新能源汽車遠程監控平臺的設計與實現

武建偉

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450000）

1 引言

近年來，隨著人們環保意識的提高，越來越多的用戶開始選擇購買新能源汽車。但是，新能源汽車的研發使用時間不長，監測數據不多，因此，新能源汽車性能評估的數據支撐不足。故而，需要研發新能源汽車遠程監控平臺[1]，為車主提供實時監控及故障報警提示，同時收集新能源車輛的相關數據，為車輛性能的挖掘分析提供大數據支撐。

應用架構：分析系統應用層次，確定系統功能體系以及各應用的功能規格和非功能規格。

數據架構：定義了平臺的數據模型、數據分類、部署方式等。

技術架構：采用B/S 模式，按照數據訪問層、應用邏輯層、應用服務和應用展現層進行多層結構體系設計，基于SOA 設計思想進行服務分層，采用可視化拓撲維護、專題圖自動生成等技術進行功能模塊設計。

2 遠程監控平臺總體設計

2.1 實現目標

新能源汽車遠程監控平臺主要通過與車載TBOX 實時通信，監控車輛實時狀態，為新能源汽車安全運行提供保障。平臺分為服務器端軟件和客戶端軟件兩部分，其中，服務器端主要通過互聯網與TBOX 的3G/4G網絡進行通信，接收車輛的實時和補發信息，進行解析、保存等，并按照GB/T 32960—2016 協議[2]與國家平臺進行通信，將車輛的實時信息轉發至國家平臺。客戶端軟件通過訪問服務器端的數據，將車輛狀態以可視化形式呈現給用戶，并提供地圖基本操作、實時監控、路徑規劃、歷史數據查詢、車輛故障監控、安全報警、電子圍欄管理、信息錄入及維護、系統管理等功能。

2.2 平臺框架結構設計

新能源汽車遠程監控平臺的系統架構主要由業務架構、應用架構、數據架構、技術架構等部分組成，如圖 1 所示。

業務架構：對車輛終端信息、上報信息、報警信息等進行分析、歸納，形成各業務對平臺的需求，為新能源汽車遠程監控平臺的總體設計提供依據。

圖1 系統總體架構圖

2.3 平臺接口設計

新能源汽車遠程監控平臺的服務端采用TCP 套接字的方式開啟網絡監聽接口，當收到TBOX 的連接請求時，建立一條獨立的TCP 通信鏈路與該TBOX 進行通信，通信過程要以線程的方式進行，保證平臺與每臺TBOX的通信獨立和唯一，并且對通信的鏈路進行監控和維護，確保每條鏈路通信的穩定可靠。

按照GB/T 32960—2016 協議要求，企業平臺接收到TBOX 數據時，需按照GB/T 32960—2016 企業平臺與國家平臺通信協議的格式，將數據轉發至國家平臺。轉發時要遵守國家平臺的轉發機制，主要是補發數據和報警數據。平臺的數據接口設計如圖2 所示。

圖2 新能源汽車遠程監控平臺軟件數據接口

2.4 通信接口規則設計

2.4.1 連接建立

本地平臺向國家平臺發起通信連接請求，通信鏈路建立后，本地平臺應自動向國家平臺發送登入信息進行身份識別，國家平臺應對接收到的數據進行校驗；校驗正確時，國家平臺應該返回成功應答 ；校驗錯誤時，國家平臺應存儲錯誤數據記錄，并通知本地平臺。

本地平臺應在接收到國家平臺的應答指令后完成本次登入傳輸；本地平臺在規定時間內未接收到應答指令，應每間隔1 分鐘重新登入，若連接三次登入無人應答，應間隔30 分鐘后，繼續重新連接，把未成功發送的數據重新上報，重復登入間隔時間可以設置。

2.4.2 信息傳輸

本地平臺登入成功后，應向國家平臺上報電動汽車實時信息。當本地平臺上報信息時，國家平臺應對接收到的數據進行校驗，校驗正確國家平臺做正確應答，校驗錯誤則做錯誤應答。國家平臺的應答信息錯誤時，本地平臺應重新發送車輛的本條實時信息，每間隔1 分鐘重新發送1 次，失敗3 次后不再發送。本地平臺上報的時間周期應可調整，最大周期不應超過30 秒，當車輛出現3 級報警時，應上報故障發生時間點前后30 秒的數據且信息采樣周期不大于1 秒，其中，故障發生前數據應以補發形式進行傳輸。

2.4.3 補發機制

當數據通信鏈路異常時，本地平臺應將車輛實時上報的數據進行本地存儲。在數據通信鏈路恢復正常后，在發送實時上報數據的空閑時間完成補發存儲的上報數據。補發的上報數據應為7 日內通信鏈路異常期間存儲的數據，數據格式與實時上報數據相同，并標識為補發信息上報。

