對GPRS物聯(lián)網(wǎng)燃氣表的應(yīng)用探討

上海大眾燃氣有限公司 顧曉宇

對GPRS物聯(lián)網(wǎng)燃氣表的應(yīng)用探討

上海大眾燃氣有限公司 顧曉宇

從基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)燃氣表在上海大眾燃氣的研發(fā)和應(yīng)用狀況出發(fā)，得出了其在實時采集燃氣數(shù)據(jù)方面的完整性和準確性等優(yōu)點的結(jié)論，也指出了制約其發(fā)展的瓶頸。同時，也探討了基于NB-IOT的物聯(lián)網(wǎng)燃氣表在燃氣行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢和可能面臨的問題。

數(shù)據(jù)遠傳 智能燃氣表 物聯(lián)網(wǎng)燃氣表

0 背景

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，縮寫IOT)的定義是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。天然氣產(chǎn)業(yè)鏈上中下游正在積極引進和采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建信息化管理平臺。基于數(shù)字化技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)而成的天然氣勘探開發(fā)一體化應(yīng)用平臺和油氣田數(shù)字化生產(chǎn)管理系統(tǒng)已經(jīng)有效地提高了天然氣產(chǎn)業(yè)上游的生產(chǎn)效率；基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和遠程通信技術(shù)的數(shù)據(jù)采集與集中監(jiān)控平臺是天然氣管道運行和優(yōu)化管理的核心，有效地促進天然氣中游儲運產(chǎn)業(yè)效率的提升；下游天然氣利用的城市燃氣等行業(yè)引進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時采集燃氣用戶的用氣以及購氣動態(tài)，有效地提高了燃氣行業(yè)運行與營銷的平衡水平和服務(wù)效率。

下游終端用戶企業(yè)，基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)燃氣表已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用多年。GPRS物聯(lián)網(wǎng)燃氣表是通過移動通信運營商的 GSM/GPRS無線公網(wǎng)，以膜式燃氣表為基礎(chǔ)加裝電子控制器，數(shù)據(jù)遠傳及控制的燃氣計量器具結(jié)構(gòu)見圖1。

1 物聯(lián)網(wǎng)燃氣表在上海大眾燃氣的應(yīng)用和研發(fā)

上海大眾燃氣試用 GPRS物聯(lián)網(wǎng)燃氣表始于2008年，自2009年開始，小批量使用在世博園區(qū)及其他非居民燃氣皮膜表用戶。目前，因管理需要，基于 GPRS的物聯(lián)網(wǎng)燃氣表推薦應(yīng)用在 10 m3至100 m3非居民燃氣用戶表端。

圖1 GPRS物聯(lián)網(wǎng)表系統(tǒng)

1.1 GPRS物聯(lián)網(wǎng)燃氣表采集技術(shù)研發(fā)

2015年，大眾燃氣針對在線應(yīng)用的第一代基于GPRS物聯(lián)網(wǎng)表的采集技術(shù)和數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、進行了研制和優(yōu)化，著重研制數(shù)據(jù)(信號)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和完整性，對公司客戶管理信息平臺的后臺進行了整合，對采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用也有所加強和提升(研制路徑見圖2)。

圖2 研制路徑

在 GPRS智能燃氣表的信息采集技術(shù)研發(fā)方面，除完善燃氣表數(shù)據(jù)定時采集并保存(表盤讀數(shù)、電池電壓、溫度、采樣時間等)、定時開啟無線通信功能上傳已采集的數(shù)據(jù)、接收及啟用后臺服務(wù)器下發(fā)的工作參數(shù)等已有常用功能外，在智能燃氣表原有的功能基礎(chǔ)上進行了技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)了一些定制功能，產(chǎn)品功能及性價比有提升，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)電池續(xù)航能力新型 GPRS無線智能遠傳表首次現(xiàn)場安裝時采用即時開通模式(感應(yīng)開關(guān)觸發(fā))，并且在開通時能及時通過聲音提示確認燃氣表與后臺的無線通信是否正常，從而提高了一次安裝成功率。由于采用現(xiàn)場即時開通模式，在開通前電量零損耗，安裝前存放不降低電池的使用壽命；優(yōu)化了通信的啟動和鏈接流程，使通信時間比常規(guī)方法可以節(jié)省20%，提高了速度且延長電池的使用時間；表內(nèi)低功耗電路使電路的靜態(tài)功耗小于8 uA，能有效地延長電池使用壽命；電池具有可擴展性，支持遠傳表可靠地工作。

