行業(yè)應(yīng)用
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在天然氣企業(yè)中的運用
隨著移動物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展和突破，燃?xì)獗碇悄苡嬃窟M(jìn)入一個新階段。2017年8月，深圳燃?xì)饧瘓F(tuán)采用NB-IoT技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表試點工作，首批6000用戶開戶成功，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)傳抄表等系列功能。
這一試點標(biāo)志著我國NB-IoT智能燃?xì)鈨x表走進(jìn)實際應(yīng)用階段。從最初IC卡智能燃?xì)獗淼阶钚碌腘B-IoT燃?xì)獗恚悄苋細(xì)鈨x表不斷在實時傳輸、安全監(jiān)控、客戶服務(wù)端等方面優(yōu)化，為燃?xì)夤局悄芑芾砗痛髷?shù)據(jù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
智能燃?xì)獗淼陌l(fā)展背景及誕生
燃?xì)獗硎侨細(xì)庀到y(tǒng)的重要組成部分，對燃?xì)馄髽I(yè)的安全運營、服務(wù)質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益等都有著較大的影響。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展以及天然氣階梯氣價政策的實施，新時期燃?xì)馄髽I(yè)所面臨的入戶抄表、安檢、監(jiān)管、調(diào)價、結(jié)算、事故等問題日益突顯。燃?xì)馄髽I(yè)一方面要實現(xiàn)發(fā)展盈利的目標(biāo)，另一方面還應(yīng)及時、準(zhǔn)確地將分散的用戶數(shù)據(jù)采集回企業(yè)，為后續(xù)的經(jīng)營做決策。燃?xì)庥嬃績x器作為用戶用氣數(shù)據(jù)采集的終端設(shè)備，是燃?xì)馄髽I(yè)實現(xiàn)智能化管理的前提，也是進(jìn)一步實現(xiàn)大數(shù)據(jù)服務(wù)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的燃?xì)獗盹@然已經(jīng)達(dá)不到這樣的要求，跨界合作應(yīng)運而生，借助通訊技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，燃?xì)鈨x表在智能化的道路上越走越遠(yuǎn)。
一般理解在燃?xì)饣砩霞尤肽承┠K，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制等功能的燃?xì)獗砜煞Q為智能燃?xì)獗?。國外的智能燃?xì)獗碜钤?983年在日本使用，我國的智能燃?xì)鈨x表從1995年研制IC卡表開始起步。目前國內(nèi)外在智能燃?xì)鈨x表技術(shù)上差距不大，均在物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗黼A段發(fā)力布局。從智能燃?xì)鈨x表的發(fā)展來看，智能燃?xì)鈨x表從最初的只能實現(xiàn)預(yù)收費和控制功能發(fā)展到目前集數(shù)據(jù)感知、空中儲值、查詢、遠(yuǎn)程監(jiān)控、實時預(yù)警等功能為一體的過程一共經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。
智能燃?xì)鈨x表的開端--卡式燃?xì)獗?
卡式燃?xì)獗淼墓δ苤饕w現(xiàn)在兩方面：一是預(yù)收費；二是用氣控制。其核心在于購氣卡，用戶與燃?xì)夤局g的交易以及用戶使用燃?xì)舛际峭ㄟ^購氣卡來體現(xiàn)的，通過設(shè)置在燃?xì)獗碇械淖x卡裝置來對購氣卡數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，自動調(diào)整燃?xì)忾y門的關(guān)閉與打開。
在卡式燃?xì)獗碇?，根?jù)購氣卡類型的差異，可以將其分為IC卡燃?xì)獗?、CPU卡燃?xì)獗?、射頻卡燃?xì)獗砣N?？ㄊ饺?xì)獗砉δ苁滞晟?，主要包括預(yù)付費功能、提醒功能、欠費閥門關(guān)閉控制功能、補(bǔ)氣驗證、非法卡識別功能等。通過卡式燃?xì)獗淼睦?，不僅可以解決傳統(tǒng)入戶收費的弊端，實現(xiàn)了用戶的自動繳費，有效避免用戶欠費問題，提高燃?xì)馐褂玫陌踩浴?
