自动抄表在燃气收费系统的应用_工程实践

摘要

摘要：分析了人工抄表收费方式存在的问题、几种计量收费方式的特点。研究了自动抄表系统的构成、燃气表与采集器(集中器)之间的数据传输方式、集中器与燃气公司管理中心之间的

摘要：分析了人工抄表收费方式存在的问题、几种计量收费方式的特点。研究了自动抄表系统的构成、燃气表与采集器(集中器)之间的数据传输方式、集中器与燃气公司管理中心之间的数据传递方式，提出适用于各种用户类型的自动抄表模式。

关键词：自动抄表系统；燃气表；集中器；燃气公司管理中心；数据传输

Application of Automatic Meter Reading to Gas Charge System

ZHANG Tao

Abstract：The problems with manual meter reading charge mode and the characteristics of several metering charge modes are analyzed. The composition of automatic meter reading system and the data transmission modes between gas meter and collector(concentrator)and between concentrator and management center of gas company are studied. The automatic meter reading mode suitable for different users is put forward.

Key words：automatic meter reading system；gas meter；concentrator；management center of gas company；data transmission

1 概述

1.1 传统的人工抄表收费方式存在的问题

燃气在城市建设中应用越来越广泛，用户种类和数量迅猛增长，用气结构呈现多元化。要实现对燃气的合理利用，燃气的计量收费管理工作非常重要。传统的抄表收费方式存在的弊病日益突出，主要包括：入户难；管理费用、人员开支过高；抄表人员劳动强度大，收费部门工作负担重；数据实时性不好，不能动态、及时反映使用情况的变化，管网调控能力差；按月抄表得来的统计数据，对于燃气公司进行更深层次的分析和管理决策(如规划、储备和调度等)远远不够。因此，自动抄表系统和IC卡预售系统等应运而生了。

1.2 几种计量收费方式的特点

① 自动抄表系统的优点：安全性强，各种有效的措施可以避免数据遭到非法修改；实时性强，便于及时了解运行情况和发现安全隐患；可靠性强，传输的数据正确；可安全监控，可以采集数据，远程控制阀门开关，避免气费的拖欠；时钟性强，通过管理中心设置，可以实现分时付费；采集的数据完整准确，提高了信息化管理水平，使燃气公司了解各类用户对燃气的消费情况，更准确地调整储备和供给方案，制定管理政策等。缺点：前期投入相对较大。由于该种方式具有很大的优越性，目前在国外已得到广泛的应用。

② IC卡预售方式的优点：前期投入小；避免气费的拖欠。缺点：实时性差，虽然IC卡的回读功能可将各类用户表的历史使用情况回传给燃气公司的管理系统，但只有用户购气才能回传数据，不能达到安全监控的目的；虽然CPU卡具备密钥系统，安全性能好，但逻辑加密卡安全性差；当IC卡控制模块安装在切断阀上，与流量计之间通过脉冲传递用气信息时，往往流量计气量的增加值大于IC卡控制模块中气量的减少值，而且这种差异随着用气量的增加而累积，有时两者相差很大。这是由电路匹配不当和各种干扰问题造成的，给燃气公司造成经济损失，引起的纠纷更令人头痛。由于发达国家有很好的信用机制，因此这种方式在国外使用很少，不宜实现分时付费。当燃气价格上涨，用户大量囤气时，会给燃气公司带来损失。

③ 自动抄表预付费系统

以上2种收费方式各有优缺点，由于自动抄表系统具有更明显的技术优势，在欧美发达国家发展迅速，成为趋势。但IC卡预售系统可以避免欠费，这在我国是不容忽视的优点。综合2种方式，形成一种全新的自动抄表预付费系统。该系统在自动抄表系统基础上，融合新的预付费运行模式，实现集自动抄表、远程监控和预付费于一体的营销管理系统。

由购买气量改为预存费用，预存费用的数值保存在燃气公司的数据管理中心，以便根据燃气价格实时调整，避免燃气价格上涨前用户囤气给燃气公司带来损失。此方式综合了国外的先进技术和我国的国情，将成为我国城镇燃气居民用户、商业用户今后计量收费的发展趋势。对于其他不适合预付费方式的城镇燃气用户，今后发展的趋势是自动抄表。

2 自动抄表系统的构成

2.1 自动抄表系统的组成

自动抄表系统的组成见图1。

燃气收费系统中，自动抄表系统将会得到广泛使用，数据信息在以下几个部门和设备之间传递：燃气表、集中器(或手持抄表器)、燃气公司的数据管理中心、燃气公司的数据服务器、燃气公司的操作终端和银行。

