摘 要：本文分析了智能地锁在目前充电桩使用中的重要性，总结了当前电动车充电遇到的燃油车占位情况，并设计了基于智能地锁管控充电车位的系统架构。对该系统中的关键技术和充电完整业务流程进行了研究，最终设计并实现了该系统。该智能地锁已经成功应用于国内某电动汽车充电运营商的试点城市中，取得了良好的效果。
关键词：电动汽车；充电桩；预约充电；智能地锁
作者介绍：
武圣（1986.02-），男，汉族，山西大同人，大学本科。
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）03-0000-04
Technical Research and Design Based on Smart Ground Lock to Solve FuelTruck Occupancy and Charge Reservation
WU Sheng1，YI Zheng1，SUN Yukun1，RU Zhen2
（1.Potevio New Energy Co.，Ltd.，Beijing 100080，China；2.China Potevio Information IndustryInc，Beijing 100080，China）
Abstract：This paperanalyzes the importance of intelligent lock in the use of current chargingpiles，sums up the position of the fuel vehicle in thecurrent electric vehicle charging，and designs a systemarchitecture based on the intelligent lock tube and control charging station.The key technologies and the complete business process of the charging systemare studied，and the system is finally designed andimplemented. The intelligent lock has been successfully applied to a pilot cityof an electric vehicle charging operator in China，andachieved good results.
Keywords：electric vehicle；charging pile；reservation charging；intelligent lock
0 引 言
能源枯竭是世界范围的重大问题。基于此我国大力推动电动车的发展，使用可再生的清洁能源使我国遇到的能源枯竭和环境问题得到很大程度的解决。电动汽车是集机械、电子、电机、智能控制、化学能源、计算机、新材料等科学领域和工程技术最新成果于一体的成果。
电动汽车作为全球正在培育和发展的战略性新兴产业之一，是未来汽车工业发展的方向，也是第三次工业革命的五大支柱产业之一。为了推进电动汽车发展，电力企业和社会资本投资建设了大量的充电设施，并建设了充电设施一体化智能管理平台（以下简称“平台”），为电动汽车充电提供服务支撑。平台面向电动汽车用户提供充电预约等一系列智能化服务，很大程度上实现了电动汽车用户在充电方面要求的方便、快捷和高效。
在我们大力发展充电桩的基础充电设施时，本该服务于充电车的停车位，经常会被燃油车占用，导致充电桩大部分时间闲置，造成资源的浪费。基于此我们研究并开发了停车位的智能升降地锁控制系统，全方位监控停车位，以便该车位用于真正需要的电动汽车用户。
本文以平台为依托，以手机APP为媒介，结合充电桩硬件设施，融合GIS技术、互联网技术，针对用户的充电服务需求，研究智能地锁在电动汽车用户充电预约服务流程中的智能应用。本设计保证了电动汽车可以快速预约到可以使用的充电桩，缩短了用户充电等待时间，同时提高充电设施的利用效率，满足了更多电动汽车用户充电服务需求。
1 电动汽车充电预约服务现状研究
目前，电动汽车用户可通过访问充电桩运营平台网站或手机APP来查询空闲充电桩，进行预约充电，但这种预约方式存在太多不确定的因素。最主要的是用户预约成功之后，充电停车位被燃油车或者其他社会车辆占用导致不能充电，导致充电桩的使用率降低，用户的充电体验较差。
本文通过分析研究用户充电预约服务的各种场景，如图1所示为基于智能地锁APP充电流程设计的一套基于智能地锁与平台关联的系统结构，保证了用户进行充电预约服务同时可以快速地找到空闲充电桩和空闲车位。并制定易于操作、易于推广的充电预约服务业务管理办法。
图1 基于智能地锁APP充电流程图
2 智能地锁在预约充电中的系统架构设计
使用智能地锁的过程需要与充电桩的状态保持一致，使用户选择充电桩时的同时也选择地锁。保证了充电桩和停车位的状态一致，才可以针对充电预约服务进行大力推广。
图2 基于智能地锁APP充电系统架构图