目前我國最常用的是IC卡燃?xì)獗?，其是以膜式燃?xì)獗頌橛嬃炕恚訧C卡為媒體，加裝電子控制器所組成的一種有預(yù)付費功能的燃?xì)庥嬃垦b置。IC卡燃?xì)獗碇饕赡な饺細(xì)獗?基表)、采集信號單元(量值傳感器、磁鋼)、控制器單元(計費器)、執(zhí)行器(電磁閥等)、媒體(IC卡)、電源組成。
IC卡表具有自動收費功能，一戶一表一卡，用戶將費用交給燃?xì)怃N售部門，銷售部門將購氣量通過計算機(jī)管理系統(tǒng)寫入IC卡中，用戶將IC卡再插入IC卡燃?xì)獗碇校憧色@得所購燃?xì)饬康氖褂脵?quán)限。在用戶用氣的過程中，IC卡智能表中的微電腦自動核減剩余氣量，所購氣量用盡后便會自動關(guān)閥斷氣，用戶需重新購氣方能再次使IC卡燃?xì)獗黹_閥供氣。
CPU卡在常規(guī)IC卡基礎(chǔ)上添加CPU智能卡以及嵌入式安全模塊ESAM作為數(shù)據(jù)信息存儲和傳遞的介質(zhì)，大大提升了卡表的信息儲存能力，強(qiáng)化了安全性和抗攻擊性，并可實現(xiàn)CPU卡的金融功能。
射頻卡在基表基礎(chǔ)上加裝微電腦芯片和射頻卡操作系統(tǒng)，以射頻卡為媒介，實現(xiàn)了更多功能，比如：報警提示功能、閥門異常計量功能、防磁干擾功能、一卡多表功能等。
卡式燃?xì)獗肀M管實現(xiàn)了計量收費和控制功能，但普遍存在著抗干擾能力差、電源不持久、閥門易故障、卡座易損壞等缺陷；卡式表無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸，燃?xì)夤疽矡o法及時準(zhǔn)確的了解用戶用氣量情況；由于無法實時監(jiān)管，容易造成用戶端燃?xì)馐鹿剩蝗绻麑嵤┬職鈨r，卡式表需要人工調(diào)整其計費方式，工作量大，不利于燃?xì)夤矩攧?wù)及供銷差統(tǒng)計。
智能燃?xì)獗砼c通訊技術(shù)初次結(jié)合-- 遠(yuǎn)傳燃?xì)獗?
遠(yuǎn)傳燃?xì)獗硎侵妇哂谢頂?shù)據(jù)讀取和遠(yuǎn)傳功能的燃?xì)獗?，其基表?shù)據(jù)讀取采集是由數(shù)據(jù)傳感器完成的，再利用無線或有線通訊方式，實現(xiàn)基表讀取數(shù)據(jù)與燃?xì)夤臼召M管理系統(tǒng)中心的信息傳輸，從而實現(xiàn)對燃?xì)獗淼倪h(yuǎn)程抄表，在收費管理系統(tǒng)中完成對氣量的計算和費用的結(jié)算。在遠(yuǎn)傳燃?xì)獗碇?，主要是有線遠(yuǎn)傳表、無線遠(yuǎn)傳表兩種類型。
有線抄表系統(tǒng)主要由燃?xì)獗?、采集器和手持機(jī)構(gòu)成。燃?xì)獗硗ㄟ^通信總線與采集器相連，采集器定期采集燃?xì)獗頂?shù)據(jù)并存儲于芯片中。工作人員通過手持機(jī)讀取采集器中所存儲的燃?xì)獗頂?shù)據(jù)并將其上傳到燃?xì)馄髽I(yè)后臺管理系統(tǒng)。
該系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄讀數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程監(jiān)測，有線遠(yuǎn)傳表不需電源、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，解決了抄表難、檢測難的問題，但施工布線復(fù)雜，施工、安裝、維護(hù)成本較高，依然需要配備人員去各采集器中下載數(shù)據(jù)。
無線遠(yuǎn)傳表利用短距離無線網(wǎng)絡(luò)將燃?xì)獗淼挠嬃繑?shù)據(jù)傳輸?shù)诫娮訑?shù)據(jù)采集器/集中器，采集器/集中器和數(shù)據(jù)中心之間可以選擇GPRS、CDMA、3G或短信的通信方式。短距離無線網(wǎng)路一般采用調(diào)制解調(diào)通信技術(shù)，而智能燃?xì)獗磉h(yuǎn)程無線技術(shù)中最為常見的有GFSK高斯頻移鍵控技術(shù)和LoRa擴(kuò)頻技術(shù)。GFSK高斯頻移鍵控技術(shù)是把輸入數(shù)據(jù)經(jīng)高斯低通濾波器預(yù)調(diào)制濾波后，再進(jìn)行FSK調(diào)制的數(shù)字調(diào)制方式。它具有恒幅包絡(luò)、功率譜集中、頻譜較窄等特性。LoRa擴(kuò)頻技術(shù)是一種專用于無線電調(diào)制解調(diào)的技術(shù)，融合了擴(kuò)頻技術(shù)、前向糾錯編碼技術(shù)以及數(shù)字信號處理技術(shù)，使其傳輸距離變長，無需中繼器，功耗降低，抗干擾性和安全性也得以提高。
