Какви възможности за въвеждане на умен дистанционен отчет базиран на IoT LPWAN може да се прилагат у нас във ВиК сектора?

Текст на Николай Милованов, Нов Български Университет, Телекомуникации, София, България, публикуван в сп. "БУЛАКВА"

В материалът е представен  LPWAN (Low Power Wide Area Network) – група технологии за пренос на данни с минимално количество енергия на големи разстояния и различните и приложения във ВиК сектора както за дистанционен отчет, така и за наблюдение на ВиК инфраструктурата в населеното място. В допълнение е направен технически, икономически и финансов анализ на прехода от ръчен към умен дистанционен отчет на база на LoRa/LoRaWAN.

От мрежова гледна точка ВиК сектора има една от най-ранно развитите мрежови инфраструктури в човешкото общество. ВиК мрежите предхождат в своето изграждане и съществуване както съвременните телекомуникационни мрежи, така и мрежите на електрическите компании. Може да се заключи, че мрежата от пътища и ВиК са едни от най-ранните мрежови инфраструктури създадени от човека.

Като такива, при тях първо става ясно, че мрежата не просто трябва да бъде създадена и изградена, но и поддържана. С поддръжката идва ред на допълнителни дейности като наблюдение на състоянието на мрежата, таксуване на потребителите, ремонт на повредите, управление на потоците и налягането.

Наблюдението първоначално се е случвало визуално, постепенно са се появили механични уреди и датчици за наблюдение на физични величини. През последните 30 години с развитието на технологиите инженерите са получили и възможност да извлекат по лесен и удобен начин данните от сензорите и измервателните уреди. Първоначално това е ставало по кабелни трасета или специализирани радио мрежи. С навлизането на мобилните мрежи, част от наблюдението и управлението е прехвърлено към тях.

Дистанционното отчитане пък е въведено с навлизането на технология като безжичния Mbus.

През последните години започват да навлизат нови група от радио мрежи известни под името “LPWAN. Те се характеризират с голям обхват, ниска цена на въвеждане в експлоатация и поддръжка и възможност за дългогодишна работа на крайните устройства на батерии. Именно това ги прави подходящи за приложенията във ВиК сектора и с голяма вероятност би могло да се каже, че постепенно те ще изместят текущите подходи както в наблюдението и управлението на опорните мрежи така и при дистанционното отчитане.

Основни понятия в LPWAN

Независимо от типа на радио мрежата и използваната LPWAN технология има няколко понятия, които са общи и които е добре да бъдат дефинирани в контекста на материала:

- Сила на сигнал – мощността, с която предавателя излъчва данните в ефира. Силата на сигнала е положително число, например +25dBm.

- Чувствителност на приемник – чувствителността на приемника, с която той може да чуе и приеме даден сигнал излъчен от предавателя. Чувствителността обикновено е отрицателно число, например – 148 dBm.

- Бюджет на връзка – сумата по модул от силата на сигнала и чувствителността на приемника. Бюджета се изчерпва с увеличаване на разстоянието и времето за разпространение на сигнала.

- Капацитет на връзка – броя символи, които могат да бъдат предадени за единица време. Капацитетът обикновено е свързан с широчината на канала (размера на честотната лента, използвана от дадена технология).

- Отношение сигнал шум – отношението между силата на сигнала и силата на шума или с две думи способността на приемника да различи даден сигнал на фона на шумове в същия честотен канал.

Характеристики на LPWAN Технологиите

- Основните характеристики на LPWAN могат да бъдат обобщени като:

- работят в силно ограничен, споделен, безплатен честотен спектър за индустриални, научни и медицински цели – ISM (Industrial Scientific and Medical) или теснолентов платен радио спектър, закупен от даден национален честотен план;

- покриват големи разстояния (голям бюджет на връзка, постигнат за минимално количество енергия);

- пригодени за устройства, работещи на батерии;

- подходящи за пренос на (сравнително) малки количества информация;

- отворена технология специфицирана от обществото на Интернет Инженерите в RFC rfc8376 [1];

- неизменна част от Интернет на нещата

Основни приложения във ВиК сектора

Сред основните цели на всеки ВиК оператор е да управлява водния баланс и процеса на отвеждане на отпадните води.

