民用燃氣表技術(shù)及管理的發(fā)展

向海堂

(成都秦川物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司，四川 成都 610000)

1 概述

GB/T 36330—2018《信息技術(shù) 面向燃氣表遠程管理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)要求》、GB/T 6968—2019《膜式燃氣表》、JG/T 162—2017《民用建筑遠傳抄表系統(tǒng)》等標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布對燃氣表技術(shù)及管理提出了更高要求。與現(xiàn)代化設(shè)備充分結(jié)合，融入新型通信和傳感技術(shù)成為燃氣表技術(shù)及管理發(fā)展的主要方向。本文對民用燃氣表技術(shù)及管理的發(fā)展進行探討。

2 燃氣表技術(shù)

燃氣表作為用氣數(shù)據(jù)的采集終端設(shè)備，是燃氣企業(yè)實現(xiàn)天然氣貿(mào)易結(jié)算的前提。國內(nèi)燃氣表主要經(jīng)歷了膜式燃氣表、IC卡燃氣表、遠傳燃氣表、物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表階段，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)采集、通信以及閥門控制技術(shù)的發(fā)展。

2.1 膜式燃氣表

膜式燃氣表屬于容積式體積流量計，利用燃氣表進出口的氣體壓力差推動薄膜做連續(xù)的交替運動，再通過機械傳動機構(gòu)將各腔室體積傳遞到計數(shù)器上，從而實現(xiàn)燃氣體積的計量。由于膜式燃氣表具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低、計量穩(wěn)定性好以及便于明確燃氣結(jié)算管理責(zé)任的優(yōu)點，在國內(nèi)燃氣計量初期得到了廣泛應(yīng)用。

隨著膜式燃氣表技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，為保證燃氣表的計量準(zhǔn)確度不受溫度變化的影響，適應(yīng)國內(nèi)燃氣價格的調(diào)整和燃氣市場消費模式的轉(zhuǎn)型等條件的變化，市場上逐漸出現(xiàn)了寬量程膜式燃氣表、帶溫度補償裝置的膜式燃氣表、帶預(yù)付費裝置的膜式燃氣表、安全切斷型膜式燃氣表等。然而，這些并沒有改變數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)采集、通信方式，仍存在入戶抄表難、收費難、管理難等問題。

2.2 IC卡智能燃氣表

為解決入戶抄表難、收費難、管理難等問題，市場上出現(xiàn)了以IC卡為通信媒體，售氣管理系統(tǒng)為遠程管理平臺的IC卡智能燃氣表。IC卡智能燃氣表以容積式機械計量為基礎(chǔ)，通過機械計量、機電轉(zhuǎn)換、電子計量、信息安全管理的有機結(jié)合，實現(xiàn)智能計量、IC卡預(yù)付費、信息安全管理。

IC卡智能燃氣表具有以下特點:無需人工入戶抄表，解決了入戶難、抄表難的問題。預(yù)付費管理，解決了收費難的問題。通過IC卡實現(xiàn)遠程管理，無需布設(shè)其他通信設(shè)施。整體設(shè)計上，控制單元和計量單元融為一體，各項參數(shù)匹配。計量準(zhǔn)確，電子計量與機械計量完全吻合。智能管理，能通過管理系統(tǒng)對燃氣表的各種智能功能實現(xiàn)統(tǒng)一管理。信息安全，采用高級加密技術(shù)和歷史追溯技術(shù)保證信息安全，可采用信息安全管理模塊實現(xiàn)信息安全管理。

IC卡智能燃氣表盡管在一定程度上改善了計量收費、管理中存在的問題，但仍存在不能實時統(tǒng)計用氣量，不能遠程實時監(jiān)控燃氣表狀態(tài)，無法實現(xiàn)遠程安全閥控。另外，若遇費率、氣價調(diào)整，需要人工調(diào)整，仍然存在著管理成本高、效率低的問題。

2.3 遠傳燃氣表

遠傳燃氣表是指具有基表數(shù)據(jù)讀取和遠傳功能的燃氣表，其基表數(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信方式，實現(xiàn)與燃氣公司遠程管理平臺的信息傳輸，從而實現(xiàn)對燃氣表的遠程抄表，在遠程管理平臺中完成對氣量的計算和費用的結(jié)算［1］。遠傳燃氣表主要包括有線遠傳燃氣表、無線遠傳燃氣表。