無線智能燃?xì)獗沓斫鉀Q方案也分成了三種形式：
無線手持機(jī)抄表方案
無線燃?xì)獗硗ㄟ^自身攜帶的無線通信模塊與采集器實現(xiàn)無線通信，采集器定期主動采集燃?xì)獗淼臄?shù)據(jù)并儲存，工作人員通過手持機(jī)與采集器通信將表中的數(shù)據(jù)下載到手持機(jī)中。此種抄表系統(tǒng)中的通信方式均為短距離通訊網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)僅僅將有線抄表技術(shù)更換成無線通訊，依然需要工作人員定期將數(shù)據(jù)下載到手持機(jī)中，比較落后。
GFSK遠(yuǎn)程集中抄表方案
GFSK遠(yuǎn)程集中抄表方案，用集中器代替手持機(jī)，進(jìn)一步減少了人工成本，改善了無線手持機(jī)抄表；但集中器的投入以及通信流量費用的產(chǎn)生，造成成本較高。該系統(tǒng)由無線智能燃?xì)獗怼?shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)集中器構(gòu)成，采用GFSK高斯頻移鍵控技術(shù)實現(xiàn)燃?xì)獗砼c采集器的通信。無線燃?xì)獗砼c數(shù)據(jù)采集器采用短距離通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)集中器之間多采用電力載波通信(利用已布置的電線)或一些標(biāo)準(zhǔn)的自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信(無線)，集中器與燃?xì)馄髽I(yè)后臺管理系統(tǒng)采用GPRS通信。
LoRa遠(yuǎn)程集中抄表方案
LoRa技術(shù)是由全球知名模擬混合信號與半導(dǎo)體供應(yīng)商Semtech公司發(fā)布的一種專用于無線電調(diào)制解調(diào)的技術(shù)，融合了數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)和前向糾錯編碼技術(shù)，擁有前所未有的性能。由于LoRa技術(shù)融合了多項先進(jìn)技術(shù)，綜合了多種技術(shù)的優(yōu)越性，其最大的特點在于可以在同等功耗下取得更遠(yuǎn)的通信距離，無需中繼器，功耗降低，抗干擾性和安全性也得以提高，主要適用于低速率通信，如燃?xì)獗沓?、水表抄表、溫濕度監(jiān)測燈光控制等。
LoRa遠(yuǎn)程集中抄表方案，由無線智能燃?xì)獗怼?shù)據(jù)集中器構(gòu)成，主要是利用LoRa所融合的前向糾錯編碼技術(shù)和擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。雖然LoRa技術(shù)比GFSK技術(shù)要性能更優(yōu)，但LoRa射頻芯片的價格比傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)的芯片高許多，提高了智能燃?xì)獗淼某杀?，而且存在傳輸速率和傳輸?shù)膶崟r性上較差，通信信息量少等問題，需要進(jìn)一步發(fā)展。
盡管遠(yuǎn)傳式的燃?xì)獗韺崿F(xiàn)了計量收費與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，但普遍來說燃?xì)獗肀旧聿⒉恢悄?，僅是在普通膜式表的基礎(chǔ)上添加了智能轉(zhuǎn)換模塊。
遠(yuǎn)傳燃?xì)獗矶即嬖谝韵鹿残詥栴}：
(1)表具仍按體積計量收費，不能按熱值計量收費。
(2)電源問題沒有得到根本解決，還需要電池供電。
(3)智能燃?xì)獗淼某杀据^高，尤其是短信表，這在一定程度上制約了智能燃?xì)獗淼耐茝V及應(yīng)用。
