基于可靠性的电动汽车监控系统设计与实现

2014-12-19张明江王滨海李建祥

制造业自动化 2014年9期

张明江，袁弘，王滨海，李建祥

ZHANG Ming-jiang1，YUAN Hong2，WANG Bin-hai1，LI Jian-xiang1

(1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250002；2.山东鲁能智能技术有限公司，济南 250101)

0 引言

电动汽车采用电力作为动力，能够有效降低二氧化碳的排放量，具有清洁、环保的优点，日渐受到人们的认可。同时，随着石油价格的不断上涨，电动汽车的成本优势也日渐明显，在人们的日常生活中的应用也越来越广泛[1]。发展电动汽车是中国的重要产业政策，是实施可持续发展和新能源战略的战略决策[2]。

目前，国内的电动汽车正处于示范运行和考核阶段，在该阶段需要采集和存储电动汽车的运行参数，尤其是动力蓄电池的运行参数，对电动汽车的运行进行有效的监控[3]。为全面考核和分析现有电动汽车的技术经济性和整车可靠性，进一步完善电动汽车的设计和运营管理提供支持，需要通过现代化的技术手段和管理方法对电动汽车进行统一监控，实现电动汽车的安全和可靠运行[4,5]。我国颁布的《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》明确规定对处于起步期和发展期的新能源汽车进行实时监控，对新能源汽车质量进行跟踪[5]。电动汽车监控系统的研究不仅使汽车生产企业具有生产新能源汽车的准入资格，而且对车辆的管理和维护具有指导意义。

电动汽车充换电设施所处环境复杂多样，电磁干扰严重，严重影响了系统的可靠性和稳定性[2]；监控系统中设备较多，设备之间的通信方式多样，包括串口、CAN总线、无线和以太网通信等多种通信方式[6]，不同通信方式之间信息的交互和衔接依赖于良好的系统可靠性，这都要求系统具有良好的可靠性。电动汽车移动范围广、流动性大和分散程度高，无线通信信号覆盖范围和信号强度难以保证电动车监控的可靠性和实时性。

电动汽车监控系统涉及充电、换电、配电和安防等多个异构子系统和设备，设备多样复杂，设备厂家不尽相同，技术参数和指标难以一致[2,6]。这些子系统和设备的计算平台、数据库、操作系统、通信协议和信息输入输出接口等都不相同[6,7]。电动汽车监控系统需要异构环境中进行信息的共享、互联和互操作。这使得电动汽车监控系统规模庞大，结构复杂，性能要求高，系统可靠性和安全性的实现受到相当大的挑战。为了实现对电动汽车的可靠和安全监控，赵明宇等[2]、李涛等[7]通过分析电动汽车监控系统特点，采用数据采集-通信-站控的分层设计，较好的实现了异构环境下电动汽车的在站级的运行监控。但是该系统没有解决了异构充换电站监控数据的整合，没有实现电动汽车运行的集中监控。系统采用分层设计，系统的层与层之间的交互的可靠性对于整个系统可靠性影响很大，层级之间的级联修改和故障，极大的影响了系统的整体可靠性和可维护性。严辉[6]等人基于电动汽车充换电站建设的三种典型模式，采用统一支撑平台的方式，较好的完成了对各个不同运行模式下的电动汽车充换电站的监控。但是系统没有给出电动汽车集中监控平台的功能需求和系统结构。系统的可靠性过多依赖于统一支撑平台的可靠性，系统的可扩展性受到很大限制。庄继晖等[8]、王松宏等[9]采用无线通信方式对电动汽车进行监控，系统缺乏对电动汽车充换电站的站级监控，无法实现充换电站与电动汽车信息的交互和融合，系统的可靠性依赖于无线通信的可靠性。

为了解决上述问题，本文分析了现有的电动汽车运营特点，通过系统需求分析确定监控系统的功能要求，参考当前电力监控系统的设计思想，在设计系统设计和开发中大量应用框架和设计模式[10,11]，采用本地代理和远程监控平台相结合的分层设计方法，设计和开发了基于可靠性的电动汽车监控系统。