LPWAN технологиите биха намерили конкретни приложения самостоятелно или в комбинация с други мрежови технологии в следните сфери. Такива например са умен дистанционен отчет с цел точно определяне на носещата приходи вода и намаляване на търговските загуби. С технологията се наблюдават водопроводната мрежа на ВиК оператора с цел определяне на размера на не-носещата приходи вода и намаляване на реалните загуби в мрежата. Предлага се и управление и наблюдение на процеса по отвеждане и обработка на отпадните води. Друга възможност е наблюдение на водоеми, шахтови и тръбни кладенци.

Приложението предлага и наблюдение и управление на помпени станции. От конкретиката на тези приложения идват и основните изисквания към технологията и детайлите свързани с нейното приложение.

Обобщени изисквания към радио мрежата и крайните устройства

Изискванията завият основно от приложенията като условно могат да бъдат разделени на следните групи:

Изисквания към мрежата

- Широко покритие – голям обхват. С това предимство при всяко едно от приложенията – обхвата пести средства;

- Възможност за пренос на данни с ниска консумация - предимство при всички, приложения където има липса на електричество;

- Ниска цена (при ВиК има много точки за наблюдение, отчитане и контрол, цената на мрежата е съществена бариера пред въвеждането на подобни технологии в България);

- Сигурност на комуникацията (подценявано изискване, но с навлизането на еверопейските директиви за сигурност, ще става все по-важен фактор).

- Въвеждане в експлоатация и поддръжка – колкото по-бързо, евтино и лесно по-добре. LPWAN

мрежите обръщат моделите на предлагане в тази насока и за пръв път от много години – предлагат глобални мрежи за споделено изграждане и използване.

- Възможност за комуникация на места с труден, ограничен или опасен достъп (периодично наводнявани шахти, шахти под пътища, мръсни и наводнени мазета пълни с фекалии, водомери в частна собственост с ограничен достъп).

Изисквания към крайните устройства

Изискванията зависят от конкретното приложение, но много от тях са общи за почти всяко едно от тях: - висока степен на влаго и прахо защита. IP68 е препоръчителното ниво (все пак става дума за вода). В случая те са валидни за всяко едно приложение.

Устройствата имат възможност за работа на батерии (дистанционен отчет, дистанционно наблюдение) и/или възможност за работа на комбинирано захранване – батерии, солар и/или ток.

Устройствата също трябва да отговарят на регулаторните изисквания за честота на предаване и сила на сигнала в честотен спектър. Те трябва да имат и CE марка и да са тествани според европейските директиви за безопасност, електробезопасност и електромагнитна съвместимост.

Устройствата трябва да са полезни за избраното приложение и да доставят отчетни данни спрямо определени конкретни приложни или регулаторни изисквания и препоръки. Пример за подобни са: отчет веднъж на час, ден или месец, данни за дебита и налягането от водомерни зони/зони за управление на налягане на 15 мин. Също така тези устройства дават възможност за изпращане на моментални аларми при превишаване на дадени прагови стойности.  Чрез тази технология се дава възможност за отдалечен контрол върху кранове, ел. задвижване на управления на помпени станции.

Видове LPWAN мрежи

LPWAN технологии, получили най-широка известност в световен мащаб и са представени в таблица 1.

От посочените технологии Wi-SUN [4] е IPv6/Wifi базирана технология и може би най-широко разпространената технология за отчет в Северна Америка, със приложение в Япония и UК. Технологията е базирана на Wifi/IPv6 има най-голяма съвместимост с Интернет протоколния стек и предоставя достатъчен капацитет и обхват. Позволява обновяване на софтуера на устройствата през радио-ефира и е промотирана основно от компании с опит в мрежовия бизнес като Cisco Systems.

