邵澤華，權(quán)亞強

（成都秦川物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司，四川 成都 610100）

0 引 言

城鎮(zhèn)燃氣需求側(cè)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(cè)[4]用戶用能管理提供數(shù)據(jù)服務(wù)的基礎(chǔ)管理工作。

目前，我國大部分城鎮(zhèn)燃氣使用具有預(yù)付費功能的IC卡表實現(xiàn)自動抄表和付費管理，已經(jīng)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(yù)售和用氣預(yù)購才能實現(xiàn)，因此必然出現(xiàn)大量的沒有實現(xiàn)供氣業(yè)務(wù)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(yīng)國家燃氣價格市場化改革的需求[5]，難以實現(xiàn)對用氣需求側(cè)的精準(zhǔn)監(jiān)管。目前采用對門站調(diào)壓計量站輸入的流量和各用氣小區(qū)的分調(diào)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(xiàn)精準(zhǔn)服務(wù)。本文通過基于燃氣表物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求側(cè)用氣監(jiān)管系統(tǒng)，可以在原來的基礎(chǔ)上進一步對每一位消費者的用氣實現(xiàn)監(jiān)管，通過數(shù)據(jù)積累可以獲得消費者的消費習(xí)慣和用氣規(guī)律，使燃氣公司可以獲得更加精準(zhǔn)的燃氣平衡關(guān)系，為燃氣公用服務(wù)事業(yè)提供更高效的管理手段。

1 城鎮(zhèn)燃氣需求側(cè)用氣監(jiān)管系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于燃氣表物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城鎮(zhèn)燃氣需求側(cè)用氣監(jiān)管系統(tǒng)由智能燃氣表、管理服務(wù)平臺、用戶終端以及它們之間的通信網(wǎng)絡(luò)組成。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 城鎮(zhèn)燃氣需求側(cè)用氣監(jiān)管系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)包括智能燃氣表、管理服務(wù)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(wù)平臺，可響應(yīng)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(xiàn)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(guān)閉內(nèi)置在基表氣路的閥門等。

管理服務(wù)平臺的核心是傳感網(wǎng)絡(luò)管理平臺，通過傳感網(wǎng)絡(luò)管理的南向接口[6]可以精準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)管理的北向接口[6]可以為各類用戶終端提供精準(zhǔn)服務(wù)，匯聚各類用戶終端的控制指令與服務(wù)需求信息。

用戶終端由消費者終端、燃氣經(jīng)銷業(yè)務(wù)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(tǒng)用戶意志的體現(xiàn)，也是系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計、運維和監(jiān)管等信息系統(tǒng)設(shè)計的需求來源，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和向社會各領(lǐng)域的滲透，還可能會出現(xiàn)新的用戶終端需要更高效可靠的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(shù)器指示計量值，是燃氣供應(yīng)通道。閥門控制燃氣通道通斷，由微電機驅(qū)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(xiàn)控制器所有功能單元的調(diào)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(wù)平臺的通信接口、與現(xiàn)場校準(zhǔn)抄讀裝置的通信以及IC卡通信接口。與管理服務(wù)平臺的通信接口技術(shù)采用NB-IoT模塊、GPRS模塊、LoRa模塊；與現(xiàn)場校準(zhǔn)抄讀裝置通信接口技術(shù)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(dāng)前狀態(tài)信息。時鐘單元主要處理時間計量事務(wù)，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(jīng)處理的計量數(shù)據(jù)、存儲計量和計費等貿(mào)易結(jié)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(jié)果信息和臨時緩存數(shù)據(jù)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(wù)。

2.2 遠程管理服務(wù)平臺

遠程管理服務(wù)平臺由傳感網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)、表具管理信息系統(tǒng)、用戶服務(wù)管理信息系統(tǒng)、信息安全管理系統(tǒng)組成。

（1）傳感網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)。傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)主要負責(zé)傳感網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點（網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器、表具、采集器等傳感器網(wǎng)絡(luò)[7-8]節(jié)點）網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)關(guān)注冊及其南向接口協(xié)議和北向接口[6]協(xié)議版本管理；網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器的登錄人員資格的認證和鑒權(quán)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(tǒng)。對表具測量能力信息、所測量介質(zhì)信息、表具軟件信息、表具的通信SIM卡信息、表具安裝相關(guān)信息、制造（或供方）信息、表具相關(guān)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(wù)管理信息系統(tǒng)。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(wù)員、戶內(nèi)巡檢業(yè)務(wù)員、搶修服務(wù)提供業(yè)務(wù)員、客服中心業(yè)務(wù)員、修改安裝業(yè)務(wù)員、內(nèi)部銷售員、財務(wù)人員等對燃氣經(jīng)銷用戶進行管理。按開發(fā)員、測試員、系統(tǒng)維護員對系統(tǒng)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(shè)備防爆管理、通信設(shè)備管理）、價格監(jiān)管業(yè)務(wù)類（執(zhí)行的燃氣價格）、燃氣行政管理類（特許經(jīng)營資格監(jiān)管、收取的開戶費、服務(wù)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(tǒng)。信息安全管理系統(tǒng)保證管理服務(wù)平臺安全高效的運行，防止來自用戶端和表端的風(fēng)險。通過對表端通信SIM卡的認證管理、業(yè)務(wù)加密管理和鑒權(quán)管理保護傳感網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)[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(tǒng)和用戶管理信息系統(tǒng)的信息隔離轉(zhuǎn)換管理，可以阻止?jié)撛陲L(fēng)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(fēng)險。

