城市供水行业物联网设备通信浅析

2024-03-20张超

物联网技术 2024年1期

张超

（1.汇中仪表股份有限公司，河北唐山 063020；2.河北省超声测试计量仪器技术创新中心，河北唐山 063020）

0 引言

城市供水行业关系着城市布局规划体系和城市化进程，关系着百姓民生和智慧城市建设，是考虑用水安全和用水健康的重要行业，是国家重要的基础设施行业，地位十分重要[1-3]。然而我国水资源并不充沛，地区差异大，如何合理分配水资源、降低漏损、节约用水，对我国“双碳”目标的实现和产业高质量发展具有重大意义。

随着NB-IoT、4G-CAT.1 等各种物联网通信技术的发展，2G-GPRS、3G 等传统通信技术逐步退出历史舞台。以往依靠人工抄读设备或少部分产品通过采集器或集中器抄读设备的时代一去不复返，城市供水行业老设备逐步被支持远程抄读和控制的设备取代，物联网通信领域呈现百花齐放的状况[4-6]。依靠电子零部件进行测量的设备，搭载前沿通信技术，变成能远程的智能设备；依靠机械零部件进行测量的各种设备，通过各类电子转换器，摇身变成能远传的智能设备[7-9]。各级自来水公司也把远程抄表及控制作为招标标配。另外，各级自来水公司也对水司内设备通信协议提出了统一要求，通过采购或建设统一的业务系统、规定系统内所有设备的协议标准等方式，要求系统内通信机制和协议统一，方便日后各供应商产品可以无感替换和实现供水数据安全。但该局面导致供应商需要不断定制特殊产品来满足自来水公司的各种要求，极大地增加了各供应商的开发成本，而且受限于供货周期和各级自来水公司对通信技术的了解，对整个系统的设备稳定性也提出了挑战[10-11]。目前急需行业通信统一，使全国上下一盘棋，提高系统的稳定性，也让行业有更多精力放在智能化预警、智能化诊断等大数据智能功能挖掘和物联网安全方面，提升行业管理能力和安全性，降低管理成本[12]。

1 城市供水行业工况及设备

1.1 供水管网监控

随着管网新建和管网改造的进行，管网建设规模已越来越大。近来年，随着4G、NB-IoT 等物联网相关通信技术的迅猛发展，使得实现城市供水统一调度、供水分析、分区诊断、漏损分析、管网漏失分析、计量损失分析、水量平衡等成为现实。城市供水管网呈环状，自来水公司可以将管网按区域层级分别统计分区供水量、漏损量、漏损率、漏失量、漏失率，更科学合理地分配人力物力，降低漏损率和漏失率，有效降低产销差，实现节能降耗、提质增效。

供水管网监控的主要方法是分区计量和使用管网GIS 地图。分区计量是将供水管网按区域进行划分，形成供水独立计量区（DMA），实时监控流量和压力的变化，及时预警并发现管网供水异常，辅助漏损查找、漏失分析和维护区域水利平衡，有效降低管网漏损率和漏失率，减少产销差。供水调度人员只需在管网监控大屏前，就可一览整个区域管网的情况，实现科学指挥，保障供水压力平衡，及时发现和预测爆管事故。结合管网GIS 还可以实现管网数据的动态化监管以及漏损管理控制。

供水管网分区计量主要应用设备有流量计、水表、压力计、阀门、水质仪、采集器等设备，对这些设备的要求是数据采集密度高、上报周期短、数据量大，并且可以智能识别故障、及时进行预警和报警，也能远程实时控制，及时对供水量、用水量进行补偿，满足供需平衡。通过对海量数据进行分析，做到事故前提前预警进行防范；事故中快速远程初步控制，锁定位置，加快现场处理。通过漏损分析、供水分析、管网漏失分析、计量损失分析、水量平衡等，提升对管网管理的效率，从而提高供水效益，节约水资源，保证供水安全。

