談耿 趙雄峰 丁福軍 翟明遠 吳學梅

（甘肅易享行新能源發(fā)展有限公司 甘肅省蘭州市 730000）

近年來，隨著新能源汽車的不斷普及，充電站的建設規(guī)模也在持續(xù)擴大，而充電樁作為充電站的重要組成部分，從成本和安全等角度考慮，如何實現(xiàn)充電樁的智慧控制就顯得尤為重要[1]?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)是以創(chuàng)新網(wǎng)絡通信架構為支撐，實現(xiàn)對區(qū)域范圍內(nèi)充電樁工作狀態(tài)參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測，并根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果進行控制，如此，則能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模充電樁的智能控制，提高控制效率，避免安全事故的發(fā)生。

1 充電樁控制系統(tǒng)概述

充電樁的大規(guī)模推廣解決了新能源汽車快速補充電力的問題，不同新能源汽車可以根據(jù)實際需要選擇與之型號、接口相對應的充電樁，并且，不同新能源汽車的充電參數(shù)有著明顯差異，充電樁控制系統(tǒng)應根據(jù)實際充電情況動態(tài)調(diào)整充電參數(shù)，從而保證充電安全，以及減少充電過程對新能源汽車的損傷。充電樁控制系統(tǒng)不僅能夠?qū)Τ潆娺^程進行控制，為降低運營成本，充電站多為無人值守模式，工作人員可以通過遠程控制系實時獲取充電站的狀態(tài)參數(shù)，從而保證充電站的正常運行。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)設計

智慧充電樁控制系統(tǒng)的實現(xiàn)需要完善的物聯(lián)網(wǎng)作為支撐，在融合大數(shù)據(jù)技術、人工智能的基礎上，充電樁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性將得到顯著提升。針對傳統(tǒng)充電樁控制系統(tǒng)的基本架構，以及參考物聯(lián)網(wǎng)的技術特點，基于智慧物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)在功能方面將得到進一步的豐富。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)技術是利用互聯(lián)網(wǎng)將各種相對獨立的信息化終端進行連接，從而形成一個龐大的信息網(wǎng)絡，因此，這里需要強調(diào)的是，物聯(lián)網(wǎng)的終端載體應具有信息接收和傳輸功能[2]。隨著網(wǎng)絡覆蓋終端數(shù)量的增加，以及不同終端豐富的功能構成，物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)不再局限于對終端載體的狀態(tài)檢測，而是以“萬物互聯(lián)”的終端控制為目標，實現(xiàn)安全、高效的規(guī)模化、低成本控制。

2.2 智慧充電樁控制系統(tǒng)設計

新能源汽車充電站除變壓器、蓄電池等基礎設施外，還包括大量充電樁，因此，智慧充電樁控制系統(tǒng)設計需要綜合考慮充電站的整體配置?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)主要包括綜合管理單元、通信單元、人機交互單元、終端接入單元、充電管理服務單元（如圖1所示）。

圖1：智慧充電樁控制系統(tǒng)原理框圖

2.2.1 綜合管理單元

綜合管理單元是智慧充電樁控制系統(tǒng)的關鍵之一，圖1 中綜合管理單元主要是通過物聯(lián)網(wǎng)獲取充電樁的狀態(tài)信息，并根據(jù)充電樁的實際工作狀態(tài)變化發(fā)送控制指令[3]。綜合管理單元需要同時滿足多個不同業(yè)務需求（如圖2所示），除營銷業(yè)務管理外，基于物聯(lián)網(wǎng)的充電站管理、充電樁管理、分時費率、設備故障、訂單管理等都需要通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)。

圖2：智慧充電樁控制系統(tǒng)綜合管理單元設計

為實現(xiàn)以上功能，綜合管理單元需要滿足基于物聯(lián)網(wǎng)技術的多種通信協(xié)議（如表1所示），在實現(xiàn)充電樁與控制系統(tǒng)之間內(nèi)部交互的同時，還可以為用戶提供更加便捷的在線交易和管理。針對充電樁管理的安全性、可靠性等要求，以及結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的開放性特點，在單元設計中增加組合防御模塊，從而避免外來威脅對運營造成的威脅。

