摘要：随着智慧水务建设的推进，智能水表行业得到了进一步的发展。本文就是对智能水表AMR系统相关构成和技术特点进行概述，同时面对当前行业的需求，对AMR系统的技术发展进行分析。
前言
随着智慧水务建设的不断推动，传统的人工抄表走向智能远传抄表的步伐约来越快，智能水表行业也迎来了快速发展的春天，伴随技术可靠性提升的成本降低，适应未来大数据管理和智能化应用的优势愈发明显于传统的人工抄表模式。供水企业在实际推动智能水表AMR系统建设过程中，对于AMR系统的质量、稳定性、数据以及通信方式等的标准化等方面也不断提出更高的要求。
1 智能水表AMR系统的构成
AMR（Automatic Meter Reading，即自动抄表）是指采用通讯和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据。AMR最早概念来自于电表数据集抄，现在已经向气、水、热等表计集抄迈进，行业应用系统虽有差异，但总体设计与建设思路是相似的。当前国家正在基于电表集抄的标准，制定适用于电、气、水、热四表集抄的标准。
AMR系统主要构成为：现场智能远传功能水表（水量数据计量），通讯模块（有线、无线）采集，集中器（天线无线发送），无线频段公网和抄表软件端等。
1.1智能远传水表
智能水表作为AMR系统的感知层设备，是基于准确的计量能力，根据不同计量原理、不同信号采集累加，以及不同数据传输方式，实现水表数据采集、传输、存储的机电一体化新型智能化电子产品。根据计量原理不同，分为机械（加装远传模块）、电磁、超声波水表。根据应用需求不同，分为IC阀控水表、远传水表（有线、无线）、云水表等。
1、IC阀控水表研制开发较早，主要满足“先缴费再用水”的水务收费模式需要。上市至今主要在北方部分的自来水公司应用，由于电子技术、电池技术等问题，造成质量水平不高、可靠性差，因此并没有大规模展开，实际投入市场应用较少。
2、远传水表随有线、无线数据远传技术发展而研制，通过AMR集抄系统软件满足远程抄表的需求。根据远传模块与基础水表的产品集成方式，分为分离组合式、成套一体式等；根据数据传输类型，分为光电输送、脉冲输送等有线传输模式，以及GPRS、3G等无线传输模式，基于相应的通讯协议，实现数据远程采集。
3、云水表是新一代物联网产品，目前主要在一体式远传水表基础上，基于云系统，对数据进行云存储和大数据处理，并可通过云平台对管网执行机构进行控制。
1.2数据传输系统
数据采集分为有线和无线两种模式：
1、水表与数据采集终端通过有线通讯方式相连；数据采集终端与主站软件一般通过无线（GPRS/CDMA）方式相连。
2、水表利用无线M-BUS（主要包括868MHz，433MHZ，169MHz)发讯，与无线数据采集终端相连，再由其与主站软件一般通过无线（GPRS/CDMA）方式相连。
国外AMR系统，大范围分布式仪表与网络节点采用的是VHF技术，VHF即是高频，是指频带由30Mhz到300MHz的无线电电波，波长范围为1m～10m。再通过紧凑型低功耗的RF模块，杆式天线收发信号和GPRS协议实现多重网络节点下大范围、长距离的集中抄读。楼宇内表与集中器间采用特高频UHF无线电波技术频率为300～3000MHz，波长在1m～1dm之间。这两者主要源于信号不同所局限不同传输距离的限制。是物联网与大数据在公用事业领域的初期建设。国外AMR系统主要使用的表计多为主流厂家如代傲、埃创、阿拉德等，水表作为现场终端采集的基础仪器，其质量是AMR系统可靠性的基本保障。
在国内大多运用的是即插即用的UHF信号发生器，并用UHF/GPRS网关实现集中采集收发，然后通过公用网络（如中国移动）进行大范围抄录数据，从而实现AMR自动抄收。国内AMR系统主要是楼宇内的近距离集抄。M-BUS总线协议是目前国内水表集抄网络的结构主流。
1.3客户端软件
智能水表AMR系统供应商通常会基于NT技术建立自有的终端管理系统，对采集到的数据进行统一存储和管理，客户端部署软件供客户查询相关用水记录、报警和统计结果等基础信息；也有公司开发了手机端的APP更便于用户查询使用。而随着物联网快速发展，供水企业日益认识到数据的重要性和未来的分析应用价值，会要求供应商把终端表计采集的数据直接接入自有的存储服务器，并对数据安全、数据质量、表计质量管理、数据统计分析功能等提出更高的要求。
2 智能水表AMR系统特点
（1）自动获取用水量信息、故障诊断信息、状态信息等，并集中安全存储。
