引言

城市燃氣是現(xiàn)代化城市基礎(chǔ)設(shè)施中不可缺少的重要組成部分，是一項重要的民生工程，是城市經(jīng)濟發(fā)展、改善環(huán)境質(zhì)量、調(diào)整城市能源結(jié)構(gòu)、提高人民生活質(zhì)量必不可少的條件。我國在經(jīng)歷了人工煤氣、LPG(液化石油氣)兩個發(fā)展階段后,以西氣東輸一線建成投產(chǎn)為標志，已進入了天然氣時代。2010年初，西氣東輸二線西段和川氣東送建成，對我國天然氣市場產(chǎn)生了重大影響。今年7月，國家住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《全國城鎮(zhèn)燃氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，預計“十二五”末，城鎮(zhèn)燃氣供氣總量約1782億立方米，較“十一五”期末增加113%。其中，天然氣供應(yīng)規(guī)模約1200億立方米，居民用氣人口超過6.25億，用氣家庭數(shù)達到兩億戶，居民用氣量達到330億立方米；工業(yè)、商業(yè)及服務(wù)企業(yè)用氣量達到810億立方米。

隨著我國城市燃氣普及率的大幅提高，城市燃氣發(fā)展在安全供氣、安全運行、有效管理等方面的問題也日益突出。用戶數(shù)量迅速放大，以幾個城市為例，2010年底，深圳全市管道天然氣居民用戶突破100萬戶，工商用戶4000余戶；天津市燃氣居民用戶221余萬戶，工商用戶1萬余戶；成都為155余萬戶，南昌為26.35萬戶。北京天然氣用戶2011年達到436萬戶,燃氣供氣量為68.6億立方米，預計到2015年的天然氣用量將超過180億立方米。杭州管道燃氣居民用戶數(shù)在2012年6月就已經(jīng)突破了60萬戶。均勻穩(wěn)定供氣與用氣波動之間的矛盾加劇，城市燃氣的需用工況是不均勻的，會隨月、日、時而變化,但燃氣氣源的供應(yīng)量一般是均勻的。解決均勻供氣與不均勻耗氣之間的矛盾，不間斷地向用戶供應(yīng)燃氣，保證各類燃氣用戶有足夠流量和壓力的燃氣，是安全供氣的重要內(nèi)容之一。全面、及時、準確地感知燃氣終端用戶的用氣狀態(tài)，把握不均勻耗氣的變化規(guī)律，就成為提升燃氣供應(yīng)服務(wù)所迫切需要解決的問題。

1城市管道燃氣系統(tǒng)的構(gòu)成

燃氣供應(yīng)是通過城市燃氣管網(wǎng)實現(xiàn)的。燃氣在長距離輸送過程中，一般采用較高的壓力。城鎮(zhèn)燃氣供應(yīng)系統(tǒng)就是根據(jù)不同用戶的需要,利用調(diào)壓設(shè)備對燃氣進行降壓和穩(wěn)壓，以提供相應(yīng)的氣體壓力，最后送到用戶處。因此城市燃氣管網(wǎng)分為高壓(A級：2.5MPa<pW4.0MPa,B級：1.6MPa

pW2.5MPa)、次高壓(A級：0.8MPa<pW1.6MPa,B級：0.4MPa<pW0.8MPa)、中壓(A級：0.2MPa

pW0.4MPa,B級：0.01MPa<pW0.20MPa)、低壓(p<0.01MPa)%燃氣設(shè)施主要包括門站，儲配站，高、中、低壓管網(wǎng)，高壓管網(wǎng)電動閥，以及連接兩種不同管網(wǎng)用來降壓和穩(wěn)定管網(wǎng)壓力的調(diào)壓站與調(diào)壓裝置等專用設(shè)施。一般在門站及儲配站設(shè)置有人值守的監(jiān)控站(主站)，在高、中壓管網(wǎng)之間設(shè)置調(diào)壓站，在中、低壓管網(wǎng)之間設(shè)置調(diào)壓柜，中、低壓管網(wǎng)安裝測控點并設(shè)置無人值守的監(jiān)控站(遠端站)。除了上述燃氣管網(wǎng)和調(diào)壓系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)外，燃氣系統(tǒng)構(gòu)成中數(shù)量最大的設(shè)備是終端用戶的燃氣計量表具。

