作者：張子霖，張東平
第一作者單位：山西華騰能源科技有限公司
摘自《煤氣與熱力》2017年6月刊
1 超聲波物聯網燃氣表
①超聲波技術及超聲波燃氣表特點
a.超聲波技術
採用安裝於上下遊的一對超聲波傳感器，相對發射、接收超聲波，利用超聲波信號沿順流與逆流方向在氣體介質中的傳播時間差計算氣體介質的流速，進而計算瞬時流量、累計體積。
b.超聲波燃氣表特點
超聲波燃氣表體積小、質量輕，重複性好，壓損小，不易老化，使用壽命長，具有智能化、全電子式的結構，可以擴展為預付費表或具有無線抄表功能。由於是全電子式，無機械部分，不受機械磨損等故障影響，故產品的可靠性和精度較高。
②物聯網燃氣表特點
物聯網燃氣表通過GSM/GPRS/CDMA無線網絡與管理中心通信，構成物聯網燃氣表抄表系統。該系統無需採集器、集中器等中間設備即可實現網絡抄表、遠程控制、網絡繳費、故障監測等功能。每隻燃氣表在出廠時已內置了一張物聯網專用的SIM卡，並具有紅外通信的功能。另外，物聯網燃氣表支持階梯計價，可實現按月、季、年等多種分段方式計價。
2 燃氣表計量技術及通信技術對比
①燃氣表計量技術對比
燃氣表計量技術分為膜式計量和超聲波計量，兩種計量技術對比如下。
a. 膜式計量
膜式計量的量程比為1∶160，優點是技術成熟、計量可靠、量程比較寬；缺點是結構複雜、體積大、故障率高、供銷差較大、存在漏氣危險、極易盜氣。
b. 超聲波計量
超聲波計量的量程比為1∶1 000，理論上比膜式計量在體積、精度、量程、安全性、使用壽命、維護保養、智能化擴展方面都有著無可比擬的優勢。但是其成本較高，處於初期發展階段，技術成熟度有待提高。
②燃氣表通信技術的對比［1-3］
a. IC卡
優點為技術成熟、計量較準確、製造成本低，可以實現預付費功能。缺點為無法實時監控表具終端，不能及時準確統計用氣量，浪費大量的人力資源，難以配合階梯計價政策，晶片易被解密，安全性較低。
b. 有線遠傳
優點為抄表方便，抄表效率、準確率、成功率很高，性能可靠、抗幹擾能力強，可戶外控制閥門狀態，適用新建住宅和高層住宅。缺點為施工難度大、成本高，需配置採集器、集中器等中間設備，需要敷設管線。數據傳輸線路易損壞，造成維護工作量大，費用高。需要外接電源，用戶數據存在相互影響的風險。
c. 無線遠傳
優點為抄表方便，抄表效率、準確率、成功率很高，安裝簡單，可戶外控制閥門狀態，適用普通表改造及新建工程。缺點為抄讀成功率相對有線遠傳及IC卡通信技術較低，設備可靠性低，不能做到真正的實時監控，不能完全杜絕偷氣行為，數據傳輸受環境因素影響較大。
d. 物聯網
優點為實時監控、即時結算、階梯計價、抄表方便等，繼承了以上各種通信技術的優點。缺點為成本高，受限於通信運營商的技術水平。
3 試掛項目運行情況
①試掛項目實施方案
試掛項目選擇當地某居民區作為實施對象，計劃試掛753隻表具。理論上要求抄讀成功率達到100%，無異常告警記錄數據，全網表具無故障，滿足燃氣公司計量要求和燃氣用戶使用要求。
試掛表具系統主要以超聲波計量的採樣方式，計算出用氣量，通過物聯網以流量數據的方式定時上傳給中間資料庫，實現自動抄表的功能。然後，智慧燃氣綜合管理系統從中間資料庫讀取數據，進行邏輯運算後，再將數據和指令導入中間資料庫，由其下發給終端表具。該系統包括智慧燃氣綜合管理系統、通信信道和民用超聲波物聯網終端表具3部分。
a.智慧燃氣綜合管理系統
該系統既可以及時結算金額，生成報表，又可以遠程控制閥門的開閉，實時讀取用氣數據，篩選異常信息。由於當地燃氣公司提出要使用本公司已有的金融結算系統，因此採用中間資料庫預留接口的方式，與已有金融結算系統進行對接。
b.通信信道
數據由終端表具傳輸到移動運營商，再傳送到燃氣公司伺服器。終端表具與移動運營商之間的通信信道採用移動公司的無線網絡，表具波段與手機波段分開。其中SIM卡由燃氣公司向移動運營商購買，採用12位物聯網專用號段，具有獨立號段、碼源豐富的特點，保證物聯網設備正常運行不受幹擾。移動運營商與燃氣公司伺服器之間的通信信道採用APN專線，安全保密。
