陳宗娟 孫二鑫 蔡建軍 劉朋

摘要：針對(duì)燃料電池汽車示范應(yīng)用場(chǎng)景多樣、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)眾多、產(chǎn)業(yè)鏈信息挖掘等特點(diǎn)，搭建了以SpringBoot、Hadoop、DevOps為核心技術(shù)的大數(shù)據(jù)集群部署架構(gòu)，基于此設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了氫能及燃料電池汽車示范評(píng)價(jià)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，為示范應(yīng)用提供產(chǎn)業(yè)鏈跟蹤、技術(shù)評(píng)價(jià)、產(chǎn)業(yè)鏈、審核清算、業(yè)務(wù)管理等全方位的服務(wù)，保障示范應(yīng)用平穩(wěn)、可靠、高效地運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：氫能;燃料電池汽車;大數(shù)據(jù);示范評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：TP3? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）17-0015-02

2021年9月，國(guó)家發(fā)展改革委、財(cái)政部、科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、國(guó)家能源局五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于啟動(dòng)燃料電池汽車示范應(yīng)用工作的通知》，將在示范城市開(kāi)展燃料電池汽車示范推廣應(yīng)用，利用信息化手段，開(kāi)展示范跟蹤指導(dǎo)、考核評(píng)估、資金核算、效果評(píng)價(jià)、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、監(jiān)督管理等各項(xiàng)工作。由于示范參與城市眾多、涉及氫能產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)、燃料電池汽車應(yīng)用場(chǎng)景多樣等，需建立高并發(fā)、高時(shí)效、高容量、高擴(kuò)展的大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，以滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)服務(wù)要求。目前，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)尚處于初期發(fā)展階段，尚未完全掌握氫能核心技術(shù)，關(guān)鍵材料及零部件仍依賴進(jìn)口，氫能產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)成本較高[1-4]。關(guān)于氫能平臺(tái)的研究大多是針對(duì)制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、加氫、用氫單個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)的管理，尚未形成針對(duì)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的較為完善的大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)[5-7]。

本文深入研究示范運(yùn)營(yíng)管理應(yīng)用需求，分析國(guó)家部委、政府、企業(yè)、專家等對(duì)功能權(quán)限的需求，研究示范評(píng)價(jià)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)，分別完成針對(duì)示范城市的車輛監(jiān)管、審核清算、產(chǎn)業(yè)鏈、安全監(jiān)測(cè)等的功能開(kāi)發(fā)，針對(duì)燃料電池汽車整車企業(yè)和關(guān)鍵零部件企業(yè)的技術(shù)評(píng)價(jià)與提升的功能開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車多場(chǎng)景監(jiān)管、氫能全鏈條精細(xì)化管理，為獎(jiǎng)補(bǔ)資金的合理分配提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，保證示范區(qū)域和相關(guān)企業(yè)服務(wù)的高效便捷，保證燃料電池汽車示范政策的穩(wěn)步推進(jìn)。同時(shí)，不斷積累燃料電池汽車、關(guān)鍵零部件、加氫站、產(chǎn)業(yè)鏈等示范原始數(shù)據(jù)，以全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)分析驅(qū)動(dòng)氫能技術(shù)提升和產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化升級(jí)。

1平臺(tái)大數(shù)據(jù)架構(gòu)

1.1大數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)原則

大數(shù)據(jù)平臺(tái)目標(biāo)是滿足示范運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，為決策提供及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)遵循以下原則：①高并發(fā)：支持10萬(wàn)輛量級(jí)車輛和加氫站在線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和下發(fā);②無(wú)偏差：全天候、高頻次（秒級(jí)）數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)不間斷和無(wú)偏差提取;③高時(shí)效：支持海量數(shù)據(jù)秒級(jí)實(shí)時(shí)分析;④高可靠：通過(guò)校驗(yàn)和加密機(jī)制，確保數(shù)據(jù)和指令安全、可靠推送;⑤高容量：支持PB級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，形成大數(shù)據(jù)資源池;⑥不間斷：通過(guò)集群計(jì)算和數(shù)據(jù)容災(zāi)機(jī)制，規(guī)避宕機(jī)、斷電等風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)不間斷數(shù)據(jù)服務(wù);⑦高擴(kuò)展：靈活支撐業(yè)務(wù)擴(kuò)展和變化;⑧安全性：防止數(shù)據(jù)篡改和外部入侵。

