基于燃气表物联网技术的城镇燃气需求侧用气监管系统研究

邵泽华，权亚强

（成都秦川物联网科技股份有限公司，四川 成都 610100）

0 引 言

城镇燃气需求侧用气监管是燃气供气企业减少供销差率[1]、降低损耗、提升供气安全和供气效益的重要手段[2-3]，也是为需求侧[4]用户用能管理提供数据服务的基础管理工作。

目前，我国大部分城镇燃气使用具有预付费功能的IC卡表实现自动抄表和付费管理，已经解决了困扰供气企业抄表难和收费难的问题，但是IC卡表需要供气预售和用气预购才能实现，因此必然出现大量的没有实现供气业务的销售气量。由于大部分是离线模式，不具备实时通信功能，因此不能适应国家燃气价格市场化改革的需求[5]，难以实现对用气需求侧的精准监管。目前采用对门站调压计量站输入的流量和各用气小区的分调压计量站输出的流量进行平衡，粗略估计每一消费者的平均消费水平，无法实现精准服务。本文通过基于燃气表物联网技术的需求侧用气监管系统，可以在原来的基础上进一步对每一位消费者的用气实现监管，通过数据积累可以获得消费者的消费习惯和用气规律，使燃气公司可以获得更加精准的燃气平衡关系，为燃气公用服务事业提供更高效的管理手段。

1 城镇燃气需求侧用气监管系统网络架构

基于燃气表物联网技术的城镇燃气需求侧用气监管系统由智能燃气表、管理服务平台、用户终端以及它们之间的通信网络组成。其系统架构如图1所示。

图1 城镇燃气需求侧用气监管系统网络架构

系统架构包括智能燃气表、管理服务平台、用户终端、燃气泄漏报警器、操作者等。

智能燃气表的核心是控制器，其可接收远程管理服务平台，可响应与之连接的燃气泄漏报警器发出的泄漏报警信号以及操作信息，通过对主程序进行存储、处理和输出，实现控制器各种输出，包括表端液晶显示、向远程平台发送消息、关闭内置在基表气路的阀门等。

管理服务平台的核心是传感网络管理平台，通过传感网络管理的南向接口[6]可以精准管理众多的智能燃气表，汇聚各类感知信息和表端操控信息；通过传感网络管理的北向接口[6]可以为各类用户终端提供精准服务，汇聚各类用户终端的控制指令与服务需求信息。

用户终端由消费者终端、燃气经销业务用户终端、行业监管者终端及运维者终端等组成，是系统用户意志的体现，也是系统开发设计、运维和监管等信息系统设计的需求来源，随着网络技术的发展和向社会各领域的渗透，还可能会出现新的用户终端需要更高效可靠的物联网系统。

2 网络架构的功能特点

2.1 智能燃气表

智能燃气表由基表、控制器和电机阀组成，基表具有机械计量功能，通过计数器指示计量值，是燃气供应通道。阀门控制燃气通道通断，由微电机驱动。控制器的功能单元包括主控单元、电子计量单元、通信单元、监视单元、阀控单元、时钟单元、存储单元、操作单元、电源单元和控制器外壳等。控制器是核心功能体，其各部分功能单元表述如下：

主控单元实现控制器所有功能单元的调度和控制。电子计量单元处理来自基表的机械计量信息，通信单元包括与远程管理服务平台的通信接口、与现场校准抄读装置的通信以及IC卡通信接口。与管理服务平台的通信接口技术采用NB-IoT模块、GPRS模块、LoRa模块；与现场校准抄读装置通信接口技术采用红外IRDA模块；IC卡通信接口采用接触式或非接触式读写卡模块。监视单元包括报警器连接及其信号监视、流量信号监视、压力异常监视、外部磁干扰信号监视、开盖监视、按钮操作监视、IC卡连接监视、液晶显示器、蜂鸣器、指示灯等。阀控单元处理来自主控单元的阀门指令，并向主控模块上报阀门当前状态信息。时钟单元主要处理时间计量事务，受主控单元控制进行时钟同步。存储单元主要处理主控模块已经处理的计量数据、存储计量和计费等贸易结算信息，存储表具的法制计量信息，存储监视单元的监视结果信息和临时缓存数据存储。操作单元处理按键操作、更换电池操作、卡连接操作等操作事务。

2.2 远程管理服务平台

远程管理服务平台由传感网络管理信息系统、表具管理信息系统、用户服务管理信息系统、信息安全管理系统组成。

（1）传感网络管理信息系统。传感网络管理系统主要负责传感网络所有节点（网关、网络管理服务器、表具、采集器等传感器网络[7-8]节点）网络通信的基本信息（路由信息等）的存储和管理，功能主要包括：网关注册及其南向接口协议和北向接口[6]协议版本管理；网络管理服务器的登录人员资格的认证和鉴权管理与节点资源管理；表端通信注册和注销通信制度（连续式在线、间歇式在线）的管理。

（2）表具管理信息系统。对表具测量能力信息、所测量介质信息、表具软件信息、表具的通信SIM卡信息、表具安装相关信息、制造（或供方）信息、表具相关认证信息、表具维护和修理信息等进行管理和维护。

