燃气行业智能表计白皮书

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芯昇科技有限公司 燃气行业智能表计白皮书 2024年8月 目录 引言1 一、智能燃气表发展概述3 1.1智能燃气表发展历程3 1.2智能燃气表市场规模5 1.3智能燃气表面临的挑战和机遇9 二、智能燃气表核心能力11 2.1核心能力概述11 2.2核心能力分析12 三、智能燃气表解决方案17 3.1智能燃气表系统架构17 3.2硬件功能设计18 3.3软件功能设计19 3.4结构设计20 3.5环境适应性设计21 3.6抗干扰性设计21 3.7测试性设计22 3.8安全性设计24 3.9可靠性设计25 四、智能燃气表典型应用26 4.1智能燃气表应用场景26 4.2智能燃气表应用价值31 4.3智能燃气表应用实践33 五、智能燃气表发展趋势及展望37 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 1 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。 2 一、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 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 3 1.1.1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。 1.1.2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 4 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。 1.1.3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。 1.1.4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 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 5 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。 1.2.1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%。 1.2.2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 6 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22017-2022年中国智能燃气表需求量统计 7 1.2.3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32017-2022年中国城市天然气的用气人口统计 8 图42017-2022年中国智能天然气表观消费量统计 传燃气表和无线远传燃气表在数 1.3智能燃气表面临的挑战和机遇 1.3.1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 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。 1.3.2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 9 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。 1.3.3燃气终端用气安全管理难度大 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。 10 二、智能燃气表核心能力 2.1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