加油站虛擬FCC的研究與實現

錢至遠 谷金健 孟瑜煒 李漢秋 俞榮棟 蔣肇標

【摘 要】文章梳理了目前前庭控制器（FCC）的基本功能，同時針對油機設備的快速發展，以及IFSF協議擴展到支持TCP/IP的改進，對虛擬FCC的實現方式進行研究，同時開發出一套完整的虛擬FCC系統，并將其應用到站級業務系統中，能夠實現與FCC同樣的功能與效果。

【關鍵詞】虛擬FCC;IFSF;TCP/IP;數據庫;通信報文

【中圖分類號】X924.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）10-0073-04

前庭控制器[1]（Fore Court Controller，FCC）是加油站管理系統架構中的重要設備，負責傳遞站級系統與前庭設備之間的數據與指令，它不僅負責將設備數據上傳至前臺銷售系統（Point of Sale，POS）、后臺管理系統（Back Office System，BOS）等站級系統[2]，同時站級系統也通過FCC對前庭設備（如油槍、油機和液位儀等）進行控制[3-5]。

目前，國內外加油站的前庭控制器主要是硬件設備，其運行往往受到時間、空間的限制，經過長時間的運行之后，故障率會逐漸提高，因此容易影響加油站的正常營業[6，7]。

1 虛擬FCC功能簡介

傳統的FCC多由專用硬件組成，主要實現油機通信接口（多為串行接口，如RS485、電流環等）與后臺系統（主要為以太網接口）的通信和協議轉換。隨著加油機硬件的不斷改進和升級，如今大多數油機都自帶網絡接口，從而也具備了直接接入后臺管理系統的條件。因此，完全可以采用特定軟件控制程序的方式代替傳統硬件產品的功能，本研究稱之為虛擬FCC軟件。

基于虛擬FCC的加油站管理系統的功能架構如圖1所示。

（1）通信協議處理模塊：該模塊主要實現與油機之間的通信，目前采用國際通用協議，實現了協議的基本框架和處理，并可根據新的功能需求擴展相關數據定義。

（2）系統配置及油機數據庫管理模塊：該模塊提供油機數據庫管理功能，可實現對多油機的配置數據、交易數據的管理，并提供對IFSF協議數據的映射功能。

（3）日志及故障診斷模塊：該模塊實現對油機交易及故障的日志記錄等功能，便于對通信和其他運行故障進行分析和處理。

（4）云平臺通信及管理模塊：該模塊實現與后臺云平臺的通信，負責將油機交易數據發送到后臺，接受云平臺管理并控制油機。

虛擬FCC是前庭設備和后臺系統之間的網關軟件，在設計過程中需要注重標準化和模塊化，對外接口秉承統一規范的原則，因此虛擬FCC是設計開發的關鍵，在于對IFSF協議的實現。

2 基于IFSF協議的虛擬FCC實現

IFSF（International Forecourt Standard Forum）是石油零售行業的國際標準組織，致力于協調石油零售行業前庭設備的可互操作和通信標準。圖2是協議中一些常見狀態的邏輯切換。

早期的IFSF協議是基于LonWorks網絡規范制定的，后來進一步擴展到支持TCP/IP的標準網絡系統。在本研究的虛擬FCC軟件中，實現了基于TCP/IP網絡的IFSF協議功能。

2.1 IFSF數據庫的實現

數據庫是IFSF協議中的核心內容，油機和虛擬FCC之間交換的所有數據都在保存數據庫中。IFSF數據庫本質是一個實時數據庫，主要保存實時交易的數據信息。IFSF的數據庫包含如下組成和層次。

（1）節點（Node）表示IFSF系統中的單一主體設備，如一臺油機、FCC或液位儀等。

（2）數據庫（Database）表示一個節點下的同一類數據的總和。在一個節點下可以由多個數據庫組成，單一數據庫由數據庫地址表示。

（3）數據（Data）表示在數據庫的所有數據，一個數據庫下可以由多個數據組成。每個單一數據由數據ID和數據內容組成。

IFSF系統中的每個節點（如油機、FCC等），都具備一個或多個實時數據庫，IFSF協議本質上就是交換設備節點之間的數據庫數據。IFSF協議規定了一些常用的實時數據庫定義，包括常用的數據ID，例如用于油機設備的一些數據（如油品、單價、金額、升數等）。當然，IFSF也是一個開放式的協議，允許廠商根據需要增加不同的數據庫和數據ID定義。

