智能燃?xì)獗磉x型和應(yīng)用分析

同濟(jì)大學(xué) 曾祥福

隨著人們生活水平的提高，城市化進(jìn)程的加快，燃?xì)馄占奥实奶岣?，燃?xì)饨?jīng)營企業(yè)及用戶對燃?xì)馐褂玫陌踩?、可靠性、智能性提出了更高的要求。燃?xì)獗碜鳛槿細(xì)庥?jì)量和結(jié)算的重要依據(jù)，燃?xì)獗碛?jì)量數(shù)據(jù)采集及抄收的準(zhǔn)確性、及時性至關(guān)重要。城市燃?xì)夤?yīng)用戶多、范圍廣的特點(diǎn)使得燃?xì)獗淼膽?yīng)用情況極為復(fù)雜。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，除了實(shí)現(xiàn)了燃?xì)獗碇悄苡?jì)量實(shí)時采集用戶計(jì)量數(shù)據(jù)功能外，還實(shí)現(xiàn)了異常流量切斷報(bào)警、拆表報(bào)警、泄漏切斷報(bào)警等智能報(bào)警功能。這些應(yīng)用功能一方面解決了入戶抄表難、工作量大的難題，另一方面，智能報(bào)警及切斷等功能的實(shí)現(xiàn)，很大程度上提高了燃?xì)馐褂玫陌踩浴Ｒ虼?，智能燃?xì)獗淼膽?yīng)用成為解決燃?xì)饨?jīng)營企業(yè)用氣管理及用戶使用需求中痛點(diǎn)與難點(diǎn)的關(guān)鍵所在[1-2]。

1 燃?xì)獗砘眍愋?/h2>

常用的燃?xì)獗砘戆从?jì)量原理分，主要有容積式燃?xì)獗砗退俣仁饺細(xì)獗怼?/p>

1.1 容積式燃?xì)獗?/h3>

容積式燃?xì)獗硎抢脵C(jī)械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分，然后根據(jù)測量室逐次重復(fù)地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流體體積的總量，是一種總量表或直接測量表，如膜式燃?xì)獗?、羅茨(腰輪)流量計(jì)等。容積式燃?xì)獗淼膬?yōu)點(diǎn)是測量精度高、量程比較寬、壓損相對較小、流場變化對計(jì)量精度無影響、沒有前置直管段要求等；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大且笨重，在大口徑、大流量的測量中尤為明顯。

1.2 速度式燃?xì)獗?/h3>

速度式燃?xì)獗硎抢脺y量元件測量管道內(nèi)平均流速(或壓力)的變化，通過平均流速(或壓力)的變化與流體體積的相對關(guān)系來推算流體體積流量。通常由傳感器和顯示儀兩部分組成，為間接測量儀表，如超聲波燃?xì)獗?、渦輪流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等[3]。速度式燃?xì)獗淼膬?yōu)點(diǎn)為測量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、安裝維護(hù)方便、流通能力大等；缺點(diǎn)是量程比相對較窄、流場變化對計(jì)量精度影響較大、有嚴(yán)格的前置直管段的要求、壓損相對較大、流體的物性對儀表的流量特性影響較大、根據(jù)精度要求需要在線補(bǔ)償?shù)取?/p>

2 智能燃?xì)獗淼闹悄芊绞?/h2>

燃?xì)獗砘硗ㄟ^附加裝置實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)傳功能，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺細(xì)饨?jīng)營企業(yè)的管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸通道主要分為有線和無線兩種方式。有線通道信號線的安裝和維護(hù)比較困難，已逐步淘汰；無線方式是指通過無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，主要有FSK、LoRa、GPRS、SCADA、NB-IoT等技術(shù)，其中前兩項(xiàng)是自建通信網(wǎng)絡(luò)，后三項(xiàng)是公共通信網(wǎng)絡(luò)[4]。

2.1 調(diào)制解調(diào)通信技術(shù)

FSK和LoRa均為調(diào)制解調(diào)通信技術(shù)。FSK技術(shù)即頻移鍵控技術(shù)，利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息，是使用較早的一種傳輸方式。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，最新一代LoRa即擴(kuò)頻通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，LoRa相比FSK通信距離更遠(yuǎn)，電池壽命更長，并且LoRa模塊兼容FSK。近年來基于LoRa擴(kuò)頻技術(shù)的智能燃?xì)獗硪驳玫搅搜杆侔l(fā)展[4]。這種智能方式適合燃?xì)獗砑邪惭b的模式，效果好、成本低、性價比高，解決了抄表入戶難等問題。

