城市供水行業物聯網設備通信淺析

張 超

（1.匯中儀表股份有限公司，河北 唐山 063020；2.河北省超聲測試計量儀器技術創新中心，河北 唐山 063020）

0 引 言

城市供水行業關系著城市布局規劃體系和城市化進程，關系著百姓民生和智慧城市建設，是考慮用水安全和用水健康的重要行業，是國家重要的基礎設施行業，地位十分重要[1-3]。然而我國水資源并不充沛，地區差異大，如何合理分配水資源、降低漏損、節約用水，對我國“雙碳”目標的實現和產業高質量發展具有重大意義。

隨著NB-IoT、4G-CAT.1 等各種物聯網通信技術的發展，2G-GPRS、3G 等傳統通信技術逐步退出歷史舞臺。以往依靠人工抄讀設備或少部分產品通過采集器或集中器抄讀設備的時代一去不復返，城市供水行業老設備逐步被支持遠程抄讀和控制的設備取代，物聯網通信領域呈現百花齊放的狀況[4-6]。依靠電子零部件進行測量的設備，搭載前沿通信技術，變成能遠程的智能設備；依靠機械零部件進行測量的各種設備，通過各類電子轉換器，搖身變成能遠傳的智能設備[7-9]。各級自來水公司也把遠程抄表及控制作為招標標配。另外，各級自來水公司也對水司內設備通信協議提出了統一要求，通過采購或建設統一的業務系統、規定系統內所有設備的協議標準等方式，要求系統內通信機制和協議統一，方便日后各供應商產品可以無感替換和實現供水數據安全。但該局面導致供應商需要不斷定制特殊產品來滿足自來水公司的各種要求，極大地增加了各供應商的開發成本，而且受限于供貨周期和各級自來水公司對通信技術的了解，對整個系統的設備穩定性也提出了挑戰[10-11]。目前急需行業通信統一，使全國上下一盤棋，提高系統的穩定性，也讓行業有更多精力放在智能化預警、智能化診斷等大數據智能功能挖掘和物聯網安全方面，提升行業管理能力和安全性，降低管理成本[12]。

1 城市供水行業工況及設備

1.1 供水管網監控

隨著管網新建和管網改造的進行，管網建設規模已越來越大。近來年，隨著4G、NB-IoT 等物聯網相關通信技術的迅猛發展，使得實現城市供水統一調度、供水分析、分區診斷、漏損分析、管網漏失分析、計量損失分析、水量平衡等成為現實。城市供水管網呈環狀，自來水公司可以將管網按區域層級分別統計分區供水量、漏損量、漏損率、漏失量、漏失率，更科學合理地分配人力物力，降低漏損率和漏失率，有效降低產銷差，實現節能降耗、提質增效。

供水管網監控的主要方法是分區計量和使用管網GIS 地圖。分區計量是將供水管網按區域進行劃分，形成供水獨立計量區（DMA），實時監控流量和壓力的變化，及時預警并發現管網供水異常，輔助漏損查找、漏失分析和維護區域水利平衡，有效降低管網漏損率和漏失率，減少產銷差。供水調度人員只需在管網監控大屏前，就可一覽整個區域管網的情況，實現科學指揮，保障供水壓力平衡，及時發現和預測爆管事故。結合管網GIS 還可以實現管網數據的動態化監管以及漏損管理控制。

供水管網分區計量主要應用設備有流量計、水表、壓力計、閥門、水質儀、采集器等設備，對這些設備的要求是數據采集密度高、上報周期短、數據量大，并且可以智能識別故障、及時進行預警和報警，也能遠程實時控制，及時對供水量、用水量進行補償，滿足供需平衡。通過對海量數據進行分析，做到事故前提前預警進行防范；事故中快速遠程初步控制，鎖定位置，加快現場處理。通過漏損分析、供水分析、管網漏失分析、計量損失分析、水量平衡等，提升對管網管理的效率，從而提高供水效益，節約水資源，保證供水安全。

1.2 社區供水

社區用水管理主要是監控和分析小區的用水情況、實施計費管理。通過控制閥控水表進行欠費控制，交費后立即恢復供水。對高齡獨居老人長時間沒有用水的情況進行告警，提醒社區及時關注老人情況，讓老人及時獲得幫助。監測到家中漏水或爆管，可將報警情況直接通過微信小程序推送給用戶，提醒用戶及時查找漏點，減少用戶損失。用心用情辦好民生實事，讓惠民利民舉措更加精準有效。

