民用燃气智能抄表系统可行性研究

 引言
任何新技术，尤其应用性新技术，能否在实际推广中取得较好的成效，不单单取决于技术的先进程度，更多的取决于“适用“程度。技术如此，产品更是如此，以具有百年历史的膜式燃气表为例，从诞生到现在，橡胶膜取代了羊皮膜，工程塑料件取代了部分金属件，但原理和结构基本没有发生变化，并非没有其他技术或者产品可以取代膜式表，而是“适用”造就了如此长的产品寿命周期。燃气使用虽为居民生活所必须，但消耗量并不大，消费额也不高，所以其适用的计量器具应兼具低造价和高可靠性，膜式燃气表正是具有这两大特性才得以延续百年的“荣光”！
然而，随着社会生活的进步，信息化、智能化建筑的大量涌现，膜式表在一些方面尤其是使用数据的收集方面明显落后。智能化的设备设施配合着智能物业管理使得各类信息的产生、获得、传递和使用逐步变得异常方便和可靠。膜式表由于纯机械结构不能直接产生电信号，成为信息化通道中的盲点，需要加装各类转换装置才能获得计量信息。目前大量采用的普通膜式表，均采用人工逐户抄表的方式，抄表时段无法保证用户家中有人，抄表效率低下。同时随着智能小区的大量涌现和用户对生活私密性要求的提高，也不希望抄表人员入户抄表，所以建立自动化抄表系统就有了现实的需要。
燃气虽为居民生活所必须，但由于具有易燃易爆的特性而成为一个特殊商品，在生产、输送和使用过程中有着严格的规定，燃气供应企业除承担连续稳定供气的企业责任外，还承担社会安全的巨大责任，因为一旦发生燃气事故，会给用户的生命财产安全带来巨大伤害！而目前户内燃气管系除手动阀外并无其他控制手段，如果能够增加一些“管控”功能会给安全管理带来益处。
因此，自动化抄表系统的建立顺应社会经济的发展，同时兼顾了“抄”与“控”的双重功能。
1 燃气民用户智能抄表系统建设的可行性研究
燃气民用户智能抄表系统的运行过程主要包含计量信息的获取和计量信息的传输，下面就这两步骤从技术的先进性、工程的可靠性和造价的合理性探讨建立远程智能抄表系统的可行性。
1.1 计量信息的获取 普通民用户的燃气使用处于低压小流量状态，给计量工作带来较大困扰，膜式表正是适应这一特性才得以沿用至今。但膜式表采用纯机械结构，体积大且不能直接输出电子信号，在信息化时代已显得力不从心。近年来一些采用先进技术的新型电子燃气表开始崭露头角，如果长期可靠性得到逐步验证，取代具有百年历史的膜式表将是大势所趋。
1.1.1 膜式表 膜式表为容积式仪表，不能进行温压补偿，造价低廉，需要进行信号转换。计量信号的转换可采用脉冲式或者直读式，脉冲信号的产生可分为干簧管、霍尔元件和光电元件等方式，其中干簧管以低廉的价格、较高的可靠性应用最多。脉冲式最大的缺点在于需要连续供电和累积脉冲与计数字轮不符。直读式是通过在计数字轮上采用适当的编码技术，通过光电系统对这些编码进行识别，所见即所读，只有需要读表时才供电工作，克服了脉冲式抄表需要连续供电和累进误差的缺点。
1.1.2 超声波表 超声波表为速度型仪表，已经大量应用于大型高端计量系统，民用表进入试用阶段，造价较高。最大的技术障碍在于民用户使用时的流体处在小通径、低流速和低压力状态，超声波测量信号产生的畸变量很小，为满足测量精度和量程的需要，超声波器件需要极高的稳定性和准确性，这还需依赖相关技术的进步或突破。超声波表同样不具备温压补偿能力，如需补偿，需要增加温压传感器和处理电路，进一步增加造价，降低超声波表的经济性。
1.1.3 质量流量计 质量流量计为量热式仪表，已经开始应用于商业计量，民用表进入试用前期，造价适中。量热式仪表的结构和原理极为简单，对于一个固定热源而言，流过气体带走的热量与流过的气体质量流量成对应关系，测得热量损失即测得流过气体的量值。这类仪表得到突破得益于微机电技术（MEMS）的成熟和发展，MEMS计量器件采用大规模集成电路制造技术，将各类传感器以微小尺寸集成于芯片之上，甚至可以将处理电路集成在一起，再封装成类似大规模集成电路的完整器件，具有功耗低、灵敏度高和稳定性好等优点。目前MEMS器件可测气体流速已低至0.01米/秒，完全满足民用户的计量需求，同时由于气体温压效应直接反应在气体密度上，这类仪表具有自行补偿能力，未来可能成为民用表的发展方向。
综上所述，在目前的技术条件下，选用造价低廉、性能可靠的膜式表与直读计数器的组合用作计量信息的获取是较为可行的方案。
1.2 计量信息的传输 信息的自动化传输，从传输通道上可选有线系统或者无线系统，从通道性质上可选自建或者借用。
