NB-IOT智能水表解决方案白皮书.pdf

NB-IOT 智能水表 解决方案 白皮书 中国移动通信集团有限公司 中国移动物联网联盟 2018 年 12 月 1 目录 NB-IOT 智能水表解决方案白皮书 . 0 1. 序言 . 3 2. 行业背景 . 3 2.1 行业痛点 . 3 2.2 行业发展及趋势 . 4 2.3 市场前景 . 6 2.3.1 水务行业市场前景 . 6 2.3.2 智能水表市场前景 . 7 3. 行业解决方案 . 8 3.1 整体解决方案介绍 . 8 3.1.1 终端层 . 8 3.1.2 网络层 . 8 3.1.3 平台层 . 9 3.1.4 应用层 . 10 3.2 水务应用性能指标 . 10 3.3 安全性要求 . 10 4. 业务 功能及流程 . 11 4.1 表计安装 . 11 4.2 表计终端上线 . 12 4.3 周期性业务上报 . 14 2 4.4 用户缴费 . 15 4.5 异常信息处理流程 . 16 5. 方案设计 . 17 5.1 低功耗设计 . 17 5.2 覆盖 &性能 . 18 5.3 错峰离散 . 19 5.4 问题定位 . 19 5.5 FOTA 升级 . 20 5.6 话务模型 . 20 5.7 IoT 应用使能平台 . 21 5.7 连接管理平台 . 22 6. NB-IOT 智慧水务应用价值 . 23 7. 业务场景及商业模式 . 23 7.1 业务场景 . 23 7.2 商务模式 . 25 3 1. 序言 本 文 主要 介绍 NB-IOT在 水务 行业 的 应用， 行业 目前存在的问题，及 NB-IOT技术 为水务 行业带来 了 哪些改 变 ，解决 了 哪些难题 。介绍 了 NB-IOT智慧 水务 整体 解决方案 ，并 对相关 技术 规范 应用、业务功能及流程的 进行 了 设计 与约束 、定义 NB-IoT水 表的基本功能集、实现流程，并提供方案设计建议。 本文主要 目的是 服务于中国移动智慧 水务 相关业务开展 主要有几个作用 ： 1、 约束行业业务的实现 ； 2、 给 水务 行业从业人员、 运营商网络人员 了 解行业发展趋势及相关技术 规 范 ， 如包括配置、安装、升级、性能指标等。 2. 行业背景 “ 十三五 ” 时期（ 2016-2020年）将是我国全面建成小康社会，实现中华民族伟大复兴中国梦的关键时期， 资源、能源 发展面临前所未有的机遇和挑战， 水资源 在我国 资源 中占据重要地位。在国家继续深化改革的政策指引下， 水务 行业的发展环境将发生显著变化 ,水务 行业的不断发展将及大的推动智能 水 表的发展。 当前 ,传统智能 水 表在解决 水务 客户痛点时存在许多问题 ,比如数据传输不稳定、功耗高和抄表成功率低等。而 NB-loT具有高安全、广覆盖、大连接、低功耗和低成本等特点 ,可以较好的解决上述问 题 ,并更好的满足 水务 客户的发展需求。 智能水 表行业作为一个可持续发展的行业，市场前景广阔 。 目前我国正处于传统机械式水 表向 物联网水 表的转换阶段， 物联网水表 凭借其安全性、便捷性、智能性等优点将成为市场上的主流产品。 2.1 行业痛点 近年来城市 水务 取得了巨大的发展 ,但由于城市 水务 业务涉及城市安全、百姓服务 满意、企业自身盈利、区域能源供需平衡等多方挑战 ,水务 企业运营也一直存在诸多管理难题。 抄表难，缺乏快速有效的抄表手段，由于传统工作方式效率低下，后台计费系统往往月末待集中进行计费出账。 4 收费难，缴费难， 水 费回收难，缺乏给用户的便捷缴费通道。传统抄表收费方式是纸质账单分发送达客户后，用户才能到指定营业厅进行缴费，往往很多用户感觉费时费力，因此难以积极主动缴费。 及时性低，抄表、收费在传统人工抄收的模式下，及时性差，非常滞后。