階梯計(jì)費(fèi)算法構(gòu)建及其在燃?xì)獗碇械膽?yīng)用設(shè)計(jì)*

高柱榮 ，蔣昌茂 ，劉洪林

(1.桂林市利通電子科技有限責(zé)任公司，廣西 桂林541004；2.桂林師范高等專科學(xué)校，廣西 桂林541001；3.桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林541004)

0 引言

2014 年3 月20 日，國(guó)家發(fā)改委出臺(tái)了《關(guān)于建立健全居民生活用氣階梯價(jià)格制度的指導(dǎo)意見》，該文件決定在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)行居民階梯氣價(jià)政策，將氣價(jià)分為3 檔，根據(jù)居民用氣量進(jìn)行分檔計(jì)價(jià)，各檔氣價(jià)實(shí)行超額累進(jìn)加價(jià)收費(fèi)方法。實(shí)行階梯氣價(jià)后，全國(guó)各地居民用氣將由一刀切的“1 檔氣價(jià)”計(jì)費(fèi)變?yōu)榛顒?dòng)的“分檔氣價(jià)”計(jì)費(fèi)，結(jié)算周期也將按月份、季度或者年度實(shí)施，相鄰結(jié)算周期具體用氣量不累計(jì)、不結(jié)轉(zhuǎn)[1]。

“分檔氣價(jià)”計(jì)費(fèi)的實(shí)行，意味著燃?xì)夤纠^續(xù)使用氣量式機(jī)械燃?xì)獗?，員工上門抄表無論在時(shí)間還是計(jì)量上，都要做得更加精準(zhǔn)，否則階梯氣價(jià)實(shí)施效果不好，同時(shí)還會(huì)增加供需雙方的矛盾[2]。 而氣量式IC 卡預(yù)付費(fèi)表， 同樣將難以適應(yīng)新的計(jì)量方法要求。 因?yàn)闅饬渴絀C 卡預(yù)付費(fèi)表采用一次預(yù)付費(fèi)按一檔價(jià)格購買相應(yīng)的氣量，用完再次充值買氣， 無法實(shí)現(xiàn)階梯氣價(jià)。 而階梯氣價(jià)的計(jì)價(jià)原理，是在一個(gè)既定的計(jì)時(shí)周期內(nèi)，居民使用不同檔次內(nèi)的天燃?xì)?，要付不同的價(jià)格。 因此，必須將現(xiàn)行基于“1 檔”氣量計(jì)價(jià)的燃?xì)獗?，改為基于“氣量階梯”金額計(jì)價(jià)的燃?xì)獗?，才能滿足階梯氣價(jià)時(shí)代的計(jì)量要求。

基于金額式計(jì)價(jià)的燃?xì)獗矸譃閮煞N：一種是IC卡預(yù)付費(fèi)實(shí)時(shí)階梯計(jì)費(fèi)表，另一種是實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)的物聯(lián)網(wǎng)表[3]。 物聯(lián)網(wǎng)表由于受到網(wǎng)絡(luò)條件、功耗、技術(shù)成熟度和價(jià)格等條件的制約，目前還不適合大范圍推廣使用。

本文根據(jù)市場(chǎng)的需求，在深入研究階梯計(jì)費(fèi)算法技術(shù)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款具有實(shí)時(shí)階梯計(jì)費(fèi)功能的新型智能燃?xì)獗怼狢PU 卡階梯計(jì)費(fèi)燃?xì)獗怼?/p>

1 階梯計(jì)費(fèi)模型研究

1.1 計(jì)費(fèi)原則

實(shí)行居民生活燃?xì)庥脷怆A梯價(jià)格計(jì)費(fèi)的基本原則是：對(duì)于居民基本生活需求的保障用氣，實(shí)行相對(duì)實(shí)惠的較低價(jià)格；對(duì)超量用戶，即超出基本生活用氣需求的部分，要適當(dāng)提高價(jià)格，以激勵(lì)居民節(jié)能減排。 計(jì)費(fèi)技術(shù)的主要內(nèi)容有：