通過對用戶端終端的認證管理和鑒權(quán)管理[9]，保護用戶管理信息系統(tǒng)不受來自非法用戶終端的攻擊，并通過用戶管理信息系統(tǒng)將用戶指令信息轉(zhuǎn)換為表具控制管理，使用戶和表具信息實現(xiàn)隔離轉(zhuǎn)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(fēng)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(nèi)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(jīng)銷業(yè)務(wù)用戶、監(jiān)管者的合法信息安全權(quán)利。

2.3 用戶終端

終端形式有手機APP、網(wǎng)頁入口等，供用戶使用。消費者終端是實現(xiàn)繳費、歷史數(shù)據(jù)查詢等事務(wù)的載體。系統(tǒng)運維者終端是系統(tǒng)開發(fā)人員、測試人員、維護人員對系統(tǒng)進行升級和故障處理的入口。經(jīng)銷業(yè)務(wù)者終端是各類業(yè)務(wù)人員根據(jù)線上和線上的服務(wù)要求實現(xiàn)其在線業(yè)務(wù)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(tǒng)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(xiàn)場服務(wù)和維護人員。操作控制器按鈕可以實現(xiàn)表端信息查詢和上傳，戶內(nèi)管路泄漏檢測，打開電池倉更換電池，連接IC卡可讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。報警器有信號可觸發(fā)表關(guān)閥。

3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的技術(shù)實現(xiàn)

（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(zhuǎn)換為電子信息，實現(xiàn)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(jù)自動上傳給遠程管理服務(wù)平臺進行貿(mào)易結(jié)算和監(jiān)控管理，實現(xiàn)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(shù)實現(xiàn)。智能燃氣表的控制器的監(jiān)視技術(shù)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(jù)各種監(jiān)視裝置監(jiān)視的信息實現(xiàn)對燃氣表的操作和管理。當(dāng)控制器監(jiān)視到表端存在安全風(fēng)險[10]時，或接收到主控單元指令時（包括現(xiàn)場操作觸發(fā)的指令、報警器信號觸發(fā)的指令），自動關(guān)閥，實現(xiàn)表端自動控制閉環(huán)。

（3）遠程管理服務(wù)平臺技術(shù)實現(xiàn)。依托表端自動控制閉環(huán)和遠程通信技術(shù)，實現(xiàn)了多個管理控制閉環(huán)。管理控制閉環(huán)包括：傳感網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)對燃氣表的管理控制閉環(huán)、表具管理信息系統(tǒng)對燃氣表的管理控制閉環(huán)、用戶信息管理系統(tǒng)對燃氣表的管理控制閉環(huán)、信息安全管理系統(tǒng)對燃氣表的管理控制閉環(huán)。采用現(xiàn)代管理技術(shù)的閉環(huán)控制理論，實現(xiàn)了為用戶服務(wù)的閉環(huán)。服務(wù)閉環(huán)包括：遠程管理服務(wù)平臺的用戶管理信息系統(tǒng)與消費者用戶之間的服務(wù)閉環(huán)、遠程管理服務(wù)平臺的用戶管理信息系統(tǒng)與經(jīng)銷業(yè)務(wù)用戶之間的服務(wù)閉環(huán)、遠程管理服務(wù)平臺的用戶管理信息系統(tǒng)與系統(tǒng)運維用戶之間的服務(wù)閉環(huán)、遠程管理服務(wù)平臺的用戶管理信息系統(tǒng)與監(jiān)管者用戶之間的服務(wù)閉環(huán)。

（4）用戶終端的技術(shù)實現(xiàn)。通過管理服務(wù)平臺閉環(huán)管理控制閉環(huán)，以及表端的閉環(huán)控制技術(shù)和服務(wù)閉環(huán)技術(shù)，實現(xiàn)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(wù)平臺對表端的遠程管理控制閉環(huán)、經(jīng)銷業(yè)務(wù)用戶通過遠程管理服務(wù)平臺對表端的遠程管理控制閉環(huán)、系統(tǒng)運維用戶通過遠程管理服務(wù)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(wù)平臺對表端的遠程管理控制閉環(huán)。

