窄带物联网开启智慧能源数字化管理新征程

黄 璿

上海联通物联网运营中心

1 物联网推动智慧能源精细化管理

当前我国经济发展面临着能源依赖性高但利用率低的问题，节能对实现国民经济的可持续发展至关重要。能源计量是节能降耗、降低成本的基础和关键，利用物联网技术，对能源精细化的计量和管理，是当今社会能源计量信息化管理和能源节约的有效途径和必然解决方式。能更加精细和实时动态的管理能源的生产与使用，提高能源利用率和生产水平。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是信息化时代的重要发展阶段，其英文名称是“Internet of things（IoT）”。物联网应用于能源计量管理领域时，可以高安全、低成本的实现对能源表具如水、电、热、气等表具的用量信息的实时稳定采集、设备状态监测、控制指令下发等远程操作，将采集的能源表具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，提升能源应用的管理效率和服务水平。

2 NB-IoT技术发展助力智慧能源管理

2.1 窄带物联网的特点

NB-IoT（Narrowband Internet of Things）,即窄带物联网，采用基于蜂窝网络的远距离无线通信技术，源起于现阶段物联网的以下几大需求：

（1）覆盖增强；

（2）支持大规模连接；

（3）超低功耗；

（4）超低成本；

（5）最小化信令开销，尤其是空口；

（6）确保整个系统的安全性；

（7）支持IP和非IP数据传送；

（8）支持短信（可选部署）。

对于现有2G/3G/4G网络，由于并没有针对性的考虑物联网，并不能完全满足以上需求。

因此，3GPP国际标准组织，融合了华为、沃达丰、高通、爱立信等产业链主要厂商的技术提案，于2016年6月推出了NB-IoT标准来应对现阶段的物联网需求。NB-IoT可集成于现有的运营商网络系统之上，专为物联网而优化设计，具备高安全、广覆盖、低功耗、大连接和低成本这五大亮点（见图1）。

图1 NB-IoT的五大亮点

2.2 NB-IoT能源物联网解决方案优势

NB-IoT能源物联网解决方案的优势有助于解决能源行业和传统能源表具面临的普遍问题，具体为：

（1）针对能源抄表（水、电、热、气等）普遍存在的痛点：NB-IoT智慧抄表方案有助于降低抄表成本、提供实时数据分析、科学表务管理、及时故障排查，降低运营成本，提升运营效率；

（2）针对数据安全问题：NB-IoT端到端安全管理方案，保障数据可靠性。电信运营商基于授权频谱组建的通信网络，其抗干扰能力、数据安全性、技术服务等方面均有高安全性保障，同时易于推广，为计费能源表具的数据整体安全提供可靠保障；

（3）针对功耗问题：配合低功耗的信号采集单元，NB-IoT技术显著降低终端能耗，经测试证明，在普通应用场景下NB-IoT水表、气表等功耗可以满足5-10年的使用要求；

（4）针对网络覆盖问题：广域低功耗的NBIoT技术，具备广覆盖、容量大、可靠性高的优势，可协助解决能源表具安装密集或分散、安装位置条件复杂等网络覆盖问题；

（5）针对大规模连接问题：建立统一的NBIoT平台，可以承接不同的物联网应用，为能源应用解决多家供应商协议的兼容性，简化不同供应商的集成，满足能源表具终端接入便捷性的要求，满足互联互通互换的大规模连接问题。

2.3 NB-IoT智慧能源解决方案特点

NB-IoT智慧能源解决方案是以智能计量、智能管网建设为基础，基于物联网、大数据存储和分析、云计算、移动互联网，结合水务、燃气、电力、热力等各能源行业特征，突破传统服务模式，拓展全新服务渠道，提供系统化综合用能方案。

NB-IoT智慧能源解决方案按照“云、管、端”的系统架构来建设，以满足未来信息通信演进的需求。方案包括：终端层、网络层、云平台和能源应用管理层等几个层面，通过物联网、云计算、大数据等技术将各个层面进行整合，支撑智慧能源应用的构建和快速上线。

