趙 威，付 森

（1.寧夏大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏水投科技股份有限公司，寧夏 銀川 750004）

引言

近些年，隨著智慧城市不斷地發(fā)展，智慧水務(wù)的作為智慧城市的一個(gè)子集被提出，智慧水務(wù)成為了水務(wù)行業(yè)近年的熱門詞匯，也是未來水務(wù)現(xiàn)代化發(fā)展的新目標(biāo)。許多水務(wù)企業(yè)著手發(fā)力智慧水務(wù)建設(shè)，把智慧水務(wù)的建設(shè)上升為企業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略位置，力爭(zhēng)通過智慧水務(wù)的建設(shè)，帶動(dòng)供水漏損的有效管控，全面提升企業(yè)的管理能力和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)能力[1]。

智慧水務(wù)是指通過遠(yuǎn)傳壓力表、數(shù)據(jù)采集器、水質(zhì)檢測(cè)儀、遠(yuǎn)傳液位計(jì)、電能表、遠(yuǎn)傳流量計(jì)、遠(yuǎn)傳溫度計(jì)、無線網(wǎng)絡(luò)和視頻監(jiān)控等在線監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)感知城鄉(xiāng)供排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。并采用可視化的方式將供排水設(shè)施與水務(wù)管理部門有機(jī)整合，形成“城鄉(xiāng)供水物聯(lián)網(wǎng)”。通過對(duì)各類關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能分析再提供分級(jí)、分類預(yù)警，且利用手機(jī)APP、電子郵件、短信和聲光報(bào)警等方式通知到相關(guān)水務(wù)生產(chǎn)負(fù)責(zé)人。同時(shí)給予相應(yīng)的分析結(jié)果以幫助決策處理問題，以更加精細(xì)、動(dòng)態(tài)的方式管理水務(wù)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的整個(gè)管理、生產(chǎn)和服務(wù)流程，使之更加規(guī)范化、數(shù)字化、智能化，從而達(dá)到對(duì)城鄉(xiāng)水資源管理更加高效、智慧的狀態(tài)。

1 項(xiàng)目背景

目前，YC 縣城鄉(xiāng)供水入戶抄表業(yè)務(wù)主要依靠人工走手完成，再由人工手動(dòng)錄入至繳費(fèi)系統(tǒng)，耗費(fèi)抄表員工大量精力和時(shí)間。另外由于缺乏入戶智能計(jì)量設(shè)備，抄表困難，工作人員入戶收費(fèi)困難，造成水費(fèi)收繳率偏低。急需通過智慧水務(wù)工程項(xiàng)目進(jìn)行升級(jí)改造，從而提高用水計(jì)量精度，數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳輸回水務(wù)公司，減少人工抄表帶來的工作量，改進(jìn)水費(fèi)收繳模式，從而提高水費(fèi)收繳率，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，節(jié)省人力、物力、財(cái)力等，保證供水企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 關(guān)鍵技術(shù)

1）NB-loT 技術(shù)是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要分支。NB-IoT 在蜂窩網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建，只消耗大約180 kHz 的帶寬，可直接部署于UMTS 網(wǎng)絡(luò)、LTE 網(wǎng)絡(luò)或GSM網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)[2]。

2）NB-IoT 是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫做低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。采用NB-IoT 技術(shù)的智能水表的內(nèi)置電池壽命在10 年上下，基本保障了感知層的電池續(xù)航能力，降低了水表的運(yùn)行維護(hù)頻率。NB-IoT 支持待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接，同時(shí)還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接的覆蓋[3]。

3）目前我國(guó)主推的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為NB-IoT，各大運(yùn)營(yíng)商在此標(biāo)準(zhǔn)上都有大量投入，在國(guó)內(nèi)對(duì)于NB-IoT 的應(yīng)用已經(jīng)處于領(lǐng)先地位。

4）NB-IoT 具有4 個(gè)主要特點(diǎn)，分別是低功耗、廣覆蓋、低成本、大連接。功耗方面，NB-IoT 降低了速率，換回了更低的功耗，大幅提升了終端的待機(jī)時(shí)間。信號(hào)覆蓋方面，NB-IoT 有更好的覆蓋能力，可以解決水表等終端在井下的信號(hào)問題。成本方面，通信模塊成本很低，每個(gè)模組在5 美元之內(nèi)，有利于農(nóng)村供水大批量采購和使用。連接方面，NB-IoT 基站是基于物聯(lián)網(wǎng)的模型改進(jìn)設(shè)計(jì)的。物聯(lián)網(wǎng)模型不同于手機(jī)模型，終端接入數(shù)量龐大[4]。

3 測(cè)試背景

YC 水務(wù)公司于2019 年將YC 縣境內(nèi)7 萬塊傳統(tǒng)水表替換為NB 物聯(lián)網(wǎng)智能水表，按照水務(wù)公司要求配合智能水表廠家針對(duì)選取的20 個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋測(cè)試。

YC 移動(dòng)分公司根據(jù)YC 水務(wù)公司本次項(xiàng)目計(jì)劃，擬申報(bào)建站投資，將開啟全縣及鄉(xiāng)鎮(zhèn)村的NB 物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)覆蓋，全力保障水表遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)及時(shí)穩(wěn)定、滿足目前及后期在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的所有業(yè)務(wù)支撐需求。

