高柱榮 ，蔣昌茂 ，劉洪林

(1.桂林市利通電子科技有限責任公司，廣西 桂林541004；2.桂林師范高等專科學校，廣西 桂林541001；3.桂林航天工業(yè)學院，廣西 桂林541004)

0 引言

2014 年3 月20 日，國家發(fā)改委出臺了《關(guān)于建立健全居民生活用氣階梯價格制度的指導(dǎo)意見》，該文件決定在全國范圍內(nèi)實行居民階梯氣價政策，將氣價分為3 檔，根據(jù)居民用氣量進行分檔計價，各檔氣價實行超額累進加價收費方法。實行階梯氣價后，全國各地居民用氣將由一刀切的“1 檔氣價”計費變?yōu)榛顒拥摹胺謾n氣價”計費，結(jié)算周期也將按月份、季度或者年度實施，相鄰結(jié)算周期具體用氣量不累計、不結(jié)轉(zhuǎn)[1]。

“分檔氣價”計費的實行，意味著燃氣公司繼續(xù)使用氣量式機械燃氣表，員工上門抄表無論在時間還是計量上，都要做得更加精準，否則階梯氣價實施效果不好，同時還會增加供需雙方的矛盾[2]。 而氣量式IC 卡預(yù)付費表， 同樣將難以適應(yīng)新的計量方法要求。 因為氣量式IC 卡預(yù)付費表采用一次預(yù)付費按一檔價格購買相應(yīng)的氣量，用完再次充值買氣， 無法實現(xiàn)階梯氣價。 而階梯氣價的計價原理，是在一個既定的計時周期內(nèi)，居民使用不同檔次內(nèi)的天燃氣，要付不同的價格。 因此，必須將現(xiàn)行基于“1 檔”氣量計價的燃氣表，改為基于“氣量階梯”金額計價的燃氣表，才能滿足階梯氣價時代的計量要求。

基于金額式計價的燃氣表分為兩種：一種是IC卡預(yù)付費實時階梯計費表，另一種是實時計費的物聯(lián)網(wǎng)表[3]。 物聯(lián)網(wǎng)表由于受到網(wǎng)絡(luò)條件、功耗、技術(shù)成熟度和價格等條件的制約，目前還不適合大范圍推廣使用。

本文根據(jù)市場的需求，在深入研究階梯計費算法技術(shù)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了一款具有實時階梯計費功能的新型智能燃氣表——CPU 卡階梯計費燃氣表。

1 階梯計費模型研究

1.1 計費原則

實行居民生活燃氣用氣階梯價格計費的基本原則是：對于居民基本生活需求的保障用氣，實行相對實惠的較低價格；對超量用戶，即超出基本生活用氣需求的部分，要適當提高價格，以激勵居民節(jié)能減排。 計費技術(shù)的主要內(nèi)容有：

(1)分檔氣量。可根據(jù)各地實際用氣需求設(shè)置為1～5 檔，目前的國家指導(dǎo)意見以用氣量從小到大的順序，將居民用氣量分為3 檔：第1 檔，按覆蓋區(qū)域內(nèi)80%居民家庭用戶的月均用氣量確定，體現(xiàn)為居民基本能源需求指標；第2 檔，按覆蓋區(qū)域內(nèi)95%居民家庭用戶的月均用氣量確定，體現(xiàn)為改善提高居民生活質(zhì)量的合理用氣需求指標；第3 檔，為超出第2 檔的用氣部分，體現(xiàn)為富足能源需求指標，含過度能源消費需求，需付出較高價格購買[4]。

(2)分檔氣價。 每個氣量分檔對應(yīng)一個氣價，各級分檔氣量價格實行超額累進加價[5]：第1 檔，按照基本補償供氣成本的原則確定，并在一定時期內(nèi)保持相對穩(wěn)定；第2 檔，按照合理補償成本、取得合理收益的原則制定，價格水平原則上與第1 檔氣保持1.2 倍左右的比價；第3 檔，按照充分體現(xiàn)天然氣資源稀缺程度、抑制過度消費的原則制定，價格水平原則上與第1 檔氣保持1.5 倍左右的比價[6]。

(3)計價周期。階梯氣價一般以月份為一個周期執(zhí)行，也可以根據(jù)各地的實際需要按季度或按年度為周期，用氣量在相鄰周期之間不累計，不結(jié)轉(zhuǎn)。

