面向大規模實時并發的充電設施數據傳輸控制方法

黎曦，田建偉，劉金，漆文輝

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

為解決電動汽車的能源供給，配套的集中式充換電設施也相繼建成，截止2011年，中國已建成電動汽車充電站314座，電動汽車交流充電樁超過1.6萬個。根據電動汽車科技發展“十二五”規劃〔1〕，到2015年全國將建成由40萬個充電樁、2 000個充換電站構成的網絡化供電體系。

為保證充換電設施提供可靠穩定的能源供給服務，需要通過監控系統對其充電過程進行有序控制和管理〔2-3〕。根據充電機電池管理系統通訊協議的國家標準〔4〕，整車蓄電池組充電過程中，監控服務器每秒需要解析處理大約1 500個CAN協議幀，對于一座擁有50臺直流充電機的大型充電站，考慮到充電機同時工作，監控系統每秒最多需要處理近8萬個充電機報文。隨著充電站建設規模的不斷擴大，監控服務器的并發處理數據量將更加龐大，監控系統中充電機數據傳輸控制這一關鍵技術亟需研究解決。

1 數據傳輸控制模型

充電設施數據傳輸控制模型的主要任務是通過協議轉化以及大數據并發控制算法，實現對大規模充電站中，充電機上行數據的實時采集、解析和組裝，以及對監控客戶端下行控制命令的及時下發。

傳輸邏輯結構如圖1所示，由充電機、CAN協議轉換設備、通訊服務器，監控客戶端等幾部分組成。通訊服務器為該系統的核心部分，負責維護與CAN協議轉換器的下行socket連接和與客戶端的上行socket連接，負責數據幀的傳輸控制和解析處理。嵌入式數據庫則將通訊服務器內存中的非當前數據轉存到歷史數據庫。客戶端通過調用與通訊服務器的API接口讀取蓄電池和充電機的實時數據，通過歷史數據庫查詢非實時數據。

圖1 充電站數據傳輸的邏輯結構圖

該系統中的數據主要分為2類:控制命令和監控數據。用戶下發的充電機啟動和停止、GPS對時等控制命令經過通訊服務器組裝為CAN數據幀，再通過協議轉化器下發到充電機。監控數據包括蓄電池基本信息、蓄電池電壓、蓄電池溫和蓄電池狀態燈電動汽車的BMS數據，以及充電機狀態、充電機電壓電流等充電機本身的狀態數據，這些數據通過主動周期性發送的方式，經由協議轉化器打包成以太網協議幀后，傳輸至通訊服務器。通訊服務器再按照不同的數據類型，調用不同的處理線程和隊列把數據幀解析成監控客戶端能夠理解的應用層數據。

該傳輸控制方法與現有監控系統技術相比，優點在于:通過多線程調度方法解決了大型充電站中數據傳輸的實行性和并發性問題;加入實時數據庫技術，提高數據處理效率和系統健壯性。

2 數據傳輸及處理方法

大型充電站中，通訊服務器每秒需要解析、轉發和重組的CAN數據幀達到上萬個。受到成本等因數的限制，很難通過提高硬件配置來提升系統處理能力。所以，實現數據實時處理的關鍵在于研究大規模數據的并發控制方法。文中針對大型充電站充電設施數據實時采集和控制難點，研究和設計了基于多隊列多線程的充換電設施監控數據采集和傳輸方法。該方法的思路:針對CAN協議數據單元特點，設計CAN協議應用層的數據子模型，該模型可以實現不同優先級和不同數據量的CAN數據幀可靠傳輸;根據監控實時性的要求，采用基于socket API的以太網數據傳輸子模型，將BMS數據、計費數據和充電機狀態數據實時顯示到客戶端;在數據子模型的基礎上，設計數據并發采集和處理方法，該方法采用多隊列和多線程技術，并運用線程同步技術實現異步并發地處理大流量的CAN數據幀，有效解決了數據共享沖突問題。

2.1 數據通訊模型

1)CAN數據幀通訊模型

每個CAN數據幀包含1個協議數據單元(PDU)。協議數據單元由7部分組成，分別是優先級 (P)，保留位 (R)，數據頁 (DP)，PDU格式 (PF)，特定PDU(PS)，源地址 (SA)和數據域 (DATA)。PDU被封裝在1個或多個CAN數據幀中，通過物理介質傳送到其它網絡設備，PDU域見表1。協議數據單元的優先級位、保留位，數據頁位 (8位)和PDU格式域 (8位)和組擴展域 (8位)組成參數組編號 (PGN)，用來標識CAN數據幀的數據域屬于哪個參數組。

表1 文件傳輸數據幀格式定義

根據協議數據單元的傳輸特點，把充電設施監控數據分為4類:命令幀、單包數據幀、多包數據幀和鏈接管理幀。

命令幀:從監控計算機向特定目標地址充電機或全局目標地址發送命令的數據幀。主要包括:充電機緊急停止充電命令 (PGN:0051H)，充電機啟動充電命令 (PGN:0452H)，充電機終止充電命令 (PGN:0453H)，系統對時命令 (PGN:0454H)。充電設施收到的監控計算機下發的命令，充電機應使用確認幀ACK(PGN:00E8H)給予肯定或否定的回答。

單包數據幀:數據長度不超過8個字節的數據幀。主要包括:充電機充電狀態1(PGN:1830H)，充電機充電狀態2(PGN:1831H)，充電機事件 (PGN:1833H)，蓄電池充電狀態1(PGN:1808H)，蓄電池充電狀態 2(PGN:1809H)，蓄電池充電狀態3(PGN:180AH)。單包數據幀采用主動發送的方式，由充電設施周期性(一般為2 s)發送到通訊服務器。