對于IFSF實時數據庫的具體實現，我們采用樹形結構的方式：最上層結構為ifsf_node_t，表示一個設備節點，全部節點用單鏈表串接。每個ifsf_node_t包含多個數據庫結構ifsf_db_t，它們也采用同樣的方式串接，也通過鏈表串接。同樣的方式，在每個ifsf_db_t下包含多個數據結構ifsf_db_

data_t。總之，通過這種樹形鏈表的方式，將形成一個完整的IFSF協議設備的實時數據庫內存結構，從而為協議報文的處理建立良好的基礎。IFSF數據庫樹形結構如圖3所示。

2.2 IFSF基礎協議通信報文的實現

IFSF協議規定了在TCP/IP協議基礎上的通信報文，主要包含用于基于UDP的節點之間心跳檢測報文及用于基于TCP的節點數據庫數據傳遞報文，其在TCP基礎上的應用數據傳遞報文格式見表1。

IFSF協議通過上述報文傳遞設備的數據，如虛擬FCC可以通過讀取報文獲得油機數據庫的數據，油機收到發送報文后，回應報文將當時數據值返回給虛擬FCC。

在具體協議代碼實現過程中，本研究主要采取以下方案：{1}IFSF報文的創建。用于從IFSF實時數據庫生成IFSF報文。考慮到不同的報文格式，本研究采用了相關的數據結構存儲報文信息，然后通過相關函數生成完整的報文。{2}IFSF報文的解析。用于對收到的IFSF報文進行解析。{3}報文交互流程，包括UDP心跳報文收發，建立與設備端的連接，并在連接上進行交互通信等。根據IFSF協議規范，虛擬FCC對每個油機節點建立兩條連接，一條連接用于發送報文，一條用于接收，最終虛擬FCC對多個油機節點的連接進行處理并實現數據收發。

3 虛擬FCC的設計方案

由于本研究基于為加油站設計開發的一套站級信息管理系統，因此需要針對站點內部需求對協議進行改造，以滿足實際業務需要和場景，同時為了方便協同開發，本文在編碼中將虛擬FCC命名為Fuel。

3.1 基于IFSF協議標準的改造

在站級的日常管理中，除了交易記錄外，還有績效、盤存等其他日常事務，因此信息系統需要完善功能，例如記錄加油員授權油槍加油記錄，支持客戶通過虛擬加油卡預授權加油等。為了實現以上功能，需要對現有的IFSF基礎協議進行改造，從而滿足業務需求，表2是協議新增的命令信息。

3.2 功能流程

隨著物聯網及移動支付的快速發展，在加油站中衍生出如車牌付、自助加油等新的業務形式，這讓加油員或者客戶可以通過一些交互設備控制油機油槍，而Fuel的設計剛好符合這種業務形式下軟件程序開發的需求。

圖4是基于Fuel的加油業務時序圖，Fuel在通過IFSF協議實現與油機交互功能后，將油機交易記錄上傳到業務系統，同時基于新協議的命令信息，交易記錄中帶有員工卡號、起止泵碼數等數據，為員工績效、損益分析、庫存盤點等其他功能模塊提供基礎數據。