1.2平臺(tái)大數(shù)據(jù)架構(gòu)

平臺(tái)大數(shù)據(jù)架構(gòu)需支持10萬(wàn)級(jí)車輛并發(fā)接入和PB級(jí)分布式存儲(chǔ)與計(jì)算。架構(gòu)以SpringBoot、Hadoop、DevOps為核心技術(shù)點(diǎn)，用CDH來(lái)監(jiān)控管理大數(shù)據(jù)平臺(tái)里的各類組件，基于ADC-DA框架搭建平臺(tái)里的各類服務(wù)，并采用DevOps模式對(duì)平臺(tái)進(jìn)行持續(xù)集成迭代及持續(xù)交付，提升研發(fā)運(yùn)維效率。具備高度先進(jìn)性和可擴(kuò)展性，能夠滿足業(yè)務(wù)需求的不斷變化。根據(jù)平臺(tái)特定的需求進(jìn)行一定的分層設(shè)計(jì)，保證平臺(tái)安全高效運(yùn)行。

數(shù)據(jù)接入層為平臺(tái)的數(shù)據(jù)來(lái)源，包括企業(yè)數(shù)據(jù)、燃料電池汽車和加氫站數(shù)據(jù)以及文件流數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)通信層定義了數(shù)據(jù)接入層與平臺(tái)的通訊協(xié)議，通過(guò)HTTP、TCP、UDP、FTP等多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層通過(guò)數(shù)據(jù)采集服務(wù)獲取數(shù)據(jù)傳輸層提交的數(shù)據(jù)，然后利用Hive、Spark等數(shù)據(jù)處理中間件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后根據(jù)需要整合處理后的數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)至分布式存儲(chǔ)集群、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和緩存服務(wù)等不同類型的數(shù)據(jù)庫(kù)中。在數(shù)據(jù)分析方面，定義元數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，從完整性、及時(shí)性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等角度建立數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估方法，并定期開(kāi)展異常數(shù)據(jù)清洗融合，保障數(shù)據(jù)服務(wù)的有效性，建立車輛監(jiān)控模型、加氫站模型、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型、清算模型、技術(shù)提升模型等挖掘數(shù)據(jù)潛在價(jià)值，為補(bǔ)貼資金核算、示范效益評(píng)價(jià)及產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化等業(yè)務(wù)提供有效的數(shù)據(jù)支撐。平臺(tái)業(yè)務(wù)層分別從分布式存儲(chǔ)集群、Mysql和Redis中獲取業(yè)務(wù)靜態(tài)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)供上層業(yè)務(wù)服務(wù)使用，包含公共管理、實(shí)時(shí)管理、業(yè)務(wù)管理和智能分析。平臺(tái)服務(wù)層基于示范應(yīng)用需求，提供車站監(jiān)控、技術(shù)提升、產(chǎn)業(yè)鏈、業(yè)務(wù)分析等服務(wù)，針對(duì)不同用戶提供不同權(quán)限服務(wù)。平臺(tái)大數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖1所示。

1.3平臺(tái)部署架構(gòu)

系統(tǒng)部署以高可用為原則，采用負(fù)載均衡加集群的架構(gòu)進(jìn)行部署，并基于Docker容器技術(shù)，組建分布式集群。出于安全和可靠性考慮，將數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用系統(tǒng)部署在不同的服務(wù)器上，以減少性能上的彼此影響。存儲(chǔ)部分采用至少三臺(tái)Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)組成集群存儲(chǔ)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù);至少三臺(tái)Redis組成緩存集群做Session共享和二級(jí)緩存，存儲(chǔ)實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù);存儲(chǔ)集群均采用主從備模式，同時(shí)支持靈活的擴(kuò)縮容。另外搭建Elasticsearch集群存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)類數(shù)據(jù)。采用Haproxy+Keepalived集群實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，其中Haproxy實(shí)現(xiàn)對(duì)Nginx的負(fù)載均衡和讀寫(xiě)分離;Keepalived實(shí)現(xiàn)對(duì)Haproxy服務(wù)的高可用，并采用雙主模型配置。由群集決定當(dāng)前連接是接入到哪一臺(tái)，當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，1分鐘即可自動(dòng)重連接到備機(jī)。消息隊(duì)列Kafka也采用3臺(tái)集群的模式進(jìn)行部署，保證高可用。整體部署架構(gòu)如圖2所示。