（1）终端层-物联网感知端融合

终端设备是物联网的基础载体，终端设备通过集成NB-IoT标准模组，与NB-IoT基站连接来实现通讯能力，智能终端通过NB-IoT网络将信息上传给物联网平台。

（2）网络层-NB-IoT简易部署，广覆盖

网络是整个物联网的通讯基础，不同的物联网场景和设备使用不同的网络接入技术和连接方式。对于能源计量场景，NB-IoT网络仅使用180 kHz带宽，可以通过现有运营商实现全国覆盖，能够充分保障能源计量管理等业务在复杂应用环境下的数据信号传输的稳定性和可靠性，为水务、燃气、电力、热力等行业客户提供可感知、可诊断、可控制的智能网络，满足客户对终端的工作状态、通信状态等进行实时自主查询、管理的需求。

（3）平台层-统一平台多业务汇聚管理

NB-IoT平台支持多种灵活部署模式，提供连接管理、设备管理、数据分析、API开放等基础功能。NB-IoT平台提供连接感知、连接诊断、连接控制等连接状态查询及管理功能；通过统一的协议与接口实现不同终端的接入，实现终端对象化管理；平台提供灵活高效的数据管理，包括数据采集、分类、结构化存储、数据调用、使用量分析、提供分析性的业务定制报表等。业务可模块化设计，业务逻辑可实现灵活编排，满足行业应用的快速开发需求。

（4）运营层-丰富的能源计量管理应用

NB-IoT应用是物联网业务的上层控制核心，能源行业在NB-IoT平台的基础上，可聚焦自身的应用开发，使物联网实现精细化管理。

（5）服务层-更智能、更便捷、更高效

在物联网时代下，用户生活变得更智能、更便捷、更高效，通过NB-IoT平台，结合移动支付、掌厅、网厅、ATM机等主流服务渠道，用户可获取用量、账单、安检情况等相关信息，并可实现缴费、查询等业务办理，与能源供应企业进行实时互动。

（6）安全防御体系

1）在终端侧，智能终端一旦遭遇攻击，例如被冒充或篡改，可能导致无记录消费，从而造成经济损失甚至安全事故。通过硬件芯片、OS安全和OS层以上的终端安全加固，具备适度防攻击能力，防止非法接入。

2）在网络侧，NB-IoT解决方案充分利用无线移动通信的物理层传输特性，通过认证、加密和安全传输等技术的应用，在保证用户通信传输质量的同时，防止未知位置的窃听和增加中间人攻击的难度。终端和网络基于无线标准进行双向认证，确保通过验证的合法的终端接入合法的网络，同时终端和网络之间建立安全通道，对终端数据提供加密和完整性保护，防止信息泄露、通讯内容被篡改和窃听。

3）在平台侧，NB-IoT平台重点构筑三个安全能力：NB-IoT终端的安全接入和管理，实现对NB-IoT终端设备完整生命周期过程中的安全风险管控；NB-IoT平台的自身的安全防护，能抵御来自网络层面的流量型攻击，对外部开放的应用层接口具备入侵防御能力，能够集中管理平台整体的安全运维；NB-IoT平台数据安全，对海量数据在平台全流程的数据安全保护和隐私合规、数据开放合规。对于应用安全，NB-IoT平台采用安全隔离机制，对数据安全隔离，保障数据在传输过程的机密性和完整性。

3 NB-IoT智慧能源解决方案价值

随着智慧城市的发展，物联网、云计算、大数据等新技术的广泛应用，基于NB-IoT的智慧能源解决方案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。

（1）助力能源企业降本增效。与能源企业现有的管理模式和运营模式相比，NB-IoT解决方案使企业对所有表具和管网运行了如指掌，使漏损带来的供销差问题得到改善；互联互通，统一标准，提高了表具和管网的维护和管理效率；改变上门抄表的方式，节省人力成本，优化人力结构；提高了客户管理、外勤管理、工程管理、调度分析管理等能力，降低营业厅、呼叫中心的运维压力，助力能源企业降本增效，提升与用户的相互性。能源企业还能够通过大数据挖掘和增值服务等发展新的盈利点，提升企业收益。

（2）平衡区域能源供需。基于NB-IoT方案互联互通的特点，以及大数据精准分析能力，可以实时获取不同区域的能源用量情况，通过智能调度优化，改善能源分布结构，提高集中供能能力，提升清洁低碳能源使用占比，高效用能，协同互补，推动社会可持续发展。