3.1 YC 4G、NB 網(wǎng)絡(luò)覆蓋簡(jiǎn)況

中國(guó)電信目前YC 縣區(qū)域，現(xiàn)有L800M（NB）基站共175 個(gè)，吳忠地區(qū)占比最高；其中可提供NB 業(yè)務(wù)小區(qū)數(shù)382 個(gè)，可容納NB 業(yè)務(wù)用戶數(shù)3 820 萬戶，占吳忠現(xiàn)網(wǎng)比例26.34%，按理論值YC 縣175 個(gè)NB 基站可覆蓋19 782 km2面積區(qū)域，遠(yuǎn)大于YC 縣8 661 km2行政區(qū)域面積。覆蓋面積如表1 所示。

表1 SYCNB、4G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋表

3.2 NB-IoT 業(yè)務(wù)各項(xiàng)相關(guān)指標(biāo)

YC NB 網(wǎng)絡(luò)MR 覆蓋率 {分別取覆蓋等級(jí)0（RSRP 大于-107dBm）、覆蓋等級(jí)1（RSRP 大于-117dbm）}。

MR 覆蓋率是根據(jù)UE 上報(bào)的采樣點(diǎn)，分別選取信號(hào)強(qiáng)度（RSRP）不大于-107dbm 和（RSRP）不大于-117dbm 的采樣點(diǎn)數(shù)與總采樣點(diǎn)的比值，占比越高說明覆蓋越好。詳見圖1。

NB-IoT 小區(qū)RRC 連接建立完成次數(shù)（數(shù)據(jù)來源：LTE 專業(yè)網(wǎng)管），見圖2。

NB-IoT 小區(qū)RRC 連接建成功率（數(shù)據(jù)來源：LTE專業(yè)網(wǎng)管）

指標(biāo)定義：NB-IoT 小區(qū)RRC 連接建立完成次數(shù)/（NB-IoT 小區(qū)RRC 連接建立嘗試次數(shù)）×100%。見圖3。

通過上述大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明在YC 縣使用基于NB-IoT 的設(shè)備的客觀條件具備。

YC 縣智慧水務(wù)平臺(tái)通過無線傳輸?shù)膲毫?、液位、流量變送器?duì)供水官網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)。

4 數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收系統(tǒng)

隨著信息化不斷發(fā)展，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)規(guī)模的不斷增多大和自動(dòng)化度的不斷提高，對(duì)中心站接收和處理數(shù)據(jù)的要求越來越高，為了滿足日益提高的監(jiān)測(cè)與采集需求，需要對(duì)整個(gè)接收軟件系統(tǒng)進(jìn)行自頂向下全方面的規(guī)劃。

為應(yīng)對(duì)后續(xù)將站點(diǎn)規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，考慮到目前YC 縣農(nóng)村飲水安全信息采集的現(xiàn)狀，數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)應(yīng)能兼容不同生產(chǎn)廠家采集設(shè)備的傳輸協(xié)議，能對(duì)大批量數(shù)據(jù)進(jìn)行并發(fā)處理。通過建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，形成一個(gè)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)到處理一體化的流程。對(duì)新接入的設(shè)備根據(jù)統(tǒng)一傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)所有遙測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、入庫、存儲(chǔ)、展示。

數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收處理平臺(tái)系統(tǒng)具有以下功能。

1）兼容性：兼容現(xiàn)有主流廠家采集設(shè)備的傳輸協(xié)議，放開數(shù)據(jù)接口協(xié)議，為后續(xù)新擴(kuò)建的采集設(shè)備接入提供數(shù)據(jù)對(duì)接服務(wù)。

2）并發(fā)性：對(duì)大批量的數(shù)據(jù)進(jìn)行并發(fā)處理。

3）安全性：做到權(quán)限劃分，監(jiān)控用戶只能監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，不能做任何操作，普通用戶只能做查詢操作，管理員用戶可對(duì)所有功能操作。

4）支持各種常見數(shù)據(jù)庫類型，例如：MySQL、Oracle、SQL Server 等等；支持通過編程方式連接數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)從功能模塊上主要?jiǎng)澐譃閿?shù)據(jù)處理模塊、用戶管理模塊、系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、站點(diǎn)管理模塊、報(bào)表模塊和遠(yuǎn)程控制模塊等。數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收及處理軟件部署在總調(diào)度中心的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上。

5 結(jié)語

通過對(duì)NB-IoT 技術(shù)在智慧水務(wù)的實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，以“互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)施創(chuàng)新改革，是為智慧水務(wù)在城鄉(xiāng)供水打通最后一公里提供了很好的解決方案。該方案能推動(dòng)管理效能化、工程智能化、服務(wù)社會(huì)化，實(shí)現(xiàn)降本、增效、節(jié)水的效果。該方案促進(jìn)了城鄉(xiāng)供水的技術(shù)進(jìn)步，提高了自來水普及率、集中供水率、供水保證率以及水質(zhì)達(dá)標(biāo)率；城鄉(xiāng)供水人口、供水量、供水保障率等各類信息實(shí)時(shí)展示、傳遞、分析的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確全面，提高了管理效率和供水服務(wù)水平。YC 縣在智慧水務(wù)的探索經(jīng)驗(yàn)可以在區(qū)內(nèi)外的推廣應(yīng)用，進(jìn)一步豐富我國(guó)農(nóng)村供水新模式。