(4)國家還沒有建立智能燃?xì)獗硇袠I(yè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系，這給產(chǎn)品設(shè)計、制造、實驗、驗收、管理等方面帶來諸多不便和影響；系統(tǒng)廠商們的開發(fā)能力參差不齊，行業(yè)內(nèi)同類產(chǎn)品接口及協(xié)議不統(tǒng)一、不兼容，產(chǎn)品形式與功能不規(guī)范。這不但增加了抄表的運營維護(hù)成本，而且多種數(shù)據(jù)格式給燃?xì)夤竞罄m(xù)的賬務(wù)平臺處理帶來了諸多的不便。
智能燃?xì)獗淼闹悄芑缭?-物聯(lián)網(wǎng)表
物聯(lián)網(wǎng)表抄表方案摒棄了短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)而采用移動通信網(wǎng)絡(luò)。在有人居住的區(qū)域幾乎不存在通信盲區(qū)，通信費用越來越低，通訊可靠、穩(wěn)定和安全得到保證。物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗硎峭ㄟ^移動通信運營商的GSM/GPRS無線公網(wǎng)，以膜式燃?xì)獗頌榛A(chǔ)加裝電子控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳及控制的燃?xì)庥嬃科骶摺?
根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)的不同，物聯(lián)網(wǎng)表也細(xì)分為兩個領(lǐng)域：GPRS物聯(lián)網(wǎng)表和NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)表。
GPRS物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗硎遣捎梦锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，以膜式燃?xì)獗頌榛恚友bGPRS通信模塊(SIM卡)，借助互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)其與燃?xì)馄髽I(yè)后臺管理系統(tǒng)直接通信，具有雙向?qū)崟r通訊、計量、實時監(jiān)測、實時調(diào)價、實現(xiàn)階梯氣價等功能的新型燃?xì)庥嬃績x器。
GPRS(General Packet Radio Service，通用無線分組業(yè)務(wù))是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)所采用的GPRS通信技術(shù)分為兩種：GPRS短信方式通信和GPRS流量方式通信。
(1)采用GPRS短信通信的物聯(lián)網(wǎng)表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)
GPRS短信通信的物聯(lián)網(wǎng)表通過電信運營商網(wǎng)絡(luò)與燃?xì)馄髽I(yè)后臺管理系統(tǒng)直接交換數(shù)據(jù)，相對于自組網(wǎng)無線通信智能燃?xì)獗?，通信穩(wěn)定性高、通信成本低、施工時間短，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄讀數(shù)據(jù)，可以控制燃?xì)獗淼倪\行及進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。；但同時也存在實時性不高、維護(hù)升級成本高及電源供電等問題，實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用仍需技術(shù)突破與創(chuàng)新。
(2)采用GPRS流量通信的物聯(lián)網(wǎng)表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)
GPRS流量通信的物聯(lián)網(wǎng)表直接通過GPRS的數(shù)據(jù)格式發(fā)送給基站。相對于GPRS短信通信，實時性更高、傳輸速度更快；但是也存在著數(shù)據(jù)量傳輸過大，功耗較大，電池不能持久的問題，存在電氣安全隱患且會產(chǎn)生通信費用。
(3)GPRS物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗淼木窒扌?
