城市供水行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信淺析

張 超

（1.匯中儀表股份有限公司，河北 唐山 063020；2.河北省超聲測(cè)試計(jì)量儀器技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 唐山 063020）

0 引 言

城市供水行業(yè)關(guān)系著城市布局規(guī)劃體系和城市化進(jìn)程，關(guān)系著百姓民生和智慧城市建設(shè)，是考慮用水安全和用水健康的重要行業(yè)，是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)，地位十分重要[1-3]。然而我國水資源并不充沛，地區(qū)差異大，如何合理分配水資源、降低漏損、節(jié)約用水，對(duì)我國“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重大意義。

隨著NB-IoT、4G-CAT.1 等各種物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展，2G-GPRS、3G 等傳統(tǒng)通信技術(shù)逐步退出歷史舞臺(tái)。以往依靠人工抄讀設(shè)備或少部分產(chǎn)品通過采集器或集中器抄讀設(shè)備的時(shí)代一去不復(fù)返，城市供水行業(yè)老設(shè)備逐步被支持遠(yuǎn)程抄讀和控制的設(shè)備取代，物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域呈現(xiàn)百花齊放的狀況[4-6]。依靠電子零部件進(jìn)行測(cè)量的設(shè)備，搭載前沿通信技術(shù)，變成能遠(yuǎn)程的智能設(shè)備；依靠機(jī)械零部件進(jìn)行測(cè)量的各種設(shè)備，通過各類電子轉(zhuǎn)換器，搖身變成能遠(yuǎn)傳的智能設(shè)備[7-9]。各級(jí)自來水公司也把遠(yuǎn)程抄表及控制作為招標(biāo)標(biāo)配。另外，各級(jí)自來水公司也對(duì)水司內(nèi)設(shè)備通信協(xié)議提出了統(tǒng)一要求，通過采購或建設(shè)統(tǒng)一的業(yè)務(wù)系統(tǒng)、規(guī)定系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)等方式，要求系統(tǒng)內(nèi)通信機(jī)制和協(xié)議統(tǒng)一，方便日后各供應(yīng)商產(chǎn)品可以無感替換和實(shí)現(xiàn)供水?dāng)?shù)據(jù)安全。但該局面導(dǎo)致供應(yīng)商需要不斷定制特殊產(chǎn)品來滿足自來水公司的各種要求，極大地增加了各供應(yīng)商的開發(fā)成本，而且受限于供貨周期和各級(jí)自來水公司對(duì)通信技術(shù)的了解，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備穩(wěn)定性也提出了挑戰(zhàn)[10-11]。目前急需行業(yè)通信統(tǒng)一，使全國上下一盤棋，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也讓行業(yè)有更多精力放在智能化預(yù)警、智能化診斷等大數(shù)據(jù)智能功能挖掘和物聯(lián)網(wǎng)安全方面，提升行業(yè)管理能力和安全性，降低管理成本[12]。

1 城市供水行業(yè)工況及設(shè)備

1.1 供水管網(wǎng)監(jiān)控

隨著管網(wǎng)新建和管網(wǎng)改造的進(jìn)行，管網(wǎng)建設(shè)規(guī)模已越來越大。近來年，隨著4G、NB-IoT 等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得實(shí)現(xiàn)城市供水統(tǒng)一調(diào)度、供水分析、分區(qū)診斷、漏損分析、管網(wǎng)漏失分析、計(jì)量損失分析、水量平衡等成為現(xiàn)實(shí)。城市供水管網(wǎng)呈環(huán)狀，自來水公司可以將管網(wǎng)按區(qū)域?qū)蛹?jí)分別統(tǒng)計(jì)分區(qū)供水量、漏損量、漏損率、漏失量、漏失率，更科學(xué)合理地分配人力物力，降低漏損率和漏失率，有效降低產(chǎn)銷差，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提質(zhì)增效。

供水管網(wǎng)監(jiān)控的主要方法是分區(qū)計(jì)量和使用管網(wǎng)GIS 地圖。分區(qū)計(jì)量是將供水管網(wǎng)按區(qū)域進(jìn)行劃分，形成供水獨(dú)立計(jì)量區(qū)（DMA），實(shí)時(shí)監(jiān)控流量和壓力的變化，及時(shí)預(yù)警并發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)供水異常，輔助漏損查找、漏失分析和維護(hù)區(qū)域水利平衡，有效降低管網(wǎng)漏損率和漏失率，減少產(chǎn)銷差。供水調(diào)度人員只需在管網(wǎng)監(jiān)控大屏前，就可一覽整個(gè)區(qū)域管網(wǎng)的情況，實(shí)現(xiàn)科學(xué)指揮，保障供水壓力平衡，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)爆管事故。結(jié)合管網(wǎng)GIS 還可以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)化監(jiān)管以及漏損管理控制。

