自来水、燃气、电力等公用设施是当前物联网最先落地应用的主要领域，国内公用事业物联网也正在经历蓬勃的发展，不过除了采用运营商公网外，专网成为不少公用事业客户的选择。北美的公用事业采用专网的方案已积累不少经验，本文对燃气为例，介绍北美公用事业采用专网的经验。
北美燃气公司智慧燃气的现状分析
1.公用设施（Utility）的物联网解决方案来自行业，而非移动网络运营商（MNO）
在北美很少有运营商参与公用设施物联网的实施，主要原因是：第一，物联网集中了几个产业链的端到端的解决方案，通讯只是整个方案中的一个环节；第二，公用设施单位的运营模式对行业解决方案的专业化要求很高，这种专业性横跨终端集成、计量、通讯、后台数据分析，以及业务应用领域，非运营商独自能够解决的；而能够满足这些需求的只有各种表计供应商，充分利用市场占有率，通过并购适合行业应用的通讯技术和数据应用技术，提供端到端的解决方案。过去两年中，在工业物联网领域，类似的并购案例频繁完成，例如：Itron公司与Silverspring公司，Xylem公司与Sensus公司，Honeywell公司与Elster公司。
2.公用设施单位大部分都采用专网（专用通讯系统，专用频谱）解决方案
原因主要包括：第一，公用设施单位对数据可靠性要求很高，数据和公司的运营效率、财务、现金流和安全运营直接相关。由于在重要性、可靠性和安全性上的要求远远超越普通物联网应用的需求，北美的公用设施单位基本都采取专网方案；第二，在数字化时代里，公用设施单位对自己的数据价值越来越重视，希望能够把数据牢牢把握在自己手里，而非把自己的核心数据开放给第三方，尤其是运营商；第三，公用设施物联网在运营中的即时反应非常重要，一旦有通讯盲点或紧急情况，只有专网可以提供快速补盲和即时响应的能力；第四，从业务扩展的角度看，数据服务越来越成为一种业务。公用设施单位通过自己组网，会逐步实现向数据服务业务的扩展，为未来智慧城市中的各种重要的窄带数据业务渗透做好准备，比如智慧路灯、智慧市政管网、智慧停车、气象监测等。
3.北美智慧燃气技术的解决方案提供商主要来自行业核心供应商、咨询公司、AMI（高级计量架构）集成商
行业领军企业主要包括ITRON，Silverspring，Landis+Gyr等公司，技术上主要包括MESH，小无线等技术；AMI集成商主要包括IBM，Acdenture等咨询公司。多数用户认为，将关键的（Critical）公共事业数据运营在非授权频谱的公共网络上，会随着终端数增加逐渐暴露弊端，潜在通讯的“公地悲剧”风险；另外，NB-IoT、eMTC等公共物联网技术在客户响应速度、数据独立性和网络安全上有一定的缺陷，客户对其也是非常慎重，重要数据会湮没在海量非重要数据中。
4.稳健与跨越
值得注意的是北美燃气公司在整个智慧燃气的部署上存在稳健和跨越的风格。对技术路线的选择上非常稳健：美国其实是各方面基础技术研发非常领先的国家，但公用设施单位在选用技术方向时，基本都会选择经过充分验证的技术，而非各种新出现的技术。比如，在和PECO（费城能源公司）交流的过程中，发现他们最先部署的是电网的AMI系统，最近逐步开始部署燃气网络系统，并不迷恋所谓的“黑科技”。在业务的拓展上，北美的燃气公司表现了对产业升级的理解和视野，充分地认识到数据将作为一种新的业务，积极参与其中。
北美智慧燃气的技术难点和问题
在技术上，整个物联网系统的技术难点在于通讯/数据安全性，可靠性，低功耗（电池寿命），双向通讯（运维操作），网络覆盖率，频谱作为稀缺资源的重要性。