目前，各地市燃氣公司基本都建立了較為完整的燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)，早期在主站與遠端站之間，SCADA系統(tǒng)通信采用無線數(shù)傳設(shè)備、DDN主信道及PSTN備用信道實現(xiàn)o由于燃氣管網(wǎng)各監(jiān)控站分布較廣地形復雜，為保證實時數(shù)據(jù)的可靠傳輸，現(xiàn)已大量采用基于GPRS/CDMA的無線通信網(wǎng)絡(luò)。燃氣供應(yīng)SCADA系統(tǒng)的特點是監(jiān)控點多、地域分布廣，如合肥市的燃氣SCADA系統(tǒng)就包括195個遠端站，天津市燃氣SCADA系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)壓設(shè)備有1841個。成都市通過SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)4930km燃氣管道上連接有3座儲氣站、14座配氣站、85座調(diào)壓站、1297個調(diào)壓柜、8586個調(diào)壓箱的監(jiān)控。事實上，SCADA系統(tǒng)的規(guī)模還將隨著城市管道燃氣的發(fā)展進一步放大。

通過SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用，燃氣企業(yè)可實現(xiàn)傳統(tǒng)生產(chǎn)方式制氣和輸氣過程中燃氣輸配設(shè)備實時運行狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集和分析。為全面提升企業(yè)經(jīng)營管理水平，各燃氣企業(yè)在SCADA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還進一步建立了管網(wǎng)GIS系統(tǒng)、運維車輛GPS監(jiān)控系統(tǒng)、OA系統(tǒng)、營業(yè)收費系統(tǒng)、客戶服務(wù)系統(tǒng)和財務(wù)管理系統(tǒng)等信息系統(tǒng)。從管道燃氣運營服務(wù)的需求來說，SCADA系統(tǒng)所能提供的對燃氣系統(tǒng)運行狀態(tài)的感知是比較宏觀和有限的，一個城市中幾十萬甚至上百萬的終端用戶的用氣狀態(tài)，無法納入SCADA系統(tǒng)。為了解決均勻供氣與不均勻耗氣之間的矛盾，并以足夠流量和壓力不間斷地向用戶供應(yīng)燃氣，就需要有效地感知用戶終端的狀態(tài)，而這是SCADA系統(tǒng)無法實現(xiàn)的，但是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和日益成熟卻為此提供了解決辦法。

2城市燃氣系統(tǒng)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用需求

安裝用戶燃氣計量表的初始目的是對用戶使用燃氣量進行計量和收費。早期采用字輪式燃氣表，由工作人員定期入戶抄表收費；之后對燃氣表采用條形碼編碼，工作人員使用手持抄表器讀取條形碼并輸入字輪讀數(shù)，手持抄表器自動計算并打印條形碼對應(yīng)用戶的期間用氣量計費小票，用戶通過銀行繳費。隨著燃氣用戶數(shù)的激增，抄表收費的工作量越來越大。基于IC卡預繳費的智能燃氣表逐步代替了入戶抄表方式，由用戶到銀行預繳費購氣，回來插卡后，IC卡表可自動計算用戶的可用燃氣量并顯示。IC卡表雖然節(jié)省了大量的抄表作業(yè)量,但無法采集燃氣流量數(shù)據(jù)以滿足燃氣公司燃氣價格調(diào)整和輸配差計算等需求。特別是在當前能源緊張的形勢下，以需求側(cè)管理和分布式能源為特征的國家智能能源網(wǎng)建設(shè)問題已經(jīng)提到議事日程，其中燃氣需求側(cè)管理還作為燃氣企業(yè)優(yōu)化負荷結(jié)構(gòu)、提高管網(wǎng)綜合效率的重要手段而日益受到重視。在燃氣需求側(cè)管理中，終端用戶用氣狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集就成為關(guān)鍵問題。