(1)分檔氣量?？筛鶕?jù)各地實(shí)際用氣需求設(shè)置為1～5 檔，目前的國(guó)家指導(dǎo)意見以用氣量從小到大的順序，將居民用氣量分為3 檔：第1 檔，按覆蓋區(qū)域內(nèi)80%居民家庭用戶的月均用氣量確定，體現(xiàn)為居民基本能源需求指標(biāo)；第2 檔，按覆蓋區(qū)域內(nèi)95%居民家庭用戶的月均用氣量確定，體現(xiàn)為改善提高居民生活質(zhì)量的合理用氣需求指標(biāo)；第3 檔，為超出第2 檔的用氣部分，體現(xiàn)為富足能源需求指標(biāo)，含過度能源消費(fèi)需求，需付出較高價(jià)格購買[4]。

(2)分檔氣價(jià)。 每個(gè)氣量分檔對(duì)應(yīng)一個(gè)氣價(jià)，各級(jí)分檔氣量?jī)r(jià)格實(shí)行超額累進(jìn)加價(jià)[5]：第1 檔，按照基本補(bǔ)償供氣成本的原則確定，并在一定時(shí)期內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定；第2 檔，按照合理補(bǔ)償成本、取得合理收益的原則制定，價(jià)格水平原則上與第1 檔氣保持1.2 倍左右的比價(jià)；第3 檔，按照充分體現(xiàn)天然氣資源稀缺程度、抑制過度消費(fèi)的原則制定，價(jià)格水平原則上與第1 檔氣保持1.5 倍左右的比價(jià)[6]。

(3)計(jì)價(jià)周期。階梯氣價(jià)一般以月份為一個(gè)周期執(zhí)行，也可以根據(jù)各地的實(shí)際需要按季度或按年度為周期，用氣量在相鄰周期之間不累計(jì)，不結(jié)轉(zhuǎn)。

1.2 計(jì)費(fèi)模型分析

實(shí)行階梯計(jì)費(fèi)前，居民生活用氣的費(fèi)用由其所使用氣量與單一的燃?xì)鈨r(jià)格相乘的方法計(jì)算，其計(jì)費(fèi)公式為：

其中，C 表示燃?xì)赓M(fèi)，單位：元；P 表示燃?xì)鈨r(jià)格，單位：元/m3；V 表示用氣量，單位：m3。

實(shí)行階梯氣價(jià)后，在一個(gè)計(jì)價(jià)周期內(nèi)，將用氣量分?jǐn)偟讲煌碾A梯計(jì)價(jià)區(qū)間，再計(jì)算出最終應(yīng)繳納的費(fèi)用[4-6]。 以3 檔階梯為例，記各計(jì)算參量分別為：

第1 檔計(jì)價(jià)區(qū)間：[0，V1]；

第2 檔計(jì)價(jià)區(qū)間：(V1，V2]；

第3 檔計(jì)價(jià)區(qū)間：(V2，+∞)；

第1 檔氣價(jià)：P1，單位為元；

第2 檔氣價(jià)：P2，單位為元；

第3 檔氣價(jià)：P3，單位為元；

計(jì)價(jià)周期內(nèi)用氣量：Vg，單位為m3；

應(yīng)繳納燃?xì)赓M(fèi)：Cg，單位為元。

其 中，V1為 第1 檔 用 氣 量，V2為 第2 檔 用 氣量，單位為m3。

分析本周期內(nèi)的用氣量Vg所屬的區(qū)間，將其分?jǐn)偤笤儆?jì)算：

當(dāng)0≤Vg≤V1時(shí)，即Vg處于第1 檔計(jì)價(jià)區(qū)間：

當(dāng)V1＜Vg≤V2時(shí)，即Vg處于第2 檔計(jì)價(jià)區(qū)間：

當(dāng)V2＜Vg時(shí)，即Vg處于第3 檔計(jì)價(jià)區(qū)間：

1.3 計(jì)費(fèi)方案設(shè)置及切換

通過CPU 卡把階梯計(jì)費(fèi)方案設(shè)置到燃?xì)獗韮?nèi)，燃?xì)獗碓谟脷膺^程中按用氣量實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)。 計(jì)費(fèi)方案包括以下數(shù)據(jù)項(xiàng)：

