0 引 言
城市燃气是现代化城市基础设施中不可缺少的重要组成部分，是一项重要的民生工程，是城市经济发展、改善环境质量、调整城市能源结构、提高人民生活质量必不可少的条件。我国在经历了人工煤气、LPG( 液化石油气) 两个发展阶段后，以西气东输一线建成投产为标志，已进入了天然气时代。2010年初，西气东输二线西段和川气东送建成，对我国天然气市场产生了重大影响。今年7 月，国家住房与城乡建设部发布《全国城镇燃气发展“十二五”规划》，预计“十二五”末，城镇燃气供气总量约1 782 亿立方米，较“十一五”期末增加113%。其中，天然气供应规模约1 200 亿立方米，居民用气人口超过6.25 亿，用气家庭数达到两亿户，居民用气量达到330 亿立方米;工业、商业及服务企业用气量达到810 亿立方米。
随着我国城市燃气普及率的大幅提高，城市燃气发展在安全供气、安全运行、有效管理等方面的问题也日益突出。用户数量迅速放大，以几个城市为例，2010 年底，深圳全市管道天然气居民用户突破100 万户，工商用户4 000 余户;天津市燃气居民用户221 余万户，工商用户1 万余户;成都为155 余万户，南昌为26.35 万户。北京天然气用户2011 年达到436 万户，燃气供气量为68.6 亿立方米，预计到2015 年的天然气用量将超过180 亿立方米。杭州管道燃气居民用户数在2012 年6 月就已经突破了60 万户。均匀稳定供气与用气波动之间的矛盾加剧，城市燃气的需用工况是不均匀的，会随月、日、时而变化，但燃气气源的供应量一般是均匀的。解决均匀供气与不均匀耗气之间的矛盾，不间断地向用户供应燃气，保证各类燃气用户有足够流量和压力的燃气，是安全供气的重要内容之一。全面、及时、准确地感知燃气终端用户的用气状态，把握不均匀耗气的变化规律，就成为提升燃气供应服务所迫切需要解决的问题。
1 城市管道燃气系统的构成
燃气供应是通过城市燃气管网实现的。燃气在长距离输送过程中，一般采用较高的压力。城镇燃气供应系统就是根据不同用户的需要, 利用调压设备对燃气进行降压和稳压，以提供相应的气体压力，最后送到用户处。因此城市燃气管网分为高压(A 级：2.5 MPa < p ≤ 4.0 MPa，B 级：1.6 MPa< p ≤ 2.5 MPa)、次高压(A 级：0.8 MPa < p ≤ 1.6 MPa，B 级：0.4 MPa < p ≤ 0.8 MPa)、中压(A 级：0.2 MPa< p ≤ 0.4 MPa，B 级：0.01 MPa < p ≤ 0.20 MPa)、低压( p < 0.01 MPa)[1]。燃气设施主要包括门站，储配站，高、中、低压管网，高压管网电动阀，以及连接两种不同管网用来降压和稳定管网压力的调压站与调压装置等专用设施。一般在门站及储配站设置有人值守的监控站( 主站)，在高、中压管网之间设置调压站，在中、低压管网之间设置调压柜，中、低压管网安装测控点并设置无人值守的监控站( 远端站)。除了上述燃气管网和调压系统以及监控系统外，燃气系统构成中数量最大的设备是终端用户的燃气计量表具。
目前，各地市燃气公司基本都建立了较为完整的燃气管网数据采集与监控系统(SCADA)，早期在主站与远端站之间，SCADA 系统通信采用无线数传设备、DDN 主信道及PSTN备用信道实现[2]。由于燃气管网各监控站分布较广、地形复杂，为保证实时数据的可靠传输，现已大量采用基于GPRS/CDMA 的无线通信网络[3-5]。燃气供应SCADA 系统的特点是监控点多、地域分布广，如合肥市的燃气SCADA 系统就包括195 个远端站 [2]，天津市燃气SCADA 系统监控调压设备有1 841 个。成都市通过SCADA 系统实现4 930 km 燃气管道上连接有3 座储气站、14 座配气站、85 座调压站、1 297 个调压柜、8 586 个调压箱的监控。事实上，SCADA 系统的规模还将随着城市管道燃气的发展进一步放大。
