基于NB-IoT 技術的智慧水務平臺數字化轉型應用研究★

趙 威，付 森

（1.寧夏大學經濟管理學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏水投科技股份有限公司，寧夏 銀川 750004）

引言

近些年，隨著智慧城市不斷地發展，智慧水務的作為智慧城市的一個子集被提出，智慧水務成為了水務行業近年的熱門詞匯，也是未來水務現代化發展的新目標。許多水務企業著手發力智慧水務建設，把智慧水務的建設上升為企業發展的重要戰略位置，力爭通過智慧水務的建設，帶動供水漏損的有效管控，全面提升企業的管理能力和生產運營能力[1]。

智慧水務是指通過遠傳壓力表、數據采集器、水質檢測儀、遠傳液位計、電能表、遠傳流量計、遠傳溫度計、無線網絡和視頻監控等在線監測設備實時感知城鄉供排水系統的運行狀態。并采用可視化的方式將供排水設施與水務管理部門有機整合，形成“城鄉供水物聯網”。通過對各類關鍵數據的實時監測、智能分析再提供分級、分類預警，且利用手機APP、電子郵件、短信和聲光報警等方式通知到相關水務生產負責人。同時給予相應的分析結果以幫助決策處理問題，以更加精細、動態的方式管理水務運營系統的整個管理、生產和服務流程，使之更加規范化、數字化、智能化，從而達到對城鄉水資源管理更加高效、智慧的狀態。

1 項目背景

目前，YC 縣城鄉供水入戶抄表業務主要依靠人工走手完成，再由人工手動錄入至繳費系統，耗費抄表員工大量精力和時間。另外由于缺乏入戶智能計量設備，抄表困難，工作人員入戶收費困難，造成水費收繳率偏低。急需通過智慧水務工程項目進行升級改造，從而提高用水計量精度，數據通過遠程傳輸回水務公司，減少人工抄表帶來的工作量，改進水費收繳模式，從而提高水費收繳率，實現遠程抄表，節省人力、物力、財力等，保證供水企業的可持續發展。

2 關鍵技術

1）NB-loT 技術是基于蜂窩的窄帶物聯網的一個重要分支。NB-IoT 在蜂窩網絡上構建，只消耗大約180 kHz 的帶寬，可直接部署于UMTS 網絡、LTE 網絡或GSM網絡，以降低部署成本、實現平滑升級[2]。

2）NB-IoT 是物聯網領域一個新興的技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被叫做低功耗廣域網（LPWAN）。采用NB-IoT 技術的智能水表的內置電池壽命在10 年上下，基本保障了感知層的電池續航能力，降低了水表的運行維護頻率。NB-IoT 支持待機時間長、對網絡連接要求較高設備的高效連接，同時還能提供非常全面的室內蜂窩數據連接的覆蓋[3]。

3）目前我國主推的物聯網技術標準為NB-IoT，各大運營商在此標準上都有大量投入，在國內對于NB-IoT 的應用已經處于領先地位。

4）NB-IoT 具有4 個主要特點，分別是低功耗、廣覆蓋、低成本、大連接。功耗方面，NB-IoT 降低了速率，換回了更低的功耗，大幅提升了終端的待機時間。信號覆蓋方面，NB-IoT 有更好的覆蓋能力，可以解決水表等終端在井下的信號問題。成本方面，通信模塊成本很低，每個模組在5 美元之內，有利于農村供水大批量采購和使用。連接方面，NB-IoT 基站是基于物聯網的模型改進設計的。物聯網模型不同于手機模型，終端接入數量龐大[4]。

3 測試背景

YC 水務公司于2019 年將YC 縣境內7 萬塊傳統水表替換為NB 物聯網智能水表，按照水務公司要求配合智能水表廠家針對選取的20 個點位進行現場NB-IoT 網絡信號覆蓋測試。

YC 移動分公司根據YC 水務公司本次項目計劃，擬申報建站投資，將開啟全縣及鄉鎮村的NB 物聯網信號覆蓋，全力保障水表遠傳數據及時穩定、滿足目前及后期在物聯網環境下的所有業務支撐需求。