2.2 适于自动抄表的燃气表

① 按输出信号方式分类

a. 输出脉冲式

将代表燃气流量的机械字轮转动转换为脉冲信号，供数字电路采集。特点：燃气表向外部采集器输出脉冲时，匹配不当或遇到干扰均会多计或少计，且误差一直累计，不会修正；燃气表向内部采集电路输出脉冲，可靠性就会大大加强。

b. 字轮编码式

字轮编码式燃气表是在燃气表的机械计数器上，即字轮0～9每一位数字轮上都安装多只光电传感器，这些传感器通过组合编码将相应的10个数字(0～9)对应传出，以数字信号形式通过有线或无线的方式传递给集中器或手持抄表器。

特点：能直接读出用气量数据，读出的数据与数码轮上表示的数据完全一致；不受外界干扰，价格相对便宜。但是它存在临界问题：因数码轮之间存在进位间隙，当数码轮发生进位时，特别是发生多位同时进位时，会产生数码轮数字排列不在一条水平直线上的现象，必须通过程序判断数值的真实性，但是随着字轮的继续运转，数码轮的位置会自动校正，即使先前出现偏差，之后也会纠正。

② 按接口种类分类

a. 脉冲传输接口

发送和接收方波脉冲信号。特点：电平、脉冲宽度以及占空比都需匹配好，否则将会出现严重的传递误差，抗干扰和功耗也是要考虑的重要因素。

b. 红外通信接口

在燃气表上安装红外通信接口，红外通信的实质是对二进制数字信号进行调制与解调，利用红外信道进行传输，红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。红外线信号最大传输距离可达8m。特点：传输距离短，抗污能力差。

c. 无线短波数字接口

在燃气表上安装无线短波数字接口，实现短距离微功率无线通信技术。

d. RS485/232通信接口

智能燃气表通常具备RS485或RS232接口，通过敷设专线实现数字信号传递。特点：传递安全可靠；必须敷设专线，不适合老用户的改造。

e. 图像传输接口

图像传输接口是在燃气表机械字轮显示窗外面加上一个小型摄像头，将字轮显示数值拍摄成图像，将图像信号传给微机，再经过图像转化，转化为数字信号。优点：图像扫描式远传表读取数据直观、可靠，完全与数码轮数字一致，避免发生纠纷。缺点：由于传递的是图像，其传送的数据量大，传输时间长，价廉物美的16位单片机不能胜任此项工作，必须使用价格较高的微型计算机，成本高。

2.3 集中器

集中器是一个以单片机为中心的小型处理系统，采用微处理设计，内置通信模块。负责接受从管理中心发来的各种指令，经判断后发送至对应的采集器中；收集采集器上传的数据并发送至管理中心；具有协议检查功能，用来判断集中器和上位机之间通信所采用的协议是否相同；校时功能，管理中心可定时对集中器自动校时，以保证集中器时间准确，同时集中器可对所管理的燃气表统一校时，以确保时间一致。

① 固定的集中器

从采集器到集中器通过有线方式，如有线宽带方式、电力载波方式和RS485总线方式、RS232总线方式。

② 移动的集中器(手持抄表器)

从采集器到集中器通过无线方式，如无线短波方式和红外方式(也称光电方式)。

③ 具备路由器功能的集中器

在高层居民用户中，各层间通过接力式的路由方式将数据集中至集中器或采集器。一般通过GPRS传送数据时，该装置安装于楼房的顶层；通过手持抄表器采集数据时，该装置安装于楼房的一层。此种方式克服了点对点采集方式受传输距离的影响。

2.4 燃气公司数据管理中心

燃气公司数据管理中心是远程智能抄表和安全监控系统的中心，承担整个系统的管理，包括燃气表数据抄录、燃气表通断电控制等，具体包括档案管理、集中器管理、上传数据的管理和控制数据抄录、阀门开关等管理功能。

系统需要建立操作规程和作业指导书，对管理中心操作员的操作权限和日常工作进行规定。

2.5 数据服务器

将所有燃气表的信息，包括燃气表所属单位名称或户主姓名、地址、燃气表种类、燃气表型号、费率、序列号、安装时间等档案数据输入至数据服务器。由数据管理中心采集上来的大量实时记录数据也源源不断地输入到数据服务器。

