邵澤華，張 磊

（成都秦川物聯(lián)網科技股份有限公司，四川 成都 610100）

0 引 言

隨著近年來物聯(lián)網、遠距離移動通信網絡以及大數(shù)據(jù)、云計算等技術的發(fā)展和更迭，燃氣管理和服務模式在傳統(tǒng)計量和抄表的基本功能需求之外，還提出了燃氣表流量監(jiān)控、溫度壓力報警監(jiān)控、階梯氣價、實時在線、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和報表數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘等擴展需求，燃氣公司、燃氣用戶對天然氣的使用提出了更加安全、更加公平、更加智慧的要求[1]。

1 技術背景

1.1 燃氣表

燃氣表雖然經歷了機械膜式燃氣表、IC卡膜式燃氣表、遠傳膜式燃氣表、遠傳IC卡膜式燃氣表、GPRS膜式燃氣表、IC卡智能燃氣表、物聯(lián)網智能燃氣表等技術的更新迭代，但現(xiàn)有燃氣表依然還存在無整體設計、計量不準確、閥控不可靠、信息不安全、電池壽命短、接頭不可靠、遠程傳輸距離短、表端智能化程度低等問題[2]。

1.2 燃氣表綜合管理技術

近年來，隨著短距離無線通信技術的發(fā)展，燃氣表的綜合管理技術越來越趨于智能化和遠程化。目前在燃氣表遠程管理技術的應用中，使用較多的為NB-IoT技術、LoRa技術、GPRS技術，盡管現(xiàn)有燃氣表的遠程管理已基本上能夠滿足遠程抄表的業(yè)務需求，但由于技術應用的差異以及設計方案的缺失，目前燃氣表的綜合管理實施效果較差，主要體現(xiàn)在抄表成功率低、抗干擾能力差、通信穩(wěn)定性低、功耗大、信號弱、兼容性差、維護難度高等方面[3]。

1.3 智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)整體架構

智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)不僅涉及燃氣表、網關等感知控制終端和通信終端，同時它還涉及上層通信系統(tǒng)、管理平臺、用戶終端等。目前燃氣表行業(yè)缺乏對物聯(lián)網系統(tǒng)整體架構的研究，部分系統(tǒng)仍延用傳統(tǒng)物聯(lián)網的3層架構設計，未充分理解系統(tǒng)各平臺間的信息傳遞關系和相互聯(lián)系，導致對智能燃氣表的管理架構出現(xiàn)差異。制造商缺乏對物聯(lián)網技術和標準的研究，未將具體的行業(yè)需求和物聯(lián)網技術標準有機結合，導致未能真正構建一套完整的物聯(lián)網系統(tǒng)，用戶未能通過物聯(lián)網技術真正獲得安全、公平、智慧的用氣體驗[4]。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)概述

通過集成物聯(lián)網、邊緣計算、云平臺等新興技術，結合燃氣表計量和遠程管理的業(yè)務需求，作者及團隊設計開發(fā)了具有感知控制平臺、傳感網絡平臺、管理平臺、服務平臺和用戶平臺，集智能感知、智能管理、智能保護、信息安全管理、遠程雙向無線通信、燃氣業(yè)務管理、遠程運營維護、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、用戶服務等軟硬件系統(tǒng)和功能于一體的智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)[5]，結構如圖1所示。

圖1 智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)結構

2.2 功能設計

2.2.1 感知控制平臺

感知控制平臺是實現(xiàn)燃氣交易物理量、燃氣狀態(tài)物理量、表端自身狀態(tài)物理量的感知和控制功能的系統(tǒng)平臺。物聯(lián)網智能燃氣表根據(jù)預先設定的信息上報條件，可以將電池低電、電池掉電、強磁保護、余額不足、超時保護、過流保護、燃氣泄漏、氣壓過低、故障感知等表端狀態(tài)向燃氣管理系統(tǒng)自動實時上報，滿足燃氣運營商對表端狀態(tài)實時監(jiān)控的需要。

2.2.2 傳感網絡平臺

傳感網絡平臺集表端通信模塊、傳感網絡管理系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)為一體，能夠對物聯(lián)網智能燃氣表和傳感網絡平臺通信狀態(tài)進行管理，支持并統(tǒng)一管理所有接入平臺的物聯(lián)網終端設備，實現(xiàn)對接上層燃氣綜合管理系統(tǒng)的功能[6]。

2.2.3 管理平臺

管理平臺是物聯(lián)網智能燃氣表運行體系的數(shù)據(jù)處理中心，通過與感知控制平臺的雙向通信實現(xiàn)遠程運營維護管理、實時遠程抄表管理、實時遠程閥控管理、實時階梯氣價管理、表端狀態(tài)實時監(jiān)控、信息安全管理等綜合管理功能。