通过SCADA 系统的应用，燃气企业可实现传统生产方式制气和输气过程中燃气输配设备实时运行状态监测的数据采集和分析。为全面提升企业经营管理水平，各燃气企业在 SCADA 系统的基础上，还进一步建立了管网GIS 系统[6]、运维车辆GPS 监控系统、OA 系统、营业收费系统、客户服务系统和财务管理系统等信息系统。从管道燃气运营服务的需求来说，SCADA 系统所能提供的对燃气系统运行状态的感知是比较宏观和有限的，一个城市中几十万甚至上百万的终端用户的用气状态，无法纳入SCADA 系统。为了解决均匀供气与不均匀耗气之间的矛盾，并以足够流量和压力不间断地向用户供应燃气，就需要有效地感知用户终端的状态，而这是SCADA系统无法实现的，但是物联网技术的发展和日益成熟却为此提供了解决办法。
2 城市燃气系统对物联网技术的应用需求
安装用户燃气计量表的初始目的是对用户使用燃气量进行计量和收费。早期采用字轮式燃气表，由工作人员定期入户抄表收费;之后对燃气表采用条形码编码，工作人员使用手持
抄表器读取条形码并输入字轮读数，手持抄表器自动计算并打印条形码对应用户的期间用气量计费小票，用户通过银行缴费。随着燃气用户数的激增，抄表收费的工作量越来越大。基于IC 卡预缴费的智能燃气表逐步代替了入户抄表方式，由用户到银行预缴费购气，回来插卡后，IC 卡表可自动计算用户的可用燃气量并显示。IC 卡表虽然节省了大量的抄表作业量，但无法采集燃气流量数据以满足燃气公司燃气价格调整和输配差计算等需求[7]。特别是在当前能源紧张的形势下，以需求侧管理和分布式能源为特征的国家智能能源网建设问题已经提到议事日程，其中燃气需求侧管理还作为燃气企业优化负荷结构、提高管网综合效率的重要手段而日益受到重视[8]。在燃气需求侧管理中，终端用户用气状态的数据采集就成为关键问题。
随着远传自动抄表系统在电力行业居民电度表抄表的广泛应用，燃气行业也开始探索采用远传智能表技术来解决终端用户用气量数据采集问题。国家住建部也于2009 年颁布了新版的远传抄表系统行业标准，对于在水、电、燃气和热量计量方面使用的远传表和集中器等进行了规定。基于GPRS 的数据远传燃气流量计在用气规模较大的工商企业的燃气流量计量中获得了较好的推广应用，这是因为表具运行使用费用相对于燃气流量计费而言占的比重比较小，具有技术和经济的可行性。但对于数量非常庞大的民商用户来说，数据远传表具模式则存在数据集中器的安装、供电、管理、维护等诸多问题。与电度表远程抄表不同，燃气表必须安装在用户户内，采用电池供电，受基于近场通信技术的集中器/ 远传表的通信距离限制，一些远传表就会处于集中器的直接通信范围之外，这个问题是否可以采用Mesh 网技术加以解决呢?其实仍然存在问题，主要是由于一些住户长期无人或根本就没有启动燃气表，一些距集中器较远的表具无法与集中器建立可行的通信链路进行数据交互。物联网技术对于解决大量采样点的数据采集问题具有其优势，通过深入分析燃气终端用户数据采集的应用需求和特点，可以构建城市燃气物联网来解决管道燃气终端用户的用气状态感知和数据传输的问题。
3 城市燃气物联网的构成
在物联网技术应用中，EPC-global 体系通过对每个物品加载EPC 标签，可在物品经过的物流节点上安装EPC 标签识读器并通过Savant 将标签数据经由互联网，按照PML 的约定在ONS 中找到该物品的来龙去脉，从而构建对大量移动物品进行识别的系统。对于管道燃气系统来说，被识别和传输的对象是大量的用户终端表具所记载的用户用气状态数据，这就需要定义一个类似Savant 的、具有汇集和传输数据功能的物联网组件并进行适当的部署。