供水管網(wǎng)分區(qū)計(jì)量主要應(yīng)用設(shè)備有流量計(jì)、水表、壓力計(jì)、閥門、水質(zhì)儀、采集器等設(shè)備，對(duì)這些設(shè)備的要求是數(shù)據(jù)采集密度高、上報(bào)周期短、數(shù)據(jù)量大，并且可以智能識(shí)別故障、及時(shí)進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警，也能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，及時(shí)對(duì)供水量、用水量進(jìn)行補(bǔ)償，滿足供需平衡。通過對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做到事故前提前預(yù)警進(jìn)行防范；事故中快速遠(yuǎn)程初步控制，鎖定位置，加快現(xiàn)場(chǎng)處理。通過漏損分析、供水分析、管網(wǎng)漏失分析、計(jì)量損失分析、水量平衡等，提升對(duì)管網(wǎng)管理的效率，從而提高供水效益，節(jié)約水資源，保證供水安全。

1.2 社區(qū)供水

社區(qū)用水管理主要是監(jiān)控和分析小區(qū)的用水情況、實(shí)施計(jì)費(fèi)管理。通過控制閥控水表進(jìn)行欠費(fèi)控制，交費(fèi)后立即恢復(fù)供水。對(duì)高齡獨(dú)居老人長時(shí)間沒有用水的情況進(jìn)行告警，提醒社區(qū)及時(shí)關(guān)注老人情況，讓老人及時(shí)獲得幫助。監(jiān)測(cè)到家中漏水或爆管，可將報(bào)警情況直接通過微信小程序推送給用戶，提醒用戶及時(shí)查找漏點(diǎn)，減少用戶損失。用心用情辦好民生實(shí)事，讓惠民利民舉措更加精準(zhǔn)有效。

社區(qū)用水主要應(yīng)用設(shè)備有水表、閥控水表、壓力計(jì)等設(shè)備，對(duì)這些設(shè)備一般要求上報(bào)周期為24 小時(shí)，包含全天每小時(shí)數(shù)據(jù)，設(shè)備電池供電，壽命6 年以上，抄見率90%以上。

2 城市供水行業(yè)通信特點(diǎn)

2.1 設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

隨著2G、3G 逐步退出，4G-CAT.1 和NB-IoT 成為主流的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，擔(dān)當(dāng)起萬物互聯(lián)的大任。

4G-CAT.1 是4G 通信LTE 網(wǎng)絡(luò)下用戶終端類別的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，無需對(duì)基站進(jìn)行任何升級(jí)，SIM 卡及業(yè)務(wù)套餐也無需任何改變，可以無縫接入現(xiàn)有LTE 網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)覆蓋成本低。經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化后，模組的硬件架構(gòu)更簡單，集成度更高，外圍硬件成本更低，模組價(jià)格在30 元以內(nèi)，成本優(yōu)勢(shì)明顯，當(dāng)前聯(lián)通公司正積極布局CAT.1 的PSM 應(yīng)用，致力于進(jìn)一步降低模組功耗。在城市供水行業(yè)4G-CAT.1 技術(shù)主要被應(yīng)用于數(shù)據(jù)量大、上報(bào)密集、需要實(shí)時(shí)控制的設(shè)備，管網(wǎng)監(jiān)控中使用較多。常見一個(gè)管道井中使用一臺(tái)采集器抄讀并控制本井內(nèi)的流量計(jì)、水表、壓力、閥門、水質(zhì)、液位等。