2.6 操作终端

通过专线实现与数据服务器、数据管理中心连接，完成自动抄表中的各项操作(如数据传递、查询、控制、报表绘制等)，分为数据库操作管理和控制管理。数据库操作管理主要包括数据查询、数据维护、表具故障白检。控制管理主要包括管理中心执行数据抄录和通断气操作控制，对集中器下的所有燃气表进行抄录，抄录燃气表表底、时间及状态，也可实时抄录单表数据，并可通过控制燃气表阀门控制燃气供应。

3 燃气表与采集器(集中器)间的数据传输

3.1 RS232方式和RS485方式

这2种方式均需要抄表系统单独敷设专用线路，依据的标准是JG/T 162-2004《住宅远传抄表系统数据专线传输》，其中RS485总线使用最广泛。优点：数据安全可靠，有标准可依，比较适用于新建居民小区。缺点：传输距离短，1000m左右；需在建筑物内敷设专用线路，施工工程量较大，改造费用较高，不适合老居民用户。

3.2 脉冲传输方式

脉冲式远传表是将燃气表远传的信号以脉冲(或开关量)的形式发出，每一个脉冲信号代表一定的用气量数值，由数据采集器实时在线累计存贮。系统要对累计的脉冲数进行换算处理后，才能得到燃气表的用气量数值。外部采集器在采集累计脉冲的过程中，会出现误计现象，造成接收到的数据与燃气表上示值数不一致，另外，由于脉冲信号易受干扰，也会造成误差。

3.3 电力载波方式

电力线载波是将远端采集器采集的信号通过低压载波传输至集中器。依据的标准是DL/T 698—1999《低压电力用户集中抄表系统技术条件》。传输介质：同一变压器同相220V线路；传输距离：500～1000m。

优点：整个系统不需要布线，采用电话中继方式的特点是造价低，采用无线中继方式的特点是灵活方便、运行成本低。

缺点：由于电力线(220V)是非通信用线路，其干扰和衰减都很大，因此，电力线载波数据传输的误码率高；燃气公司使用电力线需要与供电公司协调。

3.4 无线短波方式

无线短波方式是利用无线电技术进行近距离的信号传输。在由电池供电的具有无线数传模块的燃气表(或采集器)与具有无线数传模块的集中器(或手持抄表器)之间进行数据的定时定量发送。设定好无线远传的数据间隔后，在其唤醒期间，将燃气表的计量数据、安全使用记录等数据通过无线数传模块发送到集中器，再将集中器(或手持抄表器)中的数据导入数据管理中心电脑系统中。传输方式符合信息产业部《微功率(短距离)无线电设备管理暂行规定》的要求。

数据管理中心的命令也可通过集中器的无线数传模块，发送到燃气表(或采集器)。所使用的波段无需付费，但要向无线电管理局申请。根据《微功率(短距离)无线电设备的技术要求》可知：通常470～510MHz频段可作为民用无线电计量仪表的使用频段。

优点：由于免去了在现有建筑物中布置信号线的麻烦，适用于各种环境，适用于新旧居民小区；实时性比较好；因为是燃气公司自己建网，所以省去了后期的使用费用；降低了系统功耗和管理费用，大大减少了人工劳动，提高了自动化程度。

缺点：通常数传电台的使用距离在500m以内，再远就不适用了；无需申请的频段存在任何人都可以去占用的问题，可能会受到干扰，传输的数据可靠性差，需要通过程序判断对错。

分类：点抄方式和集抄方式。早期采用的点抄方式由集中器或手持抄表器依次与燃气表的数传模块进行传输。这种方法对高层住户不适用，抄表员仍需上楼，但不入户。后来出现的集抄方式是指所用的燃气表本身具备中继器和集中器功能，若通过手持抄表器抄表，各楼层的燃气表依次定时将数据信息传递给一层住户的燃气表，然后由手持抄表器读取；若通过具备GPRS功能的集中器抄表，则各楼层燃气表依次将数据信息定时传递给顶层住户的燃气表，然后由集中器读取并发送出去。相比点抄方式，集抄方式具有可靠性高、方便快捷的优点。

3.5 小区局域网方式

小区局域网是在一个相对有限的地理范围内，由一组微机、服务器、打印机和类似的设备连接组成的网络。用户的计算机需安装网卡并接入到楼内的交换机，再通过专线与城域网或互联网相连。小区局域网接入是一种成熟的本地有线宽带接入方式，它通过网线高速传输数据，实现了千兆到小区，百兆到大楼，十兆到桌面的传播速率。这种接入方式不需申请电话线，二者分属不同的网络，独立运行，小区局域网对原有电话线路没有任何干扰，用户可以同时上网和使用电话。目前广泛采用的专线为Lon总线、CAN总线。