SigFox е изключително теснолентова технология, работеща в ISM честотен обхват, широко разпространена в Европа. като освен за отчет става и за наблюдение, отличава се с добро покритие и изключително нисък капацитет и еднопосочност (трансфер от устройство към мрежа). Няма капацитет за ъпгрейд по въздуха на устройствата. Технологията не е налична в България LoRa[5] и протоколния стек LoRaWAN[6] са подходящи както за отчитане, така и за наблюдение. Технологията е широко разпространена включително и в България. Позволява изграждането както на частни мрежи за нуждите на ВиК дружествата, така и използване на комунални мрежи като Helium [6] и TheThingsNetworks[7], а също и използване на мрежа на оператор. LoRa/LoRaWan дефакто е първата IoT/LPWAN технология наложила комуналния, споделен характер на предлагането на мрежови услуги [8]. При този подход, всеки може да си закупи мрежови шлюз, да използва предоставената от него услуга, да го сподели с останалите хора и бизнеси в същия район и да получи по регламентиран начин възвращаемост от това от мрежата и предоставените от нея услуги.

EC-GSM, CAT-M1[10] и CAT-NB1/2[11] са клетъчни LPWAN технологии, специфицирани от 3GPP, използващи платен радио спектър и предоставяни от мобилни оператори.

Технологиите имат редица предимства както и недостатъци.EC-GSM е опит да се възкреси GSM/2G в посока IoT, CAT-M1 е технологията с най-широколентов канал, възможност за по-високи скорости и технологично най-подходяща за ъпгрейд на софтуера на устройствата по въздуха.

CAT-NB2 позната също и като NB-IoT (Narrowband IoT) е единствената от трите технологии налична в България.

И трите технологии са подходящи както за отчитане така и за наблюдение, като CAT-M1 покрива целия стек за наблюдение и по-висок пренос на данни. Ако може да сравним клетъчните LPWAN технологии с използващите ISM, то при клетъчните има възможност за пренос на по-големи пакети от информация в една трансмисия и възможност за контрол от страна на базовата станция на това, кое устройство кога да предава данни. Това ги прави

по-подходящи за гъстонаселени райони с много устройства на малка площ, където технологиите използващи безплатен честотен спектър биха страдали от много колизии.

Приложение на LPWAN за въвеждане на умендистанционен отчет

Навлизането на LPWAN и в частност LoRa/LoRaWAN позволява на ютилити операторите да постигнат не просто дистанционен отчет, а да реализират така наречения „умен дистанционен отчет“ – технология, която реално би могла да допринесе за ограничаване на търговските загуби.

-        Преход от ръчен към умен дистанционен отчет

Преходът към умен дистанционен отчет най-вероятно ще бъде плавен и постепенен и ще включва поне няколко междинни стъпки. Тези стъпки са изразени, през еволюцията на крайното устройство от обикновен водомер към ретро-фит (водомер с импулсен изход и логър за данни) или към водомер с модул. Последната стъпка на прехода ще бъде постепенната подмяната на съществуващите измервателни устройства с умни водомери.

Отчетната мрежа също ще еволюира. На фиг. 3 е показан процеса на преход, като чисто схематично е разделен на 5 слоя (от ляво на дясно) и 4 фази (от горе на долу).

Слоевете са: крайни устройства, отчетна мрежа, пренос на данни, обработка на данни, крайни клиентски приложения. Важно е да се отбележи, че под крайно устройство авторът разбира всеки един водомер – било то крайно клиентски разположен в апартамент в блок, така и отчетния водомер – било то на блок, къща или бизнес клиент.

Фазите са: Ръчен отчет, ръчен дистанционен отчет, автоматичен дистанционен отчет и умен дистанционен отчет.

Първата фаза е прехода от ръчен отчет към множество „незакачени“ към мрежа крайни устройства, отчитани от отчетник чрез преминаване наблизо. В тази фаза са най-голям брой водомери.

Втора фаза на прехода е поставянето на wirelessmBus модули за дистанционно отчитане на водомерите и връчването на инкасаторите на PDA или таблет за ръчен дистанционен отчет. Това е фазата на инкасатора, който обикаля около блоковете и чака по 15-20 минути на блок за да събере „ръчно“, отчетите на водомерите.