由于Fuel能夠實現對油機的控制，因此開發站級業務系統時，只需要通過調用Fuel的對外接口，就可以通過軟件系統實現對油機油槍的控制。

3.3 主要功能清單

（1）基本功能。①IFSF協議支持，支持加油站標準IFSF通信協議，主要包括IFSF TCP協議報文格式支持，支持讀消息、寫消息、應答消息、帶確認數據消息等;IFSF UDP協議報文支持，主要用于傳送廣播和心跳;IFSF協議數據格式支持，支持整數、浮點、字符串、金額等多種數據格式;IFSF協議交互功能，用于油機或液位儀與FCC之間的協議交互;錯誤處理功能。②多設備通信網關及后臺通信功能：FCC可以同時與多臺油機或液位儀進行通信，并可以將所有信息進行匯總處理，并統一打包上傳;將匯總后的油機交易數據上報到站級后臺管理系統（如Fuel Server）;接收后臺管理系統的要求，并下發到油機，如設置油品價格、鎖槍和解鎖等。③本地存儲功能：虛擬FCC具備一定的本地交易存儲功能，當發生通信中斷時可以保存一定的交易數據，并在網絡恢復時上傳至后臺管理系統。④外部通用接口功能：除與站級管理系統通信外，虛擬FCC還可以提供通用的接口，用于將交易上報到特定的應用中，如云平臺數據中心等，用于數據分析等功能。虛擬FCC還可以接入非油機或液位儀的其他設備，只要滿足IFSF協議的通用接口均可接入。⑤界面配置功能：虛擬FCC雖然主要用于后臺協議報文通信和處理功能，但也包括特定的Web交互界面，用于參數配置、相關交易信息顯示等功能，以及輔助在無后臺管理情況下的狀態顯示和分析工作。⑥故障診斷和數據分析功能：包括油機通信中斷及相關系統故障分析，交易數據的特定處理和分析功能。

（2）油機功能。①油機數據讀取功能，主要包括與油機的數據通信和采集，具體為油機狀態獲取，包括空閑、提槍、授權、加油、掛槍等不同的油機狀態獲取;獲取油品信息，包括不同油品代號、油品描述信息等;獲取實時加油數據信息，包括當前加油的升數和金額信息;獲取交易信息，包括一次交易的油品、升數、金額等信息;獲取油泵信息，如起止泵碼信息;獲取離線脫機交易信息，包括油機脫機交易的升數、金額等信息;油氣二次回收數據獲取，根據油機實時加油升數和氣體流量計的讀數，實時計算油氣回收比，對偏離系統設定值的交易進行報警處理;在線監測，實時監測站級設備的工作狀態，實時顯示交易數據。并可將相關數據上傳給指定平臺或者數據中心。②油機控制功能，主要用于對油機的數據配置和控制功能，具體為（也可以在虛擬FCC上實現透傳，在上位油品/氣品/電力控制服務器上實現）設置油品價格，用于下發新的油品價格給油機;交易確認及清除功能，可用于確認并清除油機保存的在線和離線交易;授權功能，用于對油槍進行授權，提槍后只有獲得授權的油槍才能加油;鎖槍功能，在特定條件下用于禁止油槍加油;解鎖功能，對加鎖的油槍進行解鎖;通信設置功能，如設置實時交易數據傳輸的時間間隔等。③虛擬油機功能：虛擬FCC除可以與真實油機通信外，還可以支持虛擬油機，虛擬油機用于模擬加油功能，可以與真實油機一樣實現完整的提槍、授權、加油、掛槍等過程。通過虛擬油機可以實現對整個FCC系統的功能測試和壓力測試等。

（3）液位儀功能。液位儀通信功能，主要用于獲取液位儀數據，具體如下：獲取液位儀狀態，如正常、故障、報警等;獲取液位儀當前數據，包括油高、水高、油體積、水體積、油水總體積、溫度等。

（4）地罐泄漏檢測系統。①支持從雙層罐主板獲取檢測數據并上傳到上位服務器。具體如下：能檢測出雙層系統中液面以上和以下的滲漏。存在檢漏液進入環境的可能性。Ⅰ級測漏系統通過在雙層罐的中間層施加正壓或真空進行測漏，原先施加在油罐中間層的壓力或真空度就會發生變化，從而被檢測儀器感應到，觸發報警。Ⅱ級液媒測漏系統利用測漏液體自身的重力進行測漏，不需要額外的氣壓源和動力源。②支持從SCADA系統獲取數據并上傳到上位服務器。具體為SCADA數據采集與監視控制系統。SCADA系統可以對現場的運行設備進行監視和控制，實現數據采集、設備控制、測量、參數調節及各類信號報警等功能;支持從SCADA系統獲取檢測數據并上傳到上位服務器，并可以透傳相關控制指令及報文給SCADA系統。

