邵澤華，權亞強

（成都秦川物聯網科技股份有限公司，四川 成都 610100）

0 引 言

城鎮(zhèn)燃氣需求側用氣監(jiān)管是燃氣供氣企業(yè)減少供銷差率[1]、降低損耗、提升供氣安全和供氣效益的重要手段[2-3]，也是為需求側[4]用戶用能管理提供數據服務的基礎管理工作。

目前，我國大部分城鎮(zhèn)燃氣使用具有預付費功能的IC卡表實現自動抄表和付費管理，已經解決了困擾供氣企業(yè)抄表難和收費難的問題，但是IC卡表需要供氣預售和用氣預購才能實現，因此必然出現大量的沒有實現供氣業(yè)務的銷售氣量。由于大部分是離線模式，不具備實時通信功能，因此不能適應國家燃氣價格市場化改革的需求[5]，難以實現對用氣需求側的精準監(jiān)管。目前采用對門站調壓計量站輸入的流量和各用氣小區(qū)的分調壓計量站輸出的流量進行平衡，粗略估計每一消費者的平均消費水平，無法實現精準服務。本文通過基于燃氣表物聯網技術的需求側用氣監(jiān)管系統，可以在原來的基礎上進一步對每一位消費者的用氣實現監(jiān)管，通過數據積累可以獲得消費者的消費習慣和用氣規(guī)律，使燃氣公司可以獲得更加精準的燃氣平衡關系，為燃氣公用服務事業(yè)提供更高效的管理手段。

1 城鎮(zhèn)燃氣需求側用氣監(jiān)管系統網絡架構

基于燃氣表物聯網技術的城鎮(zhèn)燃氣需求側用氣監(jiān)管系統由智能燃氣表、管理服務平臺、用戶終端以及它們之間的通信網絡組成。其系統架構如圖1所示。

圖1 城鎮(zhèn)燃氣需求側用氣監(jiān)管系統網絡架構

系統架構包括智能燃氣表、管理服務平臺、用戶終端、燃氣泄漏報警器、操作者等。

智能燃氣表的核心是控制器，其可接收遠程管理服務平臺，可響應與之連接的燃氣泄漏報警器發(fā)出的泄漏報警信號以及操作信息，通過對主程序進行存儲、處理和輸出，實現控制器各種輸出，包括表端液晶顯示、向遠程平臺發(fā)送消息、關閉內置在基表氣路的閥門等。

管理服務平臺的核心是傳感網絡管理平臺，通過傳感網絡管理的南向接口[6]可以精準管理眾多的智能燃氣表，匯聚各類感知信息和表端操控信息；通過傳感網絡管理的北向接口[6]可以為各類用戶終端提供精準服務，匯聚各類用戶終端的控制指令與服務需求信息。

用戶終端由消費者終端、燃氣經銷業(yè)務用戶終端、行業(yè)監(jiān)管者終端及運維者終端等組成，是系統用戶意志的體現，也是系統開發(fā)設計、運維和監(jiān)管等信息系統設計的需求來源，隨著網絡技術的發(fā)展和向社會各領域的滲透，還可能會出現新的用戶終端需要更高效可靠的物聯網系統。

2 網絡架構的功能特點

2.1 智能燃氣表

智能燃氣表由基表、控制器和電機閥組成，基表具有機械計量功能，通過計數器指示計量值，是燃氣供應通道。閥門控制燃氣通道通斷，由微電機驅動?？刂破鞯墓δ軉卧ㄖ骺貑卧?、電子計量單元、通信單元、監(jiān)視單元、閥控單元、時鐘單元、存儲單元、操作單元、電源單元和控制器外殼等?？刂破魇呛诵墓δ荏w，其各部分功能單元表述如下：

主控單元實現控制器所有功能單元的調度和控制。電子計量單元處理來自基表的機械計量信息，通信單元包括與遠程管理服務平臺的通信接口、與現場校準抄讀裝置的通信以及IC卡通信接口。與管理服務平臺的通信接口技術采用NB-IoT模塊、GPRS模塊、LoRa模塊；與現場校準抄讀裝置通信接口技術采用紅外IRDA模塊；IC卡通信接口采用接觸式或非接觸式讀寫卡模塊。監(jiān)視單元包括報警器連接及其信號監(jiān)視、流量信號監(jiān)視、壓力異常監(jiān)視、外部磁干擾信號監(jiān)視、開蓋監(jiān)視、按鈕操作監(jiān)視、IC卡連接監(jiān)視、液晶顯示器、蜂鳴器、指示燈等。閥控單元處理來自主控單元的閥門指令，并向主控模塊上報閥門當前狀態(tài)信息。時鐘單元主要處理時間計量事務，受主控單元控制進行時鐘同步。存儲單元主要處理主控模塊已經處理的計量數據、存儲計量和計費等貿易結算信息，存儲表具的法制計量信息，存儲監(jiān)視單元的監(jiān)視結果信息和臨時緩存數據存儲。操作單元處理按鍵操作、更換電池操作、卡連接操作等操作事務。