c.終端表具
本居民區原先採用機械式膜式燃氣表，IC卡繳費結算方式，由於不具備通信功能，只能人工入戶抄表。為了改善此情況，當地燃氣公司和儀表廠商根據用戶用氣歷史數據，共同選擇UG-YC-2.5型燃氣表。終端表具採用超聲波計量技術、物聯網數據傳輸技術，達到國內先進水平，支持預付費多階梯結算，支持遠程多種模式抄表、故障關閥、實時報警等功能。表具內置控制閥門，可實時監測、遠控閥門動作。外置鹼性電池供電，理論上保證3 a換一次。為減小能耗，系統採用終端表具主動上告方式。另外，表殼防護等級和防爆等級均滿足標準要求。表具參數配置見表1。
表1 表具參數配置
②試掛項目運行結果
本項目共試掛360 d。在此期間，設備商工作人員在運營商的協助下，先後完成升級系統3次，上門服務77次，優化伺服器一次，維護系統3次。對計量精度及誤差、抄讀成功率、準確率、故障率、抄表效率進行了持續跟蹤，測試項目、內容及結果如下［2-3］。
a.計量精度及誤差。測試內容：使用前，由省計量檢測所對燃氣表進行精度檢定，依據CJ/T 477—2015《超聲波燃氣表》和地方標準JJG（晉）16—2015《家用超聲波燃氣表》；測試結果：精度符合規範要求。
b.抄讀成功率。測試內容：不定時統計在用表具數據和上傳的表具數據，計算抄讀成功率；測試結果：在用的表具為681隻，上傳的表具為659隻，抄讀成功率為96.77%，滿足JG/T 162—2009《住宅遠傳抄表系統》的要求。
c.準確率。測試內容：以居民區某一棟樓（共54戶）作為樣本，分別進行無線集中抄表和人工抄表，將結果進行對比分析；測試結果：兩者數據一致，抄表準確率達100%。
d.故障率。測試內容：收集每天表具運行狀態，記錄異常告警，統計換表記錄；測試結果：異常告警記錄數為0條，共更換10隻壞表具，完好率為99%。
e.抄表效率。測試內容：進行準確率檢測的同時，對比兩者抄表時間；測試結果：物聯網抄表時間為ms級，而人工抄表需要耗時3～24 h。
4 運行經驗和改進對策
①國家層面
完善規範標準，建立執行機制。目前國家在智能燃氣表方面只有CJ/T 477—2015《超聲波燃氣表》，缺少相關的標準規範用於指導生產和使用，尤其是檢定規程和物聯網技術規範的缺失，造成設備商不敢生產，運營商不敢使用，使得不少此類型燃氣表推廣面臨困難。為了使智能燃氣表更普及，還需要國家儘快完善標準規範，建立相應的長效執行機制。
②設備商層面
a.做好前期工作，搞好市場調研
研究證實，不同的氣體成分會對超聲波信號波形產生影響。各個地方的燃氣建設程度是不相同的，存在用氣種類、用氣質量、用氣氣壓、系統運行環境等指標的差異。本項目的儀表廠商在前期深入調查了當地的燃氣指標，在設計上綜合改進，重點解決了供銷差和系統銜接問題，滿足了本地用氣質量要求。借鑑以上經驗，建議各個儀表廠商要實地考察各類用戶的用氣情況，有針對性地開發適合本地區的燃氣表。
b.注重系統開發，保證運行穩定
本系統與其他燃氣表系統共用伺服器時，產生了不兼容情況，導致伺服器CPU較高，程序幾次關閉，系統本身受失敗指令沉積影響，一度出現下發指令混亂，另外與金融結算系統在數據交換方面也存在漏洞。針對以上問題，筆者建議後臺程序研發人員要合理編程，優選程式語言；配合金融結算系統等第三方系統的銜接工作，預留接口和通信協議；與移動通信運營商及時溝通，建立完善的通信信道，保證數據的準確傳輸。
c.重視試掛問題，提高產品質量
試掛期間，表具有計量模塊故障、通信模塊故障、電磁閥故障、電池耗電量大等問題。儘管問題屬於合理預控風險，但是仍然應該予以重視。建議設備商將故障表具返廠檢測，查清原因，在研發中切實消除缺陷。
d.提高創新意識，降低製造成本
膜式燃氣表目前批量價格為100元，而超聲波燃氣表的總體售價為400～500 元，降低成本是首要問題。成本居高不下的主要原因為機芯多從國外採購。市場調研得出，目前走在前沿的幾家國內公司，多數採用外購松下的電路板和超聲波家用燃氣表換能器，自己製作外殼組裝表具的方案。此次試掛的產品雖然採用自主開發研製的電路板，但是成本依然較高。對此，儀表廠商應加強表具開發研製工作，重點放在超聲波測量機芯的國產化，加大投資力度，招聘技術人才，提高創新意識，力爭核心技術自主化。