(2)采集數(shù)據(jù)的完整性和準確性燃氣表定時開啟無線通信功能，上傳燃氣表中已采集和儲存的數(shù)據(jù)。若設(shè)置的上傳時間已到，則將未上傳的所有記錄通過GPRS模塊撥號連接網(wǎng)關(guān)用TCPIP方式進行傳輸，保證數(shù)據(jù)的完整性；技術(shù)解決表盤防誤讀的軟件算法，自動過濾異常讀數(shù)(表盤進位時產(chǎn)生的非穩(wěn)態(tài)異常數(shù)據(jù))，保證讀數(shù)的準確性。

(3)異常監(jiān)測設(shè)計檢測電路進行防作弊監(jiān)控，燃氣表能夠檢測自身在三維幾何空間內(nèi)的運動；檢測角度傳感器偏離和外罩脫離信號是否產(chǎn)生，以及表盤外罩打開動作，記錄作弊并上傳后臺服務(wù)器；監(jiān)測電池的容量，實現(xiàn)電池低容量報警(用異常電壓表示)。

同時，通過與中國移動等通信運營商建立新型的合作模式，使GPRS通信費大級別降低，從而使整個GPRS無線智能遠傳表系統(tǒng)的運營成本降低。由于通信資費方式的改變，避免了第一代遠傳表出現(xiàn)由于欠費問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法及時上傳，從而使系統(tǒng)運行的可靠性進一步得到提高。

1.2 GPRS物聯(lián)網(wǎng)燃氣表的應(yīng)用效果

就目前的應(yīng)用而言，基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)燃氣表在上海大眾燃氣可以準確抄見燃氣表讀數(shù)，可以及時結(jié)算燃氣費用，減少產(chǎn)銷差的周期性統(tǒng)計誤差；更精確完整地提供了用戶用氣負荷的變化情況，為燃氣輸售氣預(yù)測和平衡提供依據(jù)；有效掌握用戶的用氣特征，發(fā)現(xiàn)各類異常用氣，重點監(jiān)控偷氣、漏氣，及時報警處理，減少公司損失；新型的通訊管理及資費結(jié)算模式，遠程表具維護，運行成本得到了有效減低。

2 GPRS物聯(lián)網(wǎng)燃氣表用于終端計量的制約因素

2.1 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的制約

中國移動雖然沒有透露2G退網(wǎng)的計劃，但早在2014年已決定停止2G的投資；中國聯(lián)通已列出了對于2G/3G退網(wǎng)的明確計劃；中國電信已于2017上半年實現(xiàn)800M LTE/VoLTE/NB-IOT全網(wǎng)覆蓋。這些，都意味著2G的相關(guān)應(yīng)用都將是有時效的，作為GPRS網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方的燃氣公司不得不早日作出選擇和應(yīng)對。

2.2 技術(shù)發(fā)展的制約

GPRS通信技術(shù)受基站覆蓋范圍的限制，在通信條件差的地方存在通信死角，因此，GPRS燃氣表的實際抄收率始終不可能達到 100%。在網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到或出現(xiàn)通信死角的區(qū)域即使增設(shè)中繼放大器，有時也未必能達到如期效果；電池功耗問題始終揮之不去，功耗大，電池壽命短。

2.3 安全制約因素

沒有物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，燃氣表的信息安全得不到保證；開關(guān)閥電流大，閥控是否可靠值得商榷；智能燃氣表由于天然氣具有易燃易爆性，對通信電流和功率要求較高。

雖然在燃氣行業(yè)終端計量側(cè)，基于GPRS物聯(lián)網(wǎng)燃氣表單機及系統(tǒng)解決了人工抄表一系列問題，具有公網(wǎng)及集散管理特性，為實現(xiàn)大數(shù)據(jù)管理和云端數(shù)據(jù)運行創(chuàng)造了條件，同時為燃氣用戶計量及管理實現(xiàn)智能化和最終實現(xiàn)真正意義上的“智能化”進行了有前瞻性的探索，但綜合上述諸多因素，燃氣公司許多基于網(wǎng)絡(luò)鏈接的服務(wù)場景尚不能通過GPRS得以有效滿足。

