［施達(dá)雅］

1 引言

小汽車、電動自行車和公共交通工具是居民日常出行的三大工具，其中電動自行車因為便利、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)勢，提高了出行效率，成為多數(shù)家庭更傾向選擇的短途交通工具，以及物流、外賣等民生行業(yè)的重要工具。根據(jù)中國自行車協(xié)會數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2022 年我國城鎮(zhèn)內(nèi)兩輪出行約占出行總量30%，電動自行車出行或?qū)⒊蔀槲磥韲鴥?nèi)城市兩輪出行主流等。但是伴隨著車輛的增長，闖紅燈、逆行等導(dǎo)致交通事故率增長、充電引發(fā)的火災(zāi)事故頻發(fā)[1]。據(jù)統(tǒng)計，其中因電動自行車蓄電池充電所引起的火災(zāi)約1.95 萬起，比去年同期上升18.7%，這些事故不少都是因入室充電、飛線充電等造成的[2]。因此，如何兼顧出行效率與安全充電是電動自行車面臨的首要問題。

由于電動車自行車充電事故頻發(fā)，因此迫切需要政府、企業(yè)等組織共同合力，為其充電提供安全有效的保障，盡可能地設(shè)置集中停放場所和充電設(shè)備。工信、公安、市場監(jiān)督等部門先后出臺并落地執(zhí)行新國標(biāo)的相關(guān)政策，近兩年全國大部分城市已開展電動自行車登記、備案、上牌工作[3]。因此本系統(tǒng)在基于電子車牌有效存儲車輛信息的基礎(chǔ)上，使其有效地用于電動車的充電過程管理。

2 方案概述

電子車牌作為車輛的“數(shù)字身份證”已在貨車電子圍欄和公交車優(yōu)先通行等方面有應(yīng)用成效，表明了電子車牌系統(tǒng)的國家戰(zhàn)略規(guī)劃正在逐步推進(jìn)。未來的智能交通將是由大范圍布設(shè)感應(yīng)器、通信設(shè)備和其他設(shè)備的新型智能化基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，交通管理、交通運(yùn)輸將進(jìn)入嶄新的階段，也將為出行者提供越來越多便捷、舒適與個性化的服務(wù)。

電動自行車作為居民出行的主要交通工具之一，但是電動車引發(fā)的違章騎行、交通擁堵、充電事故等情況已成為亟待解決的問題。雖然電動自行車的電池安全事故頻發(fā)，但是不安全充電情況卻屢禁不止。這些事故都源自于缺乏對電氣線路的檢測以及未按規(guī)范使用電氣設(shè)備的緣故。此外，為了大力踐行國家提倡的節(jié)能減排政策，因而電動自行車的智慧節(jié)能用電也是長期持續(xù)的方向。

電子車牌作為RFID 技術(shù)在智慧交通領(lǐng)域的應(yīng)用之一，可承擔(dān)起對電動自行車的智慧管理[4]。智慧空開是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、使用人工智能作為核心、利用無線通訊技術(shù)來傳遞采集及控制信息，以實現(xiàn)用電設(shè)備的智能管理。本系統(tǒng)結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)、電子車牌與智慧空開等技術(shù)、設(shè)備，設(shè)計實現(xiàn)一款集成電動自行車的身份識別、用電實時監(jiān)測管理等方面功能的系統(tǒng)，并且能夠根據(jù)采集的線路參數(shù)判斷預(yù)警及空開通斷，使用用電大數(shù)據(jù)預(yù)判用電情況。本系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示，整個系統(tǒng)由含智慧空開的充電樁、車牌識別模塊、智慧用電管理平臺及客戶端組成。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框架

本系統(tǒng)設(shè)計了一個基于電子號牌的電動自行車智慧充電檢測系統(tǒng)，對于安裝電子號牌的車輛，系統(tǒng)首先通過感應(yīng)識別設(shè)備獲取數(shù)字號牌中的車輛信息，識別完成后開始進(jìn)行充電并監(jiān)測充電線路中各參數(shù)的狀態(tài)，采集用電狀態(tài)信息并以無線方式上傳系統(tǒng)。在系統(tǒng)管理平臺中能直觀、超前的分析監(jiān)測點(diǎn)電氣火災(zāi)隱患發(fā)展態(tài)勢并及時發(fā)送預(yù)警信息。充電結(jié)束后，用戶可在現(xiàn)場或根據(jù)客戶端所顯示電量完成繳費(fèi)離場。本系統(tǒng)即使在號牌遮擋、破損情況下也能精準(zhǔn)感知車輛信息，能根據(jù)采集的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)相應(yīng)充電數(shù)據(jù)，從而在源頭上實現(xiàn)車輛有效監(jiān)管和溯源；另一方面，電動車作為“有身份”的車輛后，可通過對電池的充電情況進(jìn)行統(tǒng)計和分析，將預(yù)警信息及時通知車主，減少電動車爆炸的安全隱患。

