摘要：分析了人工抄表收費方式存在的問題、幾種計量收費方式的特點。研究了自動抄表系統(tǒng)的構成、燃氣表與采集器(集中器)之間的數據傳輸方式、集中器與燃氣公司管理中心之間的數據傳遞方式，提出適用于各種用戶類型的自動抄表模式。
關鍵詞：自動抄表系統(tǒng)；燃氣表；集中器；燃氣公司管理中心；數據傳輸
Application of Automatic Meter Reading to Gas Charge System
ZHANG Tao
Abstract：The problems with manual meter reading charge mode and the characteristics of several metering charge modes are analyzed. The composition of automatic meter reading system and the data transmission modes between gas meter and collector(concentrator)and between concentrator and management center of gas company are studied. The automatic meter reading mode suitable for different users is put forward.
Key words：automatic meter reading system；gas meter；concentrator；management center of gas company；data transmission
1 概述
1.1 傳統(tǒng)的人工抄表收費方式存在的問題
燃氣在城市建設中應用越來越廣泛，用戶種類和數量迅猛增長，用氣結構呈現多元化。要實現對燃氣的合理利用，燃氣的計量收費管理工作非常重要。傳統(tǒng)的抄表收費方式存在的弊病日益突出，主要包括：入戶難；管理費用、人員開支過高；抄表人員勞動強度大，收費部門工作負擔重；數據實時性不好，不能動態(tài)、及時反映使用情況的變化，管網調控能力差；按月抄表得來的統(tǒng)計數據，對于燃氣公司進行更深層次的分析和管理決策(如規(guī)劃、儲備和調度等)遠遠不夠。因此，自動抄表系統(tǒng)和IC卡預售系統(tǒng)等應運而生了。
1.2 幾種計量收費方式的特點
① 自動抄表系統(tǒng)的優(yōu)點：安全性強，各種有效的措施可以避免數據遭到非法修改；實時性強，便于及時了解運行情況和發(fā)現安全隱患；可靠性強，傳輸的數據正確；可安全監(jiān)控，可以采集數據，遠程控制閥門開關，避免氣費的拖欠；時鐘性強，通過管理中心設置，可以實現分時付費；采集的數據完整準確，提高了信息化管理水平，使燃氣公司了解各類用戶對燃氣的消費情況，更準確地調整儲備和供給方案，制定管理政策等。缺點：前期投入相對較大。由于該種方式具有很大的優(yōu)越性，目前在國外已得到廣泛的應用。
② IC卡預售方式的優(yōu)點：前期投入??；避免氣費的拖欠。缺點：實時性差，雖然IC卡的回讀功能可將各類用戶表的歷史使用情況回傳給燃氣公司的管理系統(tǒng)，但只有用戶購氣才能回傳數據，不能達到安全監(jiān)控的目的；雖然CPU卡具備密鑰系統(tǒng)，安全性能好，但邏輯加密卡安全性差；當IC卡控制模塊安裝在切斷閥上，與流量計之間通過脈沖傳遞用氣信息時，往往流量計氣量的增加值大于IC卡控制模塊中氣量的減少值，而且這種差異隨著用氣量的增加而累積，有時兩者相差很大。這是由電路匹配不當和各種干擾問題造成的，給燃氣公司造成經濟損失，引起的糾紛更令人頭痛。由于發(fā)達國家有很好的信用機制，因此這種方式在國外使用很少，不宜實現分時付費。當燃氣價格上漲，用戶大量囤氣時，會給燃氣公司帶來損失。
