2024年燃气行业智能表计白皮书.pdf

2024燃气行业智能表计白皮书中移雄安信息通信科技有限公司中移雄安信息通信科技有限公司芯昇科技有限公司芯昇科技有限公司燃气行业智能表计白皮书燃气行业智能表计白皮书20242024 年年 8 8 月月目录目录引言.1一、智能燃气表发展概述.31.1 智能燃气表发展历程.31.2 智能燃气表市场规模.51.3 智能燃气表面临的挑战和机遇.9二、智能燃气表核心能力.112.1 核心能力概述.112.2 核心能力分析.12三、智能燃气表解决方案.173.1 智能燃气表系统架构.173.2 硬件功能设计.183.3 软件功能设计.193.4 结构设计.203.5 环境适应性设计.213.6 抗干扰性设计.213.7 测试性设计.223.8 安全性设计.243.9 可靠性设计.25四、智能燃气表典型应用.264.1 智能燃气表应用场景.264.2 智能燃气表应用价值.314.3 智能燃气表应用实践.33五、智能燃气表发展趋势及展望.371引言2023年1月，国务院发布 关于深入推进跨部门综合监管的指导意见，对危险化学品、燃气、非法金融活动等直接关系人民群众生命财产安全、公共安全和潜在风险大、社会风险高的重点领域及新兴领域中涉及多部门监管的事项，要积极开展跨部门综合监管。2024 年 1 月，工业和信息化部等七部门发布关于推动未来产业创新发展的实施意见，深入推进 5G、算力基础设施、工业互联网、物联网、车联网、千兆光网等建设，前瞻布局 6G、卫星互联网、手机直连卫星等关键技术研究，构建高速泛在、集成互联、智能绿色、安全高效的新型数字基础设施。当前，燃气行业智能表计即智能燃气表在解决燃气客户痛点时存在许多问题，比如数据传输不稳定、功耗高、抄表成功率低、平台及协议不统一以及数据安全性低等。而 NB-loT（窄带物联网）具有高安全、广覆盖、大连接、低功耗和低成本等特点，可以较好地解决上述问题，并更好地满足燃气客户的发展需求。在智能燃气表领域，中国移动联合行业合作伙伴为客户提供基于 NB-IoT 技术的智慧燃气物联网端到端解决方案，研究搭载新型安全可信物联网芯片的智能表计终端，嵌入可信物联网操作系统及区块链底层平台技术，并基于中国移动 NB-IoT 网络的信息安全与隐私保护机制，研究高级别加密算法，建立数据加密保护方案，实现终端设备智能自适应控制与反馈。与中国燃气集团在芜湖、杭州、南京、双鸭山2等地打造了多个基于 NB-IoT 技术的智能燃气标杆项目，2024 年8 月，实现搭载新型 MCU（微控制单元）的智能燃气表生产安装40 万台，推动行业和地区规模发展。该白皮书在总结当前智慧燃气建设过程中面临的挑战基础上，梳理了在行业发展规模、行业政策等方面新的进展，提出 NB-loT智能燃气表解决方案的主要内容，展示了智慧燃气表实践优秀案例，并对智慧燃气表的创新服务进行了展望。随着智慧家居、智慧社区、智慧城市的发展，物联网、云计算、大数据等新技术的广泛应用，基于 NB-loT 技术的智慧燃气将成为智慧城市管理信息化水平的标志之一，将推动行业创新，增进民生福祉，提升社会价值，保护环境资源。3一、一、智能燃气表发展概述智能燃气表发展概述随着国家燃气管网的建设、城镇化进程的快速发展，以及政府的各项民生工程、棚户区改造、旧城改造、公租房、廉租房的建设等项目的推进，燃气居民用户数量也逐年增加，对燃气表的需求量及智能化程度、安全性、可靠性的要求也越来越高。1.1智能燃气表发展历程智能燃气表发展历程从智能燃气仪表的发展来看，智能燃气仪表从最初的只能实现预收费和控制功能发展到目前集数据感知、空中储值、查询、远程监控、实时预警等功能为一体的过程一共经历了卡式燃气表、远传燃气表、物联网表三个发展阶段。图 1 智能燃气表发展历程41.1.11.1.1 卡式燃气表卡式燃气表卡式燃气表是以膜式燃气表为基表，通过在基表内加装电子控制器和电控阀门所组成的一种具有预付费并能实现欠费关阀功能的计量装置，主要有写卡、购气、读卡供气、用气信息回收、提示用户购气、余量不足自动断气、运行状态自检、电压欠压报警、阀门关闭报警等功能。IC 卡表属于初级智能燃气表，居民用户缴纳气费后，所购气量数据通过读写卡写入 IC 卡中，用户需将 IC 卡嵌入表具控制器中方能使用。IC 卡解决了入户难、抄表难与收费难的问题，能加速燃气公司资金回笼，提高资金利用率。但由于 IC 卡表不能及时反映燃气购销量，直接影响购销差的准确计算，给燃气公司利润指标带来不确定性。