3.1 YC 4G、NB 網絡覆蓋簡況

中國電信目前YC 縣區域，現有L800M（NB）基站共175 個，吳忠地區占比最高；其中可提供NB 業務小區數382 個，可容納NB 業務用戶數3 820 萬戶，占吳忠現網比例26.34%，按理論值YC 縣175 個NB 基站可覆蓋19 782 km2面積區域，遠大于YC 縣8 661 km2行政區域面積。覆蓋面積如表1 所示。

表1 SYCNB、4G 網絡覆蓋表

3.2 NB-IoT 業務各項相關指標

YC NB 網絡MR 覆蓋率 {分別取覆蓋等級0（RSRP 大于-107dBm）、覆蓋等級1（RSRP 大于-117dbm）}。

MR 覆蓋率是根據UE 上報的采樣點，分別選取信號強度（RSRP）不大于-107dbm 和（RSRP）不大于-117dbm 的采樣點數與總采樣點的比值，占比越高說明覆蓋越好。詳見圖1。

NB-IoT 小區RRC 連接建立完成次數（數據來源：LTE 專業網管），見圖2。

NB-IoT 小區RRC 連接建成功率（數據來源：LTE專業網管）

指標定義：NB-IoT 小區RRC 連接建立完成次數/（NB-IoT 小區RRC 連接建立嘗試次數）×100%。見圖3。

通過上述大量的實驗測試，結果表明在YC 縣使用基于NB-IoT 的設備的客觀條件具備。

YC 縣智慧水務平臺通過無線傳輸的壓力、液位、流量變送器對供水官網進行監測，將數據傳至數據接收處理系統。

4 數據統一接收系統

隨著信息化不斷發展，監測站點規模的不斷增多大和自動化度的不斷提高，對中心站接收和處理數據的要求越來越高，為了滿足日益提高的監測與采集需求，需要對整個接收軟件系統進行自頂向下全方面的規劃。

為應對后續將站點規模不斷地擴大，考慮到目前YC 縣農村飲水安全信息采集的現狀，數據接收系統應能兼容不同生產廠家采集設備的傳輸協議，能對大批量數據進行并發處理。通過建立統一數據采集平臺，形成一個從數據采集、傳輸、存儲到處理一體化的流程。對新接入的設備根據統一傳輸協議，實現所有遙測數據統一采集、入庫、存儲、展示。

數據統一接收處理平臺系統具有以下功能。

1）兼容性：兼容現有主流廠家采集設備的傳輸協議，放開數據接口協議，為后續新擴建的采集設備接入提供數據對接服務。

2）并發性：對大批量的數據進行并發處理。

3）安全性：做到權限劃分，監控用戶只能監控數據，不能做任何操作，普通用戶只能做查詢操作，管理員用戶可對所有功能操作。

4）支持各種常見數據庫類型，例如：MySQL、Oracle、SQL Server 等等；支持通過編程方式連接數據庫。

數據接收處理系統從功能模塊上主要劃分為數據處理模塊、用戶管理模塊、系統管理模塊、數據管理模塊、站點管理模塊、報表模塊和遠程控制模塊等。數據統一接收及處理軟件部署在總調度中心的數據中心服務器上。

5 結語

通過對NB-IoT 技術在智慧水務的實踐研究發現，以“互聯網+”實施創新改革，是為智慧水務在城鄉供水打通最后一公里提供了很好的解決方案。該方案能推動管理效能化、工程智能化、服務社會化，實現降本、增效、節水的效果。該方案促進了城鄉供水的技術進步，提高了自來水普及率、集中供水率、供水保證率以及水質達標率；城鄉供水人口、供水量、供水保障率等各類信息實時展示、傳遞、分析的數據更準確全面，提高了管理效率和供水服務水平。YC 縣在智慧水務的探索經驗可以在區內外的推廣應用，進一步豐富我國農村供水新模式。