e.配合運營商實現智慧燃氣戰略
智能燃氣表的建設應該以智慧燃氣建設為目標，而不是僅局限於實現無線遠傳抄表系統的目標。在技術成熟後，設備商應整合各種燃氣數據業務，建立綜合數據平臺，向智慧燃氣戰略靠攏，使得設備管理更加人性化。例如本系統準備在技術成熟後開發基於GIS平臺的設備管理系統，逐步與燃氣輸配管理系統合併，與有實力的廠商共同開發智慧燃氣系統；增加管道的漏氣檢測功能和氣壓調節的功能，取代家用燃氣報警裝置和調壓器，做到家用燃氣設備智能一體化。
③運營商層面
a.強化後期檢定，保證計量穩定
燃氣表屬於國家強制檢定的範疇。本項目的每隻表具在使用前均由省計量檢測所進行了檢定。由於沒有超聲波表的檢定規程，缺少後期檢定的依據，無法掌握計量精度。建議在國家的檢定規程沒有出臺之前，運營商應每年抽取一定比例的檢定對象，分析不同年限的燃氣表計量指標。
b.優化繳費環節，增加提醒功能
IC卡收、付費方式要求用戶必須持卡到指定的收費站或銀行去繳費，加大了時間成本和運營成本。本項目仍然存在IC卡收費的問題，沒有完全解決IC卡的弊端，應大力推廣行動裝置終端繳費方式，同時加強數據可靠性的管理。另外，本項目表具在出廠時沒有安裝蜂鳴器，運行後只好採用關閥方式提醒用戶餘額不足，此缺陷有待改善。建議後期運營商統籌各方，採用以下措施：新表具安裝蜂鳴器，開通聲音提醒功能；增加手機提醒功能，實時發送費用清單。
c.合理推廣表具，採用兩步走
為了用戶能夠適應智能燃氣表，本項目採用了兩步走的方式，即前期不開通欠費關閥的功能，等用戶熟悉後再開通此功能。建議同行業者採用此方法，可以大大減少用戶的對立情緒，預防群體性事件發生，也有利於逐步改善產品質量。
d.提高服務質量，加強運營管理
由於當地沒有安裝過此類型表具，燃氣公司對其運行維護沒有相關的經驗，試掛期間的運行維護工作主要由儀表廠商負責。為了更好地服務用戶，運營商應要求儀表廠商對其進行培訓，安排維修組和業務組人員熟悉表具使用功能。運營商也應對用戶進行必要的使用講解；重點關注老人及身體不方便的人群，深入了解用戶在使用中的困難；協調社區張貼宣傳通知；在表具明顯處粘貼使用說明。同時，結合新技術應用，對原來的管理流程實施優化，做到全過程、全方位管理。
e.合理選擇安裝位置
在試運行期間，部分表具出現「失聯」現象。因為受複雜建築結構的影響，安裝位置的通信信號極弱，表具處於孤立運行狀態。建議在安裝表具時，運營商應考慮複雜建築結構的影響。
參考文獻：
［1］唐素珊，江明明，林玲．智能燃氣表的應用分析［J］．煤氣與熱力，2010，30（5）：B17-B20.
［2］鄧凱，樊倩，陸偉祥，等．民用燃氣表無線抄表技術的應用研究［J］． 煤氣與熱力，2013，33（4）：B28-B32.
［3］唐斌，嚴朝聚．居民用無線智能燃氣表的應用［J］．煤氣與熱力，2013，33（10）：B36-B38.
維普免費下載《煤氣與熱力》論文（現刊和過刊均可）
日前，《煤氣與熱力》雜誌社有限公司在維普網站http://cqvip.com/開通論文免費下載服務，論文刊出後兩個月後，可在維普網站查詢，並直接免費下載。在維普網站免費下載《煤氣與熱力》論文步驟如下：
1. 在維普網站註冊會員。
2. 搜索出《煤氣與熱力》論文，點擊進入。
3. 論文免費下載界面截圖見上圖。點擊「免費下載」，可直接下載該論文。
聲明：本文著作權（版權）歸《煤氣與熱力》雜誌社所有，嚴禁任何微信號及媒體未經授權許可隨意轉載。PS: 當然歡迎大家轉發到朋友圈！
更多論文請登錄煤氣與熱力雜誌官方網站，免費註冊會員閱讀電子期刊。閱讀步驟：登錄http://www.gasheat.cn/→頁面右上角註冊會員→註冊成功後點擊《煤氣與熱力》→期刊索引→點擊某期期刊封面即可閱讀當期文章。