（5）加氣機機功能。①氣機數據讀取功能，主要包括與氣機的數據通信和采集，具體為加氣機狀態獲取，包括空閑、提槍、授權、加氣、掛槍等不同的氣機狀態獲取;獲取實時加氣數據信息，包括當前加氣的升數和金額信息;獲取交易信息，包括一次交易的升數、金額等信息;獲取氣泵信息，如起止泵碼信息;獲取離線脫機交易信息，包括加氣機脫機交易的升數、金額等信息。②加氣機控制功能，主要用于對加氣機的數據配置和控制功能，具體如下（也可以實現透傳，在上位油品/氣品/電力控制服務器上實現）：設置氣品價格，用于下發新的氣品價格給氣機;交易確認及清除功能，可用于確認并清除油機保存的在線和離線交易;授權功能，用于對氣槍進行授權，提槍后只有獲得授權的氣槍才能加氣;鎖槍功能，在特定條件下用于禁止氣槍加氣;解鎖功能，對加鎖的氣槍進行解鎖;通信設置功能，如設置實時交易數據傳輸的時間間隔等。③加氣機連接功能：虛擬FCC還可以通過擴展模塊的方式實現非IFSF設備到IFSF設備的協議轉換，用于將其他的設備（如非IFSF氣機）接入加油站站級系統中。支持422/CAN 總線等常用氣機協議。

（6）充電樁功能。①變壓器數據讀取功能，將每臺變壓器包含智能電表及DTU模塊主要包括變壓器的實時信息（電壓、電流、功率等）。②智能控制單元讀取及控制功能，匯總充電終端的用電信息，接受虛擬FCC下發的控制指令，控制每個充電終端的充電功率，實現柔性控制。具備充電站功率控制功能，智能控制中心模塊在在線、離線兩種環境下，均能實現以下功能：能夠采集充電站的充電樁的狀態信息、告警信息和充電樁參數信息等，能通過充電控制指令控制充電樁的啟、停，能夠對直流充電樁的輸出充電功率進行控制。③虛擬FCC支持以下功能（也可以實現透傳，在上位油品/氣品/電力控制服務器上實現）。黑名單存儲功能;交易記錄存儲;認證結算模型存儲功能;遠程升級功能;RTC時鐘和校正功能;掉電檢測功能。

（7）洗車機功能。洗車機數據讀取功能，訪問汽車機終端設備或者云平臺主機，獲取及設置參數信息（狀態、收費模式、用戶數據、模式、交易、支付等數據）。

3.4 站級管理信息系統及應用

目前，B/S架構已成為Web開發的流行方式，該模式是Brower對Web Server直接訪問，因此用戶只需要通過站內電腦的瀏覽器輸入指令，就可以實現對室外油槍進行鎖槍、授權等控制。為了貼合加油站的實際業務場景，本研究開發了一套站級管理信息系統。在室內POS系統中，可以瀏覽交易信息和油槍狀態，同時通過點擊頁面按鈕實現對油機油槍的控制。在站級運行的軟硬件環境中，并沒有前庭控制器硬件設備，取而代之的則是虛擬FCC軟件Fuel，信息系統讀取的數據全部來自Fuel，同時基于改造后協議開發的Fuel，也在通信報文中增加了更多信息。

4 總結與展望

本文基于對油機通信IFSF協議的研究和改造，設計并開發了一套虛擬FCC軟件Fuel，不僅支持IFSF協議及完整的油機交易數據管理，還能實現與云平臺的數據通信，同時支持后臺信息系統實現豐富的功能，滿足站級日常業務需求。

在實際應用中，虛擬FCC具有以下優勢：復用率高，可以針對不同廠商修改相關配置，不用再次開發;相對硬件設備故障率低;成本低，當站點的前庭設備越多時，用虛擬FCC代替硬件設備邊際成本越低。

參 考 文 獻

[1]江衛星.加油站前庭控制器研究與實現[J].中國石油和化工標準與質量，2011，31（12）：88.

[2]任旭虎，蔡麗娟，楊磊.加油站前庭控制器研究與實現[J].工業儀表與自動化裝置，2010（3）：37-42.

[3]鐘柯佳.基于IFSF協議的加油站前庭控制器設計[D].北京：中國地質大學，2010.

[4]張振生.基于IFSF協議的加油站前庭控制器設計[D].重慶：重慶大學，2009.

[5]向婕.嵌入式加油站前庭控制器研究及設計[D].重慶：重慶大學，2008.

[6]楊小義.基于IFSF協議的加油站前庭控制器軟件系統研究[D].重慶：重慶大學，2007.

[7]石永財.基于IFSF協議的加油站前庭控制器設計研究[D].重慶：重慶大學，2007.