1.4數(shù)據(jù)采集規(guī)范

燃料電池汽車數(shù)據(jù)上傳按照 GB/T 32960.3—2016《電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范 第 3 部分：通信協(xié)議及數(shù)據(jù)格式》的方式建立通信連接，并在該標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上新增電堆溫度、空氣壓縮機(jī)電壓、空氣壓縮機(jī)電流、氫氣循環(huán)泵電壓和氫氣循環(huán)泵電流五項(xiàng)擴(kuò)展數(shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)周期均不大于10s。加氫站協(xié)議結(jié)構(gòu)以 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議作為底層通訊協(xié)議，實(shí)時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)通信方式應(yīng)為基于 TCP/IP 的 Socket長(zhǎng)連接通信方式，周期性上報(bào)數(shù)據(jù)采用 HTTP形式逐條上傳或批量打包上傳。

3大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)現(xiàn)

3.1車站監(jiān)控

車站監(jiān)控以地圖為基礎(chǔ)，對(duì)加氫站和燃料電池汽車進(jìn)行實(shí)時(shí)全方位管控，滿足日常車站跟蹤、數(shù)據(jù)匯總、狀態(tài)監(jiān)管、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等多種業(yè)務(wù)需求。車站跟蹤對(duì)示范運(yùn)營(yíng)接入的企業(yè)、車輛和加氫站進(jìn)行全局監(jiān)測(cè)，基于地圖快速定位企業(yè)和加氫站位置以及燃料電池汽車的運(yùn)行軌跡，可直觀了解到整體示范運(yùn)行的實(shí)時(shí)情況，對(duì)車輛和加氫站的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和運(yùn)行參數(shù)監(jiān)管。數(shù)據(jù)匯總從宏觀層面展示燃料電池汽車和加氫站的推廣總數(shù)、車輛總加氫量、累計(jì)用氫總里程和報(bào)警信息等。狀態(tài)監(jiān)管實(shí)時(shí)展示氫燃料電池汽車車牌號(hào)、是否在線、速度、運(yùn)行里程等情況，以及加氫站地址、是否加氫中、總加氫量等情況，通過(guò)單車、單加氫站和單企業(yè)的跟蹤可查看其詳細(xì)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警匯總車輛和加氫站預(yù)警信息并進(jìn)行實(shí)時(shí)展示。

3.2審核清算

審核清算主要對(duì)示范區(qū)域任務(wù)完成情況進(jìn)行積分核算，分別對(duì)整車企業(yè)、零部件企業(yè)和加氫站企業(yè)三個(gè)維度進(jìn)行清算數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，整車企業(yè)統(tǒng)計(jì)維度包括車輛推廣數(shù)量、車型類型、應(yīng)用場(chǎng)景、行駛里程等，零部件企業(yè)統(tǒng)計(jì)維度包括燃料電池系統(tǒng)額定功率、生產(chǎn)成本等，加氫站企業(yè)從運(yùn)營(yíng)成本、是否為清潔氫、氫氣運(yùn)輸距離等基礎(chǔ)參數(shù)開(kāi)展核算，核算內(nèi)容包括示范基礎(chǔ)積分和示范獎(jiǎng)勵(lì)積分，從而直觀地顯示出示范區(qū)關(guān)聯(lián)企業(yè)任務(wù)的推廣進(jìn)度和完成情況，為完成示范目標(biāo)和積分評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)能夠更好地為效益分析與示范區(qū)域內(nèi)資金下發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。

3.3技術(shù)評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)上傳到本平臺(tái)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成數(shù)據(jù)模型，充分利用大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)手段對(duì)示范數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化開(kāi)發(fā)，促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)。針對(duì)示范期間產(chǎn)業(yè)鏈定量評(píng)價(jià)需求，主要從性能統(tǒng)計(jì)和技術(shù)提升兩個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)提升評(píng)價(jià)：性能統(tǒng)計(jì)對(duì)加氫站加氫量、燃料電池汽車純氫續(xù)駛里程、氫電續(xù)駛里程分布、百公里氫耗、應(yīng)用場(chǎng)景配置合理性、運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性、累計(jì)故障分布等角度進(jìn)行評(píng)價(jià)分析;技術(shù)提升從車輛續(xù)航里程、純氫續(xù)駛里程、氫電比例、百公里氫耗、低溫冷啟動(dòng)時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量功率密度等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。平臺(tái)以多維角度評(píng)價(jià)形成燃料電池汽車示范應(yīng)用水平評(píng)價(jià)的科學(xué)體系。