同时，IC 卡表需经常充值，增加了燃气公司的人工成本，也影响了用户的便捷体验；IC 卡表具上需设置读写卡和阀控单元，容易产生安全隐患，还需要经常更换电池，表计故障率相对较高。1.1.21.1.2 远传燃气表远传燃气表远传燃气表是在基表基础上加装传感器、中央处理器、通信功能设备等组成的集微电子技术、自控传感技术、通信技术与网络技术于一体的计量仪表，主要是实现用气数据远程传输与控制功能，可通过银行代缴气费，解决抄表难问题。远传燃气表虽然解决了入户抄表问题，但是由于其采用远传技术多为有线、小无线（低频、自组网无线）等技术进行数据传输，其存在一定限制：有线传输需布线施工复杂且易受破坏、小5无线工作在公共频道易受到干扰、需要通过专用网关接入互联网等。传统远传燃气受其传输技术制约，系统复杂，系统稳定性差，综合成本高，运营维护要求高，影响大规模推广使用。1.1.31.1.3 物联网表物联网表物联网燃气表是通过低功耗窄带物联网络进行燃气表数据传输的一种新型燃气表，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，使用运营商授权频段，将采集的计量数据、表具运行状态等相关信息定时传输到网络云端，经过数据和信息解析，完成计费、结算和对表具指令的下发等交互活动，从而实现表计的物联功能。物联网燃气表信号传输覆盖范围广，穿透性高，地下室无死角，功耗相对较低，电池使用寿命长，可实现网络抄表、远程控制、网络缴费、故障检测等功能。1.1.41.1.4 发展趋势发展趋势随着技术的发展，燃气表更加注重安全可靠、智能方便。现在，发展中国家的燃气市场的主体仍然是旧燃气表，而新兴的智能燃气表将逐步取代旧燃气表。在远程通信技术的不断发展中，以远程管理和智能服务为主要功能的燃气表将成为热点。1.2智能燃气表市场规模智能燃气表市场规模燃气产业在全球范围内正经历着供需动态调整，其中天然气消费和产量均有所增长，但增速相对放缓。市场受到国际气价波动、能源转型政策以及极端气候事件的影响，导致价格频繁变动。中国作为重要的天然气市场，其消费和产量持续增长，对外依存度上升。全球 LNG（液化天然气）贸易格局正在经历重大调整，亚6太地区需求增长显著。未来，燃气产业预计将面临更多不确定性，但亚洲市场特别是中国有望保持积极发展态势，因此给燃气表行业带来了更多的可能。智能燃气表产业链上游是电子元器件、通信模组、控制装置、计量装置等零部件供应商；产业链中游是智能燃气表生产厂商，代表性企业有金卡智能、威星智能、先锋电子、秦川物联、积成电子等；下游为全国各地燃气运营公司，燃气公司通过持有当地政府的特许经营权面向居民用户及工商业用户提供天然气销售与服务。1.2.11.2.1 上游产业分析上游产业分析智能燃气表生产所需的原材料包括皮膜、基表、阀门、电子元器件等，因此智能燃气表上游参与者由以上原材料供应商组成。其中，皮膜的密封性对智能燃气表使用安全存在重要影响，受空气质量影响严重，当前智能燃气表制造商对皮膜采购依赖于进口。基表的组成部分包括密封圈、齿轮、字轮盒等零件，在中国生产厂商数量多，价格透明。单个基表成本约 70-80 元，整体利润率偏低，约 5%。阀门的生产地集中于温州，民用燃气表、工商业用燃气表对阀门的需求存在区别，其中，民用燃气表的阀门成本价约 3-4 元，添加止逆阀的民用燃气表阀门成本约 3.5-4.5 元。电子元器件包括控制器、集中器等智能模块，毛利率高，如控制器毛利率约 20%-30%。1.2.21.2.2 中游产业分析中游产业分析产业链中游是智能燃气表生产厂商。目前，我国燃气表生产商主要包括以下三类：第一类以7上市公司金卡智能、威星智能、先锋电子、新天科技、秦川物联、真兰仪表等为代表。该类生产商已具备一定的品牌优势，主要从事智能燃气表的研发、制造与销售，同时逐步加大物联网智能燃气表、超声波燃气表相关技术的研发投入。第二类以重庆市山城燃气设备有限公司、重庆前卫表业有限公司、重庆市山城燃气设备有限公司、丹东热工仪表有限公司等具备规模化的膜式燃气表制造能力的非上市企业为代表，主要从事膜式燃气表的生产与销售，同时向智能燃气表生产商提供膜式燃气表基表。第三类为行业内其他生产商，通常受制于其企业规模和技术研发投入，从事膜式燃气表的生产与销售。随着人们生活水平的提高、“煤改气”工程的持续推进等因素的加持，智能燃气表需求量持续攀升。智研咨询数据显示，2017-2022 年中国智能燃气表需求量呈现不断增长态势，截至2022 年我国智能燃气表行业需求量约为 4597 万台，增速有所放缓。