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智能IC卡水表发展前景分析发布时间:2003-4-7 17:41:35 作者：张亚雄 本文探讨了智能IC卡水表的结构、特点与功能，并对阻碍智能IC卡水表大规模推广使用的三个问题和未来发展前景做了简要分析。一、再谈什么是智能IC 卡水表？ 智能IC卡水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、智能IC卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表。这与传统水表一般只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能相比，是一个很大的进步。智能IC卡水表除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量自动进行控制，并且自动完成阶梯水价的水费计算，同时可以进行用水数据存储的功能。由于其数据传递和交易结算通过IC卡进行，因而可以实现由工作人员上门操表收费到用户自己去营业所交费的转变。IC卡交易系统还具有交易方便，计算准确，可利用银行进行结算的特点。智能IC卡水表的基本结构原理见下图：电源、通讯接口、音响报警装置、开关执行机构、IC卡读写器、LCD显示、微机控制模块、水量采集、进水、出水 IC卡水表的外观与一般水表的外观基本相似，其安装尺寸和安装过程也基本相同。IC卡水表的使用很简单，从用户的角度看，就时把IC卡卡片向水表里插一下。IC卡水表的工作过程一般如下：将含有金额的IC卡片插入水表中的IC卡读写器，经微机模块识别和下载金额后，阀门开启，用户可以正常用水。当用户用水时，水量采集装置开始对用水量进行采集，并转换成所需的电子信号供给微机模块进行计量，并在LCD显示屏上显示出来。当用户的用水金额下降到一定数值时，水表的报警装置会自动进行相应报警，提示用户应该去持卡交费购水。如超过用水金额，则水表会自动将电控阀门关闭，切断供水。直至用户插入已经交费的IC卡片重新开始开启阀门进行供水。 二、 采用智能IC卡水表的优越性 显然，采用智能IC卡水表技术方案可以为供水管理部门和用户带来许多方便，可以为传统的供用水管理模式进行现代化改造提供基础性的技术支持。与传统的用水计量仪表相比，采用智能IC卡水表技术可以带来许多新变化。 1、对供水部门来说，可以实现先交费再供水的用水模式。这是大家都普遍认可的一个优点。这对解决水费拖欠这个过去难以解决的问题会有帮助。煤气部门推行IC卡煤气表的经验表明，人们普遍接受这一模式，供气部门不仅解决了拖欠交费的老大难问题，还可以提前收到资金。对用户来说，由于水费的支出在总支出中占的比重很小，这种改变，对用户来说，只是把水费的交付时间提前了一段时间，所以，用户并不敏感。但对供水部门来说，这种变化则是不能小看的。随着水资源的紧张和水的商品属性逐步被社会认可，水的交易将会逐渐采用一般商品的交易模式，显然，先交费后用水，是更合理的一种交易模式。 2、改变了入户操表收费的模式。 这种模式改变的意义是巨大的。由于城市规模不断扩大和居民户数快速增加，供水部门抄表和收费的工作量将不断加大。沿用传统的上门抄表模式，将很难适应这种变化。而现在由于各种原因的影响，人工入户操表的效率已经在逐渐下降并且使这种模式的成本不断增加。解决这个问题，可以采用多种途径，但依靠技术进步来解决这个问题，应当是更值得提倡的方式。显然，采用智能IC卡水表极其管理系统，将可以从根本上改变由供水部门派人去千家万户抄表收费的模式。只要供水部门合理设置交费机构，基本上不会给用户带来麻烦。如果得到金融系统的配合，还可以减少布点的成本。因此大规模采用智能IC 卡水表技术对降低供水部门的管理成本是会有显著帮助的。而使用IC卡进行交易结算，用户可以自主决定交费时间和数量，增大了用户的自主性。特别是随着人们家庭安全意识和隐私意识的增强，入户抄表和上门收费等随意进入私人住户的做法将逐渐不受欢迎甚至受到抵制，这是一个必须给予重视的社会发展趋势。而使用智能IC卡进行交易结算，将可以有效解决这个会带来很多社会隐患的问题。 3、可以有效解决一些技术难题 。 比如，随着水资源的紧张，将会逐步实行超计划水价甚至阶梯式水价等较为复杂的用水管理模式。这些，将对供用水交易提出较高的技术要求。