1.2 社区供水

社区用水管理主要是监控和分析小区的用水情况、实施计费管理。通过控制阀控水表进行欠费控制，交费后立即恢复供水。对高龄独居老人长时间没有用水的情况进行告警，提醒社区及时关注老人情况，让老人及时获得帮助。监测到家中漏水或爆管，可将报警情况直接通过微信小程序推送给用户，提醒用户及时查找漏点，减少用户损失。用心用情办好民生实事，让惠民利民举措更加精准有效。

社区用水主要应用设备有水表、阀控水表、压力计等设备，对这些设备一般要求上报周期为24 小时，包含全天每小时数据，设备电池供电，寿命6 年以上，抄见率90%以上。

2 城市供水行业通信特点

2.1 设备通信网络特点

随着2G、3G 逐步退出，4G-CAT.1 和NB-IoT 成为主流的物联网通信技术，担当起万物互联的大任。

4G-CAT.1 是4G 通信LTE 网络下用户终端类别的一个标准，无需对基站进行任何升级，SIM 卡及业务套餐也无需任何改变，可以无缝接入现有LTE 网络当中，网络覆盖成本低。经过系统优化后，模组的硬件架构更简单，集成度更高，外围硬件成本更低，模组价格在30 元以内，成本优势明显，当前联通公司正积极布局CAT.1 的PSM 应用，致力于进一步降低模组功耗。在城市供水行业4G-CAT.1 技术主要被应用于数据量大、上报密集、需要实时控制的设备，管网监控中使用较多。常见一个管道井中使用一台采集器抄读并控制本井内的流量计、水表、压力、阀门、水质、液位等。

NB-IoT 是IoT 领域的一个新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWAN）。NB-IoT 技术的特点就是深覆盖、广连接、低功耗。NB-IoT的这些特点与需要长期休眠、偶尔工作的设备完美契合[13-14]。随着NB-IoT 设备接入的越来越多，也出现了一些问题。第一，虽然相比现有的LTE 网络覆盖深20 dB，但地下室等场景信号仍然不佳，原有LTE 网络可通过增加室分天线的方式增强信号，但当前的NB-IoT 网络没有室分天线。电信公司从2023 年下半年开始实施B3（1 800 MHz）的NB-IoT 频段，该频段可通过增加室分天线解决信号问题。第二，NB-IoT的广连接是基于设备长时休眠、短时连接来实现的，因此要特别注意设备必须要随机离散接入，严禁把NB-IoT 设备做成长连接。当前NB-IoT 网络中就出现了一些“流氓数据”，占死基站，造成其他设备因网络拥挤而连接交互失败。若出现设备整体上报率不高的情况，可联系运营商监控NB-IoT话务信息，停止“流氓数据”接入。第三，NB-IoT 的低功耗是依靠短时通信和多种节电技术实现的，因此想要实现低功耗，需要近可能缩短连接交互时间。节电技术包括PSM、DRX、eDRX。其中，PSM 节电技术在信号覆盖较差、上报周期长的情况下，节电效果较为明显。eDRX 技术主要应用于对下行控制延时有需求的设备，延时最小可达到2.56 s，但由于运营商网络配置未开启或时间同步等问题，应用较少。在城市供水行业，NB-IoT 技术主要被应用于数据量小、上报周期长、不需要实时控制的设备，社区供水中使用较多。常见每户水表或社区入口的大口径水表中都会搭载NB-IoT模块，实现远程抄表。

2.2 平台应用及通信协议现状

各自来水公司大部分已建立自己的业务系统平台，该平台的搭建一般是软件公司依据自来水公司的需求从原有系统平台开发改造完成。业务系统平台分为两种情况：一种是水司要求统一系统各层协议，业务平台只支持一种协议；另一种是业务系统平台对接各厂家协议，使各厂家数据展示在平台上。当前第一种情况基本形成主流，主要优势是自来水公司可做到无感替换设备，带来的风险是定制协议涉及各厂家改造设备，且一般时间紧急，系统稳定性会降低。