图 2 2017-2022 年中国智能燃气表需求量统计81.2.31.2.3 下游产业分析下游产业分析产业链下游是各燃气公司和消费者。住建部数据显示，中国城市天然气的用气人口和供气总量近年来逐步提升，详见图 3。截至 2022 年末，中国城市天然气用气人口为 45679 万人，较 2021年末增加 1483 万人；2017-2021年，中国天然气表观消费量也呈现持续增长态势，2021 年中国天然气表观消费量为 3726 亿立方米，同比增长 14.51%，但在 2022年由于国内经济增长放缓、俄乌战争使得国际天然气价格大幅上涨，中国天然气表观消费量出现下滑，为 3663 亿立方米，同比减少 1.69%。从相对水平来看，我国天然气消费在一次能源消费中的比重仍然较低。2022 年，我国一次能源消费结构中煤炭占比 56.2%，石油占比 17.9%，一次电力及其他能源占比 17.4%，天然气占比8.5%，能源消费低碳化趋势不变，低碳能源消费占比稳步提升。因此，天然气消费量仍然具有巨大的提升空间。图 3 2017-2022 年中国城市天然气的用气人口统计9图 4 2017-2022 年中国智能天然气表观消费量统计1.3智能燃气表面临的挑战智能燃气表面临的挑战和机遇和机遇1.3.11.3.1 抄表缴费效率待提高抄表缴费效率待提高城市燃气企业商业运营模式就是通过管网输送商品，通过表具进行计量和贸易结算，完成供气、销气和服务的。燃气抄表的精准度、频度和用户缴费的及时率，直接影响到企业的效益和资金回笼率。传统的卡式燃气表、有线远传燃气表和无线远传燃气表在数据传输准确性和及时性上还有欠缺，再加上缺乏给用户的便捷缴费通道，导致用户体验感不佳。1.3.21.3.2 终端信息安全隐患大终端信息安全隐患大随着物联网技术的发展，城市燃气安全运营与服务得到了全面提升，但是也同时带来了一系列的安全隐患。由于燃气行业的特殊性，涉及到地理信息、管网分布信息、人口信息、国有资产信息等多种敏感数据源，因此对10涉及数据采集、数据分析、数据转化和业务数据在内的智慧燃气平台系统的安全和隐私保护力度显得尤为重要。如何保障信息安全，成为智慧燃气长效发展的关键问题。此外，燃气表的计量数据作为企业的收费依据，不能被篡改甚至丢失，因此数据安全性更是燃气抄表技术中需要重点考虑的因素之一。目前，许多燃气企业是通过小无线等技术进行智能燃气表数据的传输。由于利用的是非授权频谱建立的自组网，其抗干扰性、数据管理技术水平良莠不齐，数据传输不稳定，安全和可靠性令人担忧。1.3.31.3.3 燃气终端用气安全管理难燃气终端用气安全管理难度大度大安全是燃气使用过程中最为关注的问题之一，燃气终端用户的不安全用气等行为，极易导致燃气泄漏甚至爆炸。一方面部分用户缺乏安全用气的意识，使用不合格的燃具和未安装燃气泄漏报警装置，甚至不注意及时关闭阀门，极易发生危险。另一方面，燃气用户数量多、供气线路长、管理范围广，使得政府监管部门在对用户不整改隐患的情况进行监管时面临很大困难。因此，燃气企业及政府部门急需技术手段加强燃气终端的实时状态监测、用户用气行为监测，实时对终端异常发出报警，或进行远程关阀控制。11二、二、智能燃气表核心能力智能燃气表核心能力2.1核心能力概述核心能力概述NB-IoT 智能燃气表基于蜂窝的窄带物联网和自主可控开源指令集的安全可信 MCU 芯片，具备高安全、广覆盖、低功耗、大连接和低成本等亮点，核心功能包括计量采样、供电、人机交互、通信功能、阀门控制、计量计费、远程控制、固件升级和温压传感器。图 5 智能燃气表核心功能122.2核心能力分析核心能力分析2.2.1计量采样计量采样支持脉冲、直读、超声采样。2.2.2供电供电采用干电池供电或锂电池，干电池工作电压 4.9V9V，锂电池供电电压为 3.23.6V，在一天上传一次且网络信号良好的前提下，干电池使用寿命不应小于 12个月，锂电池使用寿命不应小于十年。2.2.3人机交互人机交互2.2.3.12.2.3.1显示功能显示功能燃气表应有液晶显示屏，显示内容可显示累计气量、剩余量、用气单价、阀门状态、结算日期等信息，也应能提供多种报警及异常信息等错误码显示。休眠状态下，按键显示相关数据信息。2.2.3.22.2.3.2按键功能按键功能1 颗按键，达到开阀允许条件时按键可以打开表内阀门，可发起与平台的通信，切换显示内容等。2.2.3.32.2.3.3蜂鸣器蜂鸣器硬件配置一个蜂鸣器，用于提醒。