抄表收费周期长，对 水务 公司资金运转产生不利影响。 缺乏高效的 供水管网 监测手段，人工排查问题效率低下，实时性差，很多安全 、爆管 问题难以及时发 现。 供水 管网关乎 工商业、居民用水以及水资源充分利用 ，管网腐蚀、漏 水等 ，需通过实时远程监控，及时解决，才能预防与消除 管网隐患 。因此， 水务公司 急需技术手段加强管网压力 、水质 实时监测以及 用户用 水 行为监测，实时对终端异常发出报警，或进行远程关阀控制。 供销差难以控制监测，对于 水务 企业，管网 漏损 是企业收益的一大天敌。管网的物理漏算、表具的计量误差、抄表不及时以及用户 偷水 行为不能及时有效监控带来的输差损失，导致企业损失巨大。 国家出台的阶梯计价等调控节能降耗措施难以实施，为促进 水务 行业健康发展，充分利用价格杠杆调节区域 供需平衡，引导用户 节约用水 。近年来 自来水 价格改革不断深化，非居民用 水 价格不断市场放开，居民用 水 阶梯价也已经在全国多地进行实施落地。随着复杂价格计费，频繁的调价，需要精准的计量依据，传统的管理模式或者产品已经不再适用。 2.2 行业发展及趋势 水务 行业作为一个可持续发展的行业，市场前景广阔 。 目前我国正处于 机械 水 表 、IC卡智能水表 向 物联网水 表的转换阶段， 物联网水 表凭借其安全性、便捷性、智能性等优点将成为市场上的主流产品。 目前中国的 水 表市场存量中，各类智能表具占了 20%30%， 并且在逐年快速增长，其中大部分是 IC 卡预付费 水 表，真正意义的远程自动抄表 水 表比例不高，依照通信作业模式划分，主要有： 5 机械式普 表：机械计量非智能，需要人工入户抄表。 IC 卡表：预付费，单户控制，需要卡片作为介质。 有线远传表：需要提前布线，有线方式连接。 无线远传表：点对点、或者集中抄收、远程控制。 2G 物联网表：基于 GPRS 蜂窝网络、定时抄收、远程控制。 水务公司 在使用智能 水 表过程中，因为数据传输稳定性差、数据安全问题表具功耗大、无线网络覆盖能力弱等问题，一直阻碍了智能抄表的广泛应用，主要体现在： 数据传输 不 稳定、抗干扰性差 目前，许多 水务公司 是通过小无线等技术进行智能 水 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、数据管理水平良莠不齐，数据传输不稳定，安全和可靠性令人担忧。 功耗问题 作为 对防水等级要求很高的水 表，传统智能 水 表的高功耗问题，是 水务公司 迫切需要解决的问题。如需外接电源，将增加沟通成本。如内置电池， 结构设计可更换电池， 则由于功耗大，需更换电池， 还需要考虑防水， 将增加维护成本和管理难度。目前国内民用 水 表强制更换周期为 6 年，许多智能 水 表寿命一致性较差，难以达到业务要求。 网络覆盖问题 目前，国内很多 水表 安装在楼道内、室内或者地下 井 ，安装环境 非常 复杂 、差异很大 。因此对网络要求较高，为保证传输效果往往需要加装信号放大器，但效果不尽人意，造成抄表率不稳定。 多厂家多表具接入问题 水务公司 抄表智能化的需求催生了数量众多的智能表厂，趋于竞争压力，每家厂商的通信协议一般均为私有，而且不断推出新型号的表具和协议版本，每家厂商都提供不同的后台软件，为 水务公司 智能抄表带来更大的隐患。如使用小无线等方式进行数据传输，将难以实现大量智能 水 表数据通讯的统一网络搭建。如采用众多小区域单独管理模式，则将增加企业的管理难度和成本。 另一6 方面，不同供应商生产的智能 水 表通讯方式不统一， 水务公司 在大规模使用智能 水 表时，需耗费大量人力物力财力解决智能表之间的系统互联互通问题。 