3 基于NB-IOT的物聯(lián)網(wǎng)燃氣表應(yīng)用展望

2016年6月16日，NB-IOT技術(shù)協(xié)議獲得3GPP通過，成為史上建立最快的3GPP標準之一，目前已經(jīng)凍結(jié)并可在全球部署。全球主流運營商均對此積極布局，并催生出一系列的商用場景；近期，國內(nèi)三大運營商相繼啟動了NB-IOT商用。

作為風(fēng)口上的技術(shù)，一年多來，NB-IOT炙手可熱，確實給各個物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用參與者諸多想象空間，NB-IOT技術(shù)的功能特性也似乎能很好地解決燃氣企業(yè)運營中所面臨的痛點問題。依托NB-IOT技術(shù)，“實現(xiàn)在線抄表、遠程監(jiān)控、大數(shù)據(jù)分析等，加速推進能源企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)智能化、行業(yè)生態(tài)化、運營智慧化”,這樣的提法與現(xiàn)有傳統(tǒng)燃氣企業(yè)融入互聯(lián)網(wǎng)+的期待不謀而合，同時在業(yè)務(wù)層面，依托NB-IOT技術(shù)，燃氣公司在用戶端安全管理、服務(wù)管理中可以發(fā)揮更多更大的作用,服務(wù)場景可以更加豐富有效。

3.1 基于NB-IOT的物聯(lián)網(wǎng)燃氣表的優(yōu)勢

3.1.1 技術(shù)優(yōu)勢

從理論上講，NB-IOT具備廣覆蓋、海量聯(lián)接、低功耗等優(yōu)勢。廣覆蓋方面，同樣頻段下 NB-IOT比傳統(tǒng)GSM網(wǎng)絡(luò)增益20 dB，能夠大幅改善室內(nèi)、地下等場景的深度覆蓋需求；海量聯(lián)接方面，NB-IOT每扇區(qū)可以提供大約10萬個聯(lián)接，相比現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)多100倍；低功耗方面，NB-IOT功耗僅為GSM的1/10，終端模組使用AA電池可以持續(xù)工作10年。

3.1.2 產(chǎn)業(yè)政策優(yōu)勢

根據(jù)《國家新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》，建設(shè)NB-IOT網(wǎng)絡(luò)成信息通信業(yè)“十三五”的重點工程之一；工信部也全力推動NB-IOT標準化，更指出了NB-IOT商業(yè)化的具體目標，到2017年末，實現(xiàn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋直轄市、省會城市等主要城市，基站規(guī)模達到40萬個；到2020年，NB-IOT網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全國普遍覆蓋，面向室內(nèi)、交通路網(wǎng)、地下管網(wǎng)等應(yīng)用場景實現(xiàn)深度覆蓋，基站規(guī)模達到150萬個。同時，要求推廣NB-IOT在細分領(lǐng)域的應(yīng)用，逐步形成規(guī)模應(yīng)用體系，2017年實現(xiàn)基于 NB-IOT的M2M連接超過2000萬，2020年總連接數(shù)超過6億。

3.1.3 產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈逐步形成優(yōu)勢

從物聯(lián)網(wǎng)的縱向產(chǎn)業(yè)鏈來看，比較長，目前已形成從“底層芯片—模組—終端—運營商—應(yīng)用”的完整產(chǎn)業(yè)鏈。2017年6月27日，華為技術(shù)有限公司聯(lián)合北京燃氣、深圳燃氣、上海燃氣、重慶燃氣、香港中華煤氣、華潤燃氣、新奧燃氣、中國燃氣、昆侖能源和杭州燃氣等十家燃氣運營商，以及以航天能源、上海飛奧為代表的智能設(shè)備與服務(wù)提供商共同成立“NB-IOT智慧燃氣聯(lián)合創(chuàng)新實驗室”和“NB-IOT智慧燃氣生態(tài)圈”。包括運營商、設(shè)備商、終端芯片廠商以及行業(yè)合作的NB-IOT生態(tài)圈正在形成。

