焦堯毅，周  正，徐  杰，唐志紅，馮偉東

　?。▏?guó)網(wǎng)湖北省電力公司信息通信公司，湖北 武漢 430077）

　　摘  要： 通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)管理等方面關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，圍繞物聯(lián)網(wǎng)在電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)管理中充換電服務(wù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用的信息采集、數(shù)據(jù)通信的技術(shù)突破。從電動(dòng)汽車(chē)智能充換電服務(wù)的業(yè)務(wù)和技術(shù)需求出發(fā)，深入開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)管理總體架構(gòu)，采用平臺(tái)化、模塊化、組件化的面向服務(wù)架構(gòu)思想進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)，為電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)智能化管理提供信息化解決方案，使充換電站和電動(dòng)汽車(chē)用戶充分了解和感知可用的資源以及資源的使用狀況，實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一配置和高效優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

　　關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；電動(dòng)汽車(chē)；運(yùn)營(yíng)管理；充放電

0 引言

　　在當(dāng)今氣候環(huán)境急劇惡化、資源日益緊張的情況下，低碳經(jīng)濟(jì)是大勢(shì)所趨。低碳經(jīng)濟(jì)核心是新能源技術(shù)與節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用，電動(dòng)汽車(chē)能夠較好地解決機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染與能源短缺問(wèn)題。我國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化面臨著良好的機(jī)遇，國(guó)內(nèi)汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能與減排目標(biāo)的電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)已經(jīng)投入了空前的熱情[1]。電動(dòng)汽車(chē)智能充換電服務(wù)設(shè)施是推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提，為推動(dòng)我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)家正在加大對(duì)充換電基礎(chǔ)設(shè)施的研發(fā)和投入[2]。電動(dòng)汽車(chē)充換電設(shè)施是支持電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的基礎(chǔ)與前提，依托于智能電網(wǎng)、信息通信以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用進(jìn)行了探索。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系

　　物聯(lián)網(wǎng)涉及感知、控制、網(wǎng)絡(luò)通信、微電子、計(jì)算機(jī)、軟件、嵌入式系統(tǒng)、微機(jī)電等技術(shù)領(lǐng)域[3]，因此物聯(lián)網(wǎng)涵蓋的關(guān)鍵技術(shù)也非常多，為了系統(tǒng)分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系，本論文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系劃分為感知關(guān)鍵技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)、共性技術(shù)和支撐技術(shù)，具體如圖1所示。

　　物聯(lián)網(wǎng)可以分為感知層、傳輸層(網(wǎng)絡(luò)層)和應(yīng)用層。首先感知層是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，需要的技術(shù)有RFID、條碼、定位技術(shù)、通信芯片、傳感技術(shù)等。而傳輸層就是物聯(lián)網(wǎng)的成功運(yùn)作的保障，它涉及到的技術(shù)就包括IPV4/IPV6、3G/LTE、自組織網(wǎng)絡(luò)、WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、WiMax等。最后應(yīng)用層就是體現(xiàn)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際能力了。物聯(lián)網(wǎng)的可應(yīng)用范圍非常廣泛，不管是公共管理和服務(wù)業(yè)，還是像精細(xì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)監(jiān)測(cè)、智能電網(wǎng)等這類(lèi)行業(yè)都是物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)需要拓廣的領(lǐng)域[4,5]。

2 電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1 電動(dòng)汽車(chē)充放電技術(shù)

　　目前電動(dòng)汽車(chē)充放電技術(shù)主要有單向無(wú)序電能供給模式，單向有序電能供給模式和雙向有序電能轉(zhuǎn)換模式。單向無(wú)序電能供給模式（V0G）是指電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)即充電的模式，是目前電動(dòng)汽車(chē)最常見(jiàn)的充電方式。這種模式的充電設(shè)備主要采用單向變流技術(shù)，目前技術(shù)裝備已經(jīng)成熟，并且已經(jīng)建成一些公共充電設(shè)施[6]。V0G的問(wèn)題是電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)成為大功率用電負(fù)荷，大量電動(dòng)汽車(chē)充電會(huì)增大電網(wǎng)調(diào)峰的難度。單向有序電能供給模式包括TC模式和V1G模式，TC模式為時(shí)間控制方式，指電動(dòng)汽車(chē)在給定的時(shí)刻開(kāi)始充電。考慮到電動(dòng)汽車(chē)在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段充電對(duì)電網(wǎng)的影響，通過(guò)控制開(kāi)始充電時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰充電，能夠使用戶享受到低谷電價(jià)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。但是其控制方式簡(jiǎn)單，不能根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)或電網(wǎng)峰谷狀態(tài)靈活地控制充電過(guò)程。V1G模式指電動(dòng)汽車(chē)的充電受電網(wǎng)控制，電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，可在電網(wǎng)允許時(shí)刻進(jìn)行充電。該模式能夠優(yōu)化充電安排，提高電網(wǎng)效率，但不能向電網(wǎng)送電。雙向有序電能轉(zhuǎn)換模式（V2G）指電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)通信，并受其控制，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)間的能量轉(zhuǎn)換，電動(dòng)汽車(chē)可以作為電能存儲(chǔ)設(shè)備、備用電源設(shè)備來(lái)使用。