NB-IoT 是IoT 領(lǐng)域的一個(gè)新興技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IoT 技術(shù)的特點(diǎn)就是深覆蓋、廣連接、低功耗。NB-IoT的這些特點(diǎn)與需要長期休眠、偶爾工作的設(shè)備完美契合[13-14]。隨著NB-IoT 設(shè)備接入的越來越多，也出現(xiàn)了一些問題。第一，雖然相比現(xiàn)有的LTE 網(wǎng)絡(luò)覆蓋深20 dB，但地下室等場(chǎng)景信號(hào)仍然不佳，原有LTE 網(wǎng)絡(luò)可通過增加室分天線的方式增強(qiáng)信號(hào)，但當(dāng)前的NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)沒有室分天線。電信公司從2023 年下半年開始實(shí)施B3（1 800 MHz）的NB-IoT 頻段，該頻段可通過增加室分天線解決信號(hào)問題。第二，NB-IoT的廣連接是基于設(shè)備長時(shí)休眠、短時(shí)連接來實(shí)現(xiàn)的，因此要特別注意設(shè)備必須要隨機(jī)離散接入，嚴(yán)禁把NB-IoT 設(shè)備做成長連接。當(dāng)前NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)中就出現(xiàn)了一些“流氓數(shù)據(jù)”，占死基站，造成其他設(shè)備因網(wǎng)絡(luò)擁擠而連接交互失敗。若出現(xiàn)設(shè)備整體上報(bào)率不高的情況，可聯(lián)系運(yùn)營商監(jiān)控NB-IoT話務(wù)信息，停止“流氓數(shù)據(jù)”接入。第三，NB-IoT 的低功耗是依靠短時(shí)通信和多種節(jié)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，因此想要實(shí)現(xiàn)低功耗，需要近可能縮短連接交互時(shí)間。節(jié)電技術(shù)包括PSM、DRX、eDRX。其中，PSM 節(jié)電技術(shù)在信號(hào)覆蓋較差、上報(bào)周期長的情況下，節(jié)電效果較為明顯。eDRX 技術(shù)主要應(yīng)用于對(duì)下行控制延時(shí)有需求的設(shè)備，延時(shí)最小可達(dá)到2.56 s，但由于運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)配置未開啟或時(shí)間同步等問題，應(yīng)用較少。在城市供水行業(yè)，NB-IoT 技術(shù)主要被應(yīng)用于數(shù)據(jù)量小、上報(bào)周期長、不需要實(shí)時(shí)控制的設(shè)備，社區(qū)供水中使用較多。常見每戶水表或社區(qū)入口的大口徑水表中都會(huì)搭載NB-IoT模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。

2.2 平臺(tái)應(yīng)用及通信協(xié)議現(xiàn)狀

各自來水公司大部分已建立自己的業(yè)務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)的搭建一般是軟件公司依據(jù)自來水公司的需求從原有系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)改造完成。業(yè)務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)分為兩種情況：一種是水司要求統(tǒng)一系統(tǒng)各層協(xié)議，業(yè)務(wù)平臺(tái)只支持一種協(xié)議；另一種是業(yè)務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)接各廠家協(xié)議，使各廠家數(shù)據(jù)展示在平臺(tái)上。當(dāng)前第一種情況基本形成主流，主要優(yōu)勢(shì)是自來水公司可做到無感替換設(shè)備，帶來的風(fēng)險(xiǎn)是定制協(xié)議涉及各廠家改造設(shè)備，且一般時(shí)間緊急，系統(tǒng)穩(wěn)定性會(huì)降低。

第三方平臺(tái)也是目前主流的平臺(tái)形式，國內(nèi)使用的主要有中國電信Ocean Connect、中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)OneNET、中國電信天翼物聯(lián)網(wǎng)CTWing、中國聯(lián)通雁飛格物dmp 設(shè)備管理平臺(tái)、雄安IoT 平臺(tái)，供水行業(yè)一般將這些平臺(tái)作為中間平臺(tái)使用。微軟云、阿里云等云平臺(tái)，國內(nèi)使用較少，國外用戶使用較多。這些平臺(tái)支持很多種底層協(xié)議，比如TCP、UDP、LWM2M、MQTT、HTTP 等。電信的NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)比較特殊，除特殊場(chǎng)景開通定向IP 外，需使用中國電信平臺(tái)作為中間平臺(tái)；其他可使用中間平臺(tái)，也可直接將設(shè)備接到業(yè)務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)。使用中間平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)是中間平臺(tái)支持海量接入，處理了設(shè)備并發(fā)，對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)的并發(fā)要求降低，設(shè)備上線率更有保障，并且安全性也更好。中國電信Ocean Connect 不再支持新設(shè)備接入，后續(xù)設(shè)備需接入中國電信CTWing，中國電信支持幫助用戶將Ocean Connect平臺(tái)設(shè)備通過IP 映射方式無感遷到CTWing 平臺(tái)。雄安IoT平臺(tái)是將雄安新區(qū)的所有智能設(shè)備接入該平臺(tái)，打造智能化城市，雄安IoT 平臺(tái)是中國智能化城市的一次新的嘗試。