采用普通水表和人工抄表的模式，是难以解决这些技术问题的，而采用智能IC卡水表，将很容易解决这些问题。同时也为制造高精度计量仪表提供技术支持。4、随着科学技术的发展，供水行业也需要逐步实现用高科技手段进行供水管理。采用传统水表，这个跨越是很难完成的，而采用智能IC卡水表，将为运用计算机技术进行现代化管理奠定一个技术基础。 5、当然，使用智能IC卡水表还有其它优点，比如可以有效解决计量扯皮、用水纠纷，贪污水费、人情用水、用水统计困难等问题。 6、与远传抄表系统相比，智能IC卡水表具有使用和维护成本很低，没有布线造成的混乱和高故障率等问题。 智能IC卡水表的以上优点，将会使其逐渐被接受并成为一种基本计量配置。 三、IC卡水表的现状及发展趋势 随着微电子技术的快速发展，加上国家相关政策的推动，民用计量仪表的智能化将是一个必然的发展方向。这不仅是中国的一种趋势，也将成为世界性的趋势。而在近十年里，单体式智能IC卡类仪表又将会是发展主流。 从理论上说，网络式智能仪表系统应当是更好的一种计量管理模式，并且是最终发展方向。但是目前，由于网络式智能仪表系统的建立条件不成熟，且没有相关系统相配合，所以，单独在一个部门大规模推动建立网络式智能仪表系统的优点显现不出来。而且，仅仅为了提取用水信息就要构建一个信息网络，从经济角度讲也不合算。 建立网络式智能仪表信息系统的理想模式应当是，由公共网络部门建立起社会化的网络系统，而要使用这个网络的具体部门只要向其进行申请，将自己行业的智能计量终端挂接上去就可以了。同时，这种网络式智能仪表管理系统又与个人金融网络系统结合使用。这种网络系统应当才是好的和有效率的网络系统。 显然，整个社会现在正在努力推进着网络化的工作，在可以预见的时间里，这种把千家万户连接起来的网络系统就会逐步形成。所以，既然整个社会正在进行着这种工作，那么，每个部门为了自己行业的一种特别目的去建立自己单独的网络，显然将与这种可以面向社会提供各种接入服务的网络系统相冲突，并且根本不可能有经济优势，既然这样，现在进行的小行业小区域组网工作就是一种浪费，而且对解决供水部门的管理问题并没有什么根本性的帮助。 那么，现在普遍采用的单体式智能仪表模式与将来的网络化管理模式是否会发生冲突呢，我的看法是不会，相反，还会促进网络化管理模式的形成。因为，单体式智能仪表模式与将来的网络模式并不矛盾。因为不管什么网络模式，最终必须要有智能终端与其进行联结。现在采用的单体式智能仪表将来就可以作为网络管理系统的智能仪表终端。所以，它们不是一种冲突关系，而是一种相承关系。如果现在就能充分意识到这一点，并寻找合理的技术方案，在将来实现网络化时就会占有主动的地位。 根据以上的分析，我认为，现在采用的单体式智能仪表发展模式是合理的，是适合现时需求并具有主流特征的。 当然，在密集度较高的建筑群里采用的一线四表控制系统也是值得推广和具有合理发展前景的。 为了推动智能IC卡水表的发展，全国有许多研究机构投入力量对智能IC卡类产品进行了开发研究，很多自来水公司也积极参与了此项开发工作并成功的开发出了自己的产品。从理论角度看，智能IC卡水表已经进入了成熟期。但是，为什么现在智能IC卡水表的推动工作还很困难呢？这不难理解。因为从实际情况看，现在的智能IC卡水表确实还存在着许多影响其大规模推广使用的问题。这些问题集中起来主要是1、价格太高；2、质量不可靠；3、存在安全隐患。下面对这几个问题做一个简要的分析，并借以对智能IC卡水表的近期发展做一个预测。 1、价格问题。根据调查，一些大型自来水公司推出的智能IC卡水表的价格都在450元以上，有的还更高，比如600元。这个价格相对于现在还很便宜的水价来说当然是较高了。社会对智能IC卡水表合理接受的价格瓶径是300元。高于这个价格，可能会成为影响智能IC卡水表推广的因素。但由于确实有许多水司是以高于这个价格在进行推广，当然就有困难。大水司推不动，又将影响到中小城市的推广使用。那么，智能IC卡水表的合理价格应该是多少呢，我认为目前应当在300元以内。一年以内，智能IC卡水表的价格应当下降到240元，两年以内，这个价格应当下降到180元左右。如果按照这个价格进行推广，推广的社会难度应当减小。 当然，合理价格的最终确定还是应当靠市场的竞争来完成。但在推广的早期，有必要建立价格引导机制，比如由行业协会提出指导价格。而在具体的采购中合理引入招标机制等。