通讯和数据安全性需要如下几个方面的考量：第一，通讯网络和数据是会成为“黑客”或恶意攻击的对象，例如：伪基站和电信诈骗，目前物联网安全性已经成为热点；第二，安全防范性隔离包括“物理隔离”和“软隔离”，物理隔离是根本性的安全隔离，通过专属网络和专用频谱，辅之以软隔离（鉴权加密等）是最佳方案；第三，数据被第三方的获得性。对于燃气及其他公用设施单位，数据的重要程度非民用数据所能比肩。企业的运营收入和运营安全直接和数据紧密相关。与北美公用设施单位类似，我国的国家电网和南方电网都在建设自己的专网，并希望把自己的网络服务拓展到其它领域，这就是现在国家电网推动的“四表合一”。
可靠性的考量主要有如下几点：第一，数据采集的可靠性，比如网络覆盖率，典型的案例就是手机没有信号，一旦需要后期“补盲”直接导致成本的上升；第二，运维效率的可靠性，在运维过程中一旦出现网络“补盲”或其他问题，公共事业单位是否有管理上的“抓手”，运营单位是否能够迅速响应；这取决于该部分业务在运营单位的重要性程度和其内部组织构架的响应速度。目前看国内和国外有实力的目光长远的公用设施单位都选择专网的路径。
低功耗的考量主要有如下几点：第一，网络的通讯技术直接和功耗相关，脱胎于LTE的NB-IoT在移动通讯领域里，功耗不是主要考虑的问题；第二，适用于电网的解决方案，终端功耗也不是主要考虑的问题，因此适用于电网的技术不一定适用于燃气行业；第三，低功耗的应用，是否经过长时间、大范围、各种复杂场景应用的商用验证。
双工模式的考量主要在于：第一，“阶梯气价”需要对终端进行远程设置；第二，各种必需的操作，例如开关阀、需求侧响应；第三，未来对数据要求的变化。
在北美，公共设施仪表控制的智能网络已经超越了简单的用量读取。它包括通讯平台、智能燃气表、先进的传感器和数据分析软件。通过智能网络，可以显示并监控整个公共事业系统，将整个运维体系建立在智能网络的基础上。更重要的是，它提供创新手段，帮助公共事业公司应对日常运营的挑战，比如创新的计量技术，新型传感器，阴极保护监控，温度和压力监控，远程控制，资产管理以及相关的数据分析业务。这一系列有价值的数据不仅帮助公共设施行业提高运营效率，保障员工和燃气用户的安全，而且推动和刺激传统产业的创新和升级。
北美燃气公司在部署智慧燃气系统中的经验和教训
经过拜访数个北美的燃气集团，了解了他们在智慧燃气实施过程中的经验和教训，主要有如下经验的分享：第一，必须进行专用组织架构设置；第二，建立必要的管理流程；第三，对全寿命周期的投入/产出进行财务分析和比较；第四，业务扩展。
专业组织架构
智慧燃气业务的部署不是简单的硬件安装工作，而是是整体产业的智能化升级，必须辅之以必要的行政、技术和经营团队作为支撑。对此必须认识很清楚，否则会出现基础设施齐备，但无法运营的窘境。
必要的管理流程
专业组织结构必须有专业的流程作为运营制度，包括例行会议制度，逐步建立的问题处理机制，以及跨部门协作机制等等。
在项目前期作全寿命投资和费用的商业计划
固定投入往往是可预测和可控的；后期运维的费用往往在项目初期是隐形的，因此是不可控的。常见的情况是，由于后期运维费用不可控造成项目的坍塌。典型案例比如后期运维人工的不可控和第三方服务等，因此成熟的商务验证非常重要。
业务扩展
很显然，目前北美和国内公用设施单位已经逐步认识到数据服务作为一块业务，可挖掘的深度深不可测，因此在项目早期对未来业务作提前部署非常重要。目前在通用和民用物联网方面，传统通讯公司和运营商有非常独到的传统优势。但在公用设施领域、对极端重要数据服务领域和智慧城市数据领域，运营商并没有优势、甚至其传统的优势在专用的极端重要的数据领域成为劣势。比如，在万物互联的定位之下，公用设施和极端重要数据服务领域只是其“长尾需求”或“边际需求”。
北美公共事业物联网发展的背景故事
公共事业物联网是从电力的AMI发展而来，逐步扩展到智慧水务，智慧燃气，智慧路灯，智慧城市等领域。目前在公共事业物联网和AMI领域，主要包括以下三种通讯方式：
1、电力线载波（PLC），使用电力公司的电力线连接
2、基于无授权的（Unlicensed）频谱的扩频无线通讯