③ 自動抄表預付費系統(tǒng)
以上2種收費方式各有優(yōu)缺點，由于自動抄表系統(tǒng)具有更明顯的技術優(yōu)勢，在歐美發(fā)達國家發(fā)展迅速，成為趨勢。但IC卡預售系統(tǒng)可以避免欠費，這在我國是不容忽視的優(yōu)點。綜合2種方式，形成一種全新的自動抄表預付費系統(tǒng)。該系統(tǒng)在自動抄表系統(tǒng)基礎上，融合新的預付費運行模式，實現集自動抄表、遠程監(jiān)控和預付費于一體的營銷管理系統(tǒng)。
由購買氣量改為預存費用，預存費用的數值保存在燃氣公司的數據管理中心，以便根據燃氣價格實時調整，避免燃氣價格上漲前用戶囤氣給燃氣公司帶來損失。此方式綜合了國外的先進技術和我國的國情，將成為我國城鎮(zhèn)燃氣居民用戶、商業(yè)用戶今后計量收費的發(fā)展趨勢。對于其他不適合預付費方式的城鎮(zhèn)燃氣用戶，今后發(fā)展的趨勢是自動抄表。
2 自動抄表系統(tǒng)的構成
2.1 自動抄表系統(tǒng)的組成
自動抄表系統(tǒng)的組成見圖1。
燃氣收費系統(tǒng)中，自動抄表系統(tǒng)將會得到廣泛使用，數據信息在以下幾個部門和設備之間傳遞：燃氣表、集中器(或手持抄表器)、燃氣公司的數據管理中心、燃氣公司的數據服務器、燃氣公司的操作終端和銀行。
2.2 適于自動抄表的燃氣表
① 按輸出信號方式分類
a. 輸出脈沖式
將代表燃氣流量的機械字輪轉動轉換為脈沖信號，供數字電路采集。特點：燃氣表向外部采集器輸出脈沖時，匹配不當或遇到干擾均會多計或少計，且誤差一直累計，不會修正；燃氣表向內部采集電路輸出脈沖，可靠性就會大大加強。
b. 字輪編碼式
字輪編碼式燃氣表是在燃氣表的機械計數器上，即字輪0～9每一位數字輪上都安裝多只光電傳感器，這些傳感器通過組合編碼將相應的10個數字(0～9)對應傳出，以數字信號形式通過有線或無線的方式傳遞給集中器或手持抄表器。
特點：能直接讀出用氣量數據，讀出的數據與數碼輪上表示的數據完全一致；不受外界干擾，價格相對便宜。但是它存在臨界問題：因數碼輪之間存在進位間隙，當數碼輪發(fā)生進位時，特別是發(fā)生多位同時進位時，會產生數碼輪數字排列不在一條水平直線上的現象，必須通過程序判斷數值的真實性，但是隨著字輪的繼續(xù)運轉，數碼輪的位置會自動校正，即使先前出現偏差，之后也會糾正。
② 按接口種類分類
a. 脈沖傳輸接口
發(fā)送和接收方波脈沖信號。特點：電平、脈沖寬度以及占空比都需匹配好，否則將會出現嚴重的傳遞誤差，抗干擾和功耗也是要考慮的重要因素。
b. 紅外通信接口
在燃氣表上安裝紅外通信接口，紅外通信的實質是對二進制數字信號進行調制與解調，利用紅外信道進行傳輸，紅外通信接口就是針對紅外信道的調制解調器。紅外線信號最大傳輸距離可達8m。特點：傳輸距離短，抗污能力差。
c. 無線短波數字接口
在燃氣表上安裝無線短波數字接口，實現短距離微功率無線通信技術。
d. RS485/232通信接口
智能燃氣表通常具備RS485或RS232接口，通過敷設專線實現數字信號傳遞。特點：傳遞安全可靠；必須敷設專線，不適合老用戶的改造。
e. 圖像傳輸接口
圖像傳輸接口是在燃氣表機械字輪顯示窗外面加上一個小型攝像頭，將字輪顯示數值拍攝成圖像，將圖像信號傳給微機，再經過圖像轉化，轉化為數字信號。優(yōu)點：圖像掃描式遠傳表讀取數據直觀、可靠，完全與數碼輪數字一致，避免發(fā)生糾紛。缺點：由于傳遞的是圖像，其傳送的數據量大，傳輸時間長，價廉物美的16位單片機不能勝任此項工作，必須使用價格較高的微型計算機，成本高。
2.3 集中器