2.2.4通信功能通信功能支持 NB 通信和蓝牙通信。2.2.4.12.2.4.1蓝牙通信蓝牙通信支持蓝牙通信，通过蓝牙支持生产测试、整表写表号、整表写卡、抄表、升级等功能。蓝牙通信过程中 LCD 显示蓝牙通信信道图标。132.2.4.22.2.4.2NBNB 通信功能通信功能2.2.4.32.2.4.3 通讯模式通讯模式表端上报触发类型分正常上报和异常上报。正常上报同时具备定时和手动上报触发方式。异常上报通过表端异常事件触发，通知平台异常事件发生。2.2.4.42.2.4.4 数据上报内容数据上报内容燃气表上报数据包括但不限于：上报时间、软硬件版本、通信协议、上报类型、结算方式、结算类型、触发事件、ICCID、IMEI、网络参数、电池电压、温度值、压力值、标况累计气量、工况累计气量、标况冻结气量、工况冻结气量、剩余金额、剩余气量、单价等。2.2.5阀门控制阀门控制2.2.5.12.2.5.1阀控分类阀控分类阀门控制分为开阀控制和关阀控制，开阀逻辑由表内逻辑决定，关阀分为普通关阀和强制关阀，其中：普通关阀：执行普通关阀后，短按键可开阀；强制关阀：执行强制关阀后，短按键不可开阀，仅响应平台下发阀门释放命令。2.2.5.22.2.5.2电压控制电压控制(1)上电符合条件按键可开阀；(2)欠压关阀，可通过按键开阀；(3)低压、掉电直接关阀。2.2.5.32.2.5.3异常事件控制异常事件控制(1)事件指计量异常，包括14磁攻击、泄漏、可用气量不足、金额不足等；(2)事件异常时，需要通过按键清除异常才能开阀。2.2.5.42.2.5.4通讯远程控制通讯远程控制通讯控制指通过平台远程阀控操作，包括强制关阀、释放控制三种操作：(1)强制关阀：当平台下发关阀指令，系统完成一次通信后，燃气表的阀门即时关闭，在关阀指令解除前，手动触发按键无法打开阀门；(2)释放控制：当平台下发释放控制指令时，燃气表解除强制开阀或者关阀的权限，按表端正常逻辑运行，开阀需短按键一次。2.2.5.52.2.5.5消费控制消费控制消费控制包括关阀报警量、过零、透支，平台设置关阀报警量参数，当达到关阀报警阈值时，普通关阀并上报，提醒用户充值，短按键可开阀。2.2.6计量计费计量计费2.2.6.12.2.6.1计量计量(1)计量精度：膜式燃气表应符合GB/T 6968-2011中5的要求，机电转换误差不应超过1个机电转换信号当量，其他计量方案需符合相关行业要求，计量准确；(2)计量范围：支持民用表G1.6、G2.5、G4 规格燃气表计量，参数可设置。2.2.6.22.2.6.2计费计费计费方式支持表端计费方式和平台计费方式两种，表端计费是指燃气表通过接收平台的计费方案后由表端完成计费，当表端15无计费方案时，表端有能力关闭阀门并在显示屏上显示关阀状态。平台计费是指平台通过设定的计费方案，并从表端获取计量数据完成计费，阀门由平台控制。2.2.7远程控制远程控制2.2.7.12.2.7.1充值扣款充值扣款平台可以对表具进行远程充值或者设置余量。(1)充值扣款：远程充值的当次额度及表具内总的余额的最大限制（即充值上限），充值负数，即为扣款。(2)设置余量：平台下发余量后，表端余量即为平台下发余量值。2.2.7.22.2.7.2远程参数设置与读取远程参数设置与读取(1)通过主站，远程对表具进行设置与读取。包括表具参数、工程参数，表具日志，密钥、阀门控制；(2)表具参数设置项包括：抄表时间、冻结日期、网络参数、预付费参数、阶梯模型；(3)工程参数设置项包括：上电开阀、欠压关阀、按键开阀、大流量关阀及阈值、失联关阀及阈值、闲置关阀及阈值；(4)阀门控制包括：强制关阀、强制开阀、释放控制、开阀、关阀。2.2.7.32.2.7.3远程校时远程校时表具上报数据时，可从基站/平台燃气表接收时间信息数据，进行自动校时。2.2.7.42.2.7.4记录存储记录存储(1)数据保持：燃气表断电后应能保持数据，恢复供电后燃气表应能正常工作，且表内数据应与断电前一致。16(2)数据重发：如数据上传不成功，在该上传周期内自动进行数据重发，重发次数可设置，默认为 3 次。(3)数据补传：当本次数据上报不成功时，下一次联网时自动补传，正常数据上报前，先执行补传数据上报。(4)数据存储：支持记录每日用气明细，循环更新方式，支持平台读取开户后所有数据；支持记录日汇总气量，循环更新方式，支持平台读取开户后所有数据；支持记录月汇总气量，循环更新方式，支持平台读取开户后所有数据；支持记录年冻结用气量，循环更新方式，支持平台读取开户后所有数据。