当然，如何打破利用行业垄断特点进行的不合理操作也是使价格尽快下降的有效方法。 2、质量与可靠性。从理论上说，智能IC卡水表应该可以做的很可靠。但由于有些公司没有技术上的突破，加上没有采用严格的质量标准，导致某些智能IC卡水表出现严重问题。一旦质量不好的智能IC卡水表大量流入社会，将会对这个刚刚起步的行业产生严重的打击。早几年部分地区使用的智能IC卡电表由于质量不好导致智能IC卡电表的推广难就是一个例证，并且供水行业也受到了这种影响。虽然现在智能IC卡电表已经可以做的很好了，但是早期的影响显然还在继续阻碍电力行业对这种电表的推广和使用。 那么从技术角度讲智能IC卡水表到底能不能做到具有较高的可靠性呢？结论是肯定的。因为微电子技术的发展，已经为智能IC卡水表的发展奠定了良好的技术基础。没有理由说微电子技术在其它领域能成功的应用，而在供水计量仪表领域不能得到成功应用。现在的问题不是技术上可靠与不可靠的问题，而是具体的生产企业是否具备能生产出高质量智能IC卡水表的能力和条件，并且，是否找到了合格的技术方案。对于这个可能会产生很大社会影响的问题，国家有必要采取严格的技术准入制度。对于不合格产品必须挡在市场外。否则，不合格产品的大量使用将会造成严重的社会问题，并会大大延缓智能IC卡水表的推广使用并破坏一个新行业的发展。有必要加快技术标准的制定速度。 3、安全性问题。智能IC卡水表在使用中要借助IC卡卡片进行用水交易，因此，对于这种卡片的安全性应当提出基本的要求。现在普遍的做法是采用逻辑加密卡作为数据和金额传递工具。在小区域和小范围里使用，如果处理的好，其安全性还是可以保证的。 但是如果一个中型以上城市的自来水公司要全面采用智能IC卡水表进行用水管理，特别是为了方便交易而要与银行联手进行收费，那么，采用CPU卡作为金融结算工具就是基本的要求。不仅是采用CPU卡，而且要采用较高级的加密算法，比如DES，3DES，RAS等。因为大规模采用智能IC卡水表后，就意味着硬件投资很大和金融交易量会很大，一旦安全性受到威胁，不更换系统，就会导致金融交易中的损失，如果更换系统，就会带来更换系统的成本。这两种情况都将带来巨大的损失，都是不应当出现的。因此从安全角度讲，如果要大规模采用智能IC卡水表就必须使用CPU卡和相应的加密算法。从长远来看，要解决安全问题，采用CPU卡是必然的发展方向。由于这方面已经有突破性的进展，所以，安全性问题的解决应当是不成问题的。 应当承认，现在采用逻辑加密卡的智能水表普遍存在着安全隐患。开发智能IC卡水表的厂家，由于对这个问题的重视程度和技术水平不同而解决的方法也不一样。产品质量不好的问题，只要使用一段时间就能够很快发现，或者通过技术检验就能够发现。但安全上存在的隐患则不是很容易发现的，而且也缺乏一种很好的判别方法去进行检验。因此现在要在安全问题上进行更多的探讨，并尽快制定基本安全指标。 所谓基本安全指标，是指可以保证最低安全性要求的技术指标。比如应当采用多种校验码方式。另外，利用某些数据的可变化性作为验证码。由于一般的智能IC卡水表都有卡类型的设置，所以，要特别提出要求，防止出现把用户卡改为卡片炸弹的可能性问题。还有就是用户卡的密码设置必须可以做到由管理使用部门自己来设置，而不是制造商来设置。特别要贯彻一表一卡的设置方案。即采用由管理软件不断生成特殊数据来表征卡的唯一性，而智能水表也能配合这种唯一性设置。这样即便将一张卡片被破解了，也不影响其它卡片和其它水表的安全性。当然，如果能够在卡片上做文章，比如采用带有唯一出厂序列号的卡片，那安全性可能更容易解决。 智能IC卡水表的硬件设置也应当提出安全性要求，比如应采用具有保密功能的单片机。 还有就是管理程序的安全性问题，比如说数据库加密和保密问题，管理程序要有授权操作的功能等。 还有就是读卡器的安全问题。现在采用的通用读卡器存在泄密问题，这也是必须尽快解决的问题。 安全性要从多方面进行考虑，制造商要从技术上切实解决安全问题，使用管理部门也要建立起必要的安全管理制度。所以，不能只从技术角度讲安全。安全性问题中一个重要方面是加强管理，在某种意义上说，管理超过技术，管理上的要求应高于技术上的要求。管理的好，一般的技术方案也能达到理想的安全要求，管理不好，再好的技术方案也没有用处。因此，作为采用IC卡进行结算交易的部门，应当在加强安全管理方面采取足够的措施，比如制定安全管理规程和严格的保密措施。对要求使用智能IC卡的部门，凡是涉及到金融交易的，也应当提出一些基本要求。 