1.2 計費模型分析

實行階梯計費前，居民生活用氣的費用由其所使用氣量與單一的燃氣價格相乘的方法計算，其計費公式為：

其中，C 表示燃氣費，單位：元；P 表示燃氣價格，單位：元/m3；V 表示用氣量，單位：m3。

實行階梯氣價后，在一個計價周期內(nèi)，將用氣量分攤到不同的階梯計價區(qū)間，再計算出最終應(yīng)繳納的費用[4-6]。 以3 檔階梯為例，記各計算參量分別為：

第1 檔計價區(qū)間：[0，V1]；

第2 檔計價區(qū)間：(V1，V2]；

第3 檔計價區(qū)間：(V2，+∞)；

第1 檔氣價：P1，單位為元；

第2 檔氣價：P2，單位為元；

第3 檔氣價：P3，單位為元；

計價周期內(nèi)用氣量：Vg，單位為m3；

應(yīng)繳納燃氣費：Cg，單位為元。

其 中，V1為 第1 檔 用 氣 量，V2為 第2 檔 用 氣量，單位為m3。

分析本周期內(nèi)的用氣量Vg所屬的區(qū)間，將其分攤后再計算：

當0≤Vg≤V1時，即Vg處于第1 檔計價區(qū)間：

當V1＜Vg≤V2時，即Vg處于第2 檔計價區(qū)間：

當V2＜Vg時，即Vg處于第3 檔計價區(qū)間：

1.3 計費方案設(shè)置及切換

通過CPU 卡把階梯計費方案設(shè)置到燃氣表內(nèi)，燃氣表在用氣過程中按用氣量實時計費。 計費方案包括以下數(shù)據(jù)項：

(1)啟動日期和結(jié)束日期

燃氣表內(nèi)實時時鐘的時間在啟動日期和結(jié)束日期之間時，把該方案作為當前計費方案。

(2)階梯分檔數(shù)

可設(shè)置為1～5 檔階梯數(shù)。

(3)計價周期

可設(shè)置為自然月份周期、季度周期、年度周期三種。

(4)分檔氣量

把氣量按從小到大的順序，最多分5 檔：[0，V1]，(V1，V2]，(V2，V3]，(V3，V4]，(V4，+∞)。

(5)分檔氣價

與分檔氣量對應(yīng)，最多分檔氣價：P1，P2，P3，P4，P5。

燃氣表內(nèi)可配置兩套計費方案，分別是方案A和方案B，兩套方案的有效期（啟動日期到結(jié)束日期）不允許有重疊，且需銜接，同一時刻僅能有一套計費方案有效。

燃氣表內(nèi)時鐘每天從23:59:59 跳變到00:00:00時，或通過用戶卡及設(shè)置卡修改計費方案時，燃氣表自檢是否需要切換到另一計費方案，如不符合切換條件則自檢是否要開始下一個計費周期。

2 燃氣表系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

CPU 卡階梯計費燃氣表的整個應(yīng)用系統(tǒng)，由計算機表務(wù)管理信息系統(tǒng)、CPU 卡和智能燃氣表三大部分組成，如圖1 所示。

圖1 應(yīng)用系統(tǒng)的組成

(1)表務(wù)管理信息系統(tǒng)：主要包括用戶管理、燃氣表管理、卡務(wù)管理、充值收費、階梯計費方案管理、密鑰分發(fā)管理、統(tǒng)計報表等功能。

(2)CPU 卡：作為表務(wù)管理信息系統(tǒng)與智能燃氣表之間安全交換數(shù)據(jù)的媒介，一臺燃氣表配備一張卡。

(3)智能燃氣表：由電子控制器模塊和計量基表（機械計量表）兩部分組成，其中，電子控制器模塊是本文的研究重點。

燃氣運營公司給用戶安裝好燃氣表之后，用戶到燃氣公司申請開通燃氣。 首先在表務(wù)管理信息系統(tǒng)中建立用戶檔案和燃氣表檔案，開戶制卡，充值，即把預(yù)付費直接以金額形式寫入CPU 卡，同時也將階梯計費方案及其他控制參量一并寫入CPU 卡。用戶將已充值的CPU 卡帶回家插入燃氣表，燃氣表通過安全認證等方式，驗證卡的合法性后，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)讀入到表內(nèi)，同時把卡內(nèi)的充值金額清零，燃氣表打開閥門供氣。 用氣過程中，燃氣表按照表內(nèi)的階梯計費方案把用氣量實時換算成金額，對表內(nèi)的剩余金額進行扣減。 當表內(nèi)的剩余金額不足時，通過LCD 顯示和蜂鳴器聲音提示， 提醒用戶余額不足，盡快去充值；當剩余金額被扣減為零時，燃氣表關(guān)閉閥門，停止供氣，此時，用戶只有去購氣充值才能恢復(fù)供氣。