隨著遠傳自動抄表系統(tǒng)在電力行業(yè)居民電度表抄表的廣泛應(yīng)用，燃氣行業(yè)也開始探索采用遠傳智能表技術(shù)來解決終端用戶用氣量數(shù)據(jù)采集問題。國家住建部也于2009年頒布了新版的遠傳抄表系統(tǒng)行業(yè)標準，對于在水、電、燃氣和熱量計量方面使用的遠傳表和集中器等進行了規(guī)定?；贕PRS的數(shù)據(jù)遠傳燃氣流量計在用氣規(guī)模較大的工商企業(yè)的燃氣流量計量中獲得了較好的推廣應(yīng)用，這是因為表具運行使用費用相對于燃氣流量計費而言占的比重比較小，具有技術(shù)和經(jīng)濟的可行性。但對于數(shù)量非常龐大的民商用戶來說，數(shù)據(jù)遠傳表具模式則存在數(shù)據(jù)集中器的安裝、供電、管理、維護等諸多問題。與電度表遠程抄表不同，燃氣表必須安裝在用戶戶內(nèi)，采用電池供電，受基于近場通信技術(shù)的集中器/遠傳表的通信距離限制，一些遠傳表就會處于集中器的直接通信范圍之外，這個問題是否可以采用Mesh網(wǎng)技術(shù)加以解決呢？其實仍然存在問題，主要是由于一些住戶長期無人或根本就沒有啟動燃氣表，一些距集中器較遠的表具無法與集中器建立可行的通信鏈路進行數(shù)據(jù)交互。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對于解決大量采樣點的數(shù)據(jù)采集問題具有其優(yōu)勢，通過深入分析燃氣終端用戶數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用需求和特點，可以構(gòu)建城市燃氣物聯(lián)網(wǎng)來解決管道燃氣終端用戶的用氣狀態(tài)感知和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。

3城市燃氣物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中，EPC-global體系通過對每個物品加載EPC標簽，可在物品經(jīng)過的物流節(jié)點上安裝EPC標簽識讀器并通過Savant將標簽數(shù)據(jù)經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)，按照PML的約定在ONS中找到該物品的來龍去脈，從而構(gòu)建對大量移動物品進行識別的系統(tǒng)。對于管道燃氣系統(tǒng)來說，被識別和傳輸?shù)膶ο笫谴罅康挠脩艚K端表具所記載的用戶用氣狀態(tài)數(shù)據(jù)，這就需要定義一個類似Savant的、具有匯集和傳輸數(shù)據(jù)功能的物聯(lián)網(wǎng)組件并進行適當?shù)牟渴稹?

基于這樣的思路，燃氣物聯(lián)網(wǎng)的主要構(gòu)成包括：燃氣計量表具(pipelinegasmeter,PGM)、燃氣計量數(shù)據(jù)采集集中器(gasmeteringdataconcentrator,GMDC)、表具ID解析服務(wù)器(objectmeternameserver,OMNS)以及相應(yīng)的通信規(guī)約。GMDC包括固定式數(shù)據(jù)采集集中器(fixedGMDC)和移動式數(shù)據(jù)采集集中器(mobileGMDC)。fixedGMDC主要用于工商用戶燃氣流量計量數(shù)據(jù)的采集，每個fixedGMDC可以對應(yīng)一個或多個PGM,通信方式可以是有線方式(如RS-485),也可以采用無線近場通信(NFC)方式。mobileGMDC主要用于居民小區(qū)的用氣數(shù)據(jù)采集，通過NFC與PGM進行數(shù)據(jù)交換,并通過有線/無線網(wǎng)絡(luò)與燃氣企業(yè)站點的通信服務(wù)器進行通信。OMNS是以燃氣表具ID為索引的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，包括表具基本信息、用戶基本信息、燃氣業(yè)務(wù)過程信息等，通過對表具ID的解析，提供與該表具對應(yīng)的燃氣業(yè)務(wù)過程信息，包括燃氣使用流量數(shù)據(jù)采集記錄、費率變動及其生效時間點，以及表具的生產(chǎn)、安裝、維護信息等。