相比于一般的具有遠(yuǎn)傳功能的智能燃?xì)獗恚珿RPS物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗砝霉镁W(wǎng)絡(luò)，直接與燃?xì)馄髽I(yè)后臺管理系統(tǒng)進(jìn)行交互，可以實現(xiàn)用氣量的實時監(jiān)測及燃?xì)獍踩膶崟r監(jiān)控。但GPRS通信技術(shù)應(yīng)用于智能燃?xì)獗砩先源嬖赟IM卡升級困難、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍存在死角、電氣安全性差等局限性，實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用仍需技術(shù)突破與創(chuàng)新。計量對象天然氣具有易燃易爆特性，因此對電氣安全的要求較高。GPRS通信方式由于其本身的通信特點，工作電流和發(fā)射功率較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了燃?xì)獗淼募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，存在很大安全隱患。
NB-IoT是指基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things)，已成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支，作為IoT領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，NB-IoT支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋(LPWA)物聯(lián)網(wǎng)市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)，使用1GHz以下的授權(quán)頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨立載波三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。
NB-IoT技術(shù)更適合海量連接、廣泛部署，將在以公共事業(yè)(包括城市燃?xì)?為重點的智慧城市領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：
NB-IoT具備五大特點：一是廣覆蓋，將提供改進(jìn)的室內(nèi)覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20dB，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力；二是具備支撐海量連接的能力，NB-IoT一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；三是更低功耗，NB-IoT終端模塊的待機(jī)時間可長達(dá)10年；四是更低的模塊成本，企業(yè)預(yù)期的單個接連模塊不超過5美元。五是功耗低，僅需配備電池，設(shè)備就能運行10年以上，且中途無須充電。
總結(jié)與展望
盡管在技術(shù)上，智能燃?xì)鈨x表已經(jīng)實現(xiàn)了越來越多的功能，但目前我國燃?xì)鈨x表的市場依然被大多數(shù)中低端的普通膜式表和IC卡表占據(jù)。雖然舊燃?xì)獗砀鼡Q成智能表的需求潛力巨大，但對燃?xì)夤径?，大范圍更換燃?xì)獗硇枰罅抠Y金投入，燃?xì)獗砣嫔壣行钑r日。在現(xiàn)階段，我國多種燃?xì)獗聿⒋娴默F(xiàn)狀依然要延續(xù)下去。
隨著電子信息技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)獗淼闹悄芑瓦h(yuǎn)程管理及服務(wù)成為燃?xì)獗戆l(fā)展的主要方向，這離不開遠(yuǎn)程通信技術(shù)的支撐，遠(yuǎn)程通信技術(shù)的發(fā)展水平直接決定燃?xì)獗淼闹悄芑瓦h(yuǎn)程管理及服務(wù)的實現(xiàn)效果。
可以預(yù)見，未來智能燃?xì)獗韺⒃跀?shù)據(jù)高效、實時、準(zhǔn)確傳輸，信息安全，能量供給，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面持續(xù)發(fā)力。未來的智能燃?xì)鈨x表將具有以下特征：(1)有更加成熟的數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)功能，可實現(xiàn)實時、雙向傳輸，具有在線自校準(zhǔn)的能力。(2)和國際接軌，不但有階梯計價功能，還具有熱值計量功能，為消費者和燃?xì)夤咎峁┮粋€公平的交易平臺。(3)能與智能(電)網(wǎng)無縫連接，電池只是起到輔助、備用的作用。(4)在兼容性方面，加入相應(yīng)的入網(wǎng)協(xié)議，使燃?xì)馄髽I(yè)用一套控制管理系統(tǒng)可靈活使用各供應(yīng)商供應(yīng)的燃?xì)獗?，提高燃?xì)獗磉x擇靈活性及入網(wǎng)運行可靠性。技術(shù)上的投入需要市場不斷產(chǎn)出，為此，一方面，我們要緊緊抓住技術(shù)前沿，實現(xiàn)燃?xì)鈨x表進(jìn)一步智能化；另一方面，我們要不斷的培育、開拓市場，爭取從政策上、市場上推進(jìn)智能燃?xì)鈨x表的快速應(yīng)用。