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計

3.1 電子車牌識別模塊

電子車牌是基于無線射頻技術(shù)的產(chǎn)物，它的靈敏度和精確度都較高。電動自行車電子車牌也是基于電子標(biāo)識核心技術(shù)，內(nèi)嵌RFID芯片，且表面印有二維碼的一體化號牌。它將電動自行車的相關(guān)信息如用戶、型號等信息加密存儲于射頻標(biāo)簽之中，在自動且非接觸的形式下，被車牌讀寫器讀取相關(guān)信息[5]。

電子車牌識別模塊的具體組成如圖2 所示,此部分由嵌入RDID 芯片的電子車牌、車牌讀寫器及傳輸電路等組成。當(dāng)裝有電子車牌的電動自行車輛停放在充電樁時，充電樁上的識別設(shè)備發(fā)射無線射頻信號，芯片對信號驗證成功后，將芯片中包含的車牌、用戶等信息隨電信號發(fā)送回讀寫器，最后車牌讀寫器再將車牌的相關(guān)信息傳輸至系統(tǒng)平臺處理，由系統(tǒng)進(jìn)行與此有關(guān)的用電量、狀態(tài)、位置等關(guān)聯(lián)與統(tǒng)計。

圖2 智能車牌識別模塊結(jié)構(gòu)圖

3.2 智能充電模塊

本模塊主要用于電動自行車的充電量采集和用電情況監(jiān)控。主要以智慧空開為核心元件，采用多維度智能檢測電參數(shù)的方式。通過實時采集線路中的各類電參數(shù)，監(jiān)測統(tǒng)計用電量，推送電量信息及線路信息至控制平臺。平臺通過分析確定有無漏電、電弧、過載、短路、線纜溫度異常等多項電氣安全危害，并精確定位電氣火災(zāi)隱患地址。

智慧空開系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，本模塊由空開、電源和網(wǎng)關(guān)組成，網(wǎng)關(guān)模塊下行通過RS485 串口和空開通信，上行通過有線網(wǎng)絡(luò)、4G 無線和wifi 等方式和平臺通信。當(dāng)空開模塊采集完數(shù)據(jù)后，網(wǎng)關(guān)模塊可通過wifi 模塊或4G 模塊與系統(tǒng)管理平臺通信，由系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)并反饋[6]。本模塊既可將空開模塊的監(jiān)控測試數(shù)據(jù)上送平臺，又能從平臺接收遠(yuǎn)程控制指令，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

圖3 智能充電模塊結(jié)構(gòu)圖

3.3 用電管理平臺

用電管理平臺界面如圖4 所示，實時監(jiān)測用電設(shè)備的短路、過載、接觸不良造成的火花、電纜溫度等用電參數(shù)。界面上半部分包括設(shè)備統(tǒng)計、空開型號統(tǒng)計、空開狀態(tài)統(tǒng)計三個模塊，用于空開整體情況統(tǒng)計；下半部分用于電量統(tǒng)計，可展示“今日”和“本周”兩種模式。平臺可對采集到的數(shù)據(jù)作實時的統(tǒng)計、顯示及根據(jù)歷史相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)測充電站工作量，并可依此數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)充電站開放情況。

圖4 平臺界面

當(dāng)充電進(jìn)行時，充電模塊會獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且與控制平臺之間進(jìn)行通信，其流程如圖5 所示。由圖所見，系統(tǒng)首先配置網(wǎng)絡(luò)，等待無線網(wǎng)絡(luò)連接成功，然后讀取平臺登錄狀態(tài)、接收無線數(shù)據(jù)，待接收成功后一鍵讀取電參量、統(tǒng)計參數(shù)等信息；同時通過用電數(shù)據(jù)智能分析，若分析出異常產(chǎn)生告警則下發(fā)信號控制空開的關(guān)閉。