3、基于美国联邦通讯委员会（FCC）许可的频谱的无线网络
在北美，电力线载波（PLC），包括“单向”和“双向”通讯的应用，已经成功运营了数十年。但是，电力线载波的缺点是速率低，需要大量的中继器，谐波干扰严重，需要在变电站等设施上增加滤波设备。而且，电力线载波不是独立的通讯网络，依赖电网设施。通讯在断电期间、变电站异常情况、馈线或相位倒换情况、保护继电器开路时，都有可能中断。
2003年8月，北美地区大面积断电事故，对AMI和公共事业物联网的发展，带来重要的影响。一些公用事业公司在现有的设施上安装了光纤，提供并行的宽带通讯网络（将电力线载波作为备份），但是这种方案成本高昂，尤其对于偏远或人口分布不均匀的地区而言。
面对这些现实，加之新技术和新标准的发展，无线通讯的时代逐步走来。参考公共事业电信委员会在2009年1月的报告中的结论，“通过无线通讯技术，可以高效，经济地实现关键公用事业资产之间的实时双向通讯。这些技术支持机器到机器的通讯，这些通讯构成了能源配网的基础。”（摘自：The Utility Spectrum Crisis: A Critical Need to EnableSmart Grids, Utilities Telecom Council, January 2009）
几乎同时，基于公共频谱的的扩频无线电技术，被广泛宣传为最终替代有线通讯和抄表方案的“免费”技术。然而一系列新的问题出现了，包括覆盖范围限制、频谱干扰和可靠性问题。加上公共事业的工作人员，依然坚持“业务持续性”（ business-as-usual）的心态，使无线通讯技术演进，在最好的十年间遇到困境。由于基于公共频谱的网络的初始建设和后期运维成本高，公用事业公司还没有一个可行的方法来满足他们的商业案例。
基于公共频谱的无线设备工作在FCC规定的ISM频段上，主要包括902-928MHz或2400-2483MHz。设备必须遵从FCC规定的ISM频段规则。抗干扰的方式一般采用扩频技术，例如：直序列扩频（DSSS），跳频扩频（Frequency Hopping）等。公共频谱的好处（讽刺的是，也是公共频谱的缺点）在于它对所有用户都是免费的。免费的频谱会吸引数以亿计的产品，但是没有FCC的保护。在开放频谱的的产品上，必须粘贴标签说明：“（1）本设备不会造成有害干扰; 并且（2）本设备必须接受任何接收到的干扰，包括可能导致误操作的干扰。”
经过早期业务探索阶段，通过在建筑物旁建设集中器，采用微功率（“小无线”）、公共频谱的自组网（MESH），或者通过手持设备等无线通讯手段，实现了小规模智能表计的数据通讯。但是，由于微功率设备的无线覆盖距离仅有几百米，为满足城市级规模商用，实现用户全面覆盖，则需要建设数千个微功率集中器。建设维护成本高昂，而且存在系统容量的瓶颈，无法满足复杂的业务需求。2012年，即北美启动AMI建设的第7年，包括智能电网和智慧燃气领域，经过初期的远程抄表（AMR）业务发展后，系统自动化、数据分析、需求侧响应、远程关断等业务需求明显增速。公共事业单位开始意识到智能计量的高效运维优势和潜在商业价值，并一致认为建设可持续发展的专用AMI通讯网络，比大量安装集中器更具意义。通过实验和经验总结，点对多点的远距离无线通讯方案成为一种发展方向。
在方案选择上，一种建议是在现有微功率集中器网络上层，叠加一层广覆盖网，形成混合网络架构（Hybrid Network）来满足新增应用需求。但是在具体实施中，该方案的复杂度和额外维护成本成为最大障碍。因此，公共事业部门推荐采用新型的面向长期发展的AMI通讯技术，即支持专用频段，支持多信道并行，支持全双工，支持单一的网络拓扑结构，支持不同业务质量保障（QOS）和优先级。
责任编辑：吴礼得
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