（3）用户服务管理信息系统。按下述分门别类对用户信息进行管理和维护。按燃气用途分类为对工业用户消费者和民用用户消费者进行管理。按营业厅业务员、户内巡检业务员、抢修服务提供业务员、客服中心业务员、修改安装业务员、内部销售员、财务人员等对燃气经销用户进行管理。按开发员、测试员、系统维护员对系统运维用户进行管理。按表具监管类（法制计量管理、爆炸性环境用电气设备防爆管理、通信设备管理）、价格监管业务类（执行的燃气价格）、燃气行政管理类（特许经营资格监管、收取的开户费、服务费、特殊群体优惠政策执行的监督）对监管者用户进行管理。

（4）信息安全管理系统。信息安全管理系统保证管理服务平台安全高效的运行，防止来自用户端和表端的风险。通过对表端通信SIM卡的认证管理、业务加密管理和鉴权管理保护传感网络管理信息系统[9]不受来自非法节点的攻击。并通过对表具管理信息系统和用户管理信息系统的信息隔离转换管理，可以阻止潜在风险传递到用户端，保证了用户终端的安全。使得通过智能燃气表终端不能窃取和监听用户基本信息，减少了用户信息被泄露的风险。

通过对用户端终端的认证管理和鉴权管理[9]，保护用户管理信息系统不受来自非法用户终端的攻击，并通过用户管理信息系统将用户指令信息转换为表具控制管理，使用户和表具信息实现隔离转换，防止潜在的非法用户通过平台攻击表端。使得通过用户终端无法窃取和监听表具的基本信息，减少了表端遭受攻击的风险。

通过对远程平台的运维管理，严格执行平台登录保密程序和密码修改制度，以防止非法用户进入平台，减少内部管理造成的分享，保护用户信息的安全，防止用户信息被泄漏，保证消费者、经销业务用户、监管者的合法信息安全权利。

2.3 用户终端

终端形式有手机APP、网页入口等，供用户使用。消费者终端是实现缴费、历史数据查询等事务的载体。系统运维者终端是系统开发人员、测试人员、维护人员对系统进行升级和故障处理的入口。经销业务者终端是各类业务人员根据线上和线上的服务要求实现其在线业务或离线的入口和载体。监管者终端是行业监管者进入系统进行核查取证和监督检查的入口。

2.4 操作者和报警器

操作者包括消费者、现场服务和维护人员。操作控制器按钮可以实现表端信息查询和上传，户内管路泄漏检测，打开电池仓更换电池，连接IC卡可读出或写入数据。报警器有信号可触发表关阀。

3 网络架构的技术实现

（1）概述。智能燃气表的控制器通过采集表端计量体的机械计量信息、监控信息并转换为电子信息，实现对燃气流量的测量、异常事件感知，并以此计量值和异常事件信息为依据自动上传给远程管理服务平台进行贸易结算和监控管理，实现了用户终端对计量计费和异常的日常管理。

（2）智能燃气表技术实现。智能燃气表的控制器的监视技术包括显示器、干扰和干涉检测装置、操作装置、指示装置、安全切断检测装置，控制器根据各种监视装置监视的信息实现对燃气表的操作和管理。当控制器监视到表端存在安全风险[10]时，或接收到主控单元指令时（包括现场操作触发的指令、报警器信号触发的指令），自动关阀，实现表端自动控制闭环。

（3）远程管理服务平台技术实现。依托表端自动控制闭环和远程通信技术，实现了多个管理控制闭环。管理控制闭环包括：传感网络管理信息系统对燃气表的管理控制闭环、表具管理信息系统对燃气表的管理控制闭环、用户信息管理系统对燃气表的管理控制闭环、信息安全管理系统对燃气表的管理控制闭环。采用现代管理技术的闭环控制理论，实现了为用户服务的闭环。服务闭环包括：远程管理服务平台的用户管理信息系统与消费者用户之间的服务闭环、远程管理服务平台的用户管理信息系统与经销业务用户之间的服务闭环、远程管理服务平台的用户管理信息系统与系统运维用户之间的服务闭环、远程管理服务平台的用户管理信息系统与监管者用户之间的服务闭环。

（4）用户终端的技术实现。通过管理服务平台闭环管理控制闭环，以及表端的闭环控制技术和服务闭环技术，实现用户对表端的闭环管理，即：消费者用户通过远程管理服务平台对表端的远程管理控制闭环、经销业务用户通过远程管理服务平台对表端的远程管理控制闭环、系统运维用户通过远程管理服务平台对表端的远程管理控制闭环、监管者用户通过远程管理服务平台对表端的远程管理控制闭环。

4 监管系统运行

4.1 用气需求侧泄漏监测控制及安检措施

用气需求侧泄漏监测控制及安检措施包括用气安全、用气泄漏监测控制、用气安检等方面的监管[11]。用气安全基于燃气表安全切断技术[12]和物联网技术实现；用气泄漏监测控制基于燃气表连接现场环境的燃气泄漏检测报警信号技术实现；用气安检等方面的监管基于燃气表压力开关技术实现。

