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自來水、燃氣、電力等公用設施是當前物聯網最先落地應用的主要領域，國內公用事業物聯網也正在經歷蓬勃的發展，不過除了采用運營商公網外，專網成為不少公用事業客戶的選擇。北美的公用事業采用專網的方案已積累不少經驗，本文對燃氣為例，介紹北美公用事業采用專網的經驗。 

北美燃氣公司智慧燃氣的現狀分析 

1.公用設施（Utility）的物聯網解決方案來自行業，而非移動網絡運營商（MNO）

在北美很少有運營商參與公用設施物聯網的實施，主要原因是：第一，物聯網集中了幾個產業鏈的端到端的解決方案，通訊只是整個方案中的一個環節；第二，公用設施單位的運營模式對行業解決方案的專業化要求很高，這種專業性橫跨終端集成、計量、通訊、后臺數據分析，以及業務應用領域，非運營商獨自能夠解決的；而能夠滿足這些需求的只有各種表計供應商，充分利用市場占有率，通過并購適合行業應用的通訊技術和數據應用技術，提供端到端的解決方案。過去兩年中，在工業物聯網領域，類似的并購案例頻繁完成，例如：Itron公司與Silverspring公司，Xylem公司與Sensus公司，Honeywell公司與Elster公司。 

2.公用設施單位大部分都采用專網（專用通訊系統，專用頻譜）解決方案 

原因主要包括：第一，公用設施單位對數據可靠性要求很高，數據和公司的運營效率、財務、現金流和安全運營直接相關。由于在重要性、可靠性和安全性上的要求遠遠超越普通物聯網應用的需求，北美的公用設施單位基本都采取專網方案；第二，在數字化時代里，公用設施單位對自己的數據價值越來越重視，希望能夠把數據牢牢把握在自己手里，而非把自己的核心數據開放給第三方，尤其是運營商；第三，公用設施物聯網在運營中的即時反應非常重要，一旦有通訊盲點或緊急情況，只有專網可以提供快速補盲和即時響應的能力；第四，從業務擴展的角度看，數據服務越來越成為一種業務。公用設施單位通過自己組網，會逐步實現向數據服務業務的擴展，為未來智慧城市中的各種重要的窄帶數據業務滲透做好準備，比如智慧路燈、智慧市政管網、智慧停車、氣象監測等。 

3.北美智慧燃氣技術的解決方案提供商主要來自行業核心供應商、咨詢公司、AMI（高級計量架構）集成商 

行業領軍企業主要包括ITRON，Silverspring，Landis+Gyr等公司，技術上主要包括MESH，小無線等技術；AMI集成商主要包括IBM，Acdenture等咨詢公司。多數用戶認為，將關鍵的（Critical）公共事業數據運營在非授權頻譜的公共網絡上，會隨著終端數增加逐漸暴露弊端，潛在通訊的“公地悲劇”風險；另外，NB-IoT、eMTC等公共物聯網技術在客戶響應速度、數據獨立性和網絡安全上有一定的缺陷，客戶對其也是非常慎重，重要數據會湮沒在海量非重要數據中。 

4.穩健與跨越 

值得注意的是北美燃氣公司在整個智慧燃氣的部署上存在穩健和跨越的風格。對技術路線的選擇上非常穩健：美國其實是各方面基礎技術研發非常領先的國家，但公用設施單位在選用技術方向時，基本都會選擇經過充分驗證的技術，而非各種新出現的技術。比如，在和PECO（費城能源公司）交流的過程中，發現他們最先部署的是電網的AMI系統，最近逐步開始部署燃氣網絡系統，并不迷戀所謂的“黑科技”。在業務的拓展上，北美的燃氣公司表現了對產業升級的理解和視野，充分地認識到數據將作為一種新的業務，積極參與其中。 

北美智慧燃氣的技術難點和問題 

在技術上，整個物聯網系統的技術難點在于通訊/數據安全性，可靠性，低功耗（電池壽命），雙向通訊（運維操作），網絡覆蓋率，頻譜作為稀缺資源的重要性。 

通訊和數據安全性需要如下幾個方面的考量：第一，通訊網絡和數據是會成為“黑客”或惡意攻擊的對象，例如：偽基站和電信詐騙，目前物聯網安全性已經成為熱點；第二，安全防范性隔離包括“物理隔離”和“軟隔離”，物理隔離是根本性的安全隔離，通過專屬網絡和專用頻譜，輔之以軟隔離（鑒權加密等）是最佳方案；第三，數據被第三方的獲得性。對于燃氣及其他公用設施單位，數據的重要程度非民用數據所能比肩。企業的運營收入和運營安全直接和數據緊密相關。與北美公用設施單位類似，我國的國家電網和南方電網都在建設自己的專網，并希望把自己的網絡服務拓展到其它領域，這就是現在國家電網推動的“四表合一”。 