集中器是一個以單片機為中心的小型處理系統(tǒng)，采用微處理設計，內置通信模塊。負責接受從管理中心發(fā)來的各種指令，經判斷后發(fā)送至對應的采集器中；收集采集器上傳的數據并發(fā)送至管理中心；具有協(xié)議檢查功能，用來判斷集中器和上位機之間通信所采用的協(xié)議是否相同；校時功能，管理中心可定時對集中器自動校時，以保證集中器時間準確，同時集中器可對所管理的燃氣表統(tǒng)一校時，以確保時間一致。
① 固定的集中器
從采集器到集中器通過有線方式，如有線寬帶方式、電力載波方式和RS485總線方式、RS232總線方式。
② 移動的集中器(手持抄表器)
從采集器到集中器通過無線方式，如無線短波方式和紅外方式(也稱光電方式)。
③ 具備路由器功能的集中器
在高層居民用戶中，各層間通過接力式的路由方式將數據集中至集中器或采集器。一般通過GPRS傳送數據時，該裝置安裝于樓房的頂層；通過手持抄表器采集數據時，該裝置安裝于樓房的一層。此種方式克服了點對點采集方式受傳輸距離的影響。
2.4 燃氣公司數據管理中心
燃氣公司數據管理中心是遠程智能抄表和安全監(jiān)控系統(tǒng)的中心，承擔整個系統(tǒng)的管理，包括燃氣表數據抄錄、燃氣表通斷電控制等，具體包括檔案管理、集中器管理、上傳數據的管理和控制數據抄錄、閥門開關等管理功能。
系統(tǒng)需要建立操作規(guī)程和作業(yè)指導書，對管理中心操作員的操作權限和日常工作進行規(guī)定。
2.5 數據服務器
將所有燃氣表的信息，包括燃氣表所屬單位名稱或戶主姓名、地址、燃氣表種類、燃氣表型號、費率、序列號、安裝時間等檔案數據輸入至數據服務器。由數據管理中心采集上來的大量實時記錄數據也源源不斷地輸入到數據服務器。
2.6 操作終端
通過專線實現與數據服務器、數據管理中心連接，完成自動抄表中的各項操作(如數據傳遞、查詢、控制、報表繪制等)，分為數據庫操作管理和控制管理。數據庫操作管理主要包括數據查詢、數據維護、表具故障白檢?？刂乒芾碇饕ü芾碇行膱?zhí)行數據抄錄和通斷氣操作控制，對集中器下的所有燃氣表進行抄錄，抄錄燃氣表表底、時間及狀態(tài)，也可實時抄錄單表數據，并可通過控制燃氣表閥門控制燃氣供應。
3 燃氣表與采集器(集中器)間的數據傳輸
3.1 RS232方式和RS485方式
這2種方式均需要抄表系統(tǒng)單獨敷設專用線路，依據的標準是JG/T 162-2004《住宅遠傳抄表系統(tǒng)數據專線傳輸》，其中RS485總線使用最廣泛。優(yōu)點：數據安全可靠，有標準可依，比較適用于新建居民小區(qū)。缺點：傳輸距離短，1000m左右；需在建筑物內敷設專用線路，施工工程量較大，改造費用較高，不適合老居民用戶。
3.2 脈沖傳輸方式
脈沖式遠傳表是將燃氣表遠傳的信號以脈沖(或開關量)的形式發(fā)出，每一個脈沖信號代表一定的用氣量數值，由數據采集器實時在線累計存貯。系統(tǒng)要對累計的脈沖數進行換算處理后，才能得到燃氣表的用氣量數值。外部采集器在采集累計脈沖的過程中，會出現誤計現象，造成接收到的數據與燃氣表上示值數不一致，另外，由于脈沖信號易受干擾，也會造成誤差。
3.3 電力載波方式
電力線載波是將遠端采集器采集的信號通過低壓載波傳輸至集中器。依據的標準是DL/T 698—1999《低壓電力用戶集中抄表系統(tǒng)技術條件》。傳輸介質：同一變壓器同相220V線路；傳輸距離：500～1000m。
優(yōu)點：整個系統(tǒng)不需要布線，采用電話中繼方式的特點是造價低，采用無線中繼方式的特點是靈活方便、運行成本低。
缺點：由于電力線(220V)是非通信用線路，其干擾和衰減都很大，因此，電力線載波數據傳輸的誤碼率高；燃氣公司使用電力線需要與供電公司協(xié)調。