（3）为城市保驾护航。能源的管网如燃气管道、电力网络等在运行中可能发生管网异常、泄露等事故，形成安全隐患，能源偷盗现象也屡见不鲜。NB-IoT方案可实现城市能源管网的数据传输与采集，确保实时在线监控管网的压力、流量、温度等信息，并对生产、调度和管理提供必要的参考依据。同时通过构建各部门之间信息互联通道，保证任务及时流转。

（4）为能源服务增添智慧。NB-IoT智慧能源方案结合云计算、大数据和移动互联网，打造在线服务，通过远程抄表等服务，能源企业可将用户数据精准高效多维度的反馈给用户，用户可便捷查询使用信息，完成充值缴费等，提高用户满意度，打造绿色、环保、智慧化生活。

4 上海联通助力物联网发展

4.1 全球首个最大的NB-IoT商用网络

上海联通于2015年开始进行NB-IoT网络试商用和应用实践，并于2017年5月15日率先发布全球最大的NB-IoT商用网络，实现上海市的全覆盖，向用户提供了一张高质量的低功耗广域网络。

依靠全面的网络覆盖和良好的网络质量，上海联通已完成50余家合作伙伴产品的调测和接入，实现10余项NB-IoT应用的落地，在上海市乃至全国都保持领先，其网络性能和网络运维能力得到了广泛好评。

4.2 构建完善的平台体系

上海联通基于全球领先的连接管理平台Jasper平台，面向客户提供灵活的计费管理能力，并在此基础上，面向消费电子类、车联网等有B2B2C（电子购物平台模式）业务需求的客户提供基于连接管理平台的流量二次运营平台“睿益”。

在设备管理层，面向不同领域的客户，上海联通引入了“睿匠”、“睿信”、“睿实”3个DMP平台，分别面向工业领域、智慧家庭/智慧城市等通用终端领域、公共事业领域提供海量设备管理和处理的能力，赋能应用开发和创新，促进物联网生态圈的建设。

4.3 打造“4+2”物联网产品能力体系

上海联通依托自身网络和连接优势，向价值链的前后端进行延伸，为物联网产业链上下游合作伙伴以及政企客户打造包括连接服务、部件服务、平台服务和应用服务在内的4大类服务产品以及IoT端到端集成和IoT安全领域提供服务。

（1）连接服务：为物联网终端提供通信服务、卡数据服务、连接管理平台服务、设备管理平台服务、数据服务等。包括传统2/3/4G中高速率蜂窝物联网，NB-IoT窄带蜂窝物联网以及其他各类有线、长距无线和短距无线通信能力。

（2）部件服务：为政企客户提供基于物联网平台定制的包括芯片、模组、终端、专用SIM卡等相关物联网部件在内的整体服务，并且具备为不同应用场景的客户提供定制化解决方案的能力。

（3）平台服务：聚焦物联网设备管理与应用使能，为物联网客户打造水平化的IoT PaaS服务平台，实现海量接入、协议解析、设备管理、数据管理。支持100多种API，实现与SaaS平台的无缝对接。

（4）应用服务：在连接服务的基础上，以SaaS模式为政企客户提供各类通用或行业专用的功能性服务。重点聚焦智慧交通、智慧物流、智慧消防、智慧停车、智慧金融、消费电子、公共事业、共享经济、智慧能源、工业互联网等行业领域。

（5）集成服务：为政企客户实施涵盖终端设备、网络连接、应用服务在内的物联网端到端项目时，所提供的开发、调试、施工、培训、咨询、维保等相关的一揽子服务。

（6）安全服务：为政企客户提供包括SIM卡、模组、终端、连接组网、端到端应用在内的多重安全保障，并提供多种用户实名制认证渠道，有效保障网络安全、设备安全、应用安全、数据和信息安全以及物联网业务合规性。

4.4 聚焦终端及产品能力整合，打造物联网开放实验室

上海联通已完成物联网开放实验室的建设，并正式投入运营，为合作伙伴提供无线性能、功耗、平台以及端到端的业务测试和认证服务，加快物联网终端产品的创新孵化，并且共同探索运营模式，催生物联网多元应用与海量连接。

上海联通已建立从入驻、审核、测试、总结、输出等全流程的标准化验证流程，满足产业链合作伙伴终端类产品的快速开发及孵化的需求，促进终端产品的商业落地。

通过开放实验室的技术能力，上海联通已经聚合一批优质合作伙伴和优质项目，为物联网客户打造完善、灵活、丰富的产品和解决方案。结合重点行业细分。