可靠性的考量主要有如下幾點：第一，數據采集的可靠性，比如網絡覆蓋率，典型的案例就是手機沒有信號，一旦需要后期“補盲”直接導致成本的上升；第二，運維效率的可靠性，在運維過程中一旦出現網絡“補盲”或其他問題，公共事業單位是否有管理上的“抓手”，運營單位是否能夠迅速響應；這取決于該部分業務在運營單位的重要性程度和其內部組織構架的響應速度。目前看國內和國外有實力的目光長遠的公用設施單位都選擇專網的路徑。 

低功耗的考量主要有如下幾點：第一，網絡的通訊技術直接和功耗相關，脫胎于LTE的NB-IoT在移動通訊領域里，功耗不是主要考慮的問題；第二，適用于電網的解決方案，終端功耗也不是主要考慮的問題，因此適用于電網的技術不一定適用于燃氣行業；第三，低功耗的應用，是否經過長時間、大范圍、各種復雜場景應用的商用驗證。 

雙工模式的考量主要在于：第一，“階梯氣價”需要對終端進行遠程設置；第二，各種必需的操作，例如開關閥、需求側響應；第三，未來對數據要求的變化。

在北美，公共設施儀表控制的智能網絡已經超越了簡單的用量讀取。它包括通訊平臺、智能燃氣表、先進的傳感器和數據分析軟件。通過智能網絡，可以顯示并監控整個公共事業系統，將整個運維體系建立在智能網絡的基礎上。更重要的是，它提供創新手段，幫助公共事業公司應對日常運營的挑戰，比如創新的計量技術，新型傳感器，陰極保護監控，溫度和壓力監控，遠程控制，資產管理以及相關的數據分析業務。這一系列有價值的數據不僅幫助公共設施行業提高運營效率，保障員工和燃氣用戶的安全，而且推動和刺激傳統產業的創新和升級。 

北美燃氣公司在部署智慧燃氣系統中的經驗和教訓 

經過拜訪數個北美的燃氣集團，了解了他們在智慧燃氣實施過程中的經驗和教訓，主要有如下經驗的分享：第一，必須進行專用組織架構設置；第二，建立必要的管理流程；第三，對全壽命周期的投入/產出進行財務分析和比較；第四，業務擴展。 

專業組織架構 

智慧燃氣業務的部署不是簡單的硬件安裝工作，而是是整體產業的智能化升級，必須輔之以必要的行政、技術和經營團隊作為支撐。對此必須認識很清楚，否則會出現基礎設施齊備，但無法運營的窘境。 

必要的管理流程 

專業組織結構必須有專業的流程作為運營制度，包括例行會議制度，逐步建立的問題處理機制，以及跨部門協作機制等等。 

在項目前期作全壽命投資和費用的商業計劃 

固定投入往往是可預測和可控的；后期運維的費用往往在項目初期是隱形的，因此是不可控的。常見的情況是，由于后期運維費用不可控造成項目的坍塌。典型案例比如后期運維人工的不可控和第三方服務等，因此成熟的商務驗證非常重要。 

業務擴展 

很顯然，目前北美和國內公用設施單位已經逐步認識到數據服務作為一塊業務，可挖掘的深度深不可測，因此在項目早期對未來業務作提前部署非常重要。目前在通用和民用物聯網方面，傳統通訊公司和運營商有非常獨到的傳統優勢。但在公用設施領域、對極端重要數據服務領域和智慧城市數據領域，運營商并沒有優勢、甚至其傳統的優勢在專用的極端重要的數據領域成為劣勢。比如，在萬物互聯的定位之下，公用設施和極端重要數據服務領域只是其“長尾需求”或“邊際需求”。 