社區用水主要應用設備有水表、閥控水表、壓力計等設備，對這些設備一般要求上報周期為24 小時，包含全天每小時數據，設備電池供電，壽命6 年以上，抄見率90%以上。

2 城市供水行業通信特點

2.1 設備通信網絡特點

隨著2G、3G 逐步退出，4G-CAT.1 和NB-IoT 成為主流的物聯網通信技術，擔當起萬物互聯的大任。

4G-CAT.1 是4G 通信LTE 網絡下用戶終端類別的一個標準，無需對基站進行任何升級，SIM 卡及業務套餐也無需任何改變，可以無縫接入現有LTE 網絡當中，網絡覆蓋成本低。經過系統優化后，模組的硬件架構更簡單，集成度更高，外圍硬件成本更低，模組價格在30 元以內，成本優勢明顯，當前聯通公司正積極布局CAT.1 的PSM 應用，致力于進一步降低模組功耗。在城市供水行業4G-CAT.1 技術主要被應用于數據量大、上報密集、需要實時控制的設備，管網監控中使用較多。常見一個管道井中使用一臺采集器抄讀并控制本井內的流量計、水表、壓力、閥門、水質、液位等。

NB-IoT 是IoT 領域的一個新興技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被叫作低功耗廣域網（LPWAN）。NB-IoT 技術的特點就是深覆蓋、廣連接、低功耗。NB-IoT的這些特點與需要長期休眠、偶爾工作的設備完美契合[13-14]。隨著NB-IoT 設備接入的越來越多，也出現了一些問題。第一，雖然相比現有的LTE 網絡覆蓋深20 dB，但地下室等場景信號仍然不佳，原有LTE 網絡可通過增加室分天線的方式增強信號，但當前的NB-IoT 網絡沒有室分天線。電信公司從2023 年下半年開始實施B3（1 800 MHz）的NB-IoT 頻段，該頻段可通過增加室分天線解決信號問題。第二，NB-IoT的廣連接是基于設備長時休眠、短時連接來實現的，因此要特別注意設備必須要隨機離散接入，嚴禁把NB-IoT 設備做成長連接。當前NB-IoT 網絡中就出現了一些“流氓數據”，占死基站，造成其他設備因網絡擁擠而連接交互失敗。若出現設備整體上報率不高的情況，可聯系運營商監控NB-IoT話務信息，停止“流氓數據”接入。第三，NB-IoT 的低功耗是依靠短時通信和多種節電技術實現的，因此想要實現低功耗，需要近可能縮短連接交互時間。節電技術包括PSM、DRX、eDRX。其中，PSM 節電技術在信號覆蓋較差、上報周期長的情況下，節電效果較為明顯。eDRX 技術主要應用于對下行控制延時有需求的設備，延時最小可達到2.56 s，但由于運營商網絡配置未開啟或時間同步等問題，應用較少。在城市供水行業，NB-IoT 技術主要被應用于數據量小、上報周期長、不需要實時控制的設備，社區供水中使用較多。常見每戶水表或社區入口的大口徑水表中都會搭載NB-IoT模塊，實現遠程抄表。

2.2 平臺應用及通信協議現狀

各自來水公司大部分已建立自己的業務系統平臺，該平臺的搭建一般是軟件公司依據自來水公司的需求從原有系統平臺開發改造完成。業務系統平臺分為兩種情況：一種是水司要求統一系統各層協議，業務平臺只支持一種協議；另一種是業務系統平臺對接各廠家協議，使各廠家數據展示在平臺上。當前第一種情況基本形成主流，主要優勢是自來水公司可做到無感替換設備，帶來的風險是定制協議涉及各廠家改造設備，且一般時間緊急，系統穩定性會降低。