1 电动汽车监控系统框架

1.1 监控系统框架

软件框架可以为用户提供一个具有基础功能和良好设计和代码复用性一组的相互协作的类[12]。通过对框架的定制可产生满足客户具体需求的应用，可以对系统中较为通用的行业基础功能进行实现，具有良好的复用特性，能很好的提高系统的整体的可靠性和健壮性。框架应用软件框架进行系统实现也是现在较为普遍的提高系统可靠性的手段[13,14]。框架的内容定义了电动汽车监控系统软件的总体架构和关键设计。

完全重新设计和开发一个框架需要耗费大量的人力和物力，成本相当高昂。为此，通过分析电动汽车监控的异构环境中信息交互、共享和互操作的基本特征，在系统的设计中参照了IEC61970中的CIM（通用信息交互模型）模型[15]。CIM模型给出了统一的数据交换方法和标准化的组件接口，各个应用程序无需知道别的应用程式的内部结构和环境，就可以访问公共数据和交换信息，可有效实现异构环境信息的交互、共享和互操作[16]。

CIM框架模型中的组件中的重用级别是语言级别的，具有系统和编程语言的无关性，具有良好的通用性和可扩展性[15,16]。通过组件可实现系统的组件的可插拔，提高组件的复用特性。电动汽车监控系统中的新的应用软件，可遵循通用信息模型和组件接口描述实现对外接口，减少不同数据模式的转换。系统中老的应用，则通过对老应用进行封装，建立与CIM的映射关系，遵循组件接口描述规范，统一外部接口。

组件执行系统则根据电动汽车监控的特点，支持电动汽车监控组件之间的互操作，这对系统的可扩展性具有较大的意义[17,18]。电动汽车监控中涉及到大量的异构环境下的分布式组件之间的信息交互，需要实现系统中跨平台的信息请求和响应。CORBA(公共对象请求代理体系结构)技术可提供异构网络中跨平台和操作系统进行交互操作的一种组件框架，能够较好的满足电动汽车监控系统中大量的异构网络中跨平台和操作系统的异构环境的交互需求[19]。

基于CIM模型和CORBA框架的设计思想，将系统从电动汽车监控框架设计为CORBA支撑平台、CORBA数据接口、CIM数据模型、应用组件、高级应用5个大的要素，其结构如图1所示。

图1 系统框架结构图

其中，C O R B A 支撑平台构建在已有的CORBA组件技术基础之上，支持通用的公共信息模型，通过公共信息信息模型实现数据的接入和交互。CORBA数据接口支持统一的组件接口规范，规定了数据模型中数据模型和访问方法。CIM数据模型，统一定义了公共信息的模型，描述电动汽车监控的数据对象的逻辑结构和关系模型。应用组件则包含电动汽车监控中的基本的监控功能组件包括，报表组件、图形组件、监控组件、通信组件、系统管理组件、权限管理组件和数据库7个公用应用组件。高级应用通过COBRA平台访问应用组件，实现相应的高级应用功能，如充换电设施的电能状态分析、电动汽车运营状态分析、电动汽车运行状态监控等功能。

1.2 监控系统框架中设计模式的应用

在系统的设计和开发中，大量应用设计模式，可有效提高系统研发效率和可靠性，降低系统的开发成本[11]。设计模式是软件的设计和开发中设计经验的总结和提炼。使用设计模式可重用代码，让代码更容易理解和阅读，保证代码的可靠性，也是提高系统的可靠性的重要手段之一[14]。

在电动汽车监控系统中，根据组件发出的信息，匹配通信的组件是最为普遍的通信通知方式。通信组件之间的通知方式是其中的关键。以前的组件通信适配模式，是通过轮询的方式实现通信组件匹配。该种方式效率低下，通信的速度和实时性受到较大的限制。应用观察者设计模式建立一种组件之间的通知依赖关系，一个对象（目标对象）的状态发生改变，所有的依赖对象（观察者对象）都将得到通知。命令模式把一个请求或者操作封装到一个对象中。命令模式允许系统使用不同的请求把客户端参数化，支持事务功能。适配器模式使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些组件和对象可以在一起工作。适配器模式可应用于组件适配器模式的实现当中。其他的访问者模式、工厂模式、责任链模式和装饰模式等均可广泛应用系统的设计和开发中，提高系统设计和开发效率，改善系统的可靠性，降低研发和维护成本。