3.6 有线宽带方式

① 电话线ADSL有线宽带方式

ADSL(非对称数字用户线)是DSL(数字用户线)技术的一种，使用这种技术，可在普通铜线电话用户线传送语音信号的同时，将一组一般的电话线变成高速的数字线路，ADSL能够向终端用户提供8Mb/s的下行传输速率和1Mb/s的上行传输速率，比传统的28.8kb/s模拟调制解调器快将近200倍，这也是传输速率为128kb/s的ISDN(综合业务数据网)所无法比拟的。ADSL可以使使用电话和上网同时进行，不互相干扰。通过ADSL能对远程的抄表系统实施功能操作，取得测量结果并对抄表系统进行参数设置、实时监控和故障判断。

ADSL作为主流有线宽带接入方式，其特点有：

a. 速率高。ADSL能够向终端用户提供8Mb/s的下行传输速率和1Mb/s的上行传输速率。相比之下，传输速率仅为56kb/s的传统电话拨号方式只能是窄带。

b. 费用低。据不完全统计，全国各大城市ADSL的包月费为40～200元(不含其他使用费用)。

c. ADSL使话音和数据在不同的通路上运行，使用电话与传输数据互不干扰。

d. 必须在整个小区内布线，它的终端和管理微机需要220V交流电，并提供远程网络通信；电话网通信是电路交换，抄录一个采集器，就必须完全占用一条电话线路，如果同一时间必须抄录多个采集器，就需配置多条电话线路，若集中抄表的规模很大，系统的管理难度较大。

② ISDN方式

ISDN(综合业务数字网络)是基于公共电话网的数字化网络，它能够利用普通的电话线双向传送高速数字信号，广泛进行各项通信业务，包括话音、数据、图像等。因为它几乎综合了目前各单项业务网络的功能，所以被形象地称作“一线通”。ISDN是对称性网络传输，传输速率达128kb/s。

4 集中器与管理中心间的数据传递方式

集中器与燃气公司数据管理中心之间的数据传递方式包括GPRS/SMS、GSM/SMS短消息、有线宽带方式和DDN专线。其中有线宽带方式见前文。

4.1 GPRS的特点

GPRS(通用分组无线业务)采用与GSM(全球移动通信系统)相同的频段、频带宽度、无线调制标准和TDMA帧结构。在GSM上构建GPRS，硬件无需改动，只需软件升级。

GPRS自动抄表系统见图2^[1]。

特点：

① 实时|生强

GPRS具有实时在线特性，延时仅600～1200ms，无需轮询就可以同步接收、处理多个数据采集点的数据，可很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求。

② 可远程控制

通过GPRS双向系统可实现对仪表设备进行远程控制，如参数调整、开关控制等操作。

③ 安全性强

保密性好，安全可靠。可为将要进行无线通信的数据加密，并在无线终端和网络之间建立一条高度可靠且加密的逻辑链路，保证数据在无线环境中安全传输。

④ 建设成本低

采用GPRS的无线公网平台，只需安装好设备就可以，不需要为自动抄表进行专门布线，前期投资少、见效快，后期升级、维护成本低。

⑤ 集抄范围广

GPRS覆盖范围广，在无线GSM/GPRS网络的覆盖范围之内，都可以完成对集抄的控制和管理。而且，扩容无限制，接入地点无限制。

⑥ 传输容量大、速度快

数据中心要和集中器保持实时连接。由于数据采集点多，需传输的数据量巨大，GPRS技术能满足数据传输的需要。GPRS实际数据传输速率为20～170kb/s，并且可根据管理中心下发的命令改变传输数据的速率，以适应不同的用户需要。

⑦ 通信费用低

采用包月或按流量计费方式，运营成本低。GPRS和SMS短消息之间自动切换，在某些地区只有SMS覆盖，GPRS网络发生故障时，自动切换至SMS来传输数据。

4.2 GSM/SMS短消息的特点

GSM标准中定义的点-点短消息服务使得短消息能在移动台和短消息服务中心之间传递。这些服务中心是通过称为SMS-GMSC的特定MSC同GSM网络联系的。GSM中唯一不要求建立端-端业务路径的业务就是短消息。系统认为不同的消息彼此独立，消息的传输总是由处于GSM外部的短消息服务中心(SMSC)进行中继，消息有目的地或起源地，但只与用户和SMSC有关，与其他GSM基础设施无关。这种方式是前述GPRS方式的初级阶段，在GSM网络没有升级为GPRS的区域可以使用。