第三方平臺也是目前主流的平臺形式，國內使用的主要有中國電信Ocean Connect、中國移動物聯網開放平臺OneNET、中國電信天翼物聯網CTWing、中國聯通雁飛格物dmp 設備管理平臺、雄安IoT 平臺，供水行業一般將這些平臺作為中間平臺使用。微軟云、阿里云等云平臺，國內使用較少，國外用戶使用較多。這些平臺支持很多種底層協議，比如TCP、UDP、LWM2M、MQTT、HTTP 等。電信的NB-IoT 網絡比較特殊，除特殊場景開通定向IP 外，需使用中國電信平臺作為中間平臺；其他可使用中間平臺，也可直接將設備接到業務系統平臺。使用中間平臺的優勢是中間平臺支持海量接入，處理了設備并發，對業務系統平臺的并發要求降低，設備上線率更有保障，并且安全性也更好。中國電信Ocean Connect 不再支持新設備接入，后續設備需接入中國電信CTWing，中國電信支持幫助用戶將Ocean Connect平臺設備通過IP 映射方式無感遷到CTWing 平臺。雄安IoT平臺是將雄安新區的所有智能設備接入該平臺，打造智能化城市，雄安IoT 平臺是中國智能化城市的一次新的嘗試。

國內各自來水公司從2020 年開始，逐步進入了自來水公司統一系統協議的時代。各家因水平有限，統一的系統協議良莠不齊，但對比國外和其他行業來說，即使協議編寫較好的，也仍有很大差距。以電力行業來說，一般遵循《電測量數據交換DLMS-COSEM 組件》（GB/T 17215），該國家標準與IEC 62056 系列標準等同。該標準致力于滿足多種設備系統的兼容性、獨立性、擴展性，擁有良好的系統互聯性和互操作性，而且通信協議安全性內容較為完整，是迄今為止較為完善的計量儀表通信協議標準。國外水表行業也有很多使用DLMS 協議進行通信的。以水利行業來說，一般統一到水資源規約，該規約雖然統一了協議，但在協議安全性方面投入較少，對當前越來越要求數據安全的需求，有些不契合。城市供水行業亟需歸總到幾款協議，甚至能實現四表集抄協議一致，可以多參考國外一些引用較為廣泛的具有互操作性的協議，構建適合中國的四表集抄協議。

2.3 安全需求

當前是一個萬物互聯的時代，物聯網設備數量高速增加，預估2025 年全球物聯網設備數量將達到250 億，因此物聯網也面臨巨大的安全威脅。與互聯網的安全風險不同的是，物聯網除面臨信息資料泄露的風險，還面臨影響設備安全運行和人身安全的風險。當前，物聯網系統在安全防護方面的能力分布不均，呈現“重平臺、輕終端”的態勢。供水行業的設備往往處于無人值守的環境中，缺少了人對設備的有效監控，防護能力普遍較弱，是系統安全的薄弱環節。各廠商重視追求新功能，而對設備安全的重視不足。一是缺乏安全意識和人才；二是成本壓力大，造成安全保障方面的投入嚴重不足；三是尚缺乏完善的安全標準體系和成熟的安全解決方案。關注終端接入安全能力構建，提供身份認證、通道加密、數據加密等多種安全保障能力，從安全SIM、芯片、模組入手，多方聯動，打造終端接入安全生態圈，將成為促進物聯網終端安全發展的一大方向。

在身份認證方面、信息通信以及存儲方面需要提升安全性能。隨著國家密碼法的推行實施，密碼算法均需采用符合國家密碼管理局規定的算法。此外，安全芯片等密碼產品也需獲得國家密碼管理局辦法的資質證書后才能投入使用。中國電信CTWing、中國移動OneNET、阿里、騰訊等各平臺先后推出基于國密算法的產品，三大運營商也提供安全SIM卡產品，為客戶提供終端接入安全服務。

近年來，國家對物聯網安全越發重視，已針對公安行業、燃氣行業、公共安全視頻監控、遠程人臉識別的安全做出要求。各自來水公司也開始重視物聯網安全問題，因此設備安全將成為未來城市供水行業的主要研究方向。

3 結 語

NB-IoT 網絡、4G-CAT.1 技術將在很長一段時間內占據城市供水行業設備通信領域的主流地位。平臺、協議多樣化的狀態仍會持續一段時間，未來將會逐步統一，形成四表集抄。供水行業將在設備安全上開始發力，逐步提升在身份認證方面、信息通信以及存儲等方面的安全性能。