1.2.1 有线抄表系统 传统的有线抄表采用一表一线，分别接入采集器的方式，系统复杂，施工不便，造价较高，降低了系统的可用度。随着总线技术的进步，现在的有线抄表系统都采用总线制，使用一条四芯线或者两芯线，配合带内置阀门的燃气表，可以非常稳定可靠的获取抄表信息和实现对阀门的控制。由于线数仅为一条，线型仅为两芯或四芯，布线方便，造价低廉。尤其新建住房，如能通过统一设计、统一施工，将抄表线系与住宅弱电系统同步完成的，更是得到了最为稳定可靠的“物理通道”，无论以后表具转型或者“抄控”方式调整，都便于实现。
1.2.2 无线抄表系统 无线系统理论上最大的优势是方便，可以不受环境的制约，但在实际操作中却受多种制约。首先国家对用于民用短距离数据传输的无线电频率和发射功率有着严格的规定，同频设备必然引发干扰，同时较小的发射功率也造成传输距离极为有限，表具位置不当或者房间结构影响都会严重削弱传输效果，虽说可以采用中继或者接力的方式进行数据传导，但简单的技术叠加会造成系统的复杂性升高，失去的是系统的稳定性和可靠性。其次是家用表无法承受高昂的造价，无线系统技术复杂，元器件数量多、要求高，为控制造价，势必降低元器件的标准，造成的后果则会使诸如发射频率漂移和发射功率下降等弊端，且很难得到克服。因此无线表虽有一定热度，介入的厂家和试用的地方不少，但真正获得成功的案例还很少！系统“丢表”、“掉表”、“死表”、“控制失败”现象时有发生，整体抄见率和系统可用度难以达到很高的水平。
无论选用哪种抄表系统，传输通道都可以选择自建或借用，有线抄表通道可以借用电力载波、有线通讯运营商的有线线路等，无线抄表通道可以借用无线通讯运营商的无线网络等，从技术层面这些方案均为可行，但在实际应用中却因为技术平台的不同和使用费用的关系难以实现。以有线网络技术或无线网络技术为例，数据传输的实时性和可靠性毋庸置疑，但如果数量巨大的家用表都采用此技术，网络运行费用将达到难以承受的程度。
综上所述，采用简单可靠的总线制有线抄表系统实现家用表的数据集结和管理控制是切实可行的技术方案。无线系统还需假以时日，有待进一步完善。
2 民用建筑智能抄表方案的构建
抄表系统的理想状态是全覆盖的实时抄见和管控，现有的技术条件完全可以实现，但面对基数巨大的民用表，庞大的传输网络带来的高额建设成本和运行费用使得这一方案不具备可行性，只能用于输配管网的关键节点和用气量较大的工商业用户。对于用气量不大的民用户而言，根据实际情况，选用一种或者一种以上的技术方案，针对目前城市常见民用建筑类型合理地构建抄表系统是最为科学合理的选择。不能盲目求“大”求“全”，应该选择适当“量”的用户构建一个个“小”的抄表系统，再把小系统的抄表信息汇集到一个个信息节点，在节点处采用技术手段实现信息的采集传输和管理控制。为此，我们根据目前住宅物业建设情况针对性的构建智能抄表方案。
2.1 新建多层、高层住宅——构建有线抄表系统 这类住宅是目前国内新建住宅的主流，用户密度很高，尤其高层住宅，选用总线制有线抄表系统最为经济和可靠。目前的总线技术允许单根总线长度超过两公里，可以根据楼层数、用户数和楼间距灵活选取以单元、整栋或者几栋为一条总线，所有燃气表汇接在一条总线之上，在合适位置设置数据采集点，采用手持抄表机完成连续抄表和对表内阀门的控制，或者采用自动采集传输设备实现自动抄表。抄表总线最好纳入住宅弱电系统，采用与整体建筑同步设计、同步施工的方式，在挂表位置预设接口，用户挂表开栓时将燃气表接入总线即可，整个系统简单明了，高效可靠。
2.2 新建低密度住宅——构建无线抄表 低层、排屋、别墅类住宅由于占地多，楼间距大，用户密度低，自然遮蔽少，挂表位置普遍较好，甚至可以采用户外挂表，非常利于无线电信号的传输，且这类用户经济承受力较强，可以采用较为高端可靠的无线抄表系统。
2.3 换表及改造——因地制宜，有线优先 由于燃气表有使用年限和强制更换的规定，户内管有时也会因某些原因进行改造，这种情形下也是选用有线抄表系统较为合适。换表用户的住宅使用年限较长，户内情况复杂，在户内或者户外合适位置布设抄表总线的可能性较大，能够以最低的成本实现抄表出户。如果是户内管改造，在层高不大的情况下可以采用户外集中挂表，使用有线系统更为便捷。如果只能在户内安装，可以在改造过程中同步布设抄表总线。详见图1、图2。
3 总结
计量器具电子化、抄表系统自动化是信息技术发展的必然，也是燃气行业必须跨越的技术进步，燃气行业在加大新技术试验的同时，应科学稳妥的进行方案的实际应用，从系统的可靠性、经济性、先进性等多个层面综合考量，实证分析，修正、完善地开展产品研发。从而脚踏实地、严谨客观、因地制宜地推进新技术新产品的应用，真正促进燃气行业的健康发展。