① 有線遠傳燃氣表

有線遠傳燃氣表能夠?qū)崿F(xiàn)實時抄表，具有傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定和抗磁干擾能力強的優(yōu)點。但數(shù)據(jù)傳輸方式為單向上傳，燃氣公司遠程管理平臺無法下發(fā)遠程控制命令至各臺燃氣表，燃氣表僅用于計量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，無預(yù)付費和遠程閥控功能。有線方式通信不但增加了施工布線的難度和成本，而且后期維護成本也比較高。

② 無線遠傳燃氣表

a.短信遠傳燃氣表

短信遠傳燃氣表是在基表上加裝短信遠程讀表裝置，依托公共通信網(wǎng)絡(luò)(GSM、GPRS)實現(xiàn)燃氣表與燃氣公司遠程管理平臺之間的通信，無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。每臺燃氣表上均安裝1張SIM卡，燃氣公司遠程管理平臺通過短信的方式獲取燃氣表的計量數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)結(jié)算收費。

短信遠傳燃氣表的工作電流比較大，一方面造成功耗較大，容易燒毀表內(nèi)的電子元器件，縮短電池壽命。另一方面，若發(fā)生燃氣泄漏，可能存在爆炸的風(fēng)險，安全風(fēng)險較高。短信費是造成短信遠傳燃氣表運營成本較高的主要原因。

b.遠傳閥控燃氣表

遠傳閥控燃氣表是在基表的基礎(chǔ)上加裝了遠程讀表裝置、控制閥的燃氣表，不僅可以遠程抄讀燃氣表的計量數(shù)據(jù)，還能夠?qū)θ細獗磉M行遠程安全閥控，在一定程度上保證了用戶的用氣安全。遠傳閥控燃氣表由于增加了控制閥裝置，造成工作電流增加，功耗仍然較高，電池使用壽命短。由于燃氣表的信息安全性水平不高，傳輸數(shù)據(jù)和通信指令容易被截獲和破譯，造成閥門非正常啟閉，存在安全隱患以及由此導(dǎo)致的權(quán)益糾紛。

c.遠傳IC卡燃氣表

遠傳IC卡燃氣表在遠傳閥控燃氣表的基礎(chǔ)上增加了IC卡預(yù)付費裝置，不僅可以實現(xiàn)遠程抄表、遠程安全閥控，而且能夠?qū)崿F(xiàn)IC卡預(yù)付費，解決收費難題。但是遠傳IC卡燃氣表仍存在遠傳閥控燃氣表固有的問題，特別是信息安全水平低導(dǎo)致的IC卡信息易遭到非法破解或篡改，以及控制閥的非法遠程操作。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表

遠傳燃氣表利用有線或無線通信的方式，實現(xiàn)了燃氣表與燃氣公司遠程管理平臺之間的信息傳輸，在一定程度上滿足了燃氣公司對遠程抄表和遠程安全閥控的需求，但在閥控可靠性、計量準(zhǔn)確性和信息安全性方面的問題依然存在。

物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表是集感知技術(shù)、控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為一體，基于物聯(lián)網(wǎng)專用通信模塊NBIoT或LoRa，采用機械計量、電子計量、機電轉(zhuǎn)換、智能閥控、信息安全管理、一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計、低功耗通信等技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在儀表行業(yè)的典型應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的一個終端設(shè)備，通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、通信基站，實現(xiàn)燃氣公司遠程管理平臺與燃氣表的遠程通信和數(shù)據(jù)交換。燃氣表不僅支持遠程管理平臺的遠程抄表、充值、無卡預(yù)付費、價格調(diào)整、安全閥控、實時監(jiān)控管理等功能，還支持用戶手機APP查詢繳費、遠程閥控、數(shù)據(jù)推送等智慧化服務(wù)。

在計量準(zhǔn)確性方面，物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表在運行相當(dāng)于100×104個脈沖當(dāng)量的氣量后，機電轉(zhuǎn)換相對誤差能夠不超過±1×10－6，電子計數(shù)計量相對誤差不超過 ±25 ×10－6。

在閥控方面，物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表能夠達到開閥電流≤40 mA，關(guān)閥電流≤20 mA的水平。在開關(guān)閥30 000次后，燃氣表密封性仍符合要求。開閥時間 0.8 s，關(guān)閥時間 0.1 s。

在智能控制和信息安全方面，物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表具有實時遠程抄表、實時遠程閥控、實時階梯氣價、實時遠程調(diào)價、實時遠程充值、實時遠程監(jiān)控等智慧化管理功能，以及高級密鑰加密、身份認證、MAC數(shù)據(jù)校驗、CRC校驗、數(shù)據(jù)歷史追溯、ID管理等信息安全技術(shù)。