表1：物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議

2.2.2 通信單元

物聯(lián)網(wǎng)是以通信網(wǎng)絡為支撐的應用型網(wǎng)絡平臺，物聯(lián)網(wǎng)技術的實現(xiàn)改變了傳統(tǒng)控制模式，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)融合了有線通信、無線通信兩種通信機制，在以表1 中所示通信協(xié)議展開研究的基礎上，增加了包括UDS 服務器、多級網(wǎng)關和數(shù)據(jù)庫等在內(nèi)的通信網(wǎng)絡架構，使其更加智能化（如圖3所示）[4]。其中，分布式數(shù)據(jù)處理中心則最大限度利用了該系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲資源和算力，從而提高了數(shù)據(jù)處理效率，尤其是在充電樁大規(guī)模占用的情況下，充電樁動態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)體量龐大，且需要同時滿足不同用戶的訪問請求，分布式處理中心與UDS 服務器的并發(fā)訪問優(yōu)化網(wǎng)絡架構能夠有效應對這一問題。

圖3：智慧充電樁網(wǎng)絡架構圖

分布式開源流處理平臺解決了傳統(tǒng)服務器在大規(guī)模并發(fā)處理中橫向擴展南、狀態(tài)管理難、模塊協(xié)同難等多個問題，通過對用戶行為的動態(tài)監(jiān)控，并實時匹配基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，從而避免非法后臺欺詐行為。為提高開源流處理平臺的效率，針對文本、圖像、聲音、視頻等數(shù)據(jù)流的實際情況，該設計增加了3 個開源流處理平臺，并配合冗余網(wǎng)關方案提高了平臺網(wǎng)絡架構的穩(wěn)定性。

2.2.3 人機交互單元

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)多為無人職守，因此，人機交互單元的設計將直接影響用戶的充電體驗，同時也關系著充電樁控制系統(tǒng)的智能化水平。傳統(tǒng)充電樁控制系統(tǒng)人機交互多通過實體按鍵等方式實現(xiàn)，而物聯(lián)網(wǎng)技術與人工智能技術的融合提高了人機交互模式，賦予了充電樁控制系統(tǒng)多種行為感知能力，其邏輯架構如圖4所示。

圖4：智慧充電樁控制系統(tǒng)人機交互原理框圖

設備層?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)的設備構成較為復雜，除充電樁外，還包括各種視頻采集設備、音頻采集設備、紅外傳感器等，而不同物理設備所能夠識別的人機交互信息具有明顯差異。

詞法層。通過手勢、語音等對充電樁進行控制是基于物聯(lián)網(wǎng)的充電樁控制系統(tǒng)智能化的重要體現(xiàn)，以手勢識別為例，充電樁內(nèi)置視頻采集設備可以對幾種特定手勢進行識別，如插拔充電器行為識別后系統(tǒng)自動斷電，從而避免發(fā)生短路等故障[5]。這里需要注意的是，交互動作識別準確率會隨著用戶交互數(shù)據(jù)的不斷增加而提升，人機交互模的匹配算法將得到深度優(yōu)化。

語法層。用戶行為與指令之間具有單一的映射關系，通過特定手勢可以對充電樁的工作狀態(tài)進行控制。為提高交互效率，基于物理網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)擁有嚴格的交互語法要求，并為用戶建立獨立交互語法集，隨著控制系統(tǒng)對用戶交互語法模型持續(xù)完善，交互行為與指令之間的映射關系將更加明確。

語義層。在人機交互單元設計中，基于不同手勢、語言變化的交互語義模型可以通過公式進行形式化描述，通過人機交互形式化描述語言的變化對用戶意圖進行判斷，從而將單一映射關系進行串聯(lián)。如此，則可以進一步優(yōu)化用戶交互語法集，使控制系統(tǒng)能夠更加準確判斷用戶目的。