2.2.8固件升级固件升级燃气表支持本地蓝牙通信和远程 NB 通信进行固件升级。2.2.9温压传感器温压传感器燃气表预留传感器接口，支持接入温压传感器或温度传感器。温度、压力、温压补偿算法参照相关行业标准。17三、三、智能燃气表解决方案智能燃气表解决方案3.1智智能燃气表能燃气表系统系统架构架构智能燃气表由基表、主控板等部分组成。智能燃气表系统架构图见图 7。通过计量处理单元采集计量数据，通过主控单元实现计量计费、事件分析处理、数据可靠存储、数据安全传输，通过显示屏、蜂鸣器、按键等人机交互单元实现数据呈现、报警提醒、信息查询、现场操作等交互功能，通过蜂窝网络实现与平台的数据传输、远程控制、参数设置，含阀门控制单元的燃气表基表通过阀门驱动电路实现阀门开关控制。智能燃气表 NB-IoT 第一通信信道外，还有蓝牙 BLE 第二信道，用于保障燃气表日常应急管理。图 6 智能燃气表系统架构图智能燃气表通过安全 MCU内部集成安全模块，内部实现数据加解密，集成度高，减少通信18环节，从而增加安全性，通过NB-IoT 通信功能接入到运营商的 NB-IoT 网络，将用气数据、电压、信号强度、异常情况等接入到物联网云平台，平台对设备数据进行分析，还可通过智能配置功能对设备进行远程控制和自动化操作，燃气表用户数据一方面上传至区块链平台，确保数据不可篡改和真实可信，另一方面通过物联网平台上传至物联网表综合运营管理平台，将数据包进行解析，完成数据处理和功能控制，燃气公司通过物联网表综合运营管理平台和物联网云平台将指令发送给智能燃气表。3.2 硬件功能设计硬件功能设计3.2.13.2.1 数据安全数据安全采用安全 MCU 芯片，通过芯片内置安全模块，支持对称性加密算法（AES、SM4 等）、非对称性加密算法（RSA 等）、散列算法（MD5、SHA 等）多种公钥和分组密码算法，实现数据存储、通信过程的安全保障。3.2.23.2.2 超低功耗超低功耗智能燃气表由电池供电，对低功耗有严格要求，一是选用高集成度低功耗物联网 MCU 芯片和电子元器件，二是软件设计采用低功耗设计方案，根据业务需求进行 MCU 及不同电路模块工作、休眠态切换，实现超低功耗。3.2.33.2.3 双通道通信双通道通信支持远端 NB-IoT 通信功能和近端蓝牙通信功能，远端NB-IoT 通信功能实现与业务平台进行通信以及远程控制等相关功能；近端蓝牙通信功能支持进行表端调试、设置等功能。193.2.43.2.4 人机交互人机交互可通过按键唤醒燃气表或触发数据上传；液晶显示气量、金额、阀门状态、告警信息等；蜂鸣器在按键、报警操作过程中鸣叫提示。通过不同人机交互装置及交互流程设计，实现精准且友好的人机交互。3.2.53.2.5 数据采集数据采集可通过内部集成的流量传感器、压力传感器和温度传感器等硬件设备，实时监测和记录燃气的使用情况，对采集到的数据，采用NB-IoT 技术进行数据传输，上报至物联网云平台。3.3 软件功能设计软件功能设计3.3.13.3.1 自动抄表自动抄表通过智能燃气表控制软件可以实现自动读取燃气表的数据，并将其传输到后台管理系统中进行管理和监控，从而提高抄表效率和准确性。需要充分考虑重传、补传机制，保障数据可靠到达；充分考虑通信错峰及基站信号选优等机制，保障通信信道畅通。3.3.23.3.2 计费管理计费管理智能燃气表控制软件可以实现对用户燃气费用的自动计算和收费，并且支持不同的计费方式和费率设置，软件需充分考虑计量计费的计算精准和离线、透支等异常情况下的费控管理。3.3.33.3.3 远程控制远程控制通过智能燃气表控制软件，可以实现对燃气表的远程控制，例如关闭或打开燃气阀门，从而更加灵活地进行燃气的管理和使用，需充分考虑远控执行结果的精准及时反馈。203.3.43.3.4 异常检测与处理异常检测与处理对于检测到有异常的用户，可在管理系统对其进行远程关阀处理，并可在问题解决后进行远程开阀，以减少损失，并充分系统性考虑对异常事件告警有效传达机制和异常频发时告警机制。3.3.53.3.5 数据上传与实时监控数据上传与实时监控智能燃气表用户端每天自动上传数据，包括计量数据、表具运行状态等信息，成功率达99.99%，数据准确详细并可自动生成报表，方便燃气公司的管理。3.3.63.3.6 多种购气付费方式多种购气付费方式可以通过无卡预付的形式对气表端进行充值，如 APP、支付宝、微信、网上营业厅、网上银行等在线充值方式，简单快捷。