4 監(jiān)管系統(tǒng)運行

4.1 用氣需求側(cè)泄漏監(jiān)測控制及安檢措施

用氣需求側(cè)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(shù)[12]和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)；用氣泄漏監(jiān)測控制基于燃氣表連接現(xiàn)場環(huán)境的燃氣泄漏檢測報警信號技術(shù)實現(xiàn)；用氣安檢等方面的監(jiān)管基于燃氣表壓力開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)。

4.2 需求側(cè)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(diào)價事務(wù)、氣費續(xù)交、按鈕操作處理的運行流程說明。

（1）調(diào)價事務(wù)運行流程

管理服務(wù)平臺內(nèi)可預(yù)存和調(diào)整燃氣價格、用戶信息等數(shù)據(jù)和信息。

行業(yè)監(jiān)管部門在燃氣調(diào)價時提前將燃氣調(diào)價指令發(fā)送到燃氣業(yè)務(wù)人員終端，燃氣業(yè)務(wù)人員終端可以據(jù)此對管理服務(wù)平臺發(fā)出燃氣的價格調(diào)整通知，管理服務(wù)平臺設(shè)置好價格方案，并提前下發(fā)到表端，在價格方案中設(shè)定價格調(diào)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(wù)用戶直至價格生效日。當(dāng)表端時鐘到達價格生效日期后立即執(zhí)行調(diào)整價格，并上傳平臺，平臺再上傳給相關(guān)用戶（業(yè)務(wù)人員用戶及行業(yè)監(jiān)管用戶）。平臺統(tǒng)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(xiàn)調(diào)價事務(wù)的動態(tài)管理和閉環(huán)管理。

（2）氣費續(xù)交業(yè)務(wù)流程

管理服務(wù)平臺中的用戶信息管理系統(tǒng)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(dāng)消費者用戶賬戶余額或信用度為設(shè)定值的下限時，向表端控制器發(fā)送提醒信息和關(guān)閥指令，切斷燃氣供應(yīng)；當(dāng)消費者用戶通過用戶終端續(xù)費后，管理服務(wù)平臺的用戶信息管理系統(tǒng)相應(yīng)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(wù)流程結(jié)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(xiàn)人機交互，也可實現(xiàn)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(yù)警等異常監(jiān)管措施

用氣干擾干涉預(yù)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(yù)警和處置等監(jiān)管。

4.3.1 磁干擾監(jiān)管流程

當(dāng)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(guān)閉閥門，防止需求側(cè)用氣流量因磁干擾造成用量失控，并在表端存儲磁干擾關(guān)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(wù)平臺存入表具管理信息系統(tǒng)和用戶管理信息系統(tǒng)的用戶賬戶信息，并經(jīng)管理平臺轉(zhuǎn)發(fā)消費者用戶終端“燃氣已切斷，可以復(fù)位”之類的提醒信息；當(dāng)該磁場消失以后，操作者可以通過操作表端復(fù)位按鈕恢復(fù)供氣；如果復(fù)位后又出現(xiàn)類似磁場，則表端仍會關(guān)閥保護。當(dāng)由磁干擾而產(chǎn)生的關(guān)閥保護的次數(shù)達到設(shè)置的上限次數(shù)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(wù)平臺（在用戶賬戶信息中記錄），并經(jīng)管理平臺轉(zhuǎn)發(fā)消費者用戶終端“燃氣已切斷，不可復(fù)位，請聯(lián)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(jīng)銷業(yè)務(wù)用戶，建立跟蹤機制。當(dāng)表具被鎖定時，平臺立即通知業(yè)務(wù)服務(wù)用戶，以便業(yè)務(wù)服務(wù)用戶及時處理，并將業(yè)務(wù)服務(wù)用戶的聯(lián)系方式、預(yù)計的處理周期發(fā)送給消費者用戶，對業(yè)務(wù)服務(wù)用戶的處理過程進行跟蹤記錄。鎖定后操作者不能在現(xiàn)場對表具進行復(fù)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(dāng)場操作復(fù)位。

4.3.2 開蓋干涉監(jiān)管流程

當(dāng)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(guān)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(wù)平臺（在用戶賬戶信息中記錄），并經(jīng)管理平臺轉(zhuǎn)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(zé)。

5 結(jié) 語

基于燃氣表物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城鎮(zhèn)燃氣需求側(cè)用氣監(jiān)管系統(tǒng)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(dāng)需求側(cè)出現(xiàn)用氣異常現(xiàn)象時，燃氣經(jīng)銷業(yè)務(wù)用戶可以采取主動措施，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制用氣和統(tǒng)一管理，有效降低表具損耗和管理費用。燃氣需求側(cè)用氣監(jiān)管系統(tǒng)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(wù)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(cè)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(guān)注的重要事務(wù)，是關(guān)系到燃氣公司供氣調(diào)度和協(xié)調(diào)的大事，是提高燃氣服務(wù)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(yīng)用需求進行負荷預(yù)測、峰谷差計算、峰谷售價測算等，也能夠基于節(jié)能的應(yīng)用需求進行能效分析及系統(tǒng)優(yōu)化模型庫建設(shè)[12]。