（2）自动计量，无需人工抄读、节约人工抄表成本。
（3）计量表出现问题时，实施自动报警。
（4）实时收集和发送数据信息并可自定义数据上传时间。
（5）计量准确，避免数据丢失。
（6）支持数据统计和分析。
（7）有助于及时发现表观漏损、非法用水等，提高水务运营效益
3 AMR供水管理系统的发展
3.1 行业新需求
（1）实现表计物联
通过改造表计通讯部分，实现接入物联网的功能。新的通信模块与原有表计相融合，安装方面考虑分体式、整体式两种结合方案。配合新的通讯网络协议制定相应的测试规范，要符合水表的标准。可以参照《CJ/T 242-2012 电子远传水表》。
（2）实现无人抄表
针对水表安装位置的不同现场环境，皆能满足数据的正确读取，需要重点测试多场景下的通讯能力。可以参照《CJ-T188-2004_户用计量仪表数据传输技术条件》和《G/T 162-2009 住宅远传抄表系统》。
（3）实现大数据存储应用
表计本身要考虑一定的本地存储能力，并在数据类型、存放格式、上传频率、与数据调用平台的交互方式等方面完善丰富功能，配合智慧水务对于终端表计数据采集、存储、分析、应用以及仪表设备定期维护等的要求。
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（4）实现供水企业的发展目标
智能水表在新形式下的发展应用最终要符合供水企业的发展战略，虽然目前情况下，传统的人工抄表的单就管理方便易行和低端抄表工作成本而言较远传集抄仍具优势，但在水务行业经济效益与管理增益双提高的诉求下，效率提升和大数据服务于企业运维改善的要求，显然不是仅仅抄表这一单一环节的成本进行比较的问题。
上海城投水务集团于2016年底招标安装了10万块不同类型和传输方式（光电只读式、拍照式、有线、无线等）的远程智能水表。由于十几家水表厂商的设备和设备底层嵌入程序、以及数据类型、存储格式、通信协议等方面各不相同，水务集团建设了自有的智能表计平台，对不同供应商AMR系统的时钟同步、数据采集和存储管理、上传频率、使用电池的表计具备低压报警功能等提出了标准化的要求。各家智能水表厂商原则上不再存储客户数据，水务集团利用Hadoop技术开发的大数据管理平台,对AMR系统上传实时数据进行有效存储，并通过开发数据上传率、抄读准确率、水表故障率等的考核指标用于表计质量和厂家服务水平等的综合评估。2017年内基于远传用户表的实时数据进行集中开账，真正告别传统的人工两个月抄表、月中不同时间陆续开账收费的模式。可以看到，基于物联网的AMR系统最终会在水务用户实践过程中不断走向标准化的整合和集约化的管理，从商务和技术上都提出更高的要求，这对于水表厂家、通讯模块厂家、网络运营商等都是来自需求端的推动力量。
3.2三表集抄
2016年5月，国网上海市电力公司与上海燃气集团有限公司、上海城投水务（集团）有限公司共同签署了上海市电、气、水“三表集抄”智能化应用战略合作协议，拟共同推进居民小区水、电、气计量表计数据一体化采集及运营项目试点，使居民足不出户即可实时查询水、电、气抄表数据并按账单交费。上海成为国内首个开展“三表集抄”城市试点。
鉴于电表基本上完全实现了远程抄表，本着通道共享、设备共享的“三表集抄”工作，即是在每个客户的单元电表箱内加装接口协议转换器，将不同通信接口的水、气表数据采集后上传至电力集中器，利用已有的电力载波和用电信息采集系统将数据传送至后台数据库服务器。然后实现同一用户的统一开账收费。
实现“三表集抄”首先要实现电表、水表、气表从传统表计到远传表的升级改造，并就统一数据采集上传，协定通信规约和接口协议，支持数据统一传到电力系统的数据平台。后续统一开账、费用结算措施，数据质量维护、表计定期更换和故障维修等的工作组织，建立规范统一的通信、建设、验收、应用等的适用标准，需要三家企业进一步商榷规范的。三表集抄未来实现到哪一步，还有待试点项目的成果和市场进一步验证。
3.3发展趋势
3.3.1 华为NB-IOT技术
华为NB-IOT即是物联网通讯方式，是由配备物联网通讯机模组的远传水表、服务器通过运营商无线物联网方式连接起来的网络系统，通过运行抄表系统软件，实现自动抄表。
NB-IOT（Narrow Band Internet of Things）是窄带物联网，构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWA)。包括高通、沃达丰、中国移动、中国联通、Bell等主流运营商、芯片商及设备系统产业链上下游均已加入了NB—IoT的阵营。