3.4 结构设计结构设计智能燃气表基于热工燃气基表进行燃气表板型结构设计，结构图见图 7。图 7 智能燃气表结构图213.5 环境适应性环境适应性设计设计燃气表主要用于室内厨房、室外固定使用环境，国标GB6968膜式燃气表规定了温度、湿热、耐盐雾要求，在对关键、核心元器件选型阶段，优先选用工业级、支持宽温元器件，同时进行降额设计、简化设计并对一些关键器件的选型留有一定的裕度，同时根据 GB/T 2423.17-93 中型盐雾试验标准对燃气表进行三防防护。3.6 抗干扰性设计抗干扰性设计根据燃气表的使用场景要求，参考 GB9254-2008信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法和 GB17625.1-2012电磁兼容限值 谐波电流发射限值（设备每相输入电流16A）的相关要求，开展电磁兼容设计。为了降低电磁干扰，提高燃气表在日益复杂的电磁使用环境下能够稳定工作，进行了如下几个方面的优化设计。3.6.13.6.1 电路电磁兼容设计电路电磁兼容设计电路电磁兼容设计的重点就燃气表中强发射电路及强敏感电路进行设计，抑制电路的辐射发射强度，提高电路的抗干扰能力等。为减小电磁干扰（EMI），按照以下几点原则进行了设计：(1)优化时钟电路，消除过冲和振铃现象；(2)时钟输出进行去耦设计，能够有效降低辐射；(3)关键集成电路进行电源去耦设计，增加耦合电容；在满足接口信号质量要求的前提下，增加 ESD 管、TVS 管等保护器件，可有效抑制 EMI。3.6.23.6.2 PCBPCB 电磁兼容设计电磁兼容设计PCB板布线时针对电磁兼容22设计，主要遵循以下几点原则：(1)模拟信号易受到数字信号干扰，layout 时将模拟信号与数字信号区分开，走线安排在不同层。同时，分开模拟地与数字地，有助于降低板内的串扰、阻抗耦合以及辐射发射；(2)将时钟信号线远离差分信号线，同时保证时钟信号走线最短；(3)避免开关电路对高速信号的干扰，layout 时对开关滤波电路进行合理布局；(4)输入/输出电路靠近相应连接器，并在相应的电源管脚设计去耦电容，消除串扰。3.7 测试性测试性设计设计测试性贯穿了燃气表的整个设计、生产流程，分为多个层次的测试（单板信号的测试、整机功能测试、供电测试等）。燃气表在设计、生产时，把测试性设计作为设计的组成部分，制定了详细的测试性工作计划，测试分主板测试和整机测试，并按照相关规定和设计准则对燃气表的测试性进行了详细设计，编写了诊断方案。前期由测试人员对燃气表主板进行测试，整机完成由质量管理部门组织进行测试性评审和测试性验证。下面就从单板和整机测试两个方面来叙述。3.7.13.7.1 单板测试单板测试燃气表在原理图设计阶段就为各单元预留了测试点，同时预留了主板的电源调试口、调试串口、JTAG 口等，保证在整表组装之前，功能单元的各项功能都正常。单板测试主要包括以下几项测试：(1)PCB 阻抗测试：信号在传输路径中会发生阻抗变化，部分能量会被反射，从而会造成23过冲、振铃等隐患，影响主板寿命。为避免此隐患的发生，需要进行 PCB 阻抗测试。方法：用探棒在 PCB 板上主要信号线拐角和过孔处、从连接器到主板或者从主板到 IC 封装处通过示波器测量出阻抗。(2)电压噪声测试：主板在超过其标准电压的环境下工作，会出现重启、功能异常等现象。避免此类现象的发生，需要对主板电压噪声进行测试。方法：在离信号最近的 VIA 孔或者 IC pin脚，通过示波器测量信号噪声。对噪声较大的点，进行加强滤波或修改 layout 布局处理。(3)信号完整性测试：主板包含大量总线信号如 UART、IIC等，通过对信号进行测试，从而保证主板信号的完整性。3.7.2 整机测试整机测试整机测试包括供电测试、跑和测试、通信压力测试、耐久性测试 4 部分。4 部分测试同时进行，其中任何一项测试出问题都会导致整机测试的中断。(1)供电测试：验证各功能单元满负荷运行下，电源模块能否正常供电，输出的电源纹波是否正常。(2)跑和测试：验证整表计量计费核心、人机交互等功能是否正常。(3)通信压力测试：验证每日定时上报功能、上传成功率是否正常，验证整表与平台之间的交互逻辑是否正常。(4)耐久性测试：验证燃气表的可靠性是否满足技术要求。以上各种测试在设备的方案设计阶段，原理图设计阶段都做了大量的准备工作，保证了整机的可测试性。