基于DTU的充電樁電氣安全大數(shù)據(jù)管控平臺(tái)研究

劉皓天，陳 楓，吳振勇，趙 沖，楊 雷

（1.中船重工縱橫科技有限公司，湖北 宜昌443000；2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

1 引言

隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，對(duì)汽柴油市場(chǎng)的影響日益凸顯，預(yù)計(jì)2030年前后，電力、氫能源將逐漸接管汽車動(dòng)力市場(chǎng)[1]。國家電網(wǎng)公司于2006開始進(jìn)入電動(dòng)汽車充電設(shè)施建設(shè)投資領(lǐng)域，截止目前，累計(jì)接入充電樁總數(shù)16.8萬個(gè)[2]，根據(jù)由國家發(fā)展改革委等四部門編制的《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015～2020年）》的要求，至2020年我國車樁比例將達(dá)到接近1:1的合理水平，我國充電設(shè)施建設(shè)快速增長(zhǎng)[3]。

一旦忽略充電樁運(yùn)行過程中存在的安全隱患，引發(fā)起火事故，將會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失,并產(chǎn)生不良的社會(huì)影響。因此，針對(duì)這一問題，對(duì)目前充電樁運(yùn)行過程中存在的安全隱患進(jìn)行分析，研究各類安全指標(biāo)，利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)、DTU無線通信、Web、大數(shù)據(jù)技術(shù)，開發(fā)了一套基于DTU的充電樁電氣安全大數(shù)據(jù)管控平臺(tái)，用于實(shí)時(shí)分析海量充電樁群的運(yùn)行數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確捕捉電氣火災(zāi)隱患，確保電氣火災(zāi)防患于未“燃”。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于DTU的充電樁電氣安全大數(shù)據(jù)管控平臺(tái)的整體架構(gòu)如圖1所示，主要分為感知層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層、接入層、應(yīng)用層等。其中：

感知層：利用傳感器獲得被測(cè)量（物理量、化學(xué)量或生物量）的模擬信號(hào)，并負(fù)責(zé)把模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，也包括從電子設(shè)備（如串口設(shè)備）中采集到的直接的數(shù)字信號(hào)，最終由傳輸層轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用層。

控制層：主要負(fù)責(zé)控制終端設(shè)備執(zhí)行由接入層傳遞到應(yīng)用層的動(dòng)作命令。

網(wǎng)絡(luò)層：主要負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。

接入層：用戶進(jìn)行在線監(jiān)控、資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等業(yè)務(wù)操作的界面。

平臺(tái)層：在整個(gè)體系架構(gòu)中起著承上啟下的關(guān)鍵作用，它不僅為上層提供應(yīng)用開發(fā)和統(tǒng)一接口，構(gòu)建了設(shè)備和業(yè)務(wù)的端到端通道，同時(shí)，還提供了業(yè)務(wù)融合以及數(shù)據(jù)價(jià)值孵化的土壤，為提升產(chǎn)業(yè)整體價(jià)值奠定了基礎(chǔ)。

應(yīng)用層：根據(jù)業(yè)務(wù)需求建立相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)，為接入層提供在線監(jiān)控、資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等業(yè)務(wù)處理的應(yīng)用服務(wù)集合。

數(shù)據(jù)層：為核心外部輸入以及系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)支持。

圖1系統(tǒng)總體邏輯架構(gòu)

從充電設(shè)備數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲(chǔ)存、分析、決策，建立“一平臺(tái)雙保險(xiǎn)三級(jí)控”，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電站“人財(cái)物”事前、事中、事后的管控。所謂“一平臺(tái)”即搭建一個(gè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)；“雙保險(xiǎn)”即充電設(shè)備異常時(shí)，消防設(shè)備可通過自動(dòng)和遠(yuǎn)程手動(dòng)兩種方式動(dòng)作；“三級(jí)控”即從區(qū)域級(jí)、站點(diǎn)級(jí)、設(shè)備級(jí)對(duì)相關(guān)充電設(shè)備進(jìn)行管控。對(duì)“人財(cái)物”的管控，對(duì)人即為對(duì)充電站中人的行為進(jìn)行管控，確保行為可追溯；對(duì)財(cái)即為對(duì)充電站中資產(chǎn)進(jìn)行管控，確保資產(chǎn)信息有記錄；對(duì)物即為對(duì)充電站中設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行管控，確保充電設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。所設(shè)計(jì)的主控制器信號(hào)輸入端連接是用于檢測(cè)充電樁內(nèi)溫度的溫度傳感器和用于監(jiān)測(cè)充電樁內(nèi)CO氣體濃度的氣體傳感器；信號(hào)輸出端連接是用于觸發(fā)氣溶膠滅火器的滅火脈沖信號(hào)輸出、電源故障報(bào)警燈；主控制器上包含控制電路（包含電源電路以及信號(hào)采集電路等）以及CAN總線接口。