3.4產(chǎn)業(yè)鏈

對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，挖掘產(chǎn)業(yè)鏈上下游之間的供應(yīng)關(guān)系，為產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化、加氫站點(diǎn)布局優(yōu)化、網(wǎng)點(diǎn)分布等提供決策依據(jù)。用戶可以根據(jù)企業(yè)、地區(qū)等不同條件進(jìn)行多維度統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)制氫環(huán)節(jié)上的氫氣制造數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括產(chǎn)量、品質(zhì)等;對(duì)儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)上的存儲(chǔ)分布、存儲(chǔ)成本、儲(chǔ)備量等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;對(duì)運(yùn)氫環(huán)節(jié)氫氣運(yùn)輸數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括線路、里程、工況等;對(duì)各環(huán)節(jié)的控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，精準(zhǔn)把控氫能的來(lái)源和流向，助力城市群氫能和燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化升級(jí)。

3.5安全監(jiān)測(cè)

對(duì)車輛、零部件和加氫站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)警和故障統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)上報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)和故障數(shù)據(jù)進(jìn)行等級(jí)劃分，根據(jù)不同等級(jí)采取不同的處理機(jī)制。車輛安全監(jiān)測(cè)主要對(duì)車輛上報(bào)的預(yù)警和故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如燃料電池電流、電壓、溫度等;加氫站安全監(jiān)測(cè)主要對(duì)加氫站上報(bào)的預(yù)警和故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如溫度過(guò)高、流速過(guò)快、壓力過(guò)大等。平臺(tái)定期對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的車輛進(jìn)行抽檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題車輛以消除安全隱患?；陔姸褖勖p、電堆老化速度、氫氣泄漏等預(yù)測(cè)模型和危險(xiǎn)閾值設(shè)定，能及時(shí)、正確地對(duì)示范產(chǎn)業(yè)鏈過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面的預(yù)防，保證示范應(yīng)用的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.6業(yè)務(wù)管理

業(yè)務(wù)管理對(duì)平臺(tái)功能所需要的各種基礎(chǔ)信息和流程審批進(jìn)行管理設(shè)置?；A(chǔ)信息包括整車企業(yè)、加氫站企業(yè)信息管理，同時(shí)對(duì)平臺(tái)的組織架構(gòu)、用戶角色及權(quán)限進(jìn)行管理，以支撐系統(tǒng)的有效運(yùn)行;流程審批包括整車企業(yè)和加氫站企業(yè)審批、零部件準(zhǔn)入審核、車型準(zhǔn)入審核、車輛準(zhǔn)入審核等流程進(jìn)行維護(hù)，通過(guò)工作流表單定義、工作流程定義實(shí)現(xiàn)相關(guān)工作流程信息的維護(hù)。

4結(jié)論

本文根據(jù)示范政策要求，通過(guò)搭建高可用的大數(shù)據(jù)集群架構(gòu)，研究氫能及燃料電池汽車示范評(píng)價(jià)大數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺(tái)的建設(shè)，為示范工作的開(kāi)展提供車站跟蹤、技術(shù)評(píng)價(jià)、產(chǎn)業(yè)鏈、審核清算、業(yè)務(wù)管理等全方位的服務(wù)。隨著政策的深入開(kāi)展，平臺(tái)逐步接入多種場(chǎng)景的燃料電池汽車和制氫、儲(chǔ)氫、加氫等相關(guān)傳感器設(shè)備，不斷積累燃料電池汽車、關(guān)鍵零部件、加氫站、產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)等示范原始數(shù)據(jù)，提升全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)分析能力，為優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈上下游關(guān)系提供指導(dǎo)，后續(xù)平臺(tái)建設(shè)將隨著氫能產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)研發(fā)升級(jí)逐步完善和優(yōu)化，確保示范應(yīng)用平穩(wěn)高效運(yùn)行。

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收稿日期：2022-03-25

作者簡(jiǎn)介：陳宗娟（1990—），女，山東臨沂人，碩士，高級(jí)工程師;孫二鑫，男，山西呂梁人，學(xué)士，研發(fā)經(jīng)理;蔡建軍（1986—），男，河南信陽(yáng)人，碩士，工程師;劉朋（1992—），男，天津人，學(xué)士。