随着 网络技术的发展 NB-IOT 技术 能 够 很好的解决以上问题， NB-IoT 技术具有低功耗、广深覆盖、低成本、免维护等特点， 应用与智慧 水务 方面，可以高安全、低成本的实现对智能 水 表的流量信息稳定的实时采集、设备状态监测、控制指令下发等远程操作，将采集的 水 表数据和状态信息进行及时分析和处理，从而实现更有针对性、科学性的动态管理，提升智慧 水务 的管理效率和服务水平。 2.3 市场 前景 2.3.1 水务 行业 市场 前景 水务行业包括从原水、供水、节水、排水、污水处理及水资源回收利用的完整产业链，已成为社会进步和经济发展的重要基础性行业。近年来，随着水资源短缺和水环境污染等问题在我国日渐突出，水污染问题已威胁到国家的可持续发展，污水处理更是成为国家生态环境治理政策中的重中之重。 2017年中国水资源量为 28,675亿吨，而中国人均水资源仅为 2059.2吨，只能达到全球平均水平的三分之一，中国水资源分布不均衡。总体而言，中国西南部及华南的水资源较为丰富，该地区的自然水资源相对充足。中国约四分 之一的省份面临严重缺水问题，联合国统计局评定相关省份人均年均淡水资源量少于 500吨。随着城镇化人口增加以及污染情况，用水需求不断增长 ,水资源短缺问题愈发严重。 我国水务行业具有鲜明的地域特征，水务企业进入新地区面临着政策、资金及资质壁垒，不过我国水务行业大都具有国有性质，在新地区、新项目方面具有背景优势。 从分部业务来分析，供水业务包括供水建设、接驳及经营增长，城市供水经营及建设业务是收入增长主要动力，逾 62亿港元，同比增长 25.1%，占总收入 81.8%，贡献净利逾 24亿港元，同比增长 30.1%，主要是受城乡一体化政策影响下接驳费收入提升所致，其中期内接驳收入同比增长逾 35%。 7 居民户用水表 使用期限一般不超过 6 年，需周期性地强制更新替换。因此，不管是从新增用户量来说，还是从存量用户的更新换代来说， 水 表行业作为一个可持续发展的行业，市场前景广阔 。 2.3.2 智能 水 表市场前景 当前，我国水表市场处在 由 普通机械水表 全面向 智能水表 转换的阶段 。目前我国水表保有量超过 3亿台。随着阶梯水价、一户一表制度的深入推行、 6年强制检定所带来的旧水表定期轮换及管网现代化建设的需求， 智能水表在未来的居民生活用水、工业生产用水中起到更大的作用。 2016年，我国智能水表产量为 1,925万台，销售量为 1,907万台，实现销售额约为 43.1亿元， 与 2015年相比， 销售量增长约为18.83%， 销售额增长约为 17.76%，我国智能水表行业增长态势明显。智能水表将保持每年 20%左右的增长速度。 智能远传水表行业市场需求可分为存量 需求和增量需求两部分。存量需求部分是指现有机械水表及预付费水表换装智能远传水表的需求。 2016 年我国年末总人口为 138,271 万人，其中城镇人口为 79,298 万人，乡村人口为 58,973 人。根据国家卫生计生委发布的中国家庭发展报告（ 2015），我国家庭户平均规模为 3.02 人，其中城镇家庭户平均规模为 2.84 人，农村家庭户平均规模为 3.14 人，由此计算，我国城镇家庭约为 27,921.83 万户，农村家庭约为 18,781.21 万户。依据城镇 “ 一户一表 ” 工程的要求，我国城镇共需 27,921.83 万台水表，考虑到我国农村 2015 年自来水普及率为 76%，则农村共需 14,273.72 万台水表，由此计算得出我国共需 42,195.55 万台水表。根据我国冷水水表检定规程的要求，标准口径 25mm 及以下的水表使用期限一般不超过 6 年， 按照每 6 年更新周期估算，每年需要更新约 7,032.59 万台水表。增量需求部分是指由新竣工房屋带来的需求。 