圖5 平臺控制流程

此外，平臺每間隔接收充電模塊采集的電量信息，當(dāng)各個空開結(jié)點(diǎn)的充電樁中的車輛充電完成或者中斷的情況下，此時電量信息不變時，系統(tǒng)會自動統(tǒng)計結(jié)算當(dāng)前電量，并在數(shù)據(jù)庫中查詢車牌號關(guān)聯(lián)信息，將此時的用電數(shù)據(jù)下發(fā)至客戶端，供用戶查閱繳費(fèi)。即便發(fā)生意外掉電的情況，系統(tǒng)也可保存當(dāng)前的電量狀態(tài)信息。

4 系統(tǒng)測試

4.1 故障監(jiān)測

如圖6 所示，平臺中可設(shè)置過載保護(hù)、欠壓保護(hù)、漏電保護(hù)和溫度保護(hù)等電量監(jiān)測參數(shù)，充電過程中一旦發(fā)現(xiàn)超出設(shè)置的閾值，平臺下發(fā)指令控制智能空開自動脫扣斷電，直至整個回路故障消除后才能送電，有效防止電氣火災(zāi)的發(fā)生。

圖6 監(jiān)測參數(shù)配置界面

如圖7 所示，通過設(shè)置欠壓保護(hù)動作值為200 V，手動觸發(fā)演示箱1P 的告警，此時智慧空開根據(jù)系統(tǒng)指令自動斷開，同時系統(tǒng)根據(jù)車牌查詢用戶信息，供人工操作用戶短信的下發(fā)，提醒用戶處理。

圖7 告警觸發(fā)界面

4.2 電量統(tǒng)計

如圖8 所示，充電結(jié)束后，平臺會統(tǒng)計關(guān)聯(lián)智能空開的用電量，將用電量與采集到的電子車牌信息進(jìn)行關(guān)聯(lián),產(chǎn)生結(jié)算數(shù)據(jù)。用戶通過掃碼,獲取當(dāng)前充電量及費(fèi)用,完成繳費(fèi)離場。

圖8 電量統(tǒng)計及繳費(fèi)狀態(tài)頁面

4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

平臺實時遠(yuǎn)程控制分合閘，實時計量各種電參數(shù)數(shù)據(jù)，實時查看空開工作狀態(tài)、告警狀態(tài)，實時地掌握各種用電數(shù)據(jù)，各用電設(shè)備監(jiān)測統(tǒng)計界面如圖9 所示。

圖9 電量監(jiān)測界面

系統(tǒng)平臺通過對電流、用電量等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，結(jié)合告警數(shù)據(jù)、分合閘數(shù)據(jù)詳細(xì)信息報表分析，為日常的維護(hù)提供依據(jù)指導(dǎo)。通過節(jié)電時長詳細(xì)報表分析，提供科學(xué)節(jié)能依據(jù)。通過向系統(tǒng)平臺上上報監(jiān)控數(shù)據(jù)，經(jīng)后臺分析判定，合理安排用電設(shè)備的充電狀態(tài)；通過監(jiān)控數(shù)據(jù)深度分析，實現(xiàn)24 小時能耗監(jiān)測和管理。

5 總結(jié)

本系統(tǒng)采用RFID 射頻識別+智慧空開的方式，提高電動自行車身份識別準(zhǔn)確率和有效性，強(qiáng)化社區(qū)車輛管控，督促改進(jìn)違規(guī)停放，深化通行監(jiān)管；電量檢測模塊能實現(xiàn)充電信息上報，充電數(shù)據(jù)監(jiān)控，規(guī)范社區(qū)消防安全管理。從安全層面上，解決了用戶私拉電線導(dǎo)致充電不規(guī)范引起的火災(zāi)，給自己或別人的財產(chǎn)和人身安全帶來的隱患；從管理層面上而言，電動自行車充電樁不但提供了便利的充電方式，而且由于采用電子車牌識別車輛，可以更有效地管理車量，抑制被盜現(xiàn)象的發(fā)生。從使用層面上，電瓶車充電樁解決了用戶充電難的問題。用戶只需要把車停在充電區(qū)，按照指示操作充電即可。但是因測試數(shù)據(jù)有限，未來本系統(tǒng)在監(jiān)測數(shù)據(jù)多樣化、電量統(tǒng)計精確度及中斷處理等方面還有待進(jìn)一步改進(jìn)提升。