3 燃氣表管理

3.1 人工抄表管理

燃氣表管理初期僅是依靠人工的方式對燃氣表進行抄表管理，燃氣表僅作為一種單一的計量器具實現(xiàn)對燃氣流量數(shù)據(jù)的測量。以燃氣公司的工作人員為信息傳輸媒介，人工記錄用氣數(shù)據(jù)，進行費用結(jié)算和收費，并將數(shù)據(jù)帶回燃氣公司。不僅效率低、人工成本高，而且人工抄表帶來的漏抄、誤抄、估抄等問題，對燃氣公司和用戶都存在著貿(mào)易不公平的風(fēng)險。

3.2 IC 卡管理

IC卡管理是以IC卡為媒介，代替抄表人員實現(xiàn)燃氣表與燃氣公司之間計量數(shù)據(jù)的傳輸。IC卡管理可實現(xiàn)預(yù)付費控制，在用戶用氣過程中，IC卡燃氣表中的微處理器自動核減用氣量，所購用氣量用盡后便會自動關(guān)閥斷氣，用戶需要重新購氣方可再次使IC卡燃氣表開閥供氣。另外，IC卡還能記錄燃氣表的運行情況，燃氣公司遠程管理平臺可以通過IC卡對燃氣表的總用氣量、總購氣量、開關(guān)閥狀態(tài)等信息進行管理，有效提高管理效率，防止欠費，避免上門抄表。

IC卡管理有效解決了人工抄表的問題，也在一定程度上解決了收費的問題，降低了燃氣公司人力成本。然而，IC卡管理仍存在以下問題:一方面，燃氣公司無法實時獲取用戶的用氣信息，不能遠程實時監(jiān)控燃氣表狀態(tài)，存在一定的安全風(fēng)險。另一方面，用戶無法通過計算機、手機等設(shè)備自助充值，智慧化程度不高，增加用戶時間成本。

3.3 安全控制管理

安全控制管理是以安全切斷型燃氣表為基礎(chǔ)，增設(shè)電子控制器、安全控制閥，當(dāng)出現(xiàn)流量異常、壓力異常、電壓異常、燃氣泄漏、地震等情況時，燃氣表能夠?qū)崿F(xiàn)自主安全控制?？梢栽趯崿F(xiàn)準(zhǔn)確計量、預(yù)付費的同時，杜絕火災(zāi)、爆炸等危險事故的發(fā)生，提升了安全用氣水平。

3.4 遠程通信管理

遠程通信管理是以加裝無線通信模塊的燃氣表為終端，利用短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)將計量數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集裝置，經(jīng)數(shù)據(jù)儲存和處理后，將數(shù)據(jù)上傳至燃氣公司遠程管理平臺。

燃氣表與數(shù)據(jù)采集裝置之間一般采用短信通信技術(shù)、GFSK(高斯頻移鍵控)技術(shù)、LoRa擴頻技術(shù)。短信通信是利用現(xiàn)有的移動、電信或聯(lián)通等公共通信資源進行通信的技術(shù)。通信距離遠，組網(wǎng)簡單，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強，但覆蓋范圍有盲區(qū)，更重要的是工作電流高，電氣安全性差，安全風(fēng)險較高，不適用于燃氣表通信。GFSK技術(shù)是通過信息頻率的調(diào)制解調(diào)，建立基站并進行自主組網(wǎng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。GFSK通信傳輸速率快，誤碼率低，頻率資源利用率高，適合房屋不密集的傳輸場所。LoRa技術(shù)具備傳輸距離遠、誤碼率低、抗干擾等諸多優(yōu)點，適合于房屋密集、通信環(huán)境比較復(fù)雜的傳輸場所［2］。

遠程通信管理解決了以人為載體的信息傳輸模式，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入到燃氣表的通信管理中，改變了原有的信息傳輸和通信方式，實現(xiàn)了燃氣公司與燃氣表之間的遠程信息交換，在一定程度上提升了燃氣表管理的通信水平和信息傳輸效率。

3.5 物聯(lián)網(wǎng)管理

燃氣表的人工抄表管理、IC卡管理、安全控制管理、遠程通信管理都只是燃氣公司與燃氣表之間的信息管理，用戶作為被服務(wù)對象，并未參與到燃氣表的管理中，很難全方位地滿足用戶日益增長的智慧化需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智慧城市的發(fā)展，燃氣表管理方式也隨著用戶智慧化需求的提高發(fā)生了巨大的改變，燃氣表的物聯(lián)網(wǎng)管理逐漸成為主流模式。