NB-IoT在物联网应用中的优势显著，为传统蜂窝网技术及蓝牙、Wi-Fi等短距离传输技术所无法比拟。
（1）覆盖更广，在同样的频段下，NB-IOT比现有网络增益20dB，覆盖面积扩大100倍。
（2）对海量连接的支撑能力，NB-IOT一个扇区能够支持10万个连接。目前全球有约500万个物理站点，假设全部部署NB-IOT、那么可以接入的物联网终端数将高达4500亿个。
（3）NB-IOT的功耗更低，仅为2G的1/10，终端模块待机工作时间支持十年以上，无需充电。
（4）成本更低，模组的成本有望降至5美元之内。未来随着市场发展带来的规模效应和技术演进，功耗和成本还有望进一步降低。
（5）支持大数据采集和应用，通过NB-IoT网络连接所收集的数据可以直接上传云端，而蓝牙、Wi-Fi等技术则无此便利。
智能水表物联网应用成为NB-IOT重点关注并计划商用布局的市场。据悉，上海联通在2017年初即完成了基站等基础设施的改造，并且与几家水表供应商展开试点NB-IoT的表计生产，由于符合华为要求的模组生产企业不多，在没有明确的用户订单，难以很快实现规模化量产从而降低模块成本，相对影响了NB-I0T智能水表项目的进程。2017年上海城投水务集团拟在杨浦区选择部分小区进行NB-IoT智能水表系统的试点应用。而中国移动在深圳的NB-IOT推动更富成效，深圳水务集团已经开始市场上公开邀请NB-IoT智能水表厂家参与产品评测。
3.3.2 LoRa技术
LoRa是一种专用于无线电扩频调制与解调的技术，采用1GHz以下的通信载波，实现了超低功耗，超远距离的通讯。把频谱扩展通信技术与GFSK调制技术融合，使得网络中的不同终端只要使用不同的扩频序列，即使使用一样的频率同时发送数据也不会相互干扰。
LoRa作为一种新兴的Sub-1G无线通信技术。与普通的小无线相比，它功耗更低，通信距离更远，通信可靠性更好。与GSM, CDMA等长距离的无线通信技术相比，其通信网络的复杂度和成本都极低，缺点就是通信速率比较低。
LoRa的技术特点归纳于以下六点:
①使用扩频技术，抗噪能力强。
②使用前向纠错技术，增强数据可靠性。
③数据传输速率低。
④功耗低。
⑤成本低。
⑥网络容量大。
目前，上海的试点应用是利用东方明珠无线数字广播网频谱段498MHZ-800MHZ，在500MHZ,700MHZ频段开发开放给物联网络，主要在网络配置、频段授权上满足应用。
3.2.3 其他技术
目前在国内除了前述的市场主流方向外，SUEZ集团主推的是UHF、VHF相结合的AMI系统（Advanced Metering Infrastructure），即是基于固定网络的远程抄表系统，在国外已经应用于165万在线智能表计的数据采集和分析服务。产品频段主要集中在国内外免许可的ISM频段：169/433/470/868/915 MHz和2.4G。无线通信协议可运行在多种频率的无线载波上，国内外应用的区别，主要在于免费与否及政府许可。Suez的UHF短程集抄系统建立在868MHZ的无线频段上(ZigBee技术协议在欧洲的频段)，采用UHF/GPRS网关，适用于智能建筑内部，最多一个网关支持约100个智能水表的数据采集；而VHF远程集抄系统，建立在169MHZ上，可以适用于城市范围内基于固定网络的远距离集抄。据了解苏伊士在重庆的智能水表AMR系统试点，已经向重庆无线电管理局就169MHZ频段做了申请备案。但鉴于国内无线频段的管理归属于在各个地方城市的相关主管部门，SUEZ拟在国内应用推广，频段的使用许可及可能的费用或许是其首要解决的问题。
结语
随着智慧水务建设的不断推动，传统的人工抄表走向智能远传抄表的步伐越来越快，智能水表行业也迎来了快速发展的春天，伴随技术可靠性提升的成本降低，适应未来大数据管理和智能化应用的优势愈发明显于传统的人工抄表模式。供水企业在实际推动智能水表AMR系统建设过程中，对于AMR系统的质量和稳定性也不断提出更高的要求，这部分直接关系用户民生的大数据挖掘和分析应用也前景可期。
论文作者:熊国锋
论文发表刊物:《科技中国》2017年7期
论文发表时间:2017/10/11
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