Трета фаза на процеса на преход е поставянето на локални wireless-mBusшлюзове с Ethernet или 2G/4G свъзаност и автоматичен трансфер на данните към отчетните сървъри. Тази фаза е характерна за множество жилищни сгради или места висока концентрация на крайни устройства на единица площ. Ежемесечното посещение на инкасатора в този случай е заменено от шлюз във всеки блок или вход. Най-широко разпространения механизъм на работа е шлюза да кешира данните от водомерите и няколко пъти на ден да ги предава към сървъра. Съответно липсва комуникация в реално време.

Като междинна стъпка на процеса на преход може да се посочи поставянето на wM-Bus шлюзове с директна LPWAN комуникация. Това вероятно ще продължи да се случва до цялостното внедряването на умен дистанционен отчет (четвърта фаза).

Тази стъпка за момента е последна и предполага или надграждането на крайния измервателен уред с LPWAN модул или цялостната му подмяна с умен LPWAN водомер.

При умният дистанционен отчет шлюзовете обхващат много по-голямо пространство, като на един шлюз могат да бъдат закачени до 50000 водомера за разлика от автоматичния дистанционен отчет, където разстоянията са малки и броя водомери също е нисък (до няколко стотин).

Друга съществена разлика е, че при умния дистанционен отчет има комуникация в реално време и данните от водомерите стигат директно до сървъра.

Ползите за ВиК оператора от внедряването на умен дистанционен отчет по LPWAN мрежа са свързани с увеличаване на разстоянието на отчет от няколко стотин метра до няколко километра, намаляването на броя инкасатори и възможността за директно получаване на нотификациите за кражба и манипулация на водомерите от отдела за борба с търговските загуби на ВиК оператора.

Процесът еволюира и в крайната му клиентска част, крайния потребител все повече ще преминава от хартиени фактури към употребата на приложения на мобилни телефони и таблети и ще желае и приема за нормално да следи на тях консумацията си на вода и електрическа и топлинна енергия.

Важно е да се отбележи, че фазите на процеса не са задължителни и оператори и клиенти биха могли директно да преминат от ръчен към дистанционен отчет или чрез подмяна на водомера с умен такъв или чрез поставянето на логър с LPWAN комуникация и свързването му към импулсния изход на съществуващия водомер.

Реализации в България

В България вече има множество подобни проекти, някой във ВиК сектора, други в отчитането на разходомери на газ. Оператори, където вече има действащи проекти са Софийска Вода, ВиК Търговище, ВиК Ямбол, ГЕД Елин Пелин, а вероятно и други. 

Добър пример във ВиК сектора за подобен проект е вилна зона Стражата – гр. Плевен (фиг. 5). Вилната зона е превключила от ръчен отчет към умен дистанционен отчет чрез внедряването на частна LoRa/LoRaWAN мрежа, ретро-фит с LoRa логър на съществуващите водомери и подмяна с умни водомери на местата където текущия водомер е извън метрология или няма възможност за ретро-фит.

Комбинацията от LoRa/LoRaWAN мрежа, умни логъри за данни и система за обработка и визуализация на данните се използва за дистанционен отчет, а също и за следене на реалните загуби по мрежата, чрез наблюдение на дебит и налягане в няколко контролни точки. На фигура 6. Е демонстрирано наслагването на данните от реален теч, локализиран в няколко контролни точки (главен водомер на зоната, контролен и клиентски. На фигура 6 е демонстриран и изглед от системата, относно същия този теч.

Анализ на ползите и разходите от въвеждане на умния дистанционен отчет

За целта ще направим TCO(Total cost of ownership) – общ анализ на разходите за собствеността, базиран на броя водомери, които един инкасатор отчита. Данните са приблизителни, базирани на интервюта на автора с ръководители на ВиК дружества в България.

Анализът се базира на следните първоначални данни и допускания.