圖2硬件模塊結(jié)構(gòu)圖

主控制器控制電路中的電源電路（電源電路的電源采用充電樁內(nèi)部已有的直流開關(guān)電源）同時(shí)給信號(hào)采集電路、CAN總線電路、滅火脈沖輸出電路、顯示及報(bào)警電路提供電源，信號(hào)采集電路將溫度傳感器和氣體傳感器的信號(hào)傳輸給控制電路，再由控制電路傳輸給主控制器。主控制器分別控制滅火脈沖輸出電路和CAN總線電路，滅火脈沖輸出電路與氣溶膠滅火器相連接。充電站內(nèi)的每個(gè)充電樁連接一個(gè)主控制器，各個(gè)主控制器通過CAN總線接口與數(shù)據(jù)信號(hào)集中器相連。

設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)信號(hào)集中器包含CAN總線接口、DTU無線通信模組以及控制電路（包含電源電路以及信號(hào)采集電路等）。DTU無線通信模塊作為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸接入層，提供終端設(shè)備與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。在通信過程中，它建立串口與IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的傳輸鏈路，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)校驗(yàn)，它已經(jīng)逐漸替代了傳統(tǒng)的長(zhǎng)距離有線傳輸成為了主要的遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸手段[4-5]。電源電路同時(shí)給DTU無線通信模組電路和CAN總線電路提供電源，CAN總線電路與滅火主控制器的CAN總線電路相連接，DTU無線通信模組電路將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層上傳至主中心服務(wù)器。

設(shè)計(jì)的顯示及報(bào)警電路采用LED燈，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行報(bào)警，若是充電樁內(nèi)狀態(tài)正常則LED燈呈現(xiàn)綠色；若氣體濃度超過閾值報(bào)警，或溫度超過閾值，則LED燈呈現(xiàn)黃色；若系統(tǒng)內(nèi)損壞，則LED燈呈現(xiàn)為閃爍狀態(tài)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

平臺(tái)的軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。開發(fā)的主控制器模塊通過模糊理論算法確定相應(yīng)的報(bào)警閾值。模糊理論算法是在模糊集的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，適用于多傳感器的數(shù)據(jù)融合。模糊集第一次是由L.A.Zadeh在1965年的時(shí)候提出的。模糊算法在此處的應(yīng)用，是把傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)信息模糊化，使得之前元素與集合關(guān)系的絕對(duì)化變?yōu)榱烁怕驶?shù)據(jù)模糊化之后利用特定的方法把所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的加工處理，最終的結(jié)果即為系統(tǒng)需要的融合結(jié)果或是決策。模糊算法因其本身的特性非常適用于對(duì)模糊的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合[6]。傳感器采集的溫度、氣體濃度值以及由模糊理論算法融合溫度、氣體濃度值得到的報(bào)警信號(hào)通過CAN總線上傳，同時(shí)也可以通過CAN總線下發(fā)由主中心服務(wù)器發(fā)送的滅火信號(hào)。

圖3軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

開發(fā)的數(shù)據(jù)信號(hào)集中器模塊采集各個(gè)主控制器的信號(hào)并對(duì)各個(gè)主控制器的信號(hào)進(jìn)行集中、整合，通過DTU通信模組進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，DTU將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)，由傳輸鏈路將十六進(jìn)制數(shù)據(jù)上傳至主中心服務(wù)器。

開發(fā)的基于NIO數(shù)據(jù)交換模塊通過非阻塞通信技術(shù)——NIO（Non-blocking IO）來實(shí)現(xiàn)高并發(fā)通信，它是一種基于通道和緩沖區(qū)來執(zhí)行輸入輸出流的新方式[7]。在NIO中訪問數(shù)據(jù)，都是通過緩沖區(qū)操作[8]，同時(shí)通過多路復(fù)用Selector來實(shí)現(xiàn)選擇已就緒的任務(wù)的功能，突破了最大連接句柄的限制。相對(duì)于傳統(tǒng)的BIO（Blocking IO），NIO可以在短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)請(qǐng)求并處理消息，而非阻塞線程等待數(shù)據(jù)的到來，提高了數(shù)據(jù)交換模塊并發(fā)處理數(shù)據(jù)的能力，在一定程度上減少了資源的消耗。基于NIO數(shù)據(jù)交換模塊接收由傳輸鏈路上傳的數(shù)據(jù)，傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊。