(1)啟動(dòng)日期和結(jié)束日期

燃?xì)獗韮?nèi)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間在啟動(dòng)日期和結(jié)束日期之間時(shí)，把該方案作為當(dāng)前計(jì)費(fèi)方案。

(2)階梯分檔數(shù)

可設(shè)置為1～5 檔階梯數(shù)。

(3)計(jì)價(jià)周期

可設(shè)置為自然月份周期、季度周期、年度周期三種。

(4)分檔氣量

把氣量按從小到大的順序，最多分5 檔：[0，V1]，(V1，V2]，(V2，V3]，(V3，V4]，(V4，+∞)。

(5)分檔氣價(jià)

與分檔氣量對(duì)應(yīng)，最多分檔氣價(jià)：P1，P2，P3，P4，P5。

燃?xì)獗韮?nèi)可配置兩套計(jì)費(fèi)方案，分別是方案A和方案B，兩套方案的有效期（啟動(dòng)日期到結(jié)束日期）不允許有重疊，且需銜接，同一時(shí)刻僅能有一套計(jì)費(fèi)方案有效。

燃?xì)獗韮?nèi)時(shí)鐘每天從23:59:59 跳變到00:00:00時(shí)，或通過用戶卡及設(shè)置卡修改計(jì)費(fèi)方案時(shí)，燃?xì)獗碜詸z是否需要切換到另一計(jì)費(fèi)方案，如不符合切換條件則自檢是否要開始下一個(gè)計(jì)費(fèi)周期。

2 燃?xì)獗硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

CPU 卡階梯計(jì)費(fèi)燃?xì)獗淼恼麄€(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)表務(wù)管理信息系統(tǒng)、CPU 卡和智能燃?xì)獗砣蟛糠纸M成，如圖1 所示。

圖1 應(yīng)用系統(tǒng)的組成

(1)表務(wù)管理信息系統(tǒng)：主要包括用戶管理、燃?xì)獗砉芾?、卡?wù)管理、充值收費(fèi)、階梯計(jì)費(fèi)方案管理、密鑰分發(fā)管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。

(2)CPU 卡：作為表務(wù)管理信息系統(tǒng)與智能燃?xì)獗碇g安全交換數(shù)據(jù)的媒介，一臺(tái)燃?xì)獗砼鋫湟粡埧ā?/p>

(3)智能燃?xì)獗恚河呻娮涌刂破髂K和計(jì)量基表（機(jī)械計(jì)量表）兩部分組成，其中，電子控制器模塊是本文的研究重點(diǎn)。

燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)公司給用戶安裝好燃?xì)獗碇?，用戶到燃?xì)夤旧暾?qǐng)開通燃?xì)狻?首先在表務(wù)管理信息系統(tǒng)中建立用戶檔案和燃?xì)獗頇n案，開戶制卡，充值，即把預(yù)付費(fèi)直接以金額形式寫入CPU 卡，同時(shí)也將階梯計(jì)費(fèi)方案及其他控制參量一并寫入CPU 卡。用戶將已充值的CPU 卡帶回家插入燃?xì)獗?，燃?xì)獗硗ㄟ^安全認(rèn)證等方式，驗(yàn)證卡的合法性后，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)讀入到表內(nèi)，同時(shí)把卡內(nèi)的充值金額清零，燃?xì)獗泶蜷_閥門供氣。 用氣過程中，燃?xì)獗戆凑毡韮?nèi)的階梯計(jì)費(fèi)方案把用氣量實(shí)時(shí)換算成金額，對(duì)表內(nèi)的剩余金額進(jìn)行扣減。 當(dāng)表內(nèi)的剩余金額不足時(shí)，通過LCD 顯示和蜂鳴器聲音提示， 提醒用戶余額不足，盡快去充值；當(dāng)剩余金額被扣減為零時(shí)，燃?xì)獗黻P(guān)閉閥門，停止供氣，此時(shí)，用戶只有去購氣充值才能恢復(fù)供氣。