GMDC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括任務(wù)管理器(taskmanagementsystem,TMS)、通信管理器(communicationmanagementsystem,CMS)、數(shù)據(jù)管理器(datamanagementsystem,DMS)、密鑰管理器(secretkeymanagementsystem,KMS),以及內(nèi)存實時數(shù)據(jù)庫(real-timein-memoryeventdatabase,RIED)等。RIED中包括數(shù)據(jù)采集作業(yè)任務(wù)清單列表(dataacquisitiontasktable,DATT)、數(shù)據(jù)采集正常記錄表(feedbackdatalogsheet,FDLS)、數(shù)據(jù)采集異常記錄表(abnormaldataacquisitionlogsheet,ADALS)、人工數(shù)據(jù)采集記錄表(manualhandlinglogsheet,MHLS)等。任務(wù)管理器TMS主要承擔數(shù)據(jù)采集作業(yè)任務(wù)管理，通信管理器CMS承擔信號收發(fā)隊列管理,數(shù)據(jù)管理器DMS由數(shù)據(jù)采集隊列管理模塊(feedbackdatareceiveunit,FDRU)和數(shù)據(jù)分析模塊(feedbackdataanalysisunit,FDAU)構(gòu)成，密鑰管理器KMS承擔數(shù)據(jù)的加密解密。

這樣，由PGM、GMDC(包括fixedGMDC和mobileGMDC)、OMNS以及相應(yīng)的通信規(guī)約一起，就構(gòu)成了燃氣物聯(lián)網(wǎng)，以實現(xiàn)對終端用戶的燃氣使用狀況的感知，并與燃氣SCADA系統(tǒng)的管網(wǎng)監(jiān)控數(shù)據(jù)共同支持燃氣輸配和用戶使用的全面管理。

4燃氣終端數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)

GMDC由上位管理系統(tǒng)任務(wù)驅(qū)動，fixedGMDC通過管理機遠程設(shè)置后進入工作狀態(tài)，mobileGMDC則是操作人員根據(jù)任務(wù)指令進行移動數(shù)據(jù)采集。圖2所示是GMDC的工作過程示意圖，GMDC可下載數(shù)據(jù)采集作業(yè)任務(wù)清單并顯示，同時下載上次數(shù)據(jù)采集時設(shè)定的表具通信密鑰和下次數(shù)據(jù)采集的表具通信密鑰。

作業(yè)人員進入作業(yè)區(qū)域后，操作GMDC由通信管理器CMS從數(shù)據(jù)采集作業(yè)任務(wù)清單列表DATT中取得目標燃氣表具的ID識別號，通過密鑰管理器KMS用上次數(shù)據(jù)采集時設(shè)定的表具通信密鑰生成表具喚醒信號隊列，并由通信管理器CMS向目標燃氣表具發(fā)出表具喚醒信號，并記錄起始時間。通信管理器CMS接收目標表具發(fā)來的數(shù)據(jù)采集響應(yīng)信號，進行數(shù)據(jù)完整性檢驗，對通過檢驗的數(shù)據(jù)采集響應(yīng)信號由密鑰管理器KMS解密并發(fā)送給數(shù)據(jù)管理器的數(shù)據(jù)采集隊列管理模塊FDRU。FDRU接收密鑰管理器KMS發(fā)來的解密數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)采集隊列，并按數(shù)據(jù)采集隊列順序，將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)分析模塊FDAU。FDAU按表具ID號，用本次流量積算值減去對應(yīng)的上次數(shù)據(jù)采集流量積算值，并判斷差值是否在本次數(shù)據(jù)采集任務(wù)清單所設(shè)定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。若差值在數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，F(xiàn)DAU把表具ID號和本次數(shù)據(jù)采集的流量積算值加蓋時間戳后，寫入數(shù)據(jù)采集正常記錄表FDLS,并通知數(shù)據(jù)管理器DMS在數(shù)據(jù)采集隊列中刪除該條記錄，同時調(diào)用密鑰管理器KMS,將該表具ID號與下次數(shù)據(jù)采集的表具通信密鑰用上次數(shù)據(jù)采集時設(shè)定的表具通信密鑰加密，將密文交給通信管理器CMS發(fā)送出去。