2 系统方案

2.1 通信方式

远程监控系统的本质差异是由所采用的通信方式决定的，其可靠性和稳定性直接影响系统的正常运行以及系统的性能。电动汽车移动范围广、流动性大、分散程度高，GPRS信号覆盖范围和信号强度难以保证电动车实时监控的可靠性和实时性。为此，采用具有高灵活性组网形式的ZigBee无线通信技术，与通信距离远、效率高的GPRS通信技术相结合，用于实现电动汽车监控系统的数据通信。ZigBee是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案，也是一种具有近距离、低复杂度、低功耗、低成本特点的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域[21,22]。本方案采用Zigbee网络拓扑采用星型网络结构，设备间采用点对点通信方式[24]，充换电站内ZigBee设备作为主站，车载终端上ZigBee设备作为子站。

由于电动汽车监控中采用了大量的无线通信，无线通信的带宽有限，难以满足大数据量数据传输，尤其是在传输视频数据时候。为了提高数据传输的质量和效率，降低实时性要求较低的视频等数据对系统整体实时性的影响，提高系统信息传输的可靠性和有效性，对实时性要求较低的数据进行流量限制，提高实时性要求较高数据传输优先级。

此外，为提高数据传输的有效性和可靠性，采用LZO数据压缩算法对监控数据进行数据压缩传输，提高数据传输的效率。LZO算法具有高压缩率低、RAM占用率的特点，有效降低系统的数据传输量。该算法占用内存较少，非常适合在监控终端这样的嵌入式处理设备中实现[25]。

2.2 电动汽车监控模式

根据车辆运行状态的不同，充换电站监控系统主要包括两种模式：车辆运行模式、车辆充换电模式。车辆运行模式是电动汽车运行的默认模式，车辆处于运行状态，可正常驾驶。车载终端实时记录车辆运行数据，并通过无线网络实时上传监控代理。

当电动汽车停止运行，进入充换电状态时，车辆不能驾驶，进入充换电模式，车载终端实时记录电动汽车的充换电数据和运行状态数据并上传。为了节约通信流量，提高通信的有效性和可靠性，在充换电模式下，车载终端接入充换电站的Zigbee通信网络中，将记录在车载终端的数据批量上传至监控代理，有效提高监控数据的可靠性和有效性[6,7]。

2.3 电动汽车监控方法

由于电动汽车以及充换电设施所处电磁环境复杂，对监控中数据传输和网络通信有干扰严重。尤其是监控中采用了大量的无线通信，无线通信本身就极易受到外界的干扰，造成信息通信的丢失。为了保障信息的完整，提高系统的可靠性，在监控代理和监控平台之间通过带有时间戳和序号的“监控信息快照”进行信息的传输。每帧的“监控信息快照”包含了监控代理的监控信息，当监控平台在一定的时间阀值内，如果没有收到某一帧“监控信息快照”，监控平台则发送请求，要求重传该帧“监控信息快照”。提高监控信息传输完整性和可靠性，实现监控信息的可靠传输。

3 总体架构

为使系统充分集成和高度融合，降低开发和维护的成本，提高系统的兼容性和扩展性，本文基于模块化和组件化设计思想，采用分层融合方法，将系统从结构上分为电动汽车监控平台和监控代理二个层级，以远程和本地相结合的方式，实现电动汽车监控系统，其结构如图2所示。电动汽车监控平台与监控代理之间通过基于GPRS通信、以太网通信和无线通信在内的通信层进行信息交互。

监控代理采用统一架构，由监控模块、通信模块、知识库、快照管理模块和被监测系统构成。其中监控模块对被监测系统进行感知，获取外接传来的数据。监控模块根据知识库中存储的数据将监测信息通过快照管理模块，完成监控快照的组帧后，将监控快照通过通信模块发送到监控平台，完成信息的监测。

图2 系统总体结构图

监控地代理中的快照管理模块包含了信息压缩功能单元和加密处理单元。其中信息压缩单元采用LZO压缩算法对相应的数据进行数据压缩。该算法占用内存空间较少，对于小数据量的数据压缩速度较快，代码量也较少，十分的灵活方便。加密处理单元，则对压缩后的数据使用统一的安全加密算法进行加密。加密完成后，则将相应信息添加时间戳和帧序列号，组成监控快照。通过通信模块将相应信息发送到监控平台。