3.4 無線短波方式
無線短波方式是利用無線電技術進行近距離的信號傳輸。在由電池供電的具有無線數傳模塊的燃氣表(或采集器)與具有無線數傳模塊的集中器(或手持抄表器)之間進行數據的定時定量發(fā)送。設定好無線遠傳的數據間隔后，在其喚醒期間，將燃氣表的計量數據、安全使用記錄等數據通過無線數傳模塊發(fā)送到集中器，再將集中器(或手持抄表器)中的數據導入數據管理中心電腦系統(tǒng)中。傳輸方式符合信息產業(yè)部《微功率(短距離)無線電設備管理暫行規(guī)定》的要求。
數據管理中心的命令也可通過集中器的無線數傳模塊，發(fā)送到燃氣表(或采集器)。所使用的波段無需付費，但要向無線電管理局申請。根據《微功率(短距離)無線電設備的技術要求》可知：通常470～510MHz頻段可作為民用無線電計量儀表的使用頻段。
優(yōu)點：由于免去了在現有建筑物中布置信號線的麻煩，適用于各種環(huán)境，適用于新舊居民小區(qū)；實時性比較好；因為是燃氣公司自己建網，所以省去了后期的使用費用；降低了系統(tǒng)功耗和管理費用，大大減少了人工勞動，提高了自動化程度。
缺點：通常數傳電臺的使用距離在500m以內，再遠就不適用了；無需申請的頻段存在任何人都可以去占用的問題，可能會受到干擾，傳輸的數據可靠性差，需要通過程序判斷對錯。
分類：點抄方式和集抄方式。早期采用的點抄方式由集中器或手持抄表器依次與燃氣表的數傳模塊進行傳輸。這種方法對高層住戶不適用，抄表員仍需上樓，但不入戶。后來出現的集抄方式是指所用的燃氣表本身具備中繼器和集中器功能，若通過手持抄表器抄表，各樓層的燃氣表依次定時將數據信息傳遞給一層住戶的燃氣表，然后由手持抄表器讀??；若通過具備GPRS功能的集中器抄表，則各樓層燃氣表依次將數據信息定時傳遞給頂層住戶的燃氣表，然后由集中器讀取并發(fā)送出去。相比點抄方式，集抄方式具有可靠性高、方便快捷的優(yōu)點。
3.5 小區(qū)局域網方式
小區(qū)局域網是在一個相對有限的地理范圍內，由一組微機、服務器、打印機和類似的設備連接組成的網絡。用戶的計算機需安裝網卡并接入到樓內的交換機，再通過專線與城域網或互聯(lián)網相連。小區(qū)局域網接入是一種成熟的本地有線寬帶接入方式，它通過網線高速傳輸數據，實現了千兆到小區(qū)，百兆到大樓，十兆到桌面的傳播速率。這種接入方式不需申請電話線，二者分屬不同的網絡，獨立運行，小區(qū)局域網對原有電話線路沒有任何干擾，用戶可以同時上網和使用電話。目前廣泛采用的專線為Lon總線、CAN總線。
3.6 有線寬帶方式
① 電話線ADSL有線寬帶方式
ADSL(非對稱數字用戶線)是DSL(數字用戶線)技術的一種，使用這種技術，可在普通銅線電話用戶線傳送語音信號的同時，將一組一般的電話線變成高速的數字線路，ADSL能夠向終端用戶提供8Mb/s的下行傳輸速率和1Mb/s的上行傳輸速率，比傳統(tǒng)的28.8kb/s模擬調制解調器快將近200倍，這也是傳輸速率為128kb/s的ISDN(綜合業(yè)務數據網)所無法比擬的。ADSL可以使使用電話和上網同時進行，不互相干擾。通過ADSL能對遠程的抄表系統(tǒng)實施功能操作，取得測量結果并對抄表系統(tǒng)進行參數設置、實時監(jiān)控和故障判斷。
ADSL作為主流有線寬帶接入方式，其特點有：
a. 速率高。ADSL能夠向終端用戶提供8Mb/s的下行傳輸速率和1Mb/s的上行傳輸速率。相比之下，傳輸速率僅為56kb/s的傳統(tǒng)電話撥號方式只能是窄帶。
b. 費用低。據不完全統(tǒng)計，全國各大城市ADSL的包月費為40～200元(不含其他使用費用)。
c. ADSL使話音和數據在不同的通路上運行，使用電話與傳輸數據互不干擾。