北美公共事業物聯網發展的背景故事 

公共事業物聯網是從電力的AMI發展而來，逐步擴展到智慧水務，智慧燃氣，智慧路燈，智慧城市等領域。目前在公共事業物聯網和AMI領域，主要包括以下三種通訊方式： 

1、電力線載波（PLC），使用電力公司的電力線連接 

2、基于無授權的（Unlicensed）頻譜的擴頻無線通訊 

3、基于美國聯邦通訊委員會（FCC）許可的頻譜的無線網絡 

在北美，電力線載波（PLC），包括“單向”和“雙向”通訊的應用，已經成功運營了數十年。但是，電力線載波的缺點是速率低，需要大量的中繼器，諧波干擾嚴重，需要在變電站等設施上增加濾波設備。而且，電力線載波不是獨立的通訊網絡，依賴電網設施。通訊在斷電期間、變電站異常情況、饋線或相位倒換情況、保護繼電器開路時，都有可能中斷。 

2003年8月，北美地區大面積斷電事故，對AMI和公共事業物聯網的發展，帶來重要的影響。一些公用事業公司在現有的設施上安裝了光纖，提供并行的寬帶通訊網絡（將電力線載波作為備份），但是這種方案成本高昂，尤其對于偏遠或人口分布不均勻的地區而言。 

面對這些現實，加之新技術和新標準的發展，無線通訊的時代逐步走來。參考公共事業電信委員會在2009年1月的報告中的結論，“通過無線通訊技術，可以高效，經濟地實現關鍵公用事業資產之間的實時雙向通訊。這些技術支持機器到機器的通訊，這些通訊構成了能源配網的基礎。”（摘自：The Utility Spectrum Crisis: A Critical Need to EnableSmart Grids, Utilities Telecom Council, January 2009） 

幾乎同時，基于公共頻譜的的擴頻無線電技術，被廣泛宣傳為最終替代有線通訊和抄表方案的“免費”技術。然而一系列新的問題出現了，包括覆蓋范圍限制、頻譜干擾和可靠性問題。加上公共事業的工作人員，依然堅持“業務持續性”（ business-as-usual）的心態，使無線通訊技術演進，在最好的十年間遇到困境。由于基于公共頻譜的網絡的初始建設和后期運維成本高，公用事業公司還沒有一個可行的方法來滿足他們的商業案例。 

基于公共頻譜的無線設備工作在FCC規定的ISM頻段上，主要包括902-928MHz或2400-2483MHz。設備必須遵從FCC規定的ISM頻段規則。抗干擾的方式一般采用擴頻技術，例如：直序列擴頻（DSSS），跳頻擴頻（Frequency Hopping）等。公共頻譜的好處（諷刺的是，也是公共頻譜的缺點）在于它對所有用戶都是免費的。免費的頻譜會吸引數以億計的產品，但是沒有FCC的保護。在開放頻譜的的產品上，必須粘貼標簽說明：“（1）本設備不會造成有害干擾; 并且（2）本設備必須接受任何接收到的干擾，包括可能導致誤操作的干擾。” 

經過早期業務探索階段，通過在建筑物旁建設集中器，采用微功率（“小無線”）、公共頻譜的自組網（MESH），或者通過手持設備等無線通訊手段，實現了小規模智能表計的數據通訊。但是，由于微功率設備的無線覆蓋距離僅有幾百米，為滿足城市級規模商用，實現用戶全面覆蓋，則需要建設數千個微功率集中器。建設維護成本高昂，而且存在系統容量的瓶頸，無法滿足復雜的業務需求。2012年，即北美啟動AMI建設的第7年，包括智能電網和智慧燃氣領域，經過初期的遠程抄表（AMR）業務發展后，系統自動化、數據分析、需求側響應、遠程關斷等業務需求明顯增速。公共事業單位開始意識到智能計量的高效運維優勢和潛在商業價值，并一致認為建設可持續發展的專用AMI通訊網絡，比大量安裝集中器更具意義。通過實驗和經驗總結，點對多點的遠距離無線通訊方案成為一種發展方向。 

在方案選擇上，一種建議是在現有微功率集中器網絡上層，疊加一層廣覆蓋網，形成混合網絡架構（Hybrid Network）來滿足新增應用需求。但是在具體實施中，該方案的復雜度和額外維護成本成為最大障礙。因此，公共事業部門推薦采用新型的面向長期發展的AMI通訊技術，即支持專用頻段，支持多信道并行，支持全雙工，支持單一的網絡拓撲結構，支持不同業務質量保障（QOS）和優先級。