2.2.4 服務平臺

服務平臺包括燃氣公司服務平臺、政府服務平臺和社會運營商服務平臺。通過燃氣公司服務平臺向燃氣用戶提供感知服務信息，接收燃氣用戶發(fā)出的控制服務信息；通過政府服務平臺實現(xiàn)向企業(yè)、社會公眾提供政策法規(guī)、行業(yè)監(jiān)管、資源信息等；通過社會運營商服務平臺實現(xiàn)信息資源開放共享，政府、企業(yè)、個人可以將想公開的信息投放到該平臺，實現(xiàn)信息共享[7]。

2.2.5 用戶平臺

用戶平臺集用戶終端、微信公眾號、小程序等軟硬件系統(tǒng)于一體，可實現(xiàn)燃氣用戶業(yè)務信息自助查詢及辦理功能。

燃氣用戶可通過網上銀行、手機銀行、自助終端、支付寶等方式實現(xiàn)燃氣費用網絡支付；通過手機、電腦、自助終端等用戶端實現(xiàn)網絡查詢；支持通過短信、微信、郵件等網絡通信方式向用戶發(fā)送提示信息；支持通過電話、電腦等網絡通信方式，將燃氣泄漏、電池電壓過高或過低、磁干擾、充值提示、使用壽命到期、長期未使用等預警信息發(fā)送給燃氣用戶，保證用戶用氣安全。

2.3 關鍵技術開發(fā)

2.3.1 燃氣表機電轉換技術

燃氣表的機械計量數(shù)據(jù)需要通過機電轉換裝置轉換為電子計量信號，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸。在機電信號轉換過程中，可能存在機械計量數(shù)據(jù)無法采集、電子計量信號丟失、數(shù)據(jù)運算錯誤、信息無法存儲等情況。

智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)所采用的物聯(lián)網智能燃氣表在設計階段將機械計量單元和電子計量單元進行同步設計，匹配機械計量單元和電子計量單元參數(shù)，選用創(chuàng)新型雙干簧管設計，通過采用電子脈沖緩存技術和抗磁干擾計量技術將電子計數(shù)和機械計數(shù)的誤差控制在百萬分之一，優(yōu)于歐洲技術報告 CEN/TR16061：2010《智能燃氣表》中萬分之二及歐洲標準EN16314：2013《燃氣表附加裝置》中萬分之五的機電轉換誤差要求。

2.3.2 燃氣表控制閥技術

智能燃氣表作為燃氣公平貿易計量和燃氣綜合管理控制的計量器具，在保證使用安全方面與傳統(tǒng)燃氣表的要求一致，同時由于增加了管理控制功能，使得智能燃氣表相比傳統(tǒng)燃氣表增加了安全風險，相應地對智能燃氣表的安全閥控及其性能指標提出了更高的要求[8]。

智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)中采用的是作者及其團隊開發(fā)的雙向無堵轉齒輪傳動的燃氣表專用機電閥[9]。開關閥電流小于40 mA，優(yōu)于國家標準中規(guī)定的不超過500 mA的要求，解決了電池電量過低時無法關閥的問題；閥門耐用性超30 000次，優(yōu)于國家標準規(guī)定的2 000次[10]。閥門泄漏率控制在20 mL/h以下，優(yōu)于歐洲標準EN 161：2011+A3：2013《燃氣燃燒器和燃氣用具用自動截止閥（Automatic shut-off valves for gas burners and gas appliances）》規(guī)定的不超過40 mL/h、日本標準JIS S 2151—1993《燃氣器具自動截止閥》規(guī)定的不超過30 mL/h。

2.3.3 傳感網絡管理技術

傳感網絡管理系統(tǒng)采用微服務架構，可滿足物聯(lián)網智能燃氣表龐大數(shù)量終端連接后的業(yè)務處理需求；采用集群模式、異步處理、緩存技術解決高并發(fā)問題；采用分布式模式規(guī)避故障，增強系統(tǒng)的可用性、可靠性；采用非對稱加密、簽名等技術手段，有效保障數(shù)據(jù)安全傳輸。

在系統(tǒng)運維方面，傳感網絡管理系統(tǒng)基于容器化的自動編排、持續(xù)集成、自動部署等技術，使系統(tǒng)具有易維護性、可擴展性等特點。網絡管理采用代理模式，根據(jù)物聯(lián)網終端與傳感網絡管理平臺的通信特性（包括 NB-IoT、LoRa、LoRaWAN等），劃分為通信服務和前置通信服務。通信服務負責處理主站與產品間的交互邏輯和交互數(shù)據(jù)協(xié)議，前置通信服務封裝通信特性及通信服務與產品交互的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)異構通信技術兼容。

2.3.4 燃氣綜合管理技術

管理平臺采用微服務架構、數(shù)據(jù)庫讀寫分離、緩存技術、反向代理技術、數(shù)據(jù)倉庫等先進技術，構建了基于云技術的燃氣綜合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)集日常燃氣業(yè)務受理、客戶檔案、抄表計量、表具管理、收費、財務、安檢、報裝改造、維修、呼叫支持、統(tǒng)計分析等功能于一體，對燃氣運營商的客戶服務部門業(yè)務進行全面管理。