基于这样的思路，燃气物联网的主要构成包括：燃气计量表具(pipeline gas meter，PGM)、燃气计量数据采集集中器(gas metering data concentrator，GMDC)、表具ID 解析服务器(object meter name server，OMNS) 以及相应的通信规约。GMDC 包括固定式数据采集集中器(fixed GMDC) 和移动式数据采集集中器(mobile GMDC)。fixed GMDC 主要用于工商用户燃气流量计量数据的采集，每个fixed GMDC 可以对应一个或多个PGM，通信方式可以是有线方式( 如RS-485)，也可以采用无线近场通信(NFC) 方式。mobile GMDC 主要用于居民小区的用气数据采集，通过NFC与PGM进行数据交换，并通过有线/ 无线网络与燃气企业站点的通信服务器进行通信。OMNS 是以燃气表具ID 为索引的数据服务系统，包括表具基本信息、用户基本信息、燃气业务过程信息等，通过对表具ID 的解析，提供与该表具对应的燃气业务过程信息，包括燃气使用流量数据采集记录、费率变动及其生效时间点，以及表具的生产、安装、维护信息等。
GMDC 的内部结构如图1 所示，包括任务管理器(taskmanagement system，TMS)、通信管理器(communicationmanagement system，CMS)、数据管理器(datamanagementsystem，DMS)、密钥管理器(secret key management system，KMS)，以及内存实时数据库(real-time in-memory event database，RIED) 等。RIED 中包括数据集作业任务清单列表(dataacquisition task table，DATT)、数据采集正常记录表(feedbackdata log sheet，FDLS)、数据采集异常记录表(abnormal dataacquisition logsheet，ADALS)、人工数据采集记录表(manualhandling log sheet，MHLS) 等。任务管理器TMS 主要承担数据采集作业任务管理，通信管理器CMS 承担信号收发队列管理，数据管理器DMS 由数据采集队列管理模块(feedback data receiveunit，FDRU) 和数据分析模块(feedback data analysis unit，FDAU)构成，密钥管理器KMS 承担数据的加密解密。
图1 GMDC 的内部结构示意图
这样， 由PGM、GMDC( 包括fixed GMDC 和mobileGMDC)、OMNS 以及相应的通信规约一起，就构成了燃气物联网，以实现对终端用户的燃气使用状况的感知，并与燃气SCADA 系统的管网监控数据共同支持燃气输配和用户使用的全面管理。
4 燃气终端数据采集的实现
GMDC 由上位管理系统任务驱动，fixed GMDC 通过管理机远程设置后进入工作状态，mobile GMDC 则是操作人员根据任务指令进行移动数据采集。图2 所示是GMDC 的工作过程示意图，GMDC 可下载数据采集作业任务清单并显示，同时下载上次数据采集时设定的表具通信密钥和下次数据采集的表具通信密钥。
图2 GMDC 工作过程示意图