2.2 燃?xì)獗碇饕δ?/h3>

CPU 卡階梯計(jì)費(fèi)燃?xì)獗碜鳛橐环N先進(jìn)的新型智能計(jì)量?jī)x表，應(yīng)當(dāng)具有但不止于以下功能：

(1)燃?xì)庥?jì)量功能：燃?xì)庥?jì)量是燃?xì)獗淼谋举|(zhì)性功能，在燃?xì)獾氖褂眠^程中，基表的計(jì)數(shù)器字輪轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)，而安裝在計(jì)數(shù)器上的干簧管則將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成脈沖式電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)燃?xì)庥?jì)量。

(2)階梯計(jì)費(fèi)功能：階梯計(jì)費(fèi)方案最多可設(shè)置5檔階梯，計(jì)費(fèi)周期可設(shè)置月份、季度或年度，燃?xì)獗戆丛O(shè)置好的階梯計(jì)費(fèi)方案，實(shí)現(xiàn)表內(nèi)階梯計(jì)費(fèi)。

(3)預(yù)付費(fèi)功能：在使用燃?xì)庵?，需先拿CPU卡到營(yíng)業(yè)廳購氣充值，之后，把已充值的CPU 卡帶回家插入燃?xì)獗恚?卡內(nèi)的充值金額輸入到燃?xì)獗碇?，燃?xì)獗韺⒋蜷_閥門開通氣源。

(4)CPU 卡讀寫及安全認(rèn)證功能：通過CPU 卡讀寫接口，實(shí)現(xiàn)CPU 卡與燃?xì)獗碇g的數(shù)據(jù)交換，完成充值、查詢、設(shè)置、校時(shí)等操作。 每次數(shù)據(jù)交換前，都必須通過CPU 卡與表內(nèi)ESAM 安全模塊之間的內(nèi)部認(rèn)證和外部認(rèn)證，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽俊?/p>

(5)閥門控制功能：也就是實(shí)現(xiàn)閥門的關(guān)閉或開啟。當(dāng)燃?xì)獗硎Ｓ嘟痤~為零、掉電、故障或外部磁干擾等事件發(fā)生時(shí)將閥門關(guān)閉，暫停用戶用氣；當(dāng)燃?xì)獗淼墓收吓懦?，滿足開閥條件時(shí)打開閥門，即正常情況下閥門處于開啟狀態(tài)。

(6)顯示功能：正常情況下LCD 屏幕顯示表內(nèi)剩余金額和當(dāng)前表的運(yùn)行狀態(tài)(閥門、欠壓、故障等)，反向插卡，LCD 分屏依次顯示累積使用金額、系統(tǒng)日期時(shí)間、第1 階梯用氣量、第1 階梯氣價(jià)、……，等等。

(7)聲音告警功能：燃?xì)獗韴?zhí)行完某一操作(包括成功或失敗)，或某一表事件的發(fā)生，通過蜂鳴器鳴響提示給用戶。

(8)低電檢測(cè)功能：定期檢測(cè)電源電壓，當(dāng)電源電壓不足或電池被取出時(shí)，通過LCD 顯示和蜂鳴器聲音告警提示用戶更換電池，同時(shí)燃?xì)獗磉M(jìn)入掉電處理模式，關(guān)閉閥門停止供氣。

(9)掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能：在電源掉電或低電的情況下，保證運(yùn)行數(shù)據(jù)完整無誤地保存到ESAM 模塊或EEPROM 中，系統(tǒng)復(fù)位后，能重新讀出數(shù)據(jù)繼續(xù)運(yùn)行。

