，具體如下（也可以實現(xiàn)透傳，在上位油品/氣品/電力控制服務(wù)器上實現(xiàn)）：設(shè)置氣品價格，用于下發(fā)新的氣品價格給氣機;交易確認及清除功能，可用于確認并清除油機保存的在線和離線交易;授權(quán)功能，用于對氣槍進行授權(quán)，提槍后只有獲得授權(quán)的氣槍才能加氣;鎖槍功能，在特定條件下用于禁止氣槍加氣;解鎖功能，對加鎖的氣槍進行解鎖;通信設(shè)置功能，如設(shè)置實時交易數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間間隔等。③加氣機連接功能：虛擬FCC還可以通過擴展模塊的方式實現(xiàn)非IFSF設(shè)備到IFSF設(shè)備的協(xié)議轉(zhuǎn)換，用于將其他的設(shè)備（如非IFSF氣機）接入加油站站級系統(tǒng)中。支持422/CAN 總線等常用氣機協(xié)議。

（6）充電樁功能。①變壓器數(shù)據(jù)讀取功能，將每臺變壓器包含智能電表及DTU模塊主要包括變壓器的實時信息（電壓、電流、功率等）。②智能控制單元讀取及控制功能，匯總充電終端的用電信息，接受虛擬FCC下發(fā)的控制指令，控制每個充電終端的充電功率，實現(xiàn)柔性控制。具備充電站功率控制功能，智能控制中心模塊在在線、離線兩種環(huán)境下，均能實現(xiàn)以下功能：能夠采集充電站的充電樁的狀態(tài)信息、告警信息和充電樁參數(shù)信息等，能通過充電控制指令控制充電樁的啟、停，能夠?qū)χ绷鞒潆姌兜妮敵龀潆姽β蔬M行控制。③虛擬FCC支持以下功能（也可以實現(xiàn)透傳，在上位油品/氣品/電力控制服務(wù)器上實現(xiàn)）。黑名單存儲功能;交易記錄存儲;認證結(jié)算模型存儲功能;遠程升級功能;RTC時鐘和校正功能;掉電檢測功能。

（7）洗車機功能。洗車機數(shù)據(jù)讀取功能，訪問汽車機終端設(shè)備或者云平臺主機，獲取及設(shè)置參數(shù)信息（狀態(tài)、收費模式、用戶數(shù)據(jù)、模式、交易、支付等數(shù)據(jù)）。

3.4 站級管理信息系統(tǒng)及應(yīng)用

目前，B/S架構(gòu)已成為Web開發(fā)的流行方式，該模式是Brower對Web Server直接訪問，因此用戶只需要通過站內(nèi)電腦的瀏覽器輸入指令，就可以實現(xiàn)對室外油槍進行鎖槍、授權(quán)等控制。為了貼合加油站的實際業(yè)務(wù)場景，本研究開發(fā)了一套站級管理信息系統(tǒng)。在室內(nèi)POS系統(tǒng)中，可以瀏覽交易信息和油槍狀態(tài)，同時通過點擊頁面按鈕實現(xiàn)對油機油槍的控制。在站級運行的軟硬件環(huán)境中，并沒有前庭控制器硬件設(shè)備，取而代之的則是虛擬FCC軟件Fuel，信息系統(tǒng)讀取的數(shù)據(jù)全部來自Fuel，同時基于改造后協(xié)議開發(fā)的Fuel，也在通信報文中增加了更多信息。

4 總結(jié)與展望

本文基于對油機通信IFSF協(xié)議的研究和改造，設(shè)計并開發(fā)了一套虛擬FCC軟件Fuel，不僅支持IFSF協(xié)議及完整的油機交易數(shù)據(jù)管理，還能實現(xiàn)與云平臺的數(shù)據(jù)通信，同時支持后臺信息系統(tǒng)實現(xiàn)豐富的功能，滿足站級日常業(yè)務(wù)需求。

在實際應(yīng)用中，虛擬FCC具有以下優(yōu)勢：復(fù)用率高，可以針對不同廠商修改相關(guān)配置，不用再次開發(fā);相對硬件設(shè)備故障率低;成本低，當站點的前庭設(shè)備越多時，用虛擬FCC代替硬件設(shè)備邊際成本越低。

參 考 文 獻

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