2016 年我国住宅房屋竣工面积为 171,471.30 万平方米，按照每户平均面积 90 平方米估算，年需求 1,905.24 万台水表。由此估算得出我国水表的存量更新需求和增量需求总计为 8,937.83 万台， 随着我国 “ 一户一表 ” 、 “ 阶梯水价 ” 、 “ 强制检定 ”8 和 “ 智慧城市 ” 等的推动，我国智能水表的渗透率将大幅提高，目前我国智能电表的渗透率在 80%以上，智能 水 气表的渗透率约为 60%，以此为参考，预计我国智能水表的渗透率将超过 50%。 3. 行业解决方案 3.1 整体解决方案介绍 系统响应当前政策，顺应 水表 发展需求，实现“远抄、远控、 互联、互通 ” ，建设并完善智能远传抄表系统， “ 抄表不入户，服务不扰民！ ” 造福民生，提升企业的管理和服务水平。 系统采用一体化的方式对用户用 水 信息进行采集和管理：支持各类通信方式的接入和通道的扩展，全面覆盖采集对象；提供统一流程、统一标准的终端管理及运行质量监测，提高终端竞争公平性；采用分级配置的任务管理方式，降低任务管理难度；采用一体化数据存储模型，构建一体化数据中心，保证数据的一致性和准确性。 平台是采用物联网、云计算、大数据等技术，整合数据采集、处理、存储、数据校验、展示、分析等功能于一体的智能表管理 平台。平台需要连续不间断地采集各类用户的信息数据，根据采集规模、管理模式、业务处理等方面的差异化，要求采集平台在部署上支持云部署和分布式部署的两种结构实施方案。 3.1.1 终端层 终端设备是物联网的基础载体，随着物联网的发展，终端由原有的哑终端逐步向智能终端演进，通过增加各种传感器、通讯模块是的终端可控、可靠、可互通， 这里 的终端设备主要包含 NB-IoT 物联网 水表 户 表 、 工商企业大表、管网监控设备、安全监控设备等 与 NB-IoT 基站连接来实现通讯能力， 然后 通过 NB-IoT 基站将信息上传给 IoT 平台实现 设备的数据上报 。 3.1.2 网络层 9 网络层 主要是 指 运营商的网络，这里主要是 NB-IOT 网络 ，主要起到传输作用，其特点如下： 广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下， NB-IoT 比现有的网络增益 20dB，相当于提升了 100 倍覆盖区域的能力 信号更强； 海量连接， NB-IoT 一个扇区能够支持 10 万个连接，支持低延时敏感度、低设备功耗和优化的网络架构； 低功耗， NB-IoT 终端模块的待机时间可长达 10 年； 低成本，企业预期的单个接连模块不超过 5 美元 。 3.1.3 平台层 平台层 主要是指中国移动自主研发的物联网开放平台 OneNET， OneNET 平台 启动一个 承上启下的作用，向下 支持不同厂家、 不同型号 、 不同协议的 水 表 接入 ， 向上 开放 API 及 数据推送 与 水务 公司智慧 水务 系统 连接 ， OneNET 平台 还具有 设备 FOTA 升级 、海量连接 、 协议转换 、 消息路由等核心功能的支持 ， 将智慧 水务 系统解耦 ，聚焦于实现业务逻辑和功能。 OneNET 平台主要功能如下： 数据分析：提供大数据存储与分析框架，为基于 水务 系统的大数据分析提供基础能力服务； 设备管理：在 OneNET 层面对底层终端设备的信息及控制管理； 规则引擎：提供可编辑的规则触发引擎，为告警管理提供灵活易用的开发框架； FOTA：远程升级功能，提供给底层设备远程固件升级的功能； 消息路由：实现上下行数据消息路由功能； 消息分发：可将采集的数据通过消息转发 、 短信推送 、 APP 信息推送等方式快速传递信息内容； 推送通知：可将报警信息和采集数据通过短信、邮件、消息等方式推送至用户或第三方系统；