2.2 遠程管理服務平臺

遠程管理服務平臺由傳感網絡管理信息系統、表具管理信息系統、用戶服務管理信息系統、信息安全管理系統組成。

（1）傳感網絡管理信息系統。傳感網絡管理系統主要負責傳感網絡所有節(jié)點（網關、網絡管理服務器、表具、采集器等傳感器網絡[7-8]節(jié)點）網絡通信的基本信息（路由信息等）的存儲和管理，功能主要包括：網關注冊及其南向接口協議和北向接口[6]協議版本管理；網絡管理服務器的登錄人員資格的認證和鑒權管理與節(jié)點資源管理；表端通信注冊和注銷通信制度（連續(xù)式在線、間歇式在線）的管理。

（2）表具管理信息系統。對表具測量能力信息、所測量介質信息、表具軟件信息、表具的通信SIM卡信息、表具安裝相關信息、制造（或供方）信息、表具相關認證信息、表具維護和修理信息等進行管理和維護。

（3）用戶服務管理信息系統。按下述分門別類對用戶信息進行管理和維護。按燃氣用途分類為對工業(yè)用戶消費者和民用用戶消費者進行管理。按營業(yè)廳業(yè)務員、戶內巡檢業(yè)務員、搶修服務提供業(yè)務員、客服中心業(yè)務員、修改安裝業(yè)務員、內部銷售員、財務人員等對燃氣經銷用戶進行管理。按開發(fā)員、測試員、系統維護員對系統運維用戶進行管理。按表具監(jiān)管類（法制計量管理、爆炸性環(huán)境用電氣設備防爆管理、通信設備管理）、價格監(jiān)管業(yè)務類（執(zhí)行的燃氣價格）、燃氣行政管理類（特許經營資格監(jiān)管、收取的開戶費、服務費、特殊群體優(yōu)惠政策執(zhí)行的監(jiān)督）對監(jiān)管者用戶進行管理。

（4）信息安全管理系統。信息安全管理系統保證管理服務平臺安全高效的運行，防止來自用戶端和表端的風險。通過對表端通信SIM卡的認證管理、業(yè)務加密管理和鑒權管理保護傳感網絡管理信息系統[9]不受來自非法節(jié)點的攻擊。并通過對表具管理信息系統和用戶管理信息系統的信息隔離轉換管理，可以阻止?jié)撛陲L險傳遞到用戶端，保證了用戶終端的安全。使得通過智能燃氣表終端不能竊取和監(jiān)聽用戶基本信息，減少了用戶信息被泄露的風險。

通過對用戶端終端的認證管理和鑒權管理[9]，保護用戶管理信息系統不受來自非法用戶終端的攻擊，并通過用戶管理信息系統將用戶指令信息轉換為表具控制管理，使用戶和表具信息實現隔離轉換，防止?jié)撛诘姆欠ㄓ脩敉ㄟ^平臺攻擊表端。使得通過用戶終端無法竊取和監(jiān)聽表具的基本信息，減少了表端遭受攻擊的風險。

通過對遠程平臺的運維管理，嚴格執(zhí)行平臺登錄保密程序和密碼修改制度，以防止非法用戶進入平臺，減少內部管理造成的分享，保護用戶信息的安全，防止用戶信息被泄漏，保證消費者、經銷業(yè)務用戶、監(jiān)管者的合法信息安全權利。

2.3 用戶終端

終端形式有手機APP、網頁入口等，供用戶使用。消費者終端是實現繳費、歷史數據查詢等事務的載體。系統運維者終端是系統開發(fā)人員、測試人員、維護人員對系統進行升級和故障處理的入口。經銷業(yè)務者終端是各類業(yè)務人員根據線上和線上的服務要求實現其在線業(yè)務或離線的入口和載體。監(jiān)管者終端是行業(yè)監(jiān)管者進入系統進行核查取證和監(jiān)督檢查的入口。

2.4 操作者和報警器

操作者包括消費者、現場服務和維護人員。操作控制器按鈕可以實現表端信息查詢和上傳，戶內管路泄漏檢測，打開電池倉更換電池，連接IC卡可讀出或寫入數據。報警器有信號可觸發(fā)表關閥。