2.3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CPU 卡階梯計(jì)費(fèi)燃?xì)獗硪訧C 卡技術(shù)為基礎(chǔ)，采用CPU 卡作為燃?xì)獗砼c計(jì)算機(jī)表務(wù)管理系統(tǒng)之間唯一的數(shù)據(jù)信息交換傳遞媒介，表內(nèi)使用嵌入式安全控制模塊(Embedded Secure Access Module，ESAM)存儲(chǔ)應(yīng)用數(shù)據(jù)信息，同時(shí)負(fù)責(zé)與CPU 卡進(jìn)行相互安全認(rèn)證，確保交換數(shù)據(jù)的安全[7]。 本方案以高性能與超低能耗完美平衡的單片機(jī)STM32L073RZ 作為主控MCU，主要功能模塊包括CPU 卡模塊、ESAM 模塊、LCD 顯示模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、電源及電壓檢測(cè)模塊、閥門控制模塊、計(jì)量基表、脈沖計(jì)量模塊、蜂鳴器模塊等。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

脈沖計(jì)量模塊以干簧管作為傳感器，采用中斷的方式檢測(cè)用氣量，并把用氣量實(shí)時(shí)換算成金額計(jì)費(fèi)。LCD 為液晶顯示模塊，主要用來顯示剩余金額、累積使用金額、累積使用氣量、階梯分檔氣量、階梯分檔氣價(jià)、閥門狀態(tài)、電池狀態(tài)、故障代碼、日期和時(shí)間等信息。 電源及電壓檢測(cè)模塊的作用一方面是作為供電電源，提供穩(wěn)定的電壓，使MCU 和各個(gè)模塊正常工作； 另一方面是MCU 對(duì)電池電壓進(jìn)行間隙性監(jiān)測(cè)，當(dāng)電池電壓低到報(bào)警電壓時(shí)，MCU 通過蜂鳴器鳴響和LCD 顯示提醒用戶更換電池。 閥門控制模塊主要是由MCU 控制燃?xì)獗黹y門的打開和關(guān)閉，當(dāng)電池電壓過低或者剩余金額不足時(shí)，將閥門關(guān)閉。

2.4 軟件程序設(shè)計(jì)

CPU 卡階梯計(jì)費(fèi)燃?xì)獗淼目刂葡到y(tǒng)軟件，可劃分為主程序、中斷服務(wù)程序和功能模塊子程序三個(gè)組成部分，采用模塊化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，由不同的子程序來完成不同的功能。 考慮到C 語言在研發(fā)效率、可讀性、可維護(hù)性和可移植方面遠(yuǎn)優(yōu)越于匯編語言，本系統(tǒng)使用C 語言開發(fā)，開發(fā)平臺(tái)為Keil MDK-ARM。

中斷操作包括插卡中斷、干簧管計(jì)量中斷、磁干擾中斷、定時(shí)器中斷等，中斷服務(wù)程序僅做一些簡(jiǎn)單的條件判斷和標(biāo)志中斷事件的發(fā)生。 子程序功能模塊則根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，主要分為定時(shí)操作模塊、ISO7816 接口函數(shù)模塊、應(yīng)用卡處理模塊、脈沖計(jì)量模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、剩余金額檢測(cè)模塊、顯示模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、閥門控制模塊、電池電壓檢測(cè)模塊和掉電模式處理模塊等。

單片機(jī)上電復(fù)位后，主程序先完成初始化和自檢操作，再進(jìn)入主循環(huán)操作。在主循環(huán)里，按順序逐個(gè)掃描中斷事件及其他事務(wù)的處理任務(wù)標(biāo)志，若有任務(wù)發(fā)生則調(diào)用對(duì)應(yīng)的子程序進(jìn)行處理，處理完之后回到主循環(huán)里，再繼續(xù)掃描其后的其他任務(wù)標(biāo)志，最后進(jìn)入休眠低功耗狀態(tài)，等待下一次中斷喚醒。被中斷喚醒后同樣又在大循環(huán)里掃描一遍，之后再進(jìn)入休眠。 圖3 是控制系統(tǒng)軟件主程序的流程圖。

