國家重點研發(fā)計劃《燃料電池發(fā)動機及商用車產(chǎn)業(yè)化技術與應用》由濰柴動力股份有限公司牽頭，北京理工大學負責完成燃料電池汽車與加氫基礎設施監(jiān)控與管理平臺的設計和研發(fā)。該平臺針對“燃料電池商用車和加氫站運行數(shù)據(jù)的多源、異構、離散”，“不同類型車輛和加氫設施數(shù)據(jù)實時高效的批量處理技術”，“燃料電池商用車綜合性能指標評價”等關鍵技術問題，利用機器學習和深度學習算法進行數(shù)據(jù)分析和挖掘，構建燃料電池商用車、加氫站安全評估與技術評價體系。


圖1 系統(tǒng)邏輯架構圖

燃料電池汽車與加氫基礎設施監(jiān)控與管理平臺需要滿足高擴展性、高可靠性、高容錯性、高吞吐率等要求。該平臺系統(tǒng)IT架構基于Hadoop大數(shù)據(jù)生態(tài)、微服務設計而成，平臺由數(shù)據(jù)采集層、軟硬件技術支持層、分析計算層、大數(shù)據(jù)可視化展示層、運維管理五部分組成（圖1）。

1. 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用分布式接入的設計模式，能通過橫向擴充接入服務的形式進行接入能力擴充，具有良好擴展性。針對自定義數(shù)據(jù)處理使用模塊化設計模式，實現(xiàn)熱插拔插件式部署，可在不重啟服務的情況下通過熱部署模式實現(xiàn)插件部署，從而達到不同數(shù)據(jù)單元的處理邏輯功能更新。數(shù)據(jù)接入負載均衡，使用負載均衡設備按照配置的算法機制，實現(xiàn)IP流量分配到多個接入點服務器上共同完成數(shù)據(jù)接入任務。

2. 軟硬件技術支持層

軟硬件技術支持層包括七部分子模塊，分別為高速隊列消息模塊、數(shù)據(jù)實時計算模塊、實時緩存模塊、數(shù)據(jù)總線接口模塊、分布式文件庫存儲模塊、分布式索引數(shù)據(jù)庫模塊、分布式關系數(shù)據(jù)庫模塊。核心網(wǎng)絡模塊部分采用的是基于epoll的反應堆模型的高并發(fā)網(wǎng)絡基礎封裝庫；資源控制方面采用連接池管理方案，有效提高內(nèi)存資源的使用效率，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)資源申請和釋放；日志系統(tǒng)采用基于內(nèi)存塊flush方式的延時緩沖存盤模式，有效提升日志書寫速度并保障內(nèi)容完整。

3. 分析計算層

基于前期大數(shù)據(jù)基礎處理模塊提供的數(shù)據(jù)，利用實時計算引擎、離線計算引擎、圖計算引擎和機器學習引擎，使用規(guī)則模型對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗過濾，通過分析數(shù)學模型對電池、電機和整車性能進行分析，從而對燃料電池汽車及加氫基礎設施運維進行統(tǒng)計分析及效果評估。

針對燃料電池系統(tǒng)存在的故障以及相應安全問題，主要從故障診斷以及建立預警機制兩個方面進行解決。

•  故障診斷


圖2 故障診斷系統(tǒng)技術路線

以聚類算法和離群點分析方法為主，通過發(fā)現(xiàn)非相關性的對象點（即偏離聚類中心）電壓點的程度來判斷故障等級，參考不同的距離設置電池電壓閾值來確定故障等級，并將其轉換為電池健康狀態(tài)等級；利用數(shù)理統(tǒng)計學中的方差和標準差知識，根據(jù)時間序列中的數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的季節(jié)變動規(guī)律性，對不同季節(jié)的燃料電池性能差異，提取特征值進行相關性分析，應用神經(jīng)網(wǎng)絡進行電池性能預測?；诠收蠘浞椒ā＜掖蚍址?、層次分析法以及熵值權重法建立低等級故障的可靠性模型、高危故障統(tǒng)計的安全性模型、不同環(huán)境車輛性能差異的環(huán)境適應性模型。

•  安全預警機制

利用新建立的燃料電池汽車安全管理與綜合評價平臺，獲取燃料電池系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)與實時運行數(shù)據(jù)，建立燃料電池、電機系統(tǒng)專家數(shù)據(jù)庫，利用故障等級劃分將故障發(fā)生前的特征進行提取分析，達到預警目的。此外，通過故障類型劃分，利用對應故障特征分析和提取特征參數(shù)，建立系統(tǒng)故障樹模型以及基于大數(shù)據(jù)數(shù)學建模的燃料電池健康狀態(tài)評估模型和遠程故障定位與分析，對故障提前定位達到預警目的。

4. 大數(shù)據(jù)可視化顯示層

大數(shù)據(jù)可視化顯示層主要涉及宏觀展示界面、企業(yè)入口界面、模塊分析界面、結果數(shù)據(jù)展示界面，包括大屏幕監(jiān)視系統(tǒng)、移動端APP系統(tǒng)等。

5. 運維管理體系

運維管理體系以安全策略為核心，以管理為重點，以技術為支撐，以工程方法為指導，根據(jù)業(yè)務特點統(tǒng)一規(guī)劃安全解決架構體系。從物理環(huán)境、系統(tǒng)、網(wǎng)絡、應用和數(shù)據(jù)實現(xiàn)五位一體安全防護，從資產(chǎn)、組織、人員、環(huán)境、運維、訪問控制、系統(tǒng)開發(fā)與維護、安全時間、業(yè)務連續(xù)性和符合性等方面實施運維保障管理。