燃氣表的物聯(lián)網(wǎng)管理技術(shù)是以用戶的需求為主導(dǎo)，將物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表作為感知控制平臺的智能終端，通過表端無線通信單元LoRa或NB－IoT，物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)和燃氣表傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)實現(xiàn)與燃氣公司遠程管理平臺的雙向通信，燃氣公司遠程管理平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對智能燃氣表充值、燃氣信息查詢、表端狀態(tài)監(jiān)測、表端遠程安全切斷等功能。燃氣公司遠程管理平臺經(jīng)公眾電信網(wǎng)、社會運營商服務(wù)器、燃氣公司服務(wù)平臺服務(wù)器、政府服務(wù)器與用戶終端設(shè)備進行雙向通信，用戶可以直接通過手機、自助繳費終端或其他終端設(shè)備實現(xiàn)遠程充值繳費、用氣信息獲取及賬單推送、燃氣表的開關(guān)閥控制等實時有效的管理。

4 物聯(lián)網(wǎng)管理面臨的問題及解決方案

① 架構(gòu)差異化與標(biāo)準(zhǔn)缺乏

物聯(lián)網(wǎng)管理涉及的不僅是燃氣表、網(wǎng)關(guān)等產(chǎn)品，還涉及到上層的通信系統(tǒng)、遠程管理平臺、用戶等方面。目前，燃氣表領(lǐng)域缺乏對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的研究，導(dǎo)致對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表管理上的應(yīng)用產(chǎn)生了模糊的認識。有些人認為只要在表端增加一個SIM卡就實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)管理，還有些人依然采用傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)3層架構(gòu)作為物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的架構(gòu)，并未充分理解物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)各平臺間的信息傳遞和相互聯(lián)系。另外，各廠商的技術(shù)互不兼容，體系結(jié)構(gòu)、通信技術(shù)、傳輸方式等紛繁復(fù)雜、形式多樣，嚴重阻礙了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表管理方面的健康發(fā)展。

現(xiàn)階段，針對燃氣表的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有很多，如GB/T 6968—2019《膜式燃氣表》、CJ/T 112—2008《IC卡膜式燃氣表》，以及正在編制的國家標(biāo)準(zhǔn)《超聲波燃氣表》等。但針對物聯(lián)網(wǎng)管理，國內(nèi)還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。有些企業(yè)也在制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但僅依靠產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，甚至是產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的羅列，作為物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)顯然是不合適的。因此，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)和規(guī)范燃氣表的健康發(fā)展非常必要。

② 信息安全問題

物聯(lián)網(wǎng)管理實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表、燃氣公司、用戶之間的直接互動，融合了各參與方大量的信息資源，必然存在一定的信息安全隱患。特別是用戶的個人隱私數(shù)據(jù)，一旦泄露，將影響用戶的正常生活。燃氣企業(yè)缺乏有效的信息化管理體制和規(guī)范指導(dǎo)，一旦遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊，必將引起燃氣管理的混亂，帶來巨大的經(jīng)濟損失。受功耗的限制，目前物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表在信息加密、校驗、密鑰升級和管理等方面仍然不夠成熟，燃氣表數(shù)據(jù)依然容易受到竊聽、截取、篡改、偽造等惡意攻擊。因此，提高物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表及管理過程的信息安全管理水平，是切實需要解決的問題。

5 結(jié)語

盡管在技術(shù)上，物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表已經(jīng)具有越來越多的智慧化功能，但目前我國燃氣表市場依然被普通膜式燃氣表、IC卡燃氣表占據(jù)。雖然對物聯(lián)網(wǎng)智能燃氣表的需求潛力巨大，但對燃氣公司而言，大范圍更換燃氣表需要大量資金投入，想要實現(xiàn)燃氣表的全面升級和全面智能化遠程管理尚需時日。在現(xiàn)階段，我國多種燃氣表、多種管理模式并存的狀態(tài)將依然延續(xù)下去。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，家用燃氣消費計量和管理服務(wù)逐漸從以人工為主的服務(wù)方式轉(zhuǎn)化為自動遠程網(wǎng)絡(luò)為主的服務(wù)方式?？梢灶A(yù)見，未來物聯(lián)網(wǎng)管理將在數(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，進一步推動物聯(lián)網(wǎng)管理技術(shù)在燃氣表管理方面的應(yīng)用。在計量技術(shù)方面，除了傳統(tǒng)的體積計量的燃氣表外，能量計量方式的燃氣表也逐漸提上日程。在互聯(lián)互通和兼容性方面，需要燃氣企業(yè)僅利用一套遠程管理平臺即可靈活地管理各供應(yīng)商提供的燃氣表。