马玉鹏，蒋同海

(1.中国科学院大学，北京 100049;2.中国科学院新疆理化技术研究所，新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引言

压缩天然气CNG 是一种理想的车用替代能源，其应用技术经数十年发展已日趋成熟。它具有成本低、效益高、无污染，使用安全便捷等特点，正日益显示出强大的发展潜力。新疆从1994 年推广CNG 汽车，截至2013 年底，共有天然气汽车80 余万辆，占全疆营运车辆的60%，主要安装在公交车、出租车、私家车和部分运输车上。天然气汽车的推广应用对于节约能源和环境保护有着重要意义［1-2］。

随着疆内天然气车辆数量的不断增长，车用气瓶泄漏和充装站爆炸事故时有发生，事故呈上升趋势，近年，全区已发生车用气瓶爆炸、自燃事故多起，造成人员伤亡和不良的社会影响。主要是以下原因导致:充装站使用的加气机无鉴定合格印证;现场充装的车载气瓶未经检验，存在未经检验和超检验周期进行充装的情况;充装站的车用气瓶充装人员无证上岗操作等。如何杜绝“黑钢瓶”及这些“流动的炸弹”，加强气瓶安全管理，实施动态监控，成为摆在质检部门面前的问题［3-4］。

面对燃气车辆日益增长的形式和迫切的监管需求，传统的信息化手段力有未逮，一方面不能全面掌控气瓶信息，识别非法钢瓶，另一方面，也缺乏有力抓手，无法控制及责任溯源。

本文研究的车用气瓶监管系统主要运用物联网相关技术，通过对车用气瓶粘贴电子标签实施管理，建立我区“车用气瓶电子监管系统”。系统通过对气瓶电子标签的信息读取，实现对车用气瓶的实时、动态、全过程监管，提高车用气瓶的监管能力和气瓶检验率，有效杜绝非法改装、加气站管理混乱违规操作和假证充装等违法行为，帮助充装站提高安全管理水平，消除安全隐患，确保人民群众人身财产安全［5-6］。

1 相关技术

RFID:射频识别(Radio Frequency Identification)技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID 电子标签的阅读器通过天线与RFID 电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读取或写入操作。RFID 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便［7-9］。

ZigBee:是基于IEEE802.15.4 标准的低功耗局域网协议的一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。是一种低速短距离传输的无线网络协议，在物联网领域具有非常强的可应用性［10-11］。

PSAM 卡:PSAM(Purchase Secure Access Module)终端安全控制模块，符合《中国金融集成电路(IC 卡)PSAM 卡规范》，主要用于商用POS，网点终端，直连终端等设备上，具有安全控制管理功能，支持多级发卡机制，适用于多应用环境［12-13］。

2 系统架构

车用气瓶监管系统依托新疆天山云计算中心软硬件资源，采用分布式虚拟节点方式部署，资源按需扩展，系统遵循物联网三层体系架构构建，分为数据感知层、数据传输层和用户应用层。

感知层以粘贴了RFID 电子标签的车用气瓶为感知对象，利用三防手持POS 机为感知手段，通过无线射频识别技术实现车载气瓶生产、改装、检验和充装数据的快速采集。

传输层应用有线、ZigBee、WiFi、3G 等多种通信技术，通过信息加密、身份验证、数据校验等方式实现感知数据的有效可靠传输。

应用层依托云平台虚拟化资源，采用组件技术实现J2EE 架构的车载气瓶监管系统，汇聚各种终端采集来的数据，实现对气瓶的感知、定位、追踪，进而实现覆盖气瓶生产、改装、检验和充装全生命周期的动态监管。为政府职能部门、监管机构和普通用户提供服务［14-16］。

系统架构如图1 所示。

图1 系统架构图

3 主要业务流程

系统体系结构基于J2EE 多层体系设计，分为支撑层、应用层及用户层3 大层面。支撑层包括硬件、网络、数据库和中间件环境，均由云平台虚拟化资源池提供;应用层包括业务功能和用户、权限等基础组件;用户层则包括职能部门、监管机构、普通用户和其他第三方系统。