243.8 安全性安全性设计设计3.8.13.8.1 人身安全设计人身安全设计(1)燃气表没有采用危险品材料，原材料不会对使用人员造成人身伤害；(2)燃气表在设计时充分考虑了人机工程的要求，长期使用不会对操作人员造成职业伤害；(3)燃气表上可触及的对人、机有危害的部位都加有防护罩和明显标志。3.8.23.8.2 设备安全设计设备安全设计(1)燃气表采取了完善的电磁兼容设计手段，能够有效地防止使用过程中的电磁兼容问题，不会对系统中的其他设备形成干扰，同时也不会被其他设备干扰；(2)燃气表对外接口采用标准连接器，不同接口类型的连接器各不相同，能够有效地防止由于误插引起的设备损坏；(3)燃气表所有的对外接口都采用了 ESD 保护器件，能够有效地防止静电、热插拔等情况下对设备的损坏，电源接口设有过压、过流保护器件，避免外部电源异常变化或瞬间的高压尖峰损坏设备；(4)燃气表内部的器件、部件在选择时都充分考虑了使用环境要求，并留有一定的余量，在规定的环境条件下长期使用不会对设备造成伤害。3.8.33.8.3 环境安全设计环境安全设计燃气表选择安全可靠的元器件和材料，同时尽量选用符合环保要求的材料，减少设备寿命周期内对环境造成的污染。根据上述分析和评估，由于采取了有效、全面的安全性设计手段和措施，充分考虑了人员、25设备、环境等方面的安全性，并使其他相关的风险减少到可接受水平，具有一定的安全性水平。3.9 可靠性可靠性设计设计参考 GJB299C-2006 电子设备 可 靠 性 预 计 手 册 、GJB899A-2009 可靠性鉴定和验收试验、GB 6968膜式燃气表等可靠性的相关要求，开展燃气表可靠性设计。为保证整机设备的可靠性，从简化设计、容差设计、降额设计等方面开展可靠性设计：(1)优化电路设计，精简元器件规模和数量在电路设计中，通过对比同类功能芯片的技术参数，选取既满足功能需求又规模适度的设计方案，减少芯片扩展层级和元器件使用数量，提高功能单元的设计可靠性。(2)通过适度的容差设计，提升整机的稳定性在燃气表的电路设计时，对元器件选用，内部电路各器件的输入电平、输出负载能力，各输入、输出接口的波形参数、高低电平、电流负载能力，二次电源的负载能力等方面，都留有较大的余量，保证燃气表产品具有稳定的性能和良好的互换性。(3)通过降额设计，减少元器件应力为降低元器件实际承受的电压、电流、功率等方面的应力，在电源转换等典型电路设计中，对使用的集成电路、电感、电容、MOS 电路等，都进行了降额设计，使它们的应力系数维持在 0.8 左右，有效地降低元器件的失效频率，延长元器件使用寿命，提升设备的可靠性。26四、四、智能燃气表典型应用智能燃气表典型应用4.1智能燃气表应用场景智能燃气表应用场景4.1.14.1.1 数字化抄表数字化抄表抄表是燃气企业获得用户燃气使用量并以此向用户收取费用的重要方式。传统的人工抄表不仅效率低下，后台计费系统往往月末集中进行计费出账，然后到达指定营业厅进行缴费，费时费力，导致群众对服务的满意度低下，传统的抄表形式已经阻碍燃气企业朝向健康方向的发展，更加符合互联网时代特点的抄表形式则在保障了燃气企业持续发展的同时，为其改革找到了方向，数字化抄表能够解决燃气公司入户抄表难和用户缴费充值难的问题。在该场景下，NB-IoT 智能燃气表具备高安全、低功耗、大连接和低成本特点，通过采集器将用户的用气数据、电量、信号、阀门状态、异常情况等数据通过内置的 NB-IoT 通讯模组接入到NB-IoT 网络，传输到物联网云平台，然后上传到燃气公司业务系统平台，后台系统平台将数据包进行解析，解析出的用户用气数据在用户账户内完成结算，并通过客服系统的相关新媒体渠道推送给用户，用户能实时地获取自己的用气账单，并能远程完成账户的充值。对居民生活，数字化抄表可以实现对用户用气情况的监测和管理，足不出户即可完成缴费充值等操作，为用户提供更加精准、高效的服务；对工业生产，数字化抄表可以实现对用气设备状态的监测和管理，提高生产效率，并且降低成本；对商业运营，数字化抄表可以帮助燃气公司积极27响应政府燃气售价的远程调价和系统阶梯气价设置，提高服务质量，并且降低运营成本。图 8 数字化抄表场景4.1.24.1.2 用气安全监管用气安全监管保障燃气安全是政府及主管部门始终高度重视的工作。