d. 必須在整個小區(qū)內布線，它的終端和管理微機需要220V交流電，并提供遠程網絡通信；電話網通信是電路交換，抄錄一個采集器，就必須完全占用一條電話線路，如果同一時間必須抄錄多個采集器，就需配置多條電話線路，若集中抄表的規(guī)模很大，系統(tǒng)的管理難度較大。
② ISDN方式
ISDN(綜合業(yè)務數字網絡)是基于公共電話網的數字化網絡，它能夠利用普通的電話線雙向傳送高速數字信號，廣泛進行各項通信業(yè)務，包括話音、數據、圖像等。因為它幾乎綜合了目前各單項業(yè)務網絡的功能，所以被形象地稱作“一線通”。ISDN是對稱性網絡傳輸，傳輸速率達128kb/s。
4 集中器與管理中心間的數據傳遞方式
集中器與燃氣公司數據管理中心之間的數據傳遞方式包括GPRS/SMS、GSM/SMS短消息、有線寬帶方式和DDN專線。其中有線寬帶方式見前文。
4.1 GPRS的特點
GPRS(通用分組無線業(yè)務)采用與GSM(全球移動通信系統(tǒng))相同的頻段、頻帶寬度、無線調制標準和TDMA幀結構。在GSM上構建GPRS，硬件無需改動，只需軟件升級。
GPRS自動抄表系統(tǒng)見圖2[1]。
特點：
① 實時|生強
GPRS具有實時在線特性，延時僅600～1200ms，無需輪詢就可以同步接收、處理多個數據采集點的數據，可很好地滿足系統(tǒng)對數據采集和傳輸實時性的要求。
② 可遠程控制
通過GPRS雙向系統(tǒng)可實現對儀表設備進行遠程控制，如參數調整、開關控制等操作。
③ 安全性強
保密性好，安全可靠?？蔀閷⒁M行無線通信的數據加密，并在無線終端和網絡之間建立一條高度可靠且加密的邏輯鏈路，保證數據在無線環(huán)境中安全傳輸。
④ 建設成本低
采用GPRS的無線公網平臺，只需安裝好設備就可以，不需要為自動抄表進行專門布線，前期投資少、見效快，后期升級、維護成本低。
⑤ 集抄范圍廣
GPRS覆蓋范圍廣，在無線GSM/GPRS網絡的覆蓋范圍之內，都可以完成對集抄的控制和管理。而且，擴容無限制，接入地點無限制。
⑥ 傳輸容量大、速度快
數據中心要和集中器保持實時連接。由于數據采集點多，需傳輸的數據量巨大，GPRS技術能滿足數據傳輸的需要。GPRS實際數據傳輸速率為20～170kb/s，并且可根據管理中心下發(fā)的命令改變傳輸數據的速率，以適應不同的用戶需要。
⑦ 通信費用低
采用包月或按流量計費方式，運營成本低。GPRS和SMS短消息之間自動切換，在某些地區(qū)只有SMS覆蓋，GPRS網絡發(fā)生故障時，自動切換至SMS來傳輸數據。
4.2 GSM/SMS短消息的特點
GSM標準中定義的點-點短消息服務使得短消息能在移動臺和短消息服務中心之間傳遞。這些服務中心是通過稱為SMS-GMSC的特定MSC同GSM網絡聯(lián)系的。GSM中唯一不要求建立端-端業(yè)務路徑的業(yè)務就是短消息。系統(tǒng)認為不同的消息彼此獨立，消息的傳輸總是由處于GSM外部的短消息服務中心(SMSC)進行中繼，消息有目的地或起源地，但只與用戶和SMSC有關，與其他GSM基礎設施無關。這種方式是前述GPRS方式的初級階段，在GSM網絡沒有升級為GPRS的區(qū)域可以使用。
此外，隨著其他3G技術的引入，GSM/GPRS空中接口可以升級為TD-SCDMA或WCDMA，傳輸速率將得到大幅度提升。而原來采用CDMA技術的2G系統(tǒng)可以升級為CDMA2000 EV-DO，以支持更高的速率。本質上，這些技術沒有差別，主要應考慮滿足所需速率時其網絡的覆蓋區(qū)域、資費和終端的成本。
① 優(yōu)點
a. 通信距離遠。
b. 一般應用于中低數據交換量的無線數傳網絡，其低廉的價格與便利的維護(無須雇傭專業(yè)維修人員)完全可以彌補其運行費用較高的缺陷。