3 網絡架構的技術實現

（1）概述。智能燃氣表的控制器通過采集表端計量體的機械計量信息、監(jiān)控信息并轉換為電子信息，實現對燃氣流量的測量、異常事件感知，并以此計量值和異常事件信息為依據自動上傳給遠程管理服務平臺進行貿易結算和監(jiān)控管理，實現了用戶終端對計量計費和異常的日常管理。

（2）智能燃氣表技術實現。智能燃氣表的控制器的監(jiān)視技術包括顯示器、干擾和干涉檢測裝置、操作裝置、指示裝置、安全切斷檢測裝置，控制器根據各種監(jiān)視裝置監(jiān)視的信息實現對燃氣表的操作和管理。當控制器監(jiān)視到表端存在安全風險[10]時，或接收到主控單元指令時（包括現場操作觸發(fā)的指令、報警器信號觸發(fā)的指令），自動關閥，實現表端自動控制閉環(huán)。

（3）遠程管理服務平臺技術實現。依托表端自動控制閉環(huán)和遠程通信技術，實現了多個管理控制閉環(huán)。管理控制閉環(huán)包括：傳感網絡管理信息系統對燃氣表的管理控制閉環(huán)、表具管理信息系統對燃氣表的管理控制閉環(huán)、用戶信息管理系統對燃氣表的管理控制閉環(huán)、信息安全管理系統對燃氣表的管理控制閉環(huán)。采用現代管理技術的閉環(huán)控制理論，實現了為用戶服務的閉環(huán)。服務閉環(huán)包括：遠程管理服務平臺的用戶管理信息系統與消費者用戶之間的服務閉環(huán)、遠程管理服務平臺的用戶管理信息系統與經銷業(yè)務用戶之間的服務閉環(huán)、遠程管理服務平臺的用戶管理信息系統與系統運維用戶之間的服務閉環(huán)、遠程管理服務平臺的用戶管理信息系統與監(jiān)管者用戶之間的服務閉環(huán)。

（4）用戶終端的技術實現。通過管理服務平臺閉環(huán)管理控制閉環(huán)，以及表端的閉環(huán)控制技術和服務閉環(huán)技術，實現用戶對表端的閉環(huán)管理，即：消費者用戶通過遠程管理服務平臺對表端的遠程管理控制閉環(huán)、經銷業(yè)務用戶通過遠程管理服務平臺對表端的遠程管理控制閉環(huán)、系統運維用戶通過遠程管理服務平臺對表端的遠程管理控制閉環(huán)、監(jiān)管者用戶通過遠程管理服務平臺對表端的遠程管理控制閉環(huán)。

4 監(jiān)管系統運行

4.1 用氣需求側泄漏監(jiān)測控制及安檢措施

用氣需求側泄漏監(jiān)測控制及安檢措施包括用氣安全、用氣泄漏監(jiān)測控制、用氣安檢等方面的監(jiān)管[11]。用氣安全基于燃氣表安全切斷技術[12]和物聯網技術實現；用氣泄漏監(jiān)測控制基于燃氣表連接現場環(huán)境的燃氣泄漏檢測報警信號技術實現；用氣安檢等方面的監(jiān)管基于燃氣表壓力開關技術實現。

4.2 需求側用氣計費等日常監(jiān)管措施

日常監(jiān)管措施包括續(xù)費提醒、更換電池提醒和維護保養(yǎng)提醒及操作提醒等監(jiān)管，下面以調價事務、氣費續(xù)交、按鈕操作處理的運行流程說明。

（1）調價事務運行流程

管理服務平臺內可預存和調整燃氣價格、用戶信息等數據和信息。

行業(yè)監(jiān)管部門在燃氣調價時提前將燃氣調價指令發(fā)送到燃氣業(yè)務人員終端，燃氣業(yè)務人員終端可以據此對管理服務平臺發(fā)出燃氣的價格調整通知，管理服務平臺設置好價格方案，并提前下發(fā)到表端，在價格方案中設定價格調整法定日期，之后對表端的時鐘同步進行逐日監(jiān)管并上報給業(yè)務用戶直至價格生效日。當表端時鐘到達價格生效日期后立即執(zhí)行調整價格，并上傳平臺，平臺再上傳給相關用戶（業(yè)務人員用戶及行業(yè)監(jiān)管用戶）。平臺統計并處理未能及時執(zhí)行的智能燃氣表，以確保每一位消費者執(zhí)行新的價格，實時實現調價事務的動態(tài)管理和閉環(huán)管理。