3 關鍵技術

3.1 模塊化微服務

微服務是把一個大型應用分散為互相可解耦的多個小應用程序，然后通過調用小應用程序來完成一次復雜的業務邏輯要求。微服務各模塊可獨立部署，互相通過明確接口保證各服務之間是松耦合。模塊化則是把各個業務拆分為更小、相對獨立的模塊。這樣設計的優勢是能彈性應對業務壓力，當業務壓力較大時，可同時在多臺服務器啟動多個模塊實例，以應對大量業務處理。而業務壓力較小的模塊，只需較少的實例，這樣能彈性利用系統資源，提供優秀的橫向擴展能力。

3.2 數據存儲

為了應對不同數據的存儲和管理要求，平臺采用關系型數據庫、分布式文件存儲系統、NOSQL 數據庫等技術，建立統一的分布式存儲環境，實現對時空大數據的統一存儲。

關系型數據庫：對系統業務數據進行存儲管理，既滿足傳統關系查詢的業務需求，又適應大規模數據存儲的要求。

分布式文件系統 ：采用Hadoop 等分布式文件系統，對地圖瓦片數據等非結構化、半結構化數據進行存儲管理，通過將大量小切片文件聚合為較大的數據包，統一存放在分布式存儲節點中，實現低成本、高可靠的存儲和并發訪問。

NoSQL 數據庫：對于實時位置信息和軌跡信息等海量離散時序信息，采用NoSQL 數據庫進行存儲、處理、統一建模和分析。

4 遠程監控平臺實現

新能源汽車遠程監控平臺分為服務器端實時數據接收轉發和客戶端的數據可視化管理。本章主要介紹服務器端的接收程序、客戶端的車輛實時狀態監控、車輛報表統計和系統管理。

4.1 服務器端接收程序

平臺服務器端接收程序接收在客戶端接入平臺的汽車上報數據，并將數據保存至系統業務數據庫。同時，按照GB/T 32960—2016 協議的要求，將數據自動轉發至國家平臺，具體界面如圖 3 所示。

圖3 新能 源汽車接收程序

4.2 客戶端可視化管理

新能源汽車遠程監控平臺提供了用戶權限管理機制，不同的用戶權限可使用相應的系統功能，從而獲取不同的應用價值。客戶端采取B/S 結構，用戶輸入指定網址后，通過系統分配的用戶名和密碼登錄系統。

4.2.1 車輛實時狀態監控

平臺可以對接入的所有車輛的實時位置（包括位置、車速、電量、時間等）和車輛狀態（包括整車數據、驅動電機數據等）進行監控，并通過接收存儲車輛的實時位置，回訪車輛的歷史軌跡，重現某一車輛某一時段的行駛軌跡，方便管理單位掌控車輛行駛情況。同時，通過分析系統接收的車輛實時狀態信息，對車速、電量、圍欄等超出閾值的車輛進行警報提示，以減少人員傷亡和財產損失。車輛實時狀態監控如圖 4 所示。

圖4 車輛實 時狀態監控

4.2.2 車輛報表統計

平臺可以對某一車輛某一時間段內的故障情況、行駛里程、充電次數和時間等信息進行統計生成圖表，并可存儲打印，給車輛管理部門和車主提供準確的車輛行駛數據[3]。車輛統計報表可為車輛的維護維修提供更多建議，也可以為車輛的改進設計提供參考依據。車輛報表統計如圖 5 所示。

4.2.3 系統管理

新能源汽車遠程監控平臺提供了車輛管理、業務管理、日志管理和用戶管理功能，用于對車輛配置、系統業務數據和系統用戶進行數據管理。

車輛管理：對車輛的分組信息、車型注冊、車輛注冊、充電樁等提供新增、編輯、刪除、查詢等管理功能，實現車輛信息的分類管理。

業務管理：對車輛的電子圍欄、路徑規劃、上報信息、報警信息等業務數據進行管理。

日志管理：對平臺的使用記錄和車輛的上下線記錄進行存儲，并提供查詢和Excel 表格下載功能。

用戶管理：對系統的用戶和用戶權限提供新增、編輯、刪除、查詢等管理功能。

圖5 車輛報表統 計圖

5 結束語

通過新能源車載TBOX、遠程監控平臺和國家平臺之間的通信聯合調試，新能源汽車遠程監控平臺已經完成交付，成功上線運行。試運行期間，平臺在線監控的新能源車輛達5000 余量，平臺運行穩定。通過壓力測試，平臺交付后可同時在線監控10 萬輛新能源汽車。新能源汽車遠程監控平臺的上線，為新能源汽車運行數據的采集降低了人力物力和時間成本，為汽車研發人員的科研提供了大數據支撐。后續將針對手持移動端的應用進行研發，方便車主用戶及時掌控車輛的實時狀態，從而更好地使用和維護新能源車輛。