4.2 需求侧用气计费等日常监管措施

日常监管措施包括续费提醒、更换电池提醒和维护保养提醒及操作提醒等监管，下面以调价事务、气费续交、按钮操作处理的运行流程说明。

（1）调价事务运行流程

管理服务平台内可预存和调整燃气价格、用户信息等数据和信息。

行业监管部门在燃气调价时提前将燃气调价指令发送到燃气业务人员终端，燃气业务人员终端可以据此对管理服务平台发出燃气的价格调整通知，管理服务平台设置好价格方案，并提前下发到表端，在价格方案中设定价格调整法定日期，之后对表端的时钟同步进行逐日监管并上报给业务用户直至价格生效日。当表端时钟到达价格生效日期后立即执行调整价格，并上传平台，平台再上传给相关用户（业务人员用户及行业监管用户）。平台统计并处理未能及时执行的智能燃气表，以确保每一位消费者执行新的价格，实时实现调价事务的动态管理和闭环管理。

（2）气费续交业务流程

管理服务平台中的用户信息管理系统能向消费者用户提供其用户账户信息，在余额较低时同时向表端控制器发送提醒信息，提示表端充值。当消费者用户账户余额或信用度为设定值的下限时，向表端控制器发送提醒信息和关阀指令，切断燃气供应；当消费者用户通过用户终端续费后，管理服务平台的用户信息管理系统相应的消费者账户自动同步账户信息，并自动通知表端开阀，续费业务流程结束。之后，表端每日向平台上报信息，平台用户信息账户则逐日更新，并按用户订阅信息向用户推送账户信息。

（3）按键操作处理流程

通过按键操作可实现人机交互，也可实现表端信息查询、自助安检、表端发送上传信息等功能。

4.3 用气干扰干涉预警等异常监管措施

用气干扰干涉预警等异常监管措施包括干扰和干涉报警及切断，以及干涉预警和处置等监管。

4.3.1 磁干扰监管流程

当存在磁场干扰时，可被燃气表控制器的干扰检测装置探测，控制器主控单元立即指挥阀控单元关闭阀门，防止需求侧用气流量因磁干扰造成用量失控，并在表端存储磁干扰关阀事件信息，以声光文字提示存在磁场干扰，同时上报管理服务平台存入表具管理信息系统和用户管理信息系统的用户账户信息，并经管理平台转发消费者用户终端“燃气已切断，可以复位”之类的提醒信息；当该磁场消失以后，操作者可以通过操作表端复位按钮恢复供气；如果复位后又出现类似磁场，则表端仍会关阀保护。当由磁干扰而产生的关阀保护的次数达到设置的上限次数值（一般为5次）时，控制器主控模块将判断使用环境磁场异常而锁定燃气表，并在表端存储磁干扰锁定事件信息，以声光文字提示存在磁场干扰，同时上报管理服务平台（在用户账户信息中记录），并经管理平台转发消费者用户终端“燃气已切断，不可复位，请联系****”之类的提醒信息。平台收到磁干扰信息也可推送给燃气经销业务用户，建立跟踪机制。当表具被锁定时，平台立即通知业务服务用户，以便业务服务用户及时处理，并将业务服务用户的联系方式、预计的处理周期发送给消费者用户，对业务服务用户的处理过程进行跟踪记录。锁定后操作者不能在现场对表具进行复位，并在表端提示。燃气消费者用户需要申请，管理平台派人员入户检查，专业人员入户检查采取措施后可申请平台远程解锁，解锁后消费者用户可当场操作复位。

4.3.2 开盖干涉监管流程

当表端控制器盖被非法移除时，可被干涉检测装置探测，控制器主控模块立即指挥阀控单元关闭并锁定阀门，并在表端存储磁干扰锁定事件信息以声光文字提示存在磁场干扰，同时上报管理服务平台（在用户账户信息中记录），并经管理平台转发消费者用户终端“存在危险，切断供气，需入户检查仪表，请配合”之类的提醒信息。专业人员入户后，如证实为开盖，则需更换表具并追责。

5 结 语

基于燃气表物联网技术的城镇燃气需求侧用气监管系统可以帮助企业满足国家对燃气供气企业供销差要求的趋严（到2020年降低到4%）要求[3]，当需求侧出现用气异常现象时，燃气经销业务用户可以采取主动措施，实现精准控制用气和统一管理，有效降低表具损耗和管理费用。燃气需求侧用气监管系统的建立必然促使智能燃气表制造商提升表具的安全性能和计量性能，既能提高燃气公司的管理服务水平，还能提高广大人民群众使用燃气的安全、公平和智慧化水平。

总之，燃气需求侧用气监管一直以来是燃气供方和各级燃气行政部门都很关注的重要事务，是关系到燃气公司供气调度和协调的大事，是提高燃气服务管理水平和保证燃气公司供气平衡的重要手段。今后，还能够基于削峰填谷的应用需求进行负荷预测、峰谷差计算、峰谷售价测算等，也能够基于节能的应用需求进行能效分析及系统优化模型库建设[12]。