国务院安全生产委员会发布的全国城镇燃气安全专项整治工作方案明确要求，要加快老化管道和设施改造更新，统筹推进城市燃气管道等老化更新改造、城镇老旧小区改造等工作；推进燃气安全监管智能化建设，实现对管网漏损、运行安全及周边重要密闭空间等的在线监测、及时预警和应急处置，燃气企业借助技术手段加强管网温度、压力实时监测、用户的用气行为监控，实时对终端异常发出报警或进行远程管阀控制。智能燃气表是预防用户侧发生燃气安全事故的有力保障之一，助力政府及燃气企业进行用气安全监管。在该场景下，NB-IoT 智能燃气表通过内置的电磁阀门，可直接对表具进行阀控。在用户使用过程中，当检测到可能存在燃气泄漏安全隐患时，如走气量过大、过小、长时间内走气速度趋于恒28定值、长时间未走气时，依据平台与终端的多种阀控方式（微流关阀、过流关阀、恒流预警关阀、闲置关阀）及报警联动机制，表端及平台将及时进行预警及关阀，确保居民用户的用气安全。同时表端上也预留了与可燃气体报警器的接口，可直接在表具上加装外置可燃气体报警器。当报警器检测到可燃气体时，将输出报警开关信号。燃气表检测到信号时，会将燃气表阀门关闭并将该事件实时上报平台，进一步保障用户的用气安全。NB-IoT 智能燃气表作为用气安全监管中重要的一环，还可与智慧厨房安全守护系统进行联动，通过户内物联设备的远程传输，实现对厨房内燃气报警器、智能开窗器、智能灶具、油烟机联动控制，避免燃气爆燃事故的发生。图 9 用气安全监管场景4.1.34.1.3 信息安全保障信息安全保障近年来城市燃气发展取得了巨大的进步，由于燃气行业的特殊性，涉及到地理信息、管网分布信息、人口信息、国有资产信息等多种敏感数据源，因此对涉及数据采集、数据分析、数据转化和业务数据在内的信息安全和29隐私保护力度显得尤为重要，而燃气表的计量数据作为企业的收费依据，不能被篡改甚至丢失，数据安全性是燃气信息安全重点考量的因素之一。在该场景下，基于 NB-IoT智能燃气表的安全防护体系由燃气表计、通信网络、物联网云平台、区块链平台、运营管理平台共同组成，保障从端侧、网络、平台到应用的安全性、数据传输的完整性以及真实性。基于开源指令集的高密度低功耗物联网MCU 芯片将安全功能和 SIM 功能集成在一颗芯片中，降低了用户的使用和硬件改造成本，将原本不具备安全功能的终端通过更换 SIM 卡以及软件升级的方式，快速集成安全能力，为海量物联网终端的安全通信及安全认证提供快速接入服务，通过标准化、开放化的方案，和微服务技术架构，可根据不同的应用场景进行灵活配置安全策略，为客户提供差异化的安全服务。为保证业务数据的安全，每台智能燃气表终端都会提供唯一身份并配合完善的安全认证机制，可基于对称或非对称密钥体系，使终端自身拥有安全连接能力。对不同终端及后端云平台之间的往来流量进行加密，支持 SHA、SM3、MD5、AES、RSA 等加密算法，尤其是用户信息、控制指令等敏感数据，且通过签名或者强编码保证完整性。认证和加密是保证合法身份以及通讯不被篡改的关键，将加密算法固化在一个专用的芯片内，同时，芯片厂商在设计芯片时本身的安全性考虑更多，其自带的算法协处理器可保证算法实现质量。30图 10 信息安全保障场景4.1.44.1.4 城市生命线管理城市生命线管理近年来城市燃气安全事故已成为我国继交通事故、工伤事故之后的第三大杀手。通过对燃气事故的数据分析，引发燃气事故的主要风险是室内燃气泄漏和管网外力破坏，为了减少燃气事故的发生，燃气用户的安全检查不能忽视，安装智能燃气表和可燃气体报警装置是守护城市燃气生命线的重要的一道防线。在该场景下，燃气公司通过分析供气门站、管线、用户表具等各节点的气量数据，可以进一步排查管线跑、冒、滴、漏、偷等问题，全面降低安全风险，NB-IoT 智能燃气表可通过对用户用气计量信息的分析判断，实现异常用气量预警提醒及关阀报警，并反馈到管线管理系统，后台系统也可通过对用气高峰低谷进行统计，从而进行输配管线压力调配。管线管理系统采用 4G和 NB-IoT 通讯方式定时或实时采集燃气管道压力、温度、流量等数据信息，通过云平台监控系统对采集的海量管道用气信息进31行大数据分析，构建管网用户用气数据模型。对于管道压力、温度及用气异常情况可以提早发现并预警，及时排除安全隐患。对于现场紧急突发情况，还可通过带阀门控制的远控仪产品进行远程关阀操作，及时有效地掌控管网安全。通过 NB-IoT 智能燃气表和管线管理系统的相互结合，对燃气的输送和使用进行全流程监管，可实现对城市燃气生命线的日常安全维护、安全隐患预警、异常数据分析、管网远控仪阀门的远程应急控制，对城市燃气生命线安全隐患早预防、早发现、早处理，将燃气事故防患于未然。图 11 城市生命线管