（2）氣費續(xù)交業(yè)務流程

管理服務平臺中的用戶信息管理系統能向消費者用戶提供其用戶賬戶信息，在余額較低時同時向表端控制器發(fā)送提醒信息，提示表端充值。當消費者用戶賬戶余額或信用度為設定值的下限時，向表端控制器發(fā)送提醒信息和關閥指令，切斷燃氣供應；當消費者用戶通過用戶終端續(xù)費后，管理服務平臺的用戶信息管理系統相應的消費者賬戶自動同步賬戶信息，并自動通知表端開閥，續(xù)費業(yè)務流程結束。之后，表端每日向平臺上報信息，平臺用戶信息賬戶則逐日更新，并按用戶訂閱信息向用戶推送賬戶信息。

（3）按鍵操作處理流程

通過按鍵操作可實現人機交互，也可實現表端信息查詢、自助安檢、表端發(fā)送上傳信息等功能。

4.3 用氣干擾干涉預警等異常監(jiān)管措施

用氣干擾干涉預警等異常監(jiān)管措施包括干擾和干涉報警及切斷，以及干涉預警和處置等監(jiān)管。

4.3.1 磁干擾監(jiān)管流程

當存在磁場干擾時，可被燃氣表控制器的干擾檢測裝置探測，控制器主控單元立即指揮閥控單元關閉閥門，防止需求側用氣流量因磁干擾造成用量失控，并在表端存儲磁干擾關閥事件信息，以聲光文字提示存在磁場干擾，同時上報管理服務平臺存入表具管理信息系統和用戶管理信息系統的用戶賬戶信息，并經管理平臺轉發(fā)消費者用戶終端“燃氣已切斷，可以復位”之類的提醒信息；當該磁場消失以后，操作者可以通過操作表端復位按鈕恢復供氣；如果復位后又出現類似磁場，則表端仍會關閥保護。當由磁干擾而產生的關閥保護的次數達到設置的上限次數值（一般為5次）時，控制器主控模塊將判斷使用環(huán)境磁場異常而鎖定燃氣表，并在表端存儲磁干擾鎖定事件信息，以聲光文字提示存在磁場干擾，同時上報管理服務平臺（在用戶賬戶信息中記錄），并經管理平臺轉發(fā)消費者用戶終端“燃氣已切斷，不可復位，請聯系****”之類的提醒信息。平臺收到磁干擾信息也可推送給燃氣經銷業(yè)務用戶，建立跟蹤機制。當表具被鎖定時，平臺立即通知業(yè)務服務用戶，以便業(yè)務服務用戶及時處理，并將業(yè)務服務用戶的聯系方式、預計的處理周期發(fā)送給消費者用戶，對業(yè)務服務用戶的處理過程進行跟蹤記錄。鎖定后操作者不能在現場對表具進行復位，并在表端提示。燃氣消費者用戶需要申請，管理平臺派人員入戶檢查，專業(yè)人員入戶檢查采取措施后可申請平臺遠程解鎖，解鎖后消費者用戶可當場操作復位。

4.3.2 開蓋干涉監(jiān)管流程

當表端控制器蓋被非法移除時，可被干涉檢測裝置探測，控制器主控模塊立即指揮閥控單元關閉并鎖定閥門，并在表端存儲磁干擾鎖定事件信息以聲光文字提示存在磁場干擾，同時上報管理服務平臺（在用戶賬戶信息中記錄），并經管理平臺轉發(fā)消費者用戶終端“存在危險，切斷供氣，需入戶檢查儀表，請配合”之類的提醒信息。專業(yè)人員入戶后，如證實為開蓋，則需更換表具并追責。

5 結 語

基于燃氣表物聯網技術的城鎮(zhèn)燃氣需求側用氣監(jiān)管系統可以幫助企業(yè)滿足國家對燃氣供氣企業(yè)供銷差要求的趨嚴（到2020年降低到4%）要求[3]，當需求側出現用氣異常現象時，燃氣經銷業(yè)務用戶可以采取主動措施，實現精準控制用氣和統一管理，有效降低表具損耗和管理費用。燃氣需求側用氣監(jiān)管系統的建立必然促使智能燃氣表制造商提升表具的安全性能和計量性能，既能提高燃氣公司的管理服務水平，還能提高廣大人民群眾使用燃氣的安全、公平和智慧化水平。

總之，燃氣需求側用氣監(jiān)管一直以來是燃氣供方和各級燃氣行政部門都很關注的重要事務，是關系到燃氣公司供氣調度和協調的大事，是提高燃氣服務管理水平和保證燃氣公司供氣平衡的重要手段。今后，還能夠基于削峰填谷的應用需求進行負荷預測、峰谷差計算、峰谷售價測算等，也能夠基于節(jié)能的應用需求進行能效分析及系統優(yōu)化模型庫建設[12]。