现有电动汽车监控系统中的代理，包含了两大类监控代理，一类是充换电站监控代理，用于完成充电电站中监控数据的监控和转发；另一类是电动汽车监控代理，用于完成电动汽车状态信息的监控。

4 系统实现

4.1 电动汽车监控平台

电动汽车监控平台主要由数据服务器、前置通信服务器以及监控工作站组成，完成数据的采集、处理、存储、图形化数据展示以及远程命令控制等功能。监控平台的软件结构分为系统平台层、公共服务层、应用层3层，如图3所示。为了适应不同地区、不同用户的需求，监控平台兼容Linux，Unix和Windows等多种主流操作系统，支持跨平台和混合平台操作。系统平台层为系统提供数据库访问服务和通用的网络通信支撑平台，通信平台基于标准的网络互联协议TCP/IP，以提高网络通信及异种操作系统平台数据交换的可靠性。

公共服务层在系统平台层的基础上把各类应用共同需求抽象出来，实现统一的CORBA组件接口和CIM数据通信模型，实现了GIS组件、系统管理组件、权限管理组件、报表组件、数据库组件、通信组件、监控组件和图形组件等。这提高了代码的复用性，为公用服务的开发维护提供便利。

图3 软件体系结构图

应用层是通过公共服务层提供的各类功能组件搭建出不同应用，实现充电监控、换电监控、车辆监控、电池监控、身份识别、远程控制、故障告警和GIS监控等功能应用。将各子功能在统一的平台上有机整合，协同一致的为电动汽车的监控管理目标服务。

4.2 充换电站监控

如图4所示，充换电站监控包含了监控管理层、通行层和数据采集层三个层次，其中监控管理层包含了站级监控平台和监控代理。站级监控平台通过通信层对充换电站内的设备进行状态监控，并将监控的数据通过监控代理发送监控平台。通信层包含了充换电站的无线通信、以太网通信、串口通信和移动通信等多种通信方式，实现设备数据的上传和下发。数据采集层则对充电桩、换电设备、BMS、配电设备、计量电表、离散桩、充电机、录像机和安防设备进行状态数据的采集和上传。

图4 充换电站监控结构图

4.3 电动汽车监控

如图5所示，电动汽车的车辆状态监控通过车载终端来完成的。车载终端主要实现车辆状态数据的采集、处理、监控展示以及监控数据的上传操作。车载终端通过CAN总线与电动汽车内的各个功能部件通信，读取车辆内的电动汽车电池状态数据、行驶里程、GPS位置等信息。监控代理通过CAN总线读取监控数据，并通过通信模块将车辆数据发送到充换电站监控和监控平台中。

图5 电动汽车监控结构图

车载终端的结构如图6所示，主要实现原始数据的采集、处理、上送以及控制执行等功能[12,13]。如图3所示，主要由主控板、供电模块、CAN总线控制器、GPRS模块、GPS定位接收器、显示器、键盘、指示灯等构成。主控板是整个设备的核心部分，采用支持ARM系列处理器，支持多种主流嵌入式操作系统，具有很好的兼容性。为满足车载终端的实时性要求，车载终端采用开源的RTLinux操作系统作为车载终端的系统平台，对系统资源进行管理和调度。供电模块使用车载直流电源（12V或者24V蓄电池）作为输入电源，为车载终端中的各个电压等级的芯片提供电源。CAN总线控制器通过SPI（串行设备外围接口）与主控板相连，外接到CAN总线上，与CAN总线上的节点进行数据的交互。

图6 车载终端结构图

GPS选用的型号是GPS3110，该模块价格低廉，模块功率较小，通过RS232串口与主控板相连，进行数据通信。车载控终端中的GPRS模块选用的型号是ZSD3100，该型无线通信模块支持GPRS和CDMA两种移动通信方式，具有较好的灵活性，并且价格低廉，性价比较高。GPRS模块通过RS232串口与主控板相连，进行通信。Zigbee模块型号SZ02-RS232，通过RS232串口与主控板相连。数据存储模块选用mini-SD卡作为存储介质，通过SDIO（安全数字输入输出接口）或者USB（通用串行总线）接口与主控板相连，用于数据存储。