- Срок: 10 години

- Метрология на водомерите: 5 години, т.е за периода са необходими 2 водомера;

- Срок на работа на LPWAN модул: 10 години;

- Брой отчети по LoRa: 1 на ден;

Комбинацията от LoRa/LoRaWAN мрежа, умни логъри за данни и система за обработка и визуализация на данните се използва за дистанционен отчет, а също и за следене на реалните загуби по мрежата, чрез наблюдение на дебит и налягане в няколко контролни точки. На фигура 6. Е демонстрирано наслагването на данните от реален теч, локализиран в няколко контролни точки (главен водомер на зоната, контролен и клиентски. На фигура 6 е демонстриран и изглед от системата, относно същия този теч.

- Единична цена на водомер 3/4'': 32 лв. ;

- Единична цена на LoRa модул за водомер: 80 лв.;

- Честота на ръчния отчет при въвеждане на умен дистанционен отчет: веднъж годишно;

- Водомайсторът обикаля с инкасатора в 1/3 от работното му време;

Анализ на ползите и разходите от въвеждане на умния дистанционен отчет

За целта ще направим TCO(Total cost of ownership) – общ анализ на разходите за собствеността, базиран на броя водомери, които един инкасатор отчита. Данните са приблизителни, базирани на интервюта на автора с ръководители на ВиК дружества в България.

Анализът се базира на следните първоначални данни и допускания.

- Срок: 10 години

- Метрология на водомерите: 5 години, т.е за периода са необходими 2 водомера;

- Срок на работа на LPWAN модул: 10 години;

- Брой отчети по LoRa: 1 на ден;

- Единична цена на водомер 3/4'': 32 лв. ;

- Единична цена на LoRa модул за водомер: 80 лв.;

- Честота на ръчния отчет при въвеждане на умен дистанционен отчет: веднъж годишно;

- Водомайсторът обикаля с инкасатора в 1/3 от работното му време;

- Осреднен месечен разход за заплати, осигуровки, обучения на инкасатор и водомайстор: 1600 лв.;

- Двойката инкасатор/водомайстор отговаря за около 2000 водомера, от които реално отчита около 1500 лв.

Обосновка на допусканията – срокът е избран да е 10 години и е съобразен с нормалния срок за експлоатация на един LoRa модул. Т.е модула ще бъде поставен последователно на два водомера. В анализа са заложени два водомера, въпреки, че би могло да бъде ползван и един, който да мине през метрологична проверка на петата година.

Разходите за въвеждане и проверка на данни от ръчните карнети за отчитане са сметнати като 1/14та от времето за ръчно отчитане. Много ВиК оператори ползват PDA устройства или мобилни приложения за отчет, които вероятно биха съкратили този срок, но реално пак биха добавили разход за самото устройство. Периодът на ръчно отчитане е избран да е един месец с цел избягване на конфликтите свързани с натрупване на сметки при по-дълъг период на отчитане. Периодът на отчитане при умния дистанционен отчет е 1 ден, което е нормално за технологията, на подобна цена би могло да се постигне дори и отчет на час. Разходите за инкасатор и водомайстор при умен дистанционен отчет са на база едно посещение годишно според минималното изискване на Наредба № 4.

Таблица 4. Анализ на общите разходи за собствеността

Резултатът ясно показва, че в дългосрочен аспект умния дистанционен отчет би довел до намаляване на разходите за отчитане. В конкретния пример са заложени конкретни стойности, които трябва да бъдат адаптирани за конкретиката на всеки ВиК оператор. Тенденцията за по-ниски разходи за умен дистанционен отчет би се засилила с времето поради факта, че разходите за заплати се увеличават със засилване на тенденцията за намаляване на населението, а разходите за технологията постепенно намаляват с утвърждаването на технологията и производството на по-големи количества електронни чипове.

Ползи за клиент и оператор от внедряването на умен дистанционен отчет

Внедряването на умен дистанционен отчет би довело до следните ползи за ВиК оператора и неговите клиенти.