2.5 計(jì)費(fèi)測(cè)試方法

計(jì)量及計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確可靠是對(duì)燃?xì)獗淼幕疽?，可按以下方法?yàn)證測(cè)試階梯計(jì)費(fèi)方案的準(zhǔn)確性。

(1)設(shè)置階梯計(jì)費(fèi)方案為1 檔，即單一氣價(jià)計(jì)費(fèi)，氣價(jià)設(shè)置為1.00 元，每一個(gè)脈沖當(dāng)量(0.01 m3)相當(dāng)于0.01 元，使氣量與金額數(shù)值同步變化，方便比對(duì)。 按較慢均速、標(biāo)稱均速、較快均速、變速讓燃?xì)獗碜邭?00 m3以上，燃?xì)獗淼碾娮佑?jì)量值應(yīng)該與計(jì)數(shù)輪的計(jì)量值一致，沒有漏計(jì)數(shù)或多計(jì)數(shù)。

(2)設(shè)置階梯計(jì)費(fèi)方案為2 ～5 檔，每個(gè)分檔氣量和分檔氣價(jià)也各不相同，讓燃?xì)獗碜邭?，觀察用氣量和金額的換算是否符合計(jì)費(fèi)方案的要求，計(jì)費(fèi)周期結(jié)束后能否順利開始下一個(gè)周期。

(3)階梯計(jì)費(fèi)方案的結(jié)束日期到達(dá)后，能否順利切換到另一計(jì)費(fèi)方案。 CPU 卡修改計(jì)費(fèi)方案后，能否按設(shè)定日期啟用新方案。

3 應(yīng)用實(shí)例與分析

本課題項(xiàng)目產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)某市的一個(gè)片區(qū)安裝使用了3 000 多臺(tái)，按月3 階梯計(jì)費(fèi)，每個(gè)自然月份為一個(gè)計(jì)價(jià)周期。 月用氣量在30 m3以內(nèi)為第1 階梯，價(jià)格為3.30 元/m3；月用氣量在30 m3～50 m3之間的為第2 階梯，氣價(jià)為3.96 元/m3；而大于50 m3部分屬于第3 階梯，氣價(jià)為4.95 元/m3。 按此方案運(yùn)行了1 年之后，核算其運(yùn)行數(shù)據(jù)，并與另一片區(qū)使用單一氣價(jià)(3.30 元/m3)計(jì)費(fèi)的用戶進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在春夏秋三季每戶平均用氣費(fèi)用大致相等，而在冬季，由于每戶用氣量普遍超過1 階氣量，階梯計(jì)費(fèi)用戶的平均用氣費(fèi)用則略微高出15%左右，這個(gè)結(jié)果基本符合階梯計(jì)費(fèi)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖3 主程序流程

然而，在階梯計(jì)費(fèi)運(yùn)行了一年多時(shí)間之后，燃?xì)鈨r(jià)格下調(diào)了6%，而許多用戶在調(diào)價(jià)時(shí)并沒有及時(shí)購氣，沒有把最新的計(jì)費(fèi)方案通過用戶購氣卡更新到燃?xì)獗碇?，造成了用戶享受降價(jià)的滯后性。 通過使用年度作為計(jì)價(jià)周期、限制每次購氣的最大金額和提前幾個(gè)月配置新計(jì)費(fèi)方案的辦法，可解決調(diào)價(jià)的及時(shí)性問題。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)市場(chǎng)對(duì)燃?xì)怆A梯計(jì)費(fèi)儀表的需求，主要研究燃?xì)怆A梯計(jì)費(fèi)的技術(shù)模型，提出了一種采用表內(nèi)雙計(jì)費(fèi)方案的設(shè)計(jì)方法，在此基礎(chǔ)上，完成了CPU 卡階梯計(jì)費(fèi)燃?xì)獗淼拈_發(fā)設(shè)計(jì)和計(jì)費(fèi)測(cè)試分析等工作。 該課題項(xiàng)目的產(chǎn)品已投放市場(chǎng)得到了實(shí)際應(yīng)用。