4.4 通信方式

通信层主要由数据通信管理机，数据集中器等组成，主要完成数据的转发与控制命令的下发。本系统包含三种基本通信组网方式：1）车载终端与充换电站通过Zigbee无线通信和GPRS通信将电动汽车中采集的数据实时上传到充换电站中；2）通过GPRS移动无线网络实现车载终端与监控平台之间的直接通信，对电动汽车运行状态进行监控；3）充换电站监控通过GPRS移动通信网络和以太网与监控平台进行通信，将充换电站中监控和存储的数据上传到数据远传集中器，数据远传集中器将数据推送到监控平台。这三种通信组网方式以充换电站监控监控代理和电动汽车监控代理为核心，相互配合，完成对电动汽车的监控。

此外为降低数据传输的网络资费，提高网络数据传输的有效性和可靠性，将监控数据进行传输优先级划分，将温度、车辆速度、车辆地理位置、关键报警信息等重要性较高的数据作为一级数据，通过GPRS每10秒上送监控管理系统一次。其他车辆动力系统运行状况、动力电池运行统计信息作为二级数据，每分钟上送监控平台一次。

5 系统应用

在该系统中，工作人员可以通过GIS地图对电动汽车的运行车辆进行监控，查看当前运行车辆的位置、故障报警信息和运营车辆的类型等信息。在车辆监控中，对车辆的行驶里程、速度、位置等信息进行监控。用户可以通过页面按钮对电动汽车进行远程控制操作。在用户信息模块中对车辆的用户姓名、手机号码、车牌号码、车辆类型等进行管理。工作人员还可以通过GIS监控模块中的车辆基本信息和电池信息监控画面监视充换电站中动力电池的输出电压、电流、电量，以及各个单体电池的电压、温度信息。对充换电站中的充电桩、充电机和换电设备进行有效监控。

该系统在临沂焦庄进行了一年的运行测试，测试结果与设计相符并且性能稳定。目前该系统已在临沂和济南等地推广，实现了对145辆电动公共汽车，28辆家用电动汽车的运行监控，担负电动汽车的自动化监控和管理任务。该系统提高了电动汽车运营维护的工作效率和工作质量，节约了人力资源成本，为电动汽车的生产管理工作带来了巨大的经济效益。

该系统采集和存储电动汽车的运行参数，对电动汽车的运行进行有效的监控。为全面考核和分析现有电动汽车的技术经济性和整车可靠性，进一步完善电动汽车的设计和运营管理提供支持。此外该系统对电动汽车对运营基础数据进行积累，开展电动汽车运营经济性运营分析，可以为后续出台电动汽车相关标准做数据支撑。电动汽车监控系统存在着海量数据的采集和存储，可根据用户需求，对数据进行统计提炼，为进一步的研究，如电动汽车负荷预测、充电站布点规划等提供数据支撑。

6 结束语

如何以相对较低成本提高电动汽车运行的安全性和可靠性，是目前电动汽车产业全面推广和发展面临的一个关键性问题。本文从电动汽车监控系统设计出发，大量应用框架和设计模式，采用本地监控代理与远程监控平台相结合的监控方法，应用GPRS与Zigbee相结合的通信组网方式对电动汽车进行监控，并对通信信息进行压缩和加密，提高电动汽车运行的安全性和可靠性。在设计过程中，参考电力监控系统的技术实现路线及发展趋势，应用框架和设计模式的设计思想，设计了本系统，提高系统的可靠性和可维护性，降低系统的开发维护成本。对于系统大量应用的分层设计，采用本地代理和远程监控平台相结合方法，优化分层设计，提高系统的整体的性能和可靠性。

本文研究成果已在临沂市和济南市等地的电动汽车监控中得到广泛应用。经过工程实践的不断完善，系统得以不断扩展、优化，顺利实现对电动汽车的监控，有效保障电动汽车的安全、高效运行，得到用户的检验、认可。现场的运行情况表明，系统设计合理、可行。

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