第三方平台也是目前主流的平台形式，国内使用的主要有中国电信Ocean Connect、中国移动物联网开放平台OneNET、中国电信天翼物联网CTWing、中国联通雁飞格物dmp 设备管理平台、雄安IoT 平台，供水行业一般将这些平台作为中间平台使用。微软云、阿里云等云平台，国内使用较少，国外用户使用较多。这些平台支持很多种底层协议，比如TCP、UDP、LWM2M、MQTT、HTTP 等。电信的NB-IoT 网络比较特殊，除特殊场景开通定向IP 外，需使用中国电信平台作为中间平台；其他可使用中间平台，也可直接将设备接到业务系统平台。使用中间平台的优势是中间平台支持海量接入，处理了设备并发，对业务系统平台的并发要求降低，设备上线率更有保障，并且安全性也更好。中国电信Ocean Connect 不再支持新设备接入，后续设备需接入中国电信CTWing，中国电信支持帮助用户将Ocean Connect平台设备通过IP 映射方式无感迁到CTWing 平台。雄安IoT平台是将雄安新区的所有智能设备接入该平台，打造智能化城市，雄安IoT 平台是中国智能化城市的一次新的尝试。

国内各自来水公司从2020 年开始，逐步进入了自来水公司统一系统协议的时代。各家因水平有限，统一的系统协议良莠不齐，但对比国外和其他行业来说，即使协议编写较好的，也仍有很大差距。以电力行业来说，一般遵循《电测量数据交换DLMS-COSEM 组件》（GB/T 17215），该国家标准与IEC 62056 系列标准等同。该标准致力于满足多种设备系统的兼容性、独立性、扩展性，拥有良好的系统互联性和互操作性，而且通信协议安全性内容较为完整，是迄今为止较为完善的计量仪表通信协议标准。国外水表行业也有很多使用DLMS 协议进行通信的。以水利行业来说，一般统一到水资源规约，该规约虽然统一了协议，但在协议安全性方面投入较少，对当前越来越要求数据安全的需求，有些不契合。城市供水行业亟需归总到几款协议，甚至能实现四表集抄协议一致，可以多参考国外一些引用较为广泛的具有互操作性的协议，构建适合中国的四表集抄协议。

2.3 安全需求

当前是一个万物互联的时代，物联网设备数量高速增加，预估2025 年全球物联网设备数量将达到250 亿，因此物联网也面临巨大的安全威胁。与互联网的安全风险不同的是，物联网除面临信息资料泄露的风险，还面临影响设备安全运行和人身安全的风险。当前，物联网系统在安全防护方面的能力分布不均，呈现“重平台、轻终端”的态势。供水行业的设备往往处于无人值守的环境中，缺少了人对设备的有效监控，防护能力普遍较弱，是系统安全的薄弱环节。各厂商重视追求新功能，而对设备安全的重视不足。一是缺乏安全意识和人才；二是成本压力大，造成安全保障方面的投入严重不足；三是尚缺乏完善的安全标准体系和成熟的安全解决方案。关注终端接入安全能力构建，提供身份认证、通道加密、数据加密等多种安全保障能力，从安全SIM、芯片、模组入手，多方联动，打造终端接入安全生态圈，将成为促进物联网终端安全发展的一大方向。

在身份认证方面、信息通信以及存储方面需要提升安全性能。随着国家密码法的推行实施，密码算法均需采用符合国家密码管理局规定的算法。此外，安全芯片等密码产品也需获得国家密码管理局办法的资质证书后才能投入使用。中国电信CTWing、中国移动OneNET、阿里、腾讯等各平台先后推出基于国密算法的产品，三大运营商也提供安全SIM卡产品，为客户提供终端接入安全服务。

近年来，国家对物联网安全越发重视，已针对公安行业、燃气行业、公共安全视频监控、远程人脸识别的安全做出要求。各自来水公司也开始重视物联网安全问题，因此设备安全将成为未来城市供水行业的主要研究方向。