作业人员进入作业区域后，操作GMDC 由通信管理器CMS 从数据采集作业任务清单列表DATT 中取得目标燃气表具的ID 识别号，通过密钥管理器KMS 用上次数据采集时设定的表具通信密钥生成表具唤醒信号队列，并由通信管理器CMS 向目标燃气表具发出表具唤醒信号，并记录起始时间。通信管理器CMS 接收目标表具发来的数据采集响应号，进行数据完整性检验，对通过检验的数据采集响应信号由密钥管理器KMS 解密并发送给数据管理器的数据采集队列管理模块FDRU。FDRU 接收密钥管理器KMS 发来的解密数据，形成数据采集队列，并按数据采集队列顺序，将数据发送给数据分析模块FDAU。FDAU 按表具ID 号，用本次流量积算值减去对应的上次数据采集流量积算值，并判断差值是否在本次数据采集任务清单所设定的数据范围内。若差值在数据范围内，FDAU 把表具ID 号和本次数据采集的流量积算值加盖时间戳后，写入数据采集正常记录表FDLS，并通知数据管理器DMS 在数据采集队列中删除该条记录，同时调用密钥管理器KMS，将该表具ID 号与下次数据采集的表具通信密钥用上次数据采集时设定的表具通信密钥加密，将密文交给通信管理器CMS 发送出去。
当通信管理器CMS 接收到燃气表具的密钥更新反馈信号并判断为正确后，通知任务管理器TMS 在数据采集正常记录表FDLS 和数据采集作业任务清单列表DATT 中相应的表具ID 号上标注已完成的标记。若通信管理器CMS 收到的密钥更新反馈信号不正确，则通知TMS 在FDLS 和DATT 中相应的表具ID 号上标注未反馈的标记，并显示标注的DATT。若数据分析模块FDAU 判别流量积算差值不在数据范围内，数据分析模块FDAU 即把表具ID 号和本次数据采集的流量积算值加盖时间戳后，写入数据采集异常记录表ADALS，并通知数据采集队列管理模块FDRU 在数据采集队列中删除该条记录，通知任务管理器TMS 在数据采集作业任务清单列表DATT 中相应的表具ID 号上标注未完成标记并显示。
从任务管理器TMS 记录的起始时间开始，若时间已经达到设定的时限，则任务管理器TMS 对数据采集正常记录表FDLS 中未收到燃气表具密钥更新反馈信号的ID 号标注未反馈的标记，同时在数据采集作业任务清单列表DATT 中做出相应的标记，并将已发出表具唤醒信号但没有收到数据采集响应信号的表具ID 识别号标注为未响应标记。
任务管理器TMS 检查数据采集作业任务清单列表DATT中表具ID 号的标记，若均已标记为已完成且无未反馈标记，则提示上传本次数据采集作业数据，否则对未响应和未完成标记的表具ID 号，再次列表，并重复上述过程，直到所有表具ID 识别号均被标注为已完成或未反馈或达到事先设定的重复次数。
任务管理器TMS 将未响应、未完成和未反馈的表具ID号连同其标记类型一起，写入人工数据采集记录表MHLS，提示转人工处理并记录人工处理结果。TMS上传FDLS、ADALS、MHLS 后，删除本次数据采集作业全部数据，提示本次数据采集作业结束。
5 结 语
随着我国天然气行业的快速发展，城市管道燃气用户数量激增，传统的以燃气管网监控和用气计量收费为基础的城市燃气运营管理模式已不能适应现代城市燃气供应服务的需求，迫切需要全面感知终端用户用气状态。在EPC-global 体系中，Savant是承上启下的关键关节，可实现EPC数据的采集与传输，而EPC 标签跟随物品的移动和被感知则构成了系统的数据流源。在由终端用户燃气计量表具PGM、固定式和移动式燃气计量数据采集集中器GMDC、表具ID 解析服务器OMNS 及相应的通信规约构成的燃气物联网应用系统中，GMDC 起到了Savant 类似的作用，特别是mobile GMDC 通过在居民小区PGM 群中的移动，可以按任务计划不断采集PGM 燃气流量计量的时点数据并上传，并能够覆盖所有的民商用户。这样既解决了燃气计量收费的基础数据问题，也解决了燃气公司对用户用气状态的数据采集问题。通过与燃气SCADA 系统的进一步整合，为有效解决安全供气问题奠定了良好的基础。