2.2 GPRS

GPRS是通用無線分組業(yè)務(wù)，采用通信運(yùn)行商的授權(quán)頻段將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)接入燃?xì)夤竟芾硐到y(tǒng)。此種智能方式網(wǎng)絡(luò)成熟、信號穩(wěn)定、實(shí)時性好，具有傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性強(qiáng)、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但存在信號覆蓋有盲區(qū)、功耗較大、通信技術(shù)更替有風(fēng)險(xiǎn)等不足[5]。

2.3 SCADA

SCADA系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，主要由調(diào)度中心、遠(yuǎn)程終端、通信系統(tǒng)組成。調(diào)度中心完成采集數(shù)據(jù)的處理、顯示、入庫以及與燃?xì)饨?jīng)營企業(yè)系統(tǒng)的信息集成；遠(yuǎn)程終端完成數(shù)據(jù)采集；通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端與調(diào)度中心的通信，保證SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的實(shí)時性，使其及時、準(zhǔn)確、可靠、協(xié)調(diào)、高效率地工作[6]。此種智能方式可接通不間斷市電，因此不需要考慮功耗問題。

2.4 NB-IoT

NB-IoT即窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是一項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新興技術(shù)。其構(gòu)建是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，具有覆蓋廣、連接多、成本低等優(yōu)點(diǎn)[7]。此種智能方式適用于公寓、學(xué)校、居民樓等。

3 智能燃?xì)獗磉x型與應(yīng)用分析

3.1 智能燃?xì)獗磉x型

根據(jù)用戶的類型及用氣特點(diǎn)，結(jié)合燃?xì)獗碛?jì)量原理及智能方式選擇合適的智能燃?xì)獗?，可以有效提高?jì)量精度并減小用氣損失。

表1所示的智能燃?xì)獗磉x型參考中，可通過燃?xì)獗眍愋?、成本、智能方式等的對比，整理出各種燃?xì)獗韺?shí)際使用中的適用場景。其中居民樓、公寓等用戶由于用氣設(shè)備較為固定且用量較小，多使用具有智能功能的膜式燃?xì)獗砗统暡ㄈ細(xì)獗?；工業(yè)等用戶由于用氣設(shè)備不一且用氣量較大，一般選用具有智能功能的渦輪流量計(jì)、羅茨(腰輪)流量計(jì)和超聲波流量計(jì)。

表1 智能燃?xì)獗磉x型參考

3.2 智能燃?xì)獗響?yīng)用分析

使用智能燃?xì)獗砟軜O大提高抄表效率，還能通過對計(jì)量數(shù)據(jù)的解析及安裝信號傳感裝置對異常用氣情況進(jìn)行感知，實(shí)現(xiàn)智能報(bào)警功能，如流量異常、拆表、泄漏等。報(bào)警信息能夠在表端及企業(yè)系統(tǒng)中顯示：一方面利于用戶及時發(fā)現(xiàn)問題，采取措施；另一方面便于企業(yè)維修人員進(jìn)行針對性的維修。智能燃?xì)獗砟軌驇椭細(xì)饨?jīng)營企業(yè)及時有效地掌握用戶用氣情況，在節(jié)約燃?xì)?、減小購銷差、及時發(fā)現(xiàn)和處理非正常計(jì)量情況等方面也表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢[8]。

以某燃?xì)饨?jīng)營企業(yè)為例，通過近五年來燃?xì)獗碇悄芑逝c購銷差的變化趨勢，分析智能燃?xì)獗韺?shí)際應(yīng)用情況。

(1) 智能化率。智能燃?xì)獗頂?shù)量占用戶燃?xì)獗砜倲?shù)的比率，稱為智能化率。智能燃?xì)獗淼耐队弥饕堑侥晗薇淼恼{(diào)換和新發(fā)展用戶的新裝。

某燃?xì)饨?jīng)營企業(yè)近五年來智能化率的變化情況，如圖1所示。從圖1可以看出：燃?xì)獗砜倲?shù)在逐年增加，且增長速率較穩(wěn)定，說明該區(qū)域燃?xì)庥脩粑达柡停€具有一定的用戶發(fā)展?jié)摿?；智能化率呈逐年上升趨勢，截?2020年底，智能化率達(dá)到88.27%，剔除長期門鎖未更換表和未到使用年限燃?xì)獗淼囊蛩?，說明智能化應(yīng)用的硬件基礎(chǔ)已具備,智能化率已經(jīng)達(dá)到較高水平。隨著時間的發(fā)展，最終該地區(qū)智能燃?xì)獗韺?shí)現(xiàn)全覆蓋，智能化率也將達(dá)到百分之百。