開發(fā)的數(shù)據(jù)處理模塊通過分布式消息隊(duì)列Kafka獲取數(shù)據(jù)交換模塊傳遞的數(shù)據(jù)，利用Spark Streaming根據(jù)通信協(xié)議實(shí)時(shí)解析、校驗(yàn)、計(jì)算十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送到Kafka，由Websocket服務(wù)模塊調(diào)用Kafka數(shù)據(jù)對(duì)外提供實(shí)時(shí)分析服務(wù)，同時(shí)計(jì)算結(jié)果也存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中，為平臺(tái)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)分析、挖掘以及融合提供海量數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊包含分布式數(shù)據(jù)庫Hbase和傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Mysql。其中Hbase用于存儲(chǔ)由管控終端傳遞的海量的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，而MySQL用于存儲(chǔ)一般的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。將分布式數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，保障平臺(tái)高效平穩(wěn)運(yùn)行。

4 應(yīng)用實(shí)例及效果

為了驗(yàn)證基于DTU的充電樁電氣安全大數(shù)據(jù)管控平臺(tái)的完整性、可用性以及穩(wěn)定性，能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車充電站安全運(yùn)營(yíng)提供保障，平臺(tái)在國家電網(wǎng)某電動(dòng)汽車充電站進(jìn)行了部署，并進(jìn)行了相關(guān)功能實(shí)驗(yàn)。部署平臺(tái)如圖4所示。

圖4基于DTU的充電樁電氣安全大數(shù)據(jù)管控平臺(tái)

平臺(tái)通過區(qū)域級(jí)、站點(diǎn)級(jí)、設(shè)備級(jí)三級(jí)對(duì)相關(guān)充電樁進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，從事前、事中、事后對(duì)充電設(shè)備進(jìn)行管控。其中設(shè)備級(jí)監(jiān)控如圖5所示，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁溫度值、氣體濃度值以及預(yù)警等級(jí)，管控充電樁的運(yùn)行情況，一旦充電樁出現(xiàn)異常狀態(tài)，預(yù)警等級(jí)將升為對(duì)應(yīng)的等級(jí)狀態(tài)，并觸發(fā)警報(bào)。充電站運(yùn)維人員可在平臺(tái)上遠(yuǎn)程觸發(fā)滅火裝置，也可由滅火裝置自動(dòng)滅火（需到達(dá)三級(jí)預(yù)警狀態(tài)）。

圖5設(shè)備級(jí)監(jiān)控

通過對(duì)基于DTU的充電樁電氣安全大數(shù)據(jù)管控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)驗(yàn)、實(shí)時(shí)監(jiān)控功能實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)管理功能實(shí)驗(yàn)以及穩(wěn)定性測(cè)試等，表明了該平臺(tái)可較為穩(wěn)定地為充電站管控終端提供無線數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中管理、并行實(shí)時(shí)分析、監(jiān)控各個(gè)充電樁的運(yùn)行情況，為充電站提供可靠的數(shù)據(jù)監(jiān)管分析，提升充電站管控電氣安全能力。

5 結(jié)束語

國家電網(wǎng)有限公司在所印發(fā)的《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)2020年重點(diǎn)建設(shè)任務(wù)大綱》中提出2020年智慧物聯(lián)的重點(diǎn)是初步建成設(shè)備側(cè)的智慧物聯(lián)體系，隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及相關(guān)硬件產(chǎn)品的高速發(fā)展，促使了愈來愈多遠(yuǎn)程管控平臺(tái)出現(xiàn)。基于監(jiān)測(cè)、采集設(shè)備的電氣安全大數(shù)據(jù)管控平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程中各個(gè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、異常狀態(tài)自動(dòng)報(bào)警，最大限度地降低事故所帶來的經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境代價(jià)以及社會(huì)影響，已經(jīng)成為安全生產(chǎn)生活的必要保障。后續(xù)研究中還需對(duì)基于大數(shù)據(jù)挖掘融合和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)分析電氣安全事故潛在風(fēng)險(xiǎn)等問題進(jìn)行深入研究，為安全生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)以及管理提供更好更完備的支持與服務(wù)。