2.2 燃氣表主要功能

CPU 卡階梯計費燃氣表作為一種先進的新型智能計量儀表，應(yīng)當具有但不止于以下功能：

(1)燃氣計量功能：燃氣計量是燃氣表的本質(zhì)性功能，在燃氣的使用過程中，基表的計數(shù)器字輪轉(zhuǎn)動計數(shù)，而安裝在計數(shù)器上的干簧管則將機械轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成脈沖式電信號，實現(xiàn)燃氣計量。

(2)階梯計費功能：階梯計費方案最多可設(shè)置5檔階梯，計費周期可設(shè)置月份、季度或年度，燃氣表按設(shè)置好的階梯計費方案，實現(xiàn)表內(nèi)階梯計費。

(3)預(yù)付費功能：在使用燃氣之前，需先拿CPU卡到營業(yè)廳購氣充值，之后，把已充值的CPU 卡帶回家插入燃氣表， 卡內(nèi)的充值金額輸入到燃氣表中，燃氣表將打開閥門開通氣源。

(4)CPU 卡讀寫及安全認證功能：通過CPU 卡讀寫接口，實現(xiàn)CPU 卡與燃氣表之間的數(shù)據(jù)交換，完成充值、查詢、設(shè)置、校時等操作。 每次數(shù)據(jù)交換前，都必須通過CPU 卡與表內(nèi)ESAM 安全模塊之間的內(nèi)部認證和外部認證，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽俊?/p>

(5)閥門控制功能：也就是實現(xiàn)閥門的關(guān)閉或開啟。當燃氣表剩余金額為零、掉電、故障或外部磁干擾等事件發(fā)生時將閥門關(guān)閉，暫停用戶用氣；當燃氣表的故障排除后，滿足開閥條件時打開閥門，即正常情況下閥門處于開啟狀態(tài)。

(6)顯示功能：正常情況下LCD 屏幕顯示表內(nèi)剩余金額和當前表的運行狀態(tài)(閥門、欠壓、故障等)，反向插卡，LCD 分屏依次顯示累積使用金額、系統(tǒng)日期時間、第1 階梯用氣量、第1 階梯氣價、……，等等。

(7)聲音告警功能：燃氣表執(zhí)行完某一操作(包括成功或失敗)，或某一表事件的發(fā)生，通過蜂鳴器鳴響提示給用戶。

(8)低電檢測功能：定期檢測電源電壓，當電源電壓不足或電池被取出時，通過LCD 顯示和蜂鳴器聲音告警提示用戶更換電池，同時燃氣表進入掉電處理模式，關(guān)閉閥門停止供氣。

(9)掉電數(shù)據(jù)保護功能：在電源掉電或低電的情況下，保證運行數(shù)據(jù)完整無誤地保存到ESAM 模塊或EEPROM 中，系統(tǒng)復(fù)位后，能重新讀出數(shù)據(jù)繼續(xù)運行。

2.3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CPU 卡階梯計費燃氣表以IC 卡技術(shù)為基礎(chǔ)，采用CPU 卡作為燃氣表與計算機表務(wù)管理系統(tǒng)之間唯一的數(shù)據(jù)信息交換傳遞媒介，表內(nèi)使用嵌入式安全控制模塊(Embedded Secure Access Module，ESAM)存儲應(yīng)用數(shù)據(jù)信息，同時負責與CPU 卡進行相互安全認證，確保交換數(shù)據(jù)的安全[7]。 本方案以高性能與超低能耗完美平衡的單片機STM32L073RZ 作為主控MCU，主要功能模塊包括CPU 卡模塊、ESAM 模塊、LCD 顯示模塊、實時時鐘模塊、電源及電壓檢測模塊、閥門控制模塊、計量基表、脈沖計量模塊、蜂鳴器模塊等。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

脈沖計量模塊以干簧管作為傳感器，采用中斷的方式檢測用氣量，并把用氣量實時換算成金額計費。LCD 為液晶顯示模塊，主要用來顯示剩余金額、累積使用金額、累積使用氣量、階梯分檔氣量、階梯分檔氣價、閥門狀態(tài)、電池狀態(tài)、故障代碼、日期和時間等信息。 電源及電壓檢測模塊的作用一方面是作為供電電源，提供穩(wěn)定的電壓，使MCU 和各個模塊正常工作； 另一方面是MCU 對電池電壓進行間隙性監(jiān)測，當電池電壓低到報警電壓時，MCU 通過蜂鳴器鳴響和LCD 顯示提醒用戶更換電池。 閥門控制模塊主要是由MCU 控制燃氣表閥門的打開和關(guān)閉，當電池電壓過低或者剩余金額不足時，將閥門關(guān)閉。