圖1 某燃?xì)饨?jīng)營企業(yè)智能化率變化趨勢

(2) 購銷差。購銷差為實(shí)施天然氣購入、銷售過程中，由于計(jì)量、泄漏等各種因素產(chǎn)生的購入量與銷售量之間的損失。購銷差率為購入量與銷售量的差值占購入量的百分比。產(chǎn)生購銷差的內(nèi)部因素有計(jì)量器具型號多樣，檢測、標(biāo)定和質(zhì)量的差異；計(jì)量表配置不合理；管線及相關(guān)設(shè)施年久引起的泄漏以及抄表人員工作質(zhì)量不佳等。外部因素有人為損壞造成計(jì)量表失效或管線泄漏事故、非正常計(jì)量以及門鎖、拒抄等不配合行為[9]。購銷差在燃?xì)饨?jīng)營企業(yè)中居舉足輕重的地位，購銷差率越低對企業(yè)經(jīng)營越有利。

智能燃?xì)獗淼膽?yīng)用使得計(jì)量數(shù)據(jù)抄收更加準(zhǔn)確及時，很大程度上避免了抄表人員工作質(zhì)量造成的抄表問題，此外由于可不入戶抄表有效解決了門鎖、拒抄等問題，更重要的是通過智能報(bào)警和數(shù)據(jù)分析使得企業(yè)能夠主動發(fā)現(xiàn)燃?xì)獗硎?、泄漏、非正常?jì)量等問題并及時處理，減少了企業(yè)的損失。

某燃?xì)饨?jīng)營企業(yè)近五年來購銷差率的變化情況，如圖2所示。從圖2可以看出：2016年至2019年購銷差率呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢，主要原因是燃?xì)獗淼闹悄芑试诔掷m(xù)增加，智能化技術(shù)和應(yīng)用對降低購銷差起到了積極作用。2020年與前一年的購銷差率基本持平，一方面是肆虐全球的新型冠狀病毒給人們生產(chǎn)及生活帶來的影響，使得燃?xì)饨?jīng)營企業(yè)處理燃?xì)鈭?bào)警等事件入戶率大大降低，即使發(fā)現(xiàn)燃?xì)獗硎?、非正常?jì)量等問題由于不能入戶也無法及時進(jìn)行處理；另一方面，購銷差是多方面因素產(chǎn)生的，對于其他因素的影響還需要用進(jìn)一步的技術(shù)方法來解決。

圖2 某燃?xì)饨?jīng)營企業(yè)購銷差率變化趨勢

4 結(jié)語

智能燃?xì)獗淼耐茝V和應(yīng)用是必然趨勢，不僅有效解決抄表入戶難的狀況，還通過智能報(bào)警功能，使企業(yè)主動并及時有效掌握用戶的用氣情況，有助于提升服務(wù)水平，樹立安全可靠的企業(yè)形象，增強(qiáng)燃?xì)庥脩舻捏w驗(yàn)感。智能燃?xì)獗淼膽?yīng)用具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但同樣也存在一些需要改進(jìn)和解決的問題。在今后的發(fā)展中，需要注意以下幾個方面：

(1) 抄讀成功率。隨著使用年限的增長，智能燃?xì)獗沓x成功率會逐漸降低，主要是因?yàn)閮?nèi)置式電池的使用壽命遠(yuǎn)小于燃?xì)獗淼氖褂脡勖?，使得使用過程中由于失電而造成遠(yuǎn)傳故障。增強(qiáng)電池的耐用性及安全性是亟需解決的問題。

(2) 使用年限。智能燃?xì)獗黼娮釉c表具的整體質(zhì)量參差不齊，造成實(shí)際使用年限小于規(guī)定使用年限，且智能燃?xì)獗肀旧沓杀揪洼^高，造成燃?xì)饨?jīng)營企業(yè)的成本增加。

(3) 運(yùn)行維護(hù)。表具使用后出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸故障，維修質(zhì)量以及及時率不僅影響到計(jì)量數(shù)據(jù)的傳輸，多次維修的情況還會降低用戶使用體驗(yàn)感。

(4) 產(chǎn)品差異。燃?xì)饨?jīng)營企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對智能燃?xì)獗硎褂们闆r的把控，通過抄讀情況、維修情況等分析不同廠家產(chǎn)品的使用性能，甄選出值得推廣應(yīng)用的智能燃?xì)獗怼?/p>