接口層?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)包括多種應用程序，用戶可通過應用程序與充電樁控制系統(tǒng)進行交互，而應用接口層實現(xiàn)了第三方應用對物聯(lián)網(wǎng)資源的調(diào)用權限[6]。由于應用接口層多關聯(lián)用戶個人信息查詢、賬戶收支明細等數(shù)據(jù)，并支持包括JSON、XML 在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)格式，解決了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁功能升級、優(yōu)化對控制系統(tǒng)架構的影響。

2.2.4 電池管理單元

智慧充電樁控制系統(tǒng)的主要管理對象為新能源汽車電池，且電池狀態(tài)將直接影響充電效率和安全，因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)需要實時獲取汽車電池狀態(tài)，并調(diào)整充電樁工作參數(shù)。如圖5所示，智慧充電樁插頭與新能源汽車連接后，控制系統(tǒng)將與車機進行互聯(lián)（或下載云端車載電池數(shù)據(jù)），從而對車載電池健康狀態(tài)進行評估，選擇最佳充電電流，從而避免對車載電池造成損傷。

圖5：智慧充電樁電池管理單元執(zhí)行流程

如圖5所示，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)電池管理單元設計增加了故障預測功能，充電樁控制系統(tǒng)在充電過程中動態(tài)分析單組電池電壓變化數(shù)據(jù)、溫度變化數(shù)據(jù)等，對未來一段時間內(nèi)單組電池欠壓、自燃、虧電等風險進行預測。預測結(jié)果將通過API 應用程序接口發(fā)送給用戶，并為用戶提供最佳的車載電池保養(yǎng)、維修方案。

2.2.5 充電管理服務單元

智慧充電樁控制系統(tǒng)綜合管理單元的業(yè)務體系不僅包括充電樁、新能源汽車，用戶手機、智能手表等終端同樣可以接入物聯(lián)網(wǎng)，從而打通應用程序接口，調(diào)用智慧充電樁控制系統(tǒng)中的功能模塊。除用戶外，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)充電管理服務單元還需要滿足工作人員的遠程接入需求，因此，區(qū)分不同主體的充電管理服務單元構成具有一定的復雜性和差異性。

充電管理服務單元主要包括業(yè)務管理、客戶管理、資產(chǎn)管理、監(jiān)測管理和運營管理四個部分，其中，針對主體身份差異，充電管理服務單元所提供的權限范圍也有著明顯不同。為提高系統(tǒng)服務質(zhì)量，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)對不同服務終端的API 接口進行重新定義，提高服務響應速度，并能夠?qū)崿F(xiàn)不同主體數(shù)據(jù)的私有化部署，兼顧數(shù)據(jù)安全性、隱蔽性。

以充電監(jiān)測管理服務為例，管理員所獲取的核心數(shù)據(jù)是充電過程中充電樁的電流變化和車載電池溫度變化數(shù)據(jù)，而用戶的關注點則是充電量、費用和充滿所需時間等。管理員所獲取的數(shù)據(jù)是通過物聯(lián)網(wǎng)固定API 接口實現(xiàn)，而用戶只能通過掃描二維碼的方式建立臨時API接口，且數(shù)據(jù)讀取權限具有一定限制，且無法直接對充電樁的工作狀態(tài)進行控制。

3 總結(jié)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)設計是在傳統(tǒng)充電樁的基礎上對其系統(tǒng)架構、核心技術等進行優(yōu)化，從而滿足了無人值守充電站的建設目標。智慧充電樁控制系統(tǒng)對物聯(lián)網(wǎng)技術有著較強的依賴性，通過完善系統(tǒng)功能模塊，明確以數(shù)據(jù)、接口為支撐的控制系統(tǒng)設計思路，將顯著提升基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電控制系統(tǒng)的可靠性、有效性，保證充電樁和車載電池安全。