多包數據幀:數據長度超過8個字節的數據幀。主要包括:蓄電池基本信息 (PGN:18F1H)，蓄電池溫度數據 (PGN:180CH)，蓄電池模塊/單體電壓 (PGN:180BH)，計費信息 (PGN:180DH)。多包數據采用充電設施主動請求，鏈接管理幀控制的方式，實現數據的可靠傳輸。

鏈接管理幀:這類數據幀用于在多包傳輸中建立和關閉連接，以及控制數據流，從而保證數據的可靠傳輸。鏈接管理幀 (TP.CM，PGN:1BECH)根據數據域中控制字節 (第1個字節)的值，分為請求發送幀 (TP.CM_RTS)、準備發送幀(TP.CM_CTS)、數據傳送幀 (TP.DT)和確認幀(TP.CM_EndofMsgAck)4種。TP.CM_RTS的控制字節編號為16，第2個和第3個字節為將要傳輸的消息的大小，第4個字節為將要傳輸消息的包數，第6—8個字節為消息的參數組編號。TP.CM_CTS的控制字節編號為17，第2個字節為可接受的數據數據包數，第2個字節為下一個要接受的數據包編號，第6—8個字節為消息的參數組編號。TP.DT為多包消息傳送中的單個數據包，第1個字節為編號，第2—8個字節為數據。TP.CM_EndofMsgAck控制字節編號為19，第2個和第3個字節為收到消息的大小，第6—8個字節為消息的參數組編號。如圖2以蓄電池基本信息為例，說明了多包傳輸控制過程。

圖2 多包傳輸控制過程

充電機向通訊服務器發出請求傳輸3包 (20個字節)的蓄電池基本信息，通訊服務器回復可以接收前2包;充電機發送前2包后，通訊服務器由于丟失了第2包，要求重發，充電機重新發送第2包;通訊服務器成功接收到第2包后，充電機發送第3包;接收到第3包數據后，通訊服務器向充電機發送確認幀，已成功接收3包20個字節數據。

2)應用層通訊模型

建立上行socket，處理客戶端的數據請求和控制命令的傳輸。根據客戶端請求數量，為每個客戶端請求建立一個獨立的socket對象，數據傳輸完成后自動釋放該對象。同時為降低多socket帶來的負載，引入了超時機制，在收到請求報文后開啟1個計時器，一定時間內如果沒有得到報文的確認幀，則直接清除和釋放該socket對象。應用層socket API通訊連接過程如圖3。

圖3 應用層socket API通訊連接過程

2.2 多隊列和多線程的數據處理方法

算法有3類隊列:接收/發送隊列、緩沖隊列Ⅰ和緩沖隊列Ⅱ。接收/發送隊列在內存中設置接收和發送2個幀隊列，用于存放收到和需要發送的CAN數據幀。為了能夠對CAN數據幀接收和發送實現流量控制，這2個隊列采用支持多線程讀寫互斥的循環隊列。結構如圖4所示，當接收隊列有空閑單元時，CAN數據幀單元可以入隊，隊列滿時則暫停接收CAN數據幀;當發送隊列有空閑單元時，需要發送的CAN數據幀直接入隊，隊列滿時，則在緩沖隊列Ⅰ中排隊等待。接收和發送線程使用信號量機制實現對循環隊列讀寫的互斥訪問。通過循環對列可以實現對CAN數據幀接收和發送的流量控制，達到滑動窗口的效果。

圖4 基于多隊列和多線程的數據處理方法

根據通訊規約，CAN數據幀包含蓄電池基本信息、蓄電池電壓、蓄電池溫度、充電機狀態等監控信息。為了實現數據幀的快速解析，按照數據包類型，分發線程將不同的數據包發送到不同的緩沖隊列Ⅰ中，等待數據解析線程的處理。緩沖隊列Ⅰ支持多線程互斥讀寫的帶頭結點的FIFO鏈表，存放的是CAN協議格式數據幀，主要起到緩沖的作用。緩沖隊列Ⅱ中存放的是按照類型組裝后的數據結構，供請求發送線程讀取，同樣采用的是支持互斥訪問的FIFO鏈表。通過兩級緩沖隊列不僅可以實現CAN數據幀的流量控制，同時可以提高系統處理CAN數據幀的速度和效率。

3 結論

從充電機監控數據處理方法入手，基于多線程和多隊列技術提出了一種大規模實時并發傳輸控制方法，設計并實現了整個電動汽車充電站數據傳輸控制系統，從而確保了數據處理的實時性。該方法具有以下優點:采用多線程和多級緩沖機制進行數據數據處理，有效提高了數據處理實時性;根據CAN協議數據單元特點對CAN數據報文進行了區分，并利用不同處理線程進行解析，有效提高了數據處理效率;依據實際情況自定義了CAN數據報文優先級，并利用不同處理線程進行處理，有效保證了重要數據處理的實時性。

〔1〕張文亮，武斌，李武峰，等.我國純電動汽車的發展方向及能源供給模式的探討〔J〕.電網技術，2009，33(4):1-5.

〔2〕李競成.電動汽車智能充電站研究與開發〔D〕.杭州:浙江大學，2006，8-9.

〔3〕王健，姜久春.電動汽車充電站信息管理系統的設計與實現〔J〕.微計算機信息，2006，22(5-3):16-17.

〔4〕王勇，崔曉丹，閆濤，等.基于CAN和RS 485的電動汽車充電機控制系統〔J〕.機械與電子，2008，8:27-30.