如图2所示为基于智能地锁APP充电系统架构图，本架构提供对地锁与充电机一对一关联关系的管理，地锁的状态通过实时指令传送至平台，平台根据地锁实时状态与充电机进行关联，实现停车位资源和充电机资源的同步管理。
用户可以通过手机APP对地锁进行控制，通过智能地锁和充电桩的充电订单可以推算出充电桩和停车位的实际利用率，企业可以根据真实情况进行资源的调配，实现资源的合理和高效利用。
3 智能地锁控制的关键技术
在云服务中部署智能地锁服务器，与所有的地锁进行通信，由业务控制层调用地锁服务来控制地锁的升降。因为智能地锁和充电桩对用户来说是共享的资源，所以会存在资源竞争的问题。按照一般的思路，用户预约的伪代码如下，
定义充电桩类：
publicabstractclass Equipment {
public String id;// 充电桩编码
publicInteger status;// 充电桩状态
// 获取充电桩状态
publicabstract Integer getStatus();
// 设置充电桩状态
publicabstractvoid setStatus(Integer status);
// 预约充电桩
publicabstractboolean reserve();
}
定义地锁类为：
publicabstractclass Elock {
public String id;// 地锁编码
publicInteger status;// 地锁状态
// 获取地锁状态
publicabstract Integer getStatus();
// 锁定地锁
publicabstractboolean lock();
}
预约时的代码逻辑大概如下：
//同时判定充电桩当前状态和地锁当前状态都可以被预约时，才能预约
if (equipment.getStatus!= 1
&&elock.getStatus != 1)
{
equipment.reserve();
equipment.setStatus(1);
elock.lock();
}
在实际生活中，往往会出现用户A申请预约的同时，用户B也在申请预约，而且两个预约申请是在两个线程中同时执行的，也就是说，两个用户很有可能会同时在if的判定中发现充电桩没有预约而通过判定，在绑定信息的时候就发生了异常。借助于同步锁可以保证这段代码一次只有一个线程在执行，这样就解决了两个用户一起预约而发生异常问题。
但随着研究的深入，发现不仅仅在预约的过程中会发生冲突，预约充电和控制地锁也会发生冲突。比如用户A在进行预约申请，用户B在进行降下地锁操作。就很可能出现用户A通过了预约的条件判定后，地锁被用户B操作下降，变成了不可预约的状态，从而造成代码逻辑上的错误。如果将地锁控制和预约申请整合到一个同步模块中会极大地影响其性能，这种做法也是不可取的。本文针对这个场景，基于乐观锁思想和原子操作的特性设计了充电预约和地锁控制的执行方案，具体如下：
在共享缓存数据库redis中，为每一个充电桩和地锁设置一个状态值，通过compareAndSet这一个原子操作，对代码执行的状态判定进行设计。compareAndSet操作是基于cpu原子操作命令设计的，也就是说这个命令是不可打断的，在cpu执行的过程中，要么一次执行完成，要么不执行，在充电桩类中修改status属性且增加方法：
publicabstractclass Equipment {
publicString id;// 充电桩编码
publicAtomicInteger status;// 充电桩状态
// 获取充电桩状态
publicabstractInteger getStatus();
// 设置充电桩状态
publicabstractvoid setStatus(Integer status);
// 判定充电桩当前状态为未预约，同时设置成已预约状态
publicabstractboolean compareAndset(Integer before, Integer now);
// 预约充电桩
publicabstractboolean reserve();
}
预约伪代码为：
//同时判定充电桩当前状态和地锁当前状态都可以被预约时，才能预约
if (equipment.compareAndset(0,1)
&&elock.compareAndset(0,1)) {
equipment.reserve();
equipment.setStatus(1);
elock.lock();
}
当任意一个用户申请预约或控制地锁时，只要判定条件通过，就会把相应状态同时设置成不可用，这时如果有其他用户线程执行到相应代码时，判定条件就会失败，从而保证了操作的安全性。
4 结 论
本文研究了目前电动汽车的充电预约服务中增加智能地锁的业务管理设计及技术实现逻辑。通过对目前充电预约服务的现状分析，在业务流程上对充电预约进行了详细设计。同时在智能地锁管理设计的探索与实践中，解决了充电预约服务中遇到的关键问题，为电动汽车充电设施建设积累了经验，给电动汽车今后的智能服务运营提供了重要引擎。相信充电预约服务业务管理必将为电动汽车的推广应用以及低碳经济的迅速发展起推动作用。
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