當通信管理器CMS接收到燃氣表具的密鑰更新反饋信號并判斷為正確后，通知任務(wù)管理器TMS在數(shù)據(jù)采集正常記錄表FDLS和數(shù)據(jù)采集作業(yè)任務(wù)清單列表DATT中相應(yīng)的表具ID號上標注已完成的標記。若通信管理器CMS收到的密鑰更新反饋信號不正確，則通知TMS在FDLS和DATT中相應(yīng)的表具ID號上標注未反饋的標記，并顯示標注的DATT。

若數(shù)據(jù)分析模塊FDAU判別流量積算差值不在數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)分析模塊FDAU即把表具ID號和本次數(shù)據(jù)采集的流量積算值加蓋時間戳后，寫入數(shù)據(jù)采集異常記錄表ADALS,并通知數(shù)據(jù)采集隊列管理模塊FDRU在數(shù)據(jù)采集隊列中刪除該條記錄，通知任務(wù)管理器TMS在數(shù)據(jù)采集作業(yè)任務(wù)清單列表DATT中相應(yīng)的表具ID號上標注未完成標記并顯示。

從任務(wù)管理器TMS記錄的起始時間開始，若時間已經(jīng)達到設(shè)定的時限，則任務(wù)管理器TMS對數(shù)據(jù)采集正常記錄表FDLS中未收到燃氣表具密鑰更新反饋信號的ID號標注未反饋的標記，同時在數(shù)據(jù)采集作業(yè)任務(wù)清單列表DATT中做出相應(yīng)的標記，并將已發(fā)出表具喚醒信號但沒有收到數(shù)據(jù)采集響應(yīng)信號的表具ID識別號標注為未響應(yīng)標記。

任務(wù)管理器TMS檢查數(shù)據(jù)采集作業(yè)任務(wù)清單列表DATT中表具ID號的標記，若均已標記為已完成且無未反饋標記，具ID號的標記，若均已標記為已完成且無未反饋標記,則提示上傳本次數(shù)據(jù)采集作業(yè)數(shù)據(jù)，否則對未響應(yīng)和未完成標記的表具ID號，再次列表，并重復上述過程，直到所有表具ID識別號均被標注為已完成或未反饋或達到事先設(shè)定的重復次數(shù)。

任務(wù)管理器TMS將未響應(yīng)、未完成和未反饋的表具ID號連同其標記類型一起，寫入人工數(shù)據(jù)采集記錄表MHLS，提示轉(zhuǎn)人工處理并記錄人工處理結(jié)果。TMS上傳FDLS、ADALS、MHLS后，刪除本次數(shù)據(jù)采集作業(yè)全部數(shù)據(jù)，提示本次數(shù)據(jù)采集作業(yè)結(jié)束。

圖2GMDC工作過程示意圖

5結(jié)語

隨著我國天然氣行業(yè)的快速發(fā)展，城市管道燃氣用戶數(shù)量激增，傳統(tǒng)的以燃氣管網(wǎng)監(jiān)控和用氣計量收費為基礎(chǔ)的城市燃氣運營管理模式已不能適應(yīng)現(xiàn)代城市燃氣供應(yīng)服務(wù)的需求,迫切需要全面感知終端用戶用氣狀態(tài)。在EPC-global體系中,Savant是承上啟下的關(guān)鍵關(guān)節(jié),可實現(xiàn)EPC數(shù)據(jù)的采集與傳輸,而EPC標簽跟隨物品的移動和被感知則構(gòu)成了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流源。在由終端用戶燃氣計量表具PGM、固定式和移動式燃氣計量數(shù)據(jù)采集集中器GMDC、表具ID解析服務(wù)器OMNS及相應(yīng)的通信規(guī)約構(gòu)成的燃氣物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中，GMDC起到了Savant類似的作用，特別是mobileGMDC通過在居民小區(qū)PGM群中的移動，可以按任務(wù)計劃不斷采集PGM燃氣流量計量的時點數(shù)據(jù)并上傳，并能夠覆蓋所有的民商用戶。這樣既解決了燃氣計量收費的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)問題，也解決了燃氣公司對用戶用氣狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集問題。通過與燃氣SCADA系統(tǒng)的進一步整合，為有效解決安全供氣問題奠定了良好的基礎(chǔ)。

20211012_6165ae0455cdf__物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城市管道燃氣系統(tǒng)中的應(yīng)用研究