系统业务功能主要分为以下6 个子系统，系统体系结构图如图2 所示。

图2 系统体系结构图

3.1 电子标签发行系统

完成对电子标签初始化功能，为保障标签数据可靠，杜绝外来标签，采用验证算法，在电子标签中写入验证码，以备在检验、加气、巡检时确认电子标签身份。标签发行由区级质监机构完成，各地州独立标识、使用，权责到人，方便管理。

3.2 气瓶检验系统

完成对气瓶安装和产品质量检测信息的管理，包括耐压检测、壁厚、外观等检测项目。由各地州质检部门负责维护，包括检验、审核、审批3 个步骤，保障检验结果及时、无误地录入系统。

3.3 气瓶巡检系统

巡检员用手持机对过往车辆进行不定期巡检，读取电子标签内的数据，判断该气瓶是否合法，如不合法，比如已过检验期或是非法身份钢瓶，则责令整改，并通过3G/GPRS 等无线方式上传巡检及处理结果。

3.4 气瓶改装系统

完成对气瓶安装、移装、拆卸时相关信息的采集，由经质监部门认证的正规改装厂完成录入，信息包括改装单位、钢瓶信息、车辆信息及改装人员信息等，为后期气瓶溯源提供依据。

3.5 气瓶充装系统

气瓶充装在整个监管系统中处于核心部分，系统以气瓶充装为抓手，应用无线传输、智能控制技术实现严格控制非法改装及黑气瓶的使用，从而杜绝安全隐患。

图3 充装流程图

充装系统由手持POS、无线接收装置和站控系统3 部分构成，手持POS 机采用三防设计，通过扫描电子标签采集车载气瓶信息;无线接收装置应用ZigBee无线传输技术实现对POS 采集数据的接收、转换和处理;站控系统收到无线装置转发数据后进行身份及合法性验证，同时过滤黑名单和充装规则，自动判定是否为合法用户，是否允许充装，验证通过后即可对加气机发送控制指令，开启加气枪，进行充装，不受加气员个人感情干扰。同时，充装完成后，站控系统还负责接收充装过程的状态数据，统一格式后自动上传至云平台，供后续统计、分析和研判使用，充装流程图如图3 所示。

3.6 监管查询系统

技术监督机构对本辖区所管理的改装厂、充装站、燃气车辆、钢瓶数量、到检信息等提供监管查询。系统基于全面感知气瓶改装、检验、充装过程等状态信息，通过对感知数据的智能处理和实时分析，实现了对气瓶隐患和不安全行为的预警和制止，包括:通过对充装次数、下次检验时间、充装前压力的信息采集，禁止不安全气瓶的充装;通过黑名单管理，对处于其他原因的不安全车辆禁止充装;通过对多次充装记录的分析，对过压充装或是充装次数超过气瓶限定次数的情况，给予预警及拒绝充装;通过对多次充装记录的分析，如果发现充装气量多次大于气瓶额定气量，且超过一定额度，判定其可能私自加装了多个气瓶，给予预警及拒绝充装。

系统通过对这些状态信息的感知、分析，全面掌握了气瓶的安全状况，有效预防了气瓶泄漏、爆炸等事故隐患，达到了实时动态监管的目的，为燃气车辆的营运生产提供了技术保障。

系统运行统计数据如图4 所示。

图4 系统运行统计图

系统运行监管数据截图如图5 所示。

图5 系统运行气瓶监管图

4 关键技术

4.1 数据格式定义

电子标签作为气瓶唯一性标识，承载了气瓶的生产、改装、检验、巡检等信息，为满足全疆适用的特点，制定了新疆车载气瓶电子标签编码格式规范。

为加强充装过程合法性验证强度，系统设置了黑名单及加气规则功能，通过XML 格式定义文件内容，下发至充装站，以备验证使用。为适应新疆特色，系统添加了维文描述，方便少数民族地区使用。

黑名单采用XML 格式，文件名为GasBlkList.xml，文件内容示例如下:

充装规则文件名定义为GasFillRule.xml，文件内容示例如下:

另外，在数据采集端，也定义了相关的文件规范，包括改装信息、检验信息、充装信息等，以充装信息为例，充装记录文件名定义为 10101 _ fill _20130701123546.xml，意为编号10101 的充装站在2013 年7 月1 日充装信息，文件内容示例如下:

4.2 标签数据的安全性

为保障标签中数据的安全性，防止其被篡改，系统引入PSAM 卡设计，为气瓶标签中的数据建立一套安全的数据完整性检验机制。使用的算法为银行卡体系中基于3DES 的标准MAC 算法。主管机构可以使用相应的授权SAM 管理卡计算相应数据的签名并将其写入标签，而用户可以使用用户SAM 卡对标签上的数据签名进行校验。

系统使用128 位3DES 主密钥，经气瓶标签唯一序列号(UID)分散后，对需签名数据进行MAC 计算，得到4 Byte 数字签名，将其写入气瓶标签相应签名区。由于每个标签均使用不同的MAC 密钥，系统安全性大大提高。

根据用户需求及使用场景不同，SAM 卡分为2种类型:主管机构卡和用户卡。用户卡可以使用所有3 种密钥进行签名验证工作，但无法使用签名计算功能。在充装场景，用户卡用于充装站的签名验证，验证通过后确认为系统下发的标签后才可进行进一步充装操作。主管部门卡除了执行用户卡所有功能外，还可以使用有授权的密钥进行签名计算。根据授权情况不同，可以为多个主管部门配发拥有不同权限的卡，在本系统中，主管机构卡用于质监部门初始化及基本信息写入时的签名计算。

使用SAM 卡进行签名命令APDU 片段如下:

1)校验SAM 口令，成功后才可进行签名计算。

返回值9000，即通过验证，可进行下一步操作。

2)初始化生成体系，用气瓶标签UID 进行生成初始化。

返回值9000，代表利用UID 初始化完成。

3)生成数据签名，数据必须为8 Byte 的整数倍长，如果不是就需要进行填充。

由此，即可得出对标签数据的数字签名5A79743E，写入标签，此签名为标签数据被读取时提供验证，保证数据未被篡改。

4.3 数据传输协议

为屏蔽异构网络和终端，系统定义了一套数据传输协议，数据报文采用基于Socket 通讯机制进行传输，交互采用会话机制，请求与应答对应，会话之间相对独立，支持结构化和非结构化数据传输与断点续传功能。

在传输过程中，任何一次交互的消息报文均由消息包头、消息包体、校验位3 部分组成，消息包头又可划分为包长度、同步信息、压缩加密等。详细消息报文结构如表1 所示。

表1 传输协议报文结构定义

通讯协议的交互流程采用请求、应答的会话模式，首先由客户端发起会话请求，服务端经过终端身份验证、报文格式校验后，回复客户端;然后，再由客户端发起传输数据的业务请求，在整个交互过程中均采用CRC 校验确保数据完整性，对于安全级别较高的场景，还可对报文内容进行加密处理［17-18］。

传输数据交互步骤如下:

1)客户端发起文件传输请求，服务端返回待传输的消息应答;

2)客户端收到成功应答后，发送数据请求;

3)服务端接收到消息后，发送数据报文，如果数据过大，则分包处理;

4)重复步骤2)，3)直到传输完毕;

5)转步骤1)，重复以上流程，直到所有数据传输完毕后关闭连接。

通过此数据传输协议，系统可完成充装站与中心端、巡检手持机与平台端的可靠数据传输。

5 结束语

本文提出的基于物联网的车用气瓶监管系统，依托天山云计算平台，采用J2EE 多层体系架构分布式部署方式，建立以电子标签为信息载体、无线通信技术为桥梁、智能控制为监管手段的车用气瓶动态监管系统，系统服务于政府职能部门、质监机构、普通用户等群体，实现了对气瓶的全生命周期监管。目前，系统已在“天山云”正式部署，多个地州已上线封闭运行，已完成近8 万燃气车辆的贴标工作，其他地州也正在改造实施中。未来，系统将覆盖全疆14 个地州，实现全疆80 余万车用气瓶的动态监管，为燃气车辆的长期安全运行提供有效的技术保障。

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