　　2.2 電動(dòng)汽車(chē)充放電設(shè)備及電能服務(wù)模式

　　電動(dòng)汽車(chē)充放電是智能電網(wǎng)與用戶雙向互動(dòng)的重要組成部分，主要為電能互動(dòng)及信息互動(dòng)，電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)間進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交換，內(nèi)容包括車(chē)輛能量狀態(tài)、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、電網(wǎng)電價(jià)及輔助服務(wù)計(jì)費(fèi)信息等，為電能根據(jù)電網(wǎng)或者電動(dòng)汽車(chē)的需要合理優(yōu)化的雙向流動(dòng)提供信息支持[7]。電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)充放電設(shè)備連接到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能雙向流動(dòng)。但由于電動(dòng)汽車(chē)的龐大數(shù)量及分散性，由智能電網(wǎng)雙向互動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)直接與電動(dòng)汽車(chē)通信并控制其充放電的操作難以實(shí)現(xiàn)，因此在智能電網(wǎng)雙向互動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)與電動(dòng)汽車(chē)之間建設(shè)電動(dòng)汽車(chē)充放電管理系統(tǒng)作為紐帶，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)間的實(shí)時(shí)信息交換，根據(jù)雙方需求合理控制電動(dòng)汽車(chē)的充放電操作。電動(dòng)汽車(chē)充放電過(guò)程電能與信息互動(dòng)如圖2所示。

　　2.3 電動(dòng)汽車(chē)充放電管理系統(tǒng)

　　電動(dòng)汽車(chē)充放電管理系統(tǒng)，一方面能夠通過(guò)充放電設(shè)備與電動(dòng)汽車(chē)通信；另一方面與智能電網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)通信，綜合電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，根據(jù)雙方需求合理控制電動(dòng)汽車(chē)的充放電操作[8]。電動(dòng)汽車(chē)充放電管理系統(tǒng)可以負(fù)責(zé)同一停車(chē)區(qū)域的交流充放電樁的統(tǒng)一調(diào)度管理，也可以負(fù)責(zé)一個(gè)集中充放電站內(nèi)的直流充放電機(jī)的統(tǒng)一調(diào)度管理。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)管理中的應(yīng)用

　　3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)管理總體架構(gòu)

　　本文從電動(dòng)汽車(chē)智能充換電服務(wù)的業(yè)務(wù)和技術(shù)需求出發(fā)，深入開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)管理總體架構(gòu)(如圖3所示)，為我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)電池配送、有序充電、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、自動(dòng)導(dǎo)引、資源一體化管控和綜合管理等提供先進(jìn)技術(shù)支撐。

　　感知層利用網(wǎng)絡(luò)中廣泛部署的傳感器節(jié)點(diǎn)、車(chē)載終端、手持終端、攝像頭等采集設(shè)備，基于RFID、傳感器等各類(lèi)感知技術(shù)，完成各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景下電池的狀態(tài)信息、身份信息，電動(dòng)汽車(chē)狀態(tài)信息、位置信息，智能電卡身份信息、充換電設(shè)施信息等各類(lèi)信息的感知與采集，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層。

　　網(wǎng)絡(luò)層采用有線通信和無(wú)線通信多種通信技術(shù)，完成充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)各組成部分之間的信息通信。在網(wǎng)絡(luò)層，需要著重對(duì)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和主動(dòng)信息推送機(jī)制給予關(guān)注。