2.4 軟件程序設(shè)計

CPU 卡階梯計費燃氣表的控制系統(tǒng)軟件，可劃分為主程序、中斷服務(wù)程序和功能模塊子程序三個組成部分，采用模塊化方法進行設(shè)計，由不同的子程序來完成不同的功能。 考慮到C 語言在研發(fā)效率、可讀性、可維護性和可移植方面遠優(yōu)越于匯編語言，本系統(tǒng)使用C 語言開發(fā)，開發(fā)平臺為Keil MDK-ARM。

中斷操作包括插卡中斷、干簧管計量中斷、磁干擾中斷、定時器中斷等，中斷服務(wù)程序僅做一些簡單的條件判斷和標志中斷事件的發(fā)生。 子程序功能模塊則根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，主要分為定時操作模塊、ISO7816 接口函數(shù)模塊、應(yīng)用卡處理模塊、脈沖計量模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、剩余金額檢測模塊、顯示模塊、蜂鳴器報警模塊、閥門控制模塊、電池電壓檢測模塊和掉電模式處理模塊等。

單片機上電復(fù)位后，主程序先完成初始化和自檢操作，再進入主循環(huán)操作。在主循環(huán)里，按順序逐個掃描中斷事件及其他事務(wù)的處理任務(wù)標志，若有任務(wù)發(fā)生則調(diào)用對應(yīng)的子程序進行處理，處理完之后回到主循環(huán)里，再繼續(xù)掃描其后的其他任務(wù)標志，最后進入休眠低功耗狀態(tài)，等待下一次中斷喚醒。被中斷喚醒后同樣又在大循環(huán)里掃描一遍，之后再進入休眠。 圖3 是控制系統(tǒng)軟件主程序的流程圖。

2.5 計費測試方法

計量及計費的準確可靠是對燃氣表的基本要求，可按以下方法驗證測試階梯計費方案的準確性。

(1)設(shè)置階梯計費方案為1 檔，即單一氣價計費，氣價設(shè)置為1.00 元，每一個脈沖當量(0.01 m3)相當于0.01 元，使氣量與金額數(shù)值同步變化，方便比對。 按較慢均速、標稱均速、較快均速、變速讓燃氣表走氣100 m3以上，燃氣表的電子計量值應(yīng)該與計數(shù)輪的計量值一致，沒有漏計數(shù)或多計數(shù)。

(2)設(shè)置階梯計費方案為2 ～5 檔，每個分檔氣量和分檔氣價也各不相同，讓燃氣表走氣，觀察用氣量和金額的換算是否符合計費方案的要求，計費周期結(jié)束后能否順利開始下一個周期。

(3)階梯計費方案的結(jié)束日期到達后，能否順利切換到另一計費方案。 CPU 卡修改計費方案后，能否按設(shè)定日期啟用新方案。

3 應(yīng)用實例與分析

本課題項目產(chǎn)品在國內(nèi)某市的一個片區(qū)安裝使用了3 000 多臺，按月3 階梯計費，每個自然月份為一個計價周期。 月用氣量在30 m3以內(nèi)為第1 階梯，價格為3.30 元/m3；月用氣量在30 m3～50 m3之間的為第2 階梯，氣價為3.96 元/m3；而大于50 m3部分屬于第3 階梯，氣價為4.95 元/m3。 按此方案運行了1 年之后，核算其運行數(shù)據(jù)，并與另一片區(qū)使用單一氣價(3.30 元/m3)計費的用戶進行比較，發(fā)現(xiàn)在春夏秋三季每戶平均用氣費用大致相等，而在冬季，由于每戶用氣量普遍超過1 階氣量，階梯計費用戶的平均用氣費用則略微高出15%左右，這個結(jié)果基本符合階梯計費的設(shè)計目標。

圖3 主程序流程

然而，在階梯計費運行了一年多時間之后，燃氣價格下調(diào)了6%，而許多用戶在調(diào)價時并沒有及時購氣，沒有把最新的計費方案通過用戶購氣卡更新到燃氣表中，造成了用戶享受降價的滯后性。 通過使用年度作為計價周期、限制每次購氣的最大金額和提前幾個月配置新計費方案的辦法，可解決調(diào)價的及時性問題。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)市場對燃氣階梯計費儀表的需求，主要研究燃氣階梯計費的技術(shù)模型，提出了一種采用表內(nèi)雙計費方案的設(shè)計方法，在此基礎(chǔ)上，完成了CPU 卡階梯計費燃氣表的開發(fā)設(shè)計和計費測試分析等工作。 該課題項目的產(chǎn)品已投放市場得到了實際應(yīng)用。