3 系統(tǒng)創(chuàng)新點

智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)的設計是在作者及設計團隊現(xiàn)有國際領先產品“物聯(lián)網智能燃氣表及其運行體系”的基礎上，對感知控制平臺中物聯(lián)網智能燃氣表、傳感網絡平臺中無線通信模塊和傳感網絡管理系統(tǒng)、燃氣綜合管理系統(tǒng)、用戶平臺中各軟硬件產品的方案優(yōu)化和技術升級，主要表現(xiàn)在以下3個方面。

3.1 運行體系架構創(chuàng)新性

基于物聯(lián)網三體系理論，創(chuàng)新性提出了智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)，該系統(tǒng)由信息體系、物理體系以及功能體系組成，被運用于智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)項目的研發(fā)和運營。

智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)架構清晰展現(xiàn)了燃氣用戶、燃氣公司以及物聯(lián)網智能燃氣表三者之間的關系，體現(xiàn)了公用服務事業(yè)為民服務的宗旨。通過清晰界定信息、物理實體以及功能之間的關系，使原本混亂的燃氣管理工作變得清晰有序。

3.2 獨立的管理平臺

在智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)中，物聯(lián)網管理平臺獨立行使統(tǒng)籌管理職能，分別以服務平臺和傳感網絡平臺為橋梁與燃氣用戶和物聯(lián)網智能燃氣表通信，將傳感通信及服務通信功能與管理平臺的管理職能分離，做出清晰界定，可使管理平臺專注于燃氣運營管理，職能更加明確，運行更加高效。

智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)的設計始終以用戶需求為導向，業(yè)務場景和功能設計更加貼合用戶的使用習慣；在技術上，管理平臺基于微服務架構設計，涉及的管理或服務項目均獨立部署，燃氣公司利用管理平臺能夠實現(xiàn)功能強大、權限清晰的燃氣綜合管理能力，包括用戶管理、服務管理、傳感網絡管理、對象管理、綜合管理等。

智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)中的管理平臺可整合第三方燃氣表廠家的物聯(lián)網傳感網絡網關和傳感網絡管理系統(tǒng)，“一體化”管理所有燃氣物聯(lián)網對象層設備（如燃氣表、調壓箱、流量計、管網節(jié)點）和用戶層燃氣終端用戶數(shù)據(jù)信息（如用戶檔案、賬號、氣價方案、用氣數(shù)據(jù)、充值繳費等）。燃氣運營公司使用該產品兼容并管理其他所有表廠的燃氣物聯(lián)網對象層設備，覆蓋燃氣公司終端用戶的所有燃氣業(yè)務，作為“統(tǒng)一燃氣業(yè)務管理平臺”軟件系統(tǒng)提供給燃氣公司使用。

3.3 物聯(lián)網與云平臺結合方式的創(chuàng)新性

智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)通過與云平臺連接為其提供云計算支持。智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)與云平臺的連接方式為并聯(lián)結構，燃氣數(shù)據(jù)在傳輸給云平臺之前會在管理平臺中進行處理，如認證、標記等，然后再傳輸給云平臺進行云計算。事實上，云平臺處理后的燃氣數(shù)據(jù)短暫脫離了燃氣公司管理平臺的管理邊界，不能完全保證燃氣數(shù)據(jù)的合法性，需要由云平臺將處理后的燃氣數(shù)據(jù)傳輸回管理平臺，由管理平臺對該數(shù)據(jù)進行確認后，通過服務平臺傳輸給燃氣用戶，實現(xiàn)燃氣服務。這種方式在降低設備運維管理需求的同時，還能實現(xiàn)對燃氣數(shù)據(jù)的最終掌控，保證燃氣數(shù)據(jù)合規(guī)合法。

從信息技術的發(fā)展路徑來看，得益于云計算的性能優(yōu)勢，以云計算為核心的云平臺將成為物聯(lián)網的重要組成部分。物聯(lián)網與云平臺的結合將從資源共享、業(yè)務快速部署、信息價值深度挖掘等方面帶動燃氣產業(yè)快速升級。

4 結 語

隨著國家政策以及燃氣運營商對智能燃氣表終端實時信息采集與控制等產品與服務需求的共同推動，燃氣行業(yè)的智慧化升級必然是下一步的發(fā)展方向。

智能燃氣表物聯(lián)網系統(tǒng)將應用在智慧城市的公共服務管理中，包括燃氣公司遠程抄表、遠程收費、遠程安檢、遠程閥控、遠程調價、設備監(jiān)管、信息安全管理等業(yè)務場景，以及燃氣用戶預付費、遠程充值、燃氣資源信息推送、個人隱私安全保護等場景，真正實現(xiàn)燃氣表的遠程化和智慧化管理，為廣大民用和商用消費者提供更安全、更公平和更智慧的用氣服務。