此外，随着其他3G技术的引入，GSM/GPRS空中接口可以升级为TD-SCDMA或WCDMA，传输速率将得到大幅度提升。而原来采用CDMA技术的2G系统可以升级为CDMA2000 EV-DO，以支持更高的速率。本质上，这些技术没有差别，主要应考虑满足所需速率时其网络的覆盖区域、资费和终端的成本。

① 优点

a. 通信距离远。

b. 一般应用于中低数据交换量的无线数传网络，其低廉的价格与便利的维护(无须雇佣专业维修人员)完全可以弥补其运行费用较高的缺陷。

② 缺点

a. 通信时间延迟。采用存储转发方式，即数据不是直接被发送到目标接受方，而是先发送到中国移动的短消息中转服务器中排队等待，然后被发送到目标接受方，这样就会产生时间延迟，甚至在数据传输高峰时，会延迟几个小时。短消息通信时间短则数秒，长则数分钟，不能应用于实时性要求高的系统中。

b. 单次通信数据量受限制。受短消息通信机制的限制，一条短消息有效数据载荷较小，这在要求大数据量传输的系统中应用很不利。

c. 通信资费较高。当数据量较大时，费用问题较为突出，虽然和无线运营商的谈判可以一定程度上降低单条费用，但在通信频率较高的应用中运营费用仍居高不下。

4.3 DDN专线

DDN专线(数字数据专线)是利用物理实线作为数字信道传输数字数据，是随着数据通信业务的发展而迅速发展起来的一种新型网络。它的传输媒介有光纤、数字微波、卫星信道以及用户端可用的普通电缆和双绞线。利用数字信道传输数据信号与利用传统的模拟信道相比，具有传输质量高、速度快(传输速率可达64kb/s至2Mb/s)、带宽利用率高等优点。

特点：

① DDN专线接入能提供高性能的点-点通信，通信保密性强，特别能满足金融、保险等保密性要求高的客户需要。

② DDN专线接入还适用于20/80业务规则的大中型企业，即80%的网络业务在内部网络(Intranet)内传输，只有20%的网络业务在内部网络(Intranet)与外部网络(这里主要指Internet)之间传输。

③ DDN专线接入传输质量高，通信速率可根据用户需要在N×64kb/s(N=1～32)范围内选择，网络时间延迟小。

④ DDN专线信道固定分配，充分保证了通信的可靠性，保证用户使用的带宽不受其他客户影响。

⑤ 对称性。数据上行速度与下行速度相同。

⑥ 费用高。

5 银行与数据管理中心的数据传递

由于银行与数据管理中心之间的数据传递量大，对安全性和传输速度也有较高的要求，因此通常采用DDN专线方式。

6 各类用户自动抄表模式

各类用户自动抄表模式见图3～6。

6.1 居民用户

特点：用户数量大，单个用户的用气量少。普通居民用户数量十分庞大，集中分布，其耗气量不超过4m³/h。带有壁挂炉的高档住宅或别墅分布较分散，其耗气量不超过10m³/h。

① 无局域网的居民用户

根据其特点，建议采用图3所示的自动抄表模式。

② 有局域网或有线宽带的居民用户

根据其特点，建议采用图4所示的自动抄表模式。

6.2 商业、采暖用户

特点：商业用户主要包括酒店、餐厅等，常年用气，用户分散，流量通常在500m³/h以下。采暖、制冷用户主要是季节性用气大户，而且在采暖、制冷期实行不同的燃气价格机制，流量通常为500～5000m³/h。此类用户的数量比居民用户少得多，但用气量却远大于居民用户。建议采用图5所示的自动抄表模式。

6.3 集中供热、发电、工业等大用户

特点：集中供热、发电、工业用户一般用气量很大，用户数量少，其设备是否能安全可靠运行关系重大，流量通常在5000m³/h以上，而且用气有一定的规律，资金充足。建议采用图6所示的自动抄表模式。

参考文献：

[1] 姜开山，胡波，马立元，等.GPRS远程抄表系统应用实践[M].北京：中国电力出版社，2007.

(本文作者：张涛北京市公用事业科学研究所北京 100011)