Ползите за оператора са:

- Получаване на реални данни на кратки интервали, съответно възможност за профилиране на консумацията, а от профила възможност за бързо и лесно удостоверяване на кражби и нередности;

- Съкращаване на срока между извършване на нередност от страна на клиента и откриването и от страна на оператора;

- Намаляване на търговските загуби;

- Намаление на бройката отчетници, необходима за извършване на отчета;

- Намаляване на разходите;

- Възможност за предлагане на допълнителни услуги

– умен дистанционен отчет с възможност за следене на консумация, нотификации при теч или авари;

Ползите за клиента са:

- таксуване на база реална консумация;

- възможност за навременно идентифициране на течове и аварии и реализиране на потенциални спестявания от това;

- достъп до данните на по-чест интервал (дневно и дори почасово, в сравнение с на месец, три месеца или година);

- достъп до данните по удобен начин - през мобилно приложение на телефон или таблет;

- възможност за профилиране на консумацията и осъществяване на икономии на вода.

Заключение и анализ на резултатите

Използването на LPWAN и в частност LoRa/LoRaWAN мрежите има широко поле на приложение във ВиК сектора.

То би довело до определени икономически, финансови, но и общи ползи като: намаляване на разходите за отчитане и наблюдение, намаляване на търговските загуби, подобряване на имиджа на компаниите в очите на техните клиен ти, чрез предоставяне на модерни приложения за дистанционно отчитане и наблюдение на разходите за вода на домакинствата и бизнеса.

В заключение авторът иска да изкаже специални благодарности за написването на тази статия на:

д-р. Атанас Паскалев – за критичния прочит на статията и идеята за направа на анализ на ползите и разходите от въвеждането на умния дистанционен отчет.

инж. Стоян Радев – за множеството дискусии и предоставените данни за текущите разходи и методология на ръчно отчитане на абонатите.

инж. Йордан Йорданов – за дискусиите, прочита на статията, коментарите и запознаването на автора с терминологията във ВиК сектора.

доц. д-р. Иван Богомилов и проф. Антони Славински – за това, че все ме ръчкат да пиша статии

Колегите от ThingsLog – за предоставените осреднени цени на водомери и LoRa модули и данни от проекти свързани реализация на мрежи за дистанционен отчет.

Българска асоциация по водите (БАВ) за възможността да участвам с доклад по темата в десетата юбилейна конференция „Намаляване загубите на вода във водоснабдителните системи“.

Последно, но в никакъв случай не на последно място автора би искал да изкаже специални благодарности на инж. Красимир Неделчев от ВиК Търговище за въведението в ВиК бизнеса, за безбройните дискусии по темите на дистанционното отчитане и наблюдение и за възможността да участвам с доклад свързан с темата на „Технофорум Търговище“.

Използвана литература

1. S. Farrell, Low-Power Wide Area Network (LPWAN) Overview, IETF,https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc8376
2. КЕВР, УКАЗАНИЯ ЗА ПРИЛАГАНЕ НА НАРЕДБАТА ЗА РЕГУЛИРАНЕ НА КАЧЕСТВОТО НА ВОДОСНАБДИТЕЛНИТЕ И КАНАЛИЗАЦИОННИТЕ УСЛУГИ, ЗА РЕГУЛАТОРНИЯ
ПЕРИОД 2022-2026 г., стр. 16.
3. БАВ, РЪКОВОДСТВО ЗА НАМАЛЯВАНЕ ЗАГУБИТЕ НА ВОДА, http://ope.moew.government.bg/files/useruploads/files/rukovodstvo_namaliavane_zagubi_voda.pdf,
2015г.
4. Wi-Sun alliance https://wi-sun.org/
5. SEMTECH CORPORATION, US20160094269A1 - Wireless communication method, https://patents.google.com/patent/US20160094269A1/en,
6. LoRa Alliance, LoRaWAN specification, https://lora-alliance.org/resource_hub/lorawan-specification-v1-1/, 2017
7. Helium, the people’s network, https://www.helium.com/
8. The Things Network, https://www.thethingsnetwork.org/
9. LiandoJ., Gamage, Am., Tengourtius, Аg., Li Mo,.“Known and unknown facts of LoRa : experiences from a large-scale measurement study” , ACM, https://dl.acm.
org/doi/10.1145/3293534
10. Cat M1, 3GPP Release 13-14
11. NB-IoT, 3GPP Release 13-14
12. Communication systems for meters - Part 4: Wireless M-Bus communication, EN13757-4, 2019-09