② 缺點
a. 通信時間延遲。采用存儲轉發(fā)方式，即數據不是直接被發(fā)送到目標接受方，而是先發(fā)送到中國移動的短消息中轉服務器中排隊等待，然后被發(fā)送到目標接受方，這樣就會產生時間延遲，甚至在數據傳輸高峰時，會延遲幾個小時。短消息通信時間短則數秒，長則數分鐘，不能應用于實時性要求高的系統(tǒng)中。
b. 單次通信數據量受限制。受短消息通信機制的限制，一條短消息有效數據載荷較小，這在要求大數據量傳輸的系統(tǒng)中應用很不利。
c. 通信資費較高。當數據量較大時，費用問題較為突出，雖然和無線運營商的談判可以一定程度上降低單條費用，但在通信頻率較高的應用中運營費用仍居高不下。
4.3 DDN專線
DDN專線(數字數據專線)是利用物理實線作為數字信道傳輸數字數據，是隨著數據通信業(yè)務的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種新型網絡。它的傳輸媒介有光纖、數字微波、衛(wèi)星信道以及用戶端可用的普通電纜和雙絞線。利用數字信道傳輸數據信號與利用傳統(tǒng)的模擬信道相比，具有傳輸質量高、速度快(傳輸速率可達64kb/s至2Mb/s)、帶寬利用率高等優(yōu)點。
特點：
① DDN專線接入能提供高性能的點-點通信，通信保密性強，特別能滿足金融、保險等保密性要求高的客戶需要。
② DDN專線接入還適用于20/80業(yè)務規(guī)則的大中型企業(yè)，即80%的網絡業(yè)務在內部網絡(Intranet)內傳輸，只有20%的網絡業(yè)務在內部網絡(Intranet)與外部網絡(這里主要指Internet)之間傳輸。
③ DDN專線接入傳輸質量高，通信速率可根據用戶需要在N×64kb/s(N=1～32)范圍內選擇，網絡時間延遲小。
④ DDN專線信道固定分配，充分保證了通信的可靠性，保證用戶使用的帶寬不受其他客戶影響。
⑤ 對稱性。數據上行速度與下行速度相同。
⑥ 費用高。
5 銀行與數據管理中心的數據傳遞
由于銀行與數據管理中心之間的數據傳遞量大，對安全性和傳輸速度也有較高的要求，因此通常采用DDN專線方式。
6 各類用戶自動抄表模式
各類用戶自動抄表模式見圖3～6。
6.1 居民用戶
特點：用戶數量大，單個用戶的用氣量少。普通居民用戶數量十分龐大，集中分布，其耗氣量不超過4m3/h。帶有壁掛爐的高檔住宅或別墅分布較分散，其耗氣量不超過10m3/h。
① 無局域網的居民用戶
根據其特點，建議采用圖3所示的自動抄表模式。
② 有局域網或有線寬帶的居民用戶
根據其特點，建議采用圖4所示的自動抄表模式。
6.2 商業(yè)、采暖用戶
特點：商業(yè)用戶主要包括酒店、餐廳等，常年用氣，用戶分散，流量通常在500m3/h以下。采暖、制冷用戶主要是季節(jié)性用氣大戶，而且在采暖、制冷期實行不同的燃氣價格機制，流量通常為500～5000m3/h。此類用戶的數量比居民用戶少得多，但用氣量卻遠大于居民用戶。建議采用圖5所示的自動抄表模式。
6.3 集中供熱、發(fā)電、工業(yè)等大用戶
特點：集中供熱、發(fā)電、工業(yè)用戶一般用氣量很大，用戶數量少，其設備是否能安全可靠運行關系重大，流量通常在5000m3/h以上，而且用氣有一定的規(guī)律，資金充足。建議采用圖6所示的自動抄表模式。
參考文獻：
[1] 姜開山，胡波，馬立元，等.GPRS遠程抄表系統(tǒng)應用實踐[M].北京：中國電力出版社，2007.
(本文作者：張濤 北京市公用事業(yè)科學研究所 北京 100011)
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