3.2 有待解決的問題

筆者認為，雖然NB-IOT風(fēng)頭正勁，但目前在國內(nèi)的應(yīng)用尚處于起步階段，由于燃氣行業(yè)的特殊性，大規(guī)模商用不宜操之過急，可小規(guī)模進行嘗試?；贜B-IOT的物聯(lián)網(wǎng)表在燃氣行業(yè)可能需要解決如下問題：

(1)退網(wǎng)難度。就物聯(lián)網(wǎng)而言，NB-IOT等低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的部署其實與2G退網(wǎng)與否沒有直接關(guān)系，NB-IOT完全可以通過現(xiàn)有頻譜實現(xiàn)全網(wǎng)部署，但是關(guān)鍵在與它與2G在業(yè)務(wù)方面確實存在一定關(guān)聯(lián)。目前來看，較多的目光集中在芯片、模塊和終端成本，若燃氣用戶已部署植入了GPRS模塊的表具終端，這些終端向NB-IOT遷移時需要重新改造終端，這無疑給燃氣公司帶來除了上述成本之外的服務(wù)成本甚至?xí)r間成本。

(2)實際功耗。理論上說，NB-IOT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此NB-IOT設(shè)備功耗可以做到非常小，設(shè)備續(xù)航時間可以大幅提升。但是假設(shè)因其“海量鏈接”在同一NB-IOT物聯(lián)網(wǎng)燃氣表中植入多種傳感器以適應(yīng)多種服務(wù)場景需求并改變數(shù)據(jù)交換頻率，則實際功耗究竟如何還有待進一步試機驗證。

(3)安全問題。與同樣是熱點的 LORA技術(shù)相比，NB-IOT在網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)傳輸是否安全，存儲是否安全，是燃氣公司比較關(guān)注的問題。目前來看，在NB-IOT的運營管理上，運營商都有意運作自己的云平臺，這勢必會對數(shù)據(jù)安全管控意識較強的燃氣公司是否選擇NB-IOT產(chǎn)生一定影響。另外，燃氣表對安全性要求相比水表電表更高，而目前為止，針對NB-IOT燃氣表的安全性測試報道尚無。

(4)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同。因產(chǎn)業(yè)鏈較長，NB-IOT的真正落地規(guī)模化部署在燃氣用戶端也需要多參與方的協(xié)同，尤其在“應(yīng)用為王”的互聯(lián)網(wǎng)時代，雖然芯片、模組非常重要，但真正讓這些裝置發(fā)揮效用，體現(xiàn)交互數(shù)據(jù)的價值的，還是基于各種服務(wù)場景開發(fā)的應(yīng)用軟件，而這些應(yīng)用，最需要有平臺數(shù)據(jù)接入經(jīng)驗，有研發(fā)經(jīng)歷，了解GPRS應(yīng)用短板的燃氣公司參與。同時，長期以來,國家沒有建立智能燃氣表行業(yè)的統(tǒng)一的標準體系，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，尤其在傳輸層，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,多種數(shù)據(jù)格式給燃氣公司后續(xù)的抄表賬務(wù)平臺處理帶來了諸多不便。因此，產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同效應(yīng)在各鏈接點是否發(fā)揮得恰到好處，也是值得關(guān)注的問題。

4 結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的不斷深入，各類網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)的發(fā)展，燃氣行業(yè)也將在計量端迎來新一輪的技術(shù)升級，無論開發(fā)怎樣的燃氣表表具功能，燃氣公司都應(yīng)當(dāng)圍繞確保安全、提高服務(wù)效能的宗旨作相應(yīng)選擇。

Application of Gas Meter Based on GPRS in Internet of Things

Shanghai Dazhong Gas Co., Ltd. Gu Xiaoyu

This article indicates the advantages of gas meter based on GPRS applied and researched in Shanghai Dazhong Gas Company, such as real-time collection of data integrity and accuracy, and points out the bottle neck of its development. The author also discusses the advantages and possible problems of gas meter based on NB-IOT to be faced by the gas industry.

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