　　應(yīng)用服務(wù)層對(duì)于從網(wǎng)絡(luò)層獲取得到的各類(lèi)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最終實(shí)現(xiàn)高效的廣域電動(dòng)汽車(chē)智能充換電服務(wù)。應(yīng)用服務(wù)層可細(xì)分為三個(gè)層次，最下層為數(shù)據(jù)層，對(duì)于接收到的感知信息，需要一定的規(guī)則和形式，實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)映射；中間層為服務(wù)層，通過(guò)對(duì)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的各種功能進(jìn)行抽象與分類(lèi)，將其歸結(jié)于不同的服務(wù)類(lèi)別，并為具體應(yīng)用提供服務(wù)接口；最上層為應(yīng)用層，完成服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的各類(lèi)具體業(yè)務(wù)應(yīng)用。

　　安全防護(hù)技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層次，為終端的信息感知、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸以及具體應(yīng)用業(yè)務(wù)提供安全保護(hù)功能。

　　3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)智能終端信息服務(wù)中應(yīng)用

　　電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載智能終端內(nèi)含總線通信、GPS、GPRS、RFID等模塊，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)通信、車(chē)載電池管理系統(tǒng)BMS通信、GPS定位、RFID識(shí)別、GPRS無(wú)線通信等功能[9]。其分析系統(tǒng)包括：整車(chē)技術(shù)性能統(tǒng)計(jì)分析模塊、電池組性能統(tǒng)計(jì)分析模塊、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)分析模塊、信息預(yù)測(cè)模塊、信息查詢與輸出模塊等。通過(guò)這些技術(shù)與軟件分析，終端最終實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)和車(chē)載電池使用狀態(tài)的信息采集、車(chē)輛運(yùn)行動(dòng)態(tài)定位、車(chē)輛身份識(shí)別、信息互動(dòng)以及相關(guān)的增值服務(wù)等功能。

　　電動(dòng)汽車(chē)安裝車(chē)載智能互動(dòng)終端，與車(chē)上的電池感知模塊交互，提供對(duì)電池工作狀態(tài)的多種信息展示，結(jié)合導(dǎo)航定位系統(tǒng)，提示駕駛?cè)藛T電池剩余電量以及附近充換電站位置，而且最佳路線把剩余電量和最近的充電站/交換站考慮在內(nèi)，提供地理信息查詢等功能。

　　電動(dòng)汽車(chē)智能車(chē)載終端內(nèi)部嵌入RFID，在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)具有RFID識(shí)別器的地方，可以自動(dòng)地識(shí)別車(chē)輛身份。車(chē)輛進(jìn)入充/換電站時(shí)，站內(nèi)的RFID識(shí)別器可自動(dòng)的識(shí)別車(chē)主身份及使用電池信息，智能引導(dǎo)車(chē)輛接收相關(guān)服務(wù)。在車(chē)輛進(jìn)出入高速路口時(shí)，高速路口的RFID識(shí)別器可自動(dòng)讀取車(chē)輛信息，完成自動(dòng)繳費(fèi)功能等。

　　電動(dòng)汽車(chē)智能車(chē)載終端內(nèi)含GPS模塊，實(shí)現(xiàn)GPS定位導(dǎo)航功能。在終端的內(nèi)部嵌入移動(dòng)GIS軟件，能夠根據(jù)經(jīng)度和緯度在電子地圖上實(shí)時(shí)地顯示出車(chē)輛運(yùn)行的位置和運(yùn)行狀況[10]。電動(dòng)汽車(chē)智能交互終端可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將接收到的GPS位置信息和車(chē)輛狀態(tài)信息遠(yuǎn)程發(fā)送給監(jiān)控中心，從而提供個(gè)人用戶的車(chē)輛定位、防盜等業(yè)務(wù)服務(wù)和企業(yè)集團(tuán)用戶的移動(dòng)資產(chǎn)管理等功能。

　　3.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)建設(shè)

　　基于物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)按照電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和充換電站建設(shè)規(guī)定，通過(guò)參考當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)國(guó)際、國(guó)家相關(guān)規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合國(guó)家電網(wǎng)智能電網(wǎng)建設(shè)，系統(tǒng)采用平臺(tái)化、模塊化、組件化的面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）思想進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)，為電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)智能化管理提供信息化解決方案。