國內(nèi)各自來水公司從2020 年開始，逐步進(jìn)入了自來水公司統(tǒng)一系統(tǒng)協(xié)議的時(shí)代。各家因水平有限，統(tǒng)一的系統(tǒng)協(xié)議良莠不齊，但對(duì)比國外和其他行業(yè)來說，即使協(xié)議編寫較好的，也仍有很大差距。以電力行業(yè)來說，一般遵循《電測(cè)量數(shù)據(jù)交換DLMS-COSEM 組件》（GB/T 17215），該國家標(biāo)準(zhǔn)與IEC 62056 系列標(biāo)準(zhǔn)等同。該標(biāo)準(zhǔn)致力于滿足多種設(shè)備系統(tǒng)的兼容性、獨(dú)立性、擴(kuò)展性，擁有良好的系統(tǒng)互聯(lián)性和互操作性，而且通信協(xié)議安全性內(nèi)容較為完整，是迄今為止較為完善的計(jì)量儀表通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。國外水表行業(yè)也有很多使用DLMS 協(xié)議進(jìn)行通信的。以水利行業(yè)來說，一般統(tǒng)一到水資源規(guī)約，該規(guī)約雖然統(tǒng)一了協(xié)議，但在協(xié)議安全性方面投入較少，對(duì)當(dāng)前越來越要求數(shù)據(jù)安全的需求，有些不契合。城市供水行業(yè)亟需歸總到幾款協(xié)議，甚至能實(shí)現(xiàn)四表集抄協(xié)議一致，可以多參考國外一些引用較為廣泛的具有互操作性的協(xié)議，構(gòu)建適合中國的四表集抄協(xié)議。

2.3 安全需求

當(dāng)前是一個(gè)萬物互聯(lián)的時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量高速增加，預(yù)估2025 年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將達(dá)到250 億，因此物聯(lián)網(wǎng)也面臨巨大的安全威脅。與互聯(lián)網(wǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)不同的是，物聯(lián)網(wǎng)除面臨信息資料泄露的風(fēng)險(xiǎn)，還面臨影響設(shè)備安全運(yùn)行和人身安全的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在安全防護(hù)方面的能力分布不均，呈現(xiàn)“重平臺(tái)、輕終端”的態(tài)勢(shì)。供水行業(yè)的設(shè)備往往處于無人值守的環(huán)境中，缺少了人對(duì)設(shè)備的有效監(jiān)控，防護(hù)能力普遍較弱，是系統(tǒng)安全的薄弱環(huán)節(jié)。各廠商重視追求新功能，而對(duì)設(shè)備安全的重視不足。一是缺乏安全意識(shí)和人才；二是成本壓力大，造成安全保障方面的投入嚴(yán)重不足；三是尚缺乏完善的安全標(biāo)準(zhǔn)體系和成熟的安全解決方案。關(guān)注終端接入安全能力構(gòu)建，提供身份認(rèn)證、通道加密、數(shù)據(jù)加密等多種安全保障能力，從安全SIM、芯片、模組入手，多方聯(lián)動(dòng)，打造終端接入安全生態(tài)圈，將成為促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)終端安全發(fā)展的一大方向。

在身份認(rèn)證方面、信息通信以及存儲(chǔ)方面需要提升安全性能。隨著國家密碼法的推行實(shí)施，密碼算法均需采用符合國家密碼管理局規(guī)定的算法。此外，安全芯片等密碼產(chǎn)品也需獲得國家密碼管理局辦法的資質(zhì)證書后才能投入使用。中國電信CTWing、中國移動(dòng)OneNET、阿里、騰訊等各平臺(tái)先后推出基于國密算法的產(chǎn)品，三大運(yùn)營商也提供安全SIM卡產(chǎn)品，為客戶提供終端接入安全服務(wù)。

近年來，國家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)安全越發(fā)重視，已針對(duì)公安行業(yè)、燃?xì)庑袠I(yè)、公共安全視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程人臉識(shí)別的安全做出要求。各自來水公司也開始重視物聯(lián)網(wǎng)安全問題，因此設(shè)備安全將成為未來城市供水行業(yè)的主要研究方向。

3 結(jié) 語

NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)、4G-CAT.1 技術(shù)將在很長一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)城市供水行業(yè)設(shè)備通信領(lǐng)域的主流地位。平臺(tái)、協(xié)議多樣化的狀態(tài)仍會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，未來將會(huì)逐步統(tǒng)一，形成四表集抄。供水行業(yè)將在設(shè)備安全上開始發(fā)力，逐步提升在身份認(rèn)證方面、信息通信以及存儲(chǔ)等方面的安全性能。