　　本平臺(tái)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別、在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，感知電動(dòng)汽車(chē)及電池運(yùn)行工況，采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)，以企業(yè)服務(wù)總線及相關(guān)組件為支撐，研發(fā)電動(dòng)汽車(chē)智能充換電運(yùn)營(yíng)、管理、服務(wù)系統(tǒng)、通信模塊和網(wǎng)絡(luò)切換管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)、電池、充換電網(wǎng)絡(luò)、電網(wǎng)的互動(dòng)信息交換。平臺(tái)架構(gòu)如圖4所示。

　　采集層通過(guò)通信接入、任務(wù)調(diào)度、規(guī)約解析等服務(wù)，對(duì)電池、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、視頻及其他數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與傳遞。數(shù)據(jù)層主要完成設(shè)備數(shù)據(jù)、檔案數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)等的存儲(chǔ)，采用數(shù)據(jù)中間層對(duì)關(guān)系型表結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，各應(yīng)用只需調(diào)用數(shù)據(jù)中間層的應(yīng)用函數(shù)接口就可以以對(duì)象方式訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，無(wú)需關(guān)心數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)形式和庫(kù)表結(jié)構(gòu)。服務(wù)層為應(yīng)用提供顯示、管理等各種中間服務(wù)，公共服務(wù)偏向于通用的、與業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)的服務(wù)[11,12]。將服務(wù)層和業(yè)務(wù)邏輯層分開(kāi)，提高了服務(wù)層的重用性，降低了各個(gè)對(duì)象之間的耦合性，提高了對(duì)象的內(nèi)聚性，使系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔清晰。應(yīng)用層主要完成電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)管理相關(guān)的應(yīng)用，包括運(yùn)行監(jiān)控、自動(dòng)導(dǎo)引、定位跟蹤、最優(yōu)路線提示、有序充電、電池配送等，滿足電動(dòng)汽車(chē)智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù),通過(guò)對(duì)接入視頻的分析，實(shí)現(xiàn)智能視頻應(yīng)用。系統(tǒng)WEB應(yīng)用采用MVC模式，在界面組件方面采用AJAX技術(shù)，使B/S方式的界面具有和傳統(tǒng)C/S界面相似的豐富的界面元素和強(qiáng)大的操作功能[13,14]。該系統(tǒng)通過(guò)企業(yè)服務(wù)總線，完成了與電網(wǎng)GIS平臺(tái)等其他相關(guān)系統(tǒng)的交互，通過(guò)接口服務(wù)實(shí)現(xiàn)與智能交通、數(shù)字城市等公共服務(wù)系統(tǒng)的交互。平臺(tái)采用多層架構(gòu)的管理系統(tǒng)，采用組件技術(shù)將界面控制、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)映射分離，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的松耦合，以靈活、快速地響應(yīng)業(yè)務(wù)變化對(duì)系統(tǒng)的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文根據(jù)我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)管理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用需求，基于對(duì)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域的研究，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)管理具體應(yīng)用進(jìn)行了創(chuàng)新性、系統(tǒng)性的研究。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深入應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)充換電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理中，實(shí)現(xiàn)電池、電動(dòng)汽車(chē)、充換電網(wǎng)絡(luò)管理的智能標(biāo)識(shí)和身份識(shí)別。充換電站將部署紅外傳感網(wǎng)、視頻識(shí)別網(wǎng)絡(luò)以及基于射頻的自動(dòng)身份識(shí)別網(wǎng)絡(luò)等，對(duì)于進(jìn)入充換電站指定區(qū)域范圍內(nèi)的電動(dòng)汽車(chē)和電池裝置，系統(tǒng)將自動(dòng)識(shí)別并為其提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)、計(jì)量計(jì)費(fèi)、運(yùn)維管理等功能，滿足充換電網(wǎng)絡(luò)資源和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的自動(dòng)化、智能化管理；結(jié)合智能巡檢移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)充換電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備巡檢工作的信息化、可控化、標(biāo)準(zhǔn)化管理。采用物聯(lián)網(wǎng)、信息通信和智能電網(wǎng)等多種領(lǐng)域的技術(shù)，將實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)、電池、充電站的智能感知、聯(lián)動(dòng)及高度互動(dòng)技術(shù)研究，滿足對(duì)全域內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)、電池、充電站、人員及設(shè)備安全的在線監(jiān)控、一體化集中管控，使電動(dòng)汽車(chē)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密結(jié)合，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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