当然，随着智能计量仪表的大规模采用，相关的法律建设问题也要跟上，要在管理、技术、法律等多方面来保证使用该产品的安全性。 四、IC卡水表的基本功能分析 中国是个大国，各地供用水的情况差异较大。为了满足全国不同地区，不同形式的供用水管理要求，智能IC卡水表在功能考虑上应当尽可能完善，并考虑功能可扩展的问题。而这个问题恰好是很多水司关心不够的问题。这样，使本来功能可以很强大的智能IC卡水表的优越性没有充分发挥出来，使一些人认为采用智能IC卡水表与一般的水表也没有什么大的不同。其实，这两种表的区别是很大的。设计的好，智能IC卡水表可以实现许多功能。对于智能IC卡水表，那些功能是必备的呢，下面来做一个简要分析。 1、从用户的角度看，智能IC卡水表的使用应当简单明了，一看就会。实际上，智能IC卡水表的使用也很简单，用户对智能IC卡水表的使用就是持卡交费购水和向水表中插入一下IC卡卡片。为了方便用户使用，智能IC卡水表的液晶显示屏应设置有多种提示符号，并具有人性化的提示功能,比如友好的语音提示功能，有些水表已经具有了这样的功能，应考虑普遍采用。另外，智能IC卡水表应当具有造型美观，美化家居的特点。当然，也应当有一定的坚固性。最好设置报警金额。设置报警金额的好处是对用户进行购水提示，以防止节假日断水。这样做，可以帮助用户合理安排购水时间，以免耽误用户的正常用水。 2、从管理部门的角度看。IC卡水表应当具备一些基本功能。 1)统计功能。最好是采用每个月进行一次统计的方案。比如，每个月的最后一天，水表会将本月分的用水数据进行汇总并进行存储。当用户将IC卡插入水表时，这些数据会回写到IC卡卡片上并通过卡片回写到计算机内。水表应当可以存储用户十年中每个月的用水量。这个功能对于供水部门系统掌握用户用水的情况具有十分重要的意义。 2)欠费记录。当水表出现故障或其它意而外导致阀门在没有金额的情况下还处于开启状态时，水表可进行欠费记录，包括用水量的增量记录和所欠水费的增量记录。该记录也应当可以通过卡片回写到计算机上。但这个功能不是必须的。 3)基础水量设定功能。某些自来水公司出于某种原因，会提出基础水量的设置要求，该基础水量的含义为，当用户的用水量没有达到基础水量时，按基础水量进行计量和收费。 4)超计划用水管理功能。这是北方缺水地区的供水部门拟推行的一种收费模式。比如，规定一户三口之家的用水指标为15吨，在15吨之内水的基本价格为1.2元，而超过15吨之后的超计划价格为每吨3元。当本月份的用水量超过15吨时，水表会自动将价格调整为每吨3元，超过计划部分的用水将按照此价格进行计价。超计划用水的价格在用户第一次插入卡片时输入水表。该数据在初始化后消除，并可通过重新插入用户化卡时设定。该功能也为可选功能。当然，水价会自动回位，即当时间回到月头时，水价会自动回到基本价格上。 5)一户一卡的功能。通过设立用户密码和用户校验码的方式实现一户一卡。即一个水表只能使用一个用户专用卡，插入其它卡片无效。这对提高水表使用的安全性具有帮助。 6)补卡功能。用户的卡片有丢失的可能性，遇到这样的情况时，可以进行补。此时会发生两种可能性：一是卡片中没有金额时丢失，一是卡片中含有金额时丢失，这两种情况都给予了考虑。补卡通过管理软件进行作业。7)三种卡或者四种卡的设置方案。三种卡是指初始化卡、时钟化卡和用户卡。以上三种卡的功能和作用一般为：a) 初始化卡 其作用是对水表进行初始化操作，使水表程序处于起始状态，所有数据清零。在此状态下，管理部门可以对水表进行重新时钟化处理和开户处理。当然，还可以增加其它功能。b) 时钟化卡 其作用是将日历时间通过卡片写入水表。同时，操作由时钟控制的部分子程序。c) 用户化卡 其第一个作用是在第一次插卡时将用户化数据写入水表中以实现一表一卡。用户化数据是指用户的姓名、地址、用户号、电话、购水次数、购水金额、购水单价、超计划用水水量、超计划用水单价、报警金额等。第二个作用是传递购水金额，实现用水交易。第三个作用是将水表中的相关数据回写到卡片上，并通过卡片传递到计算机的管理软件中。当然，还可以设置其它功能。 3、从保护性和安全性角度看 1) 阀门定时开闭功能。阀门定期开闭有利于阀门的长期正常工作。 2)防磁性干扰功能。磁性材料由于有成本低廉的特点，所以被广泛采用。但磁性材料比较容易受干扰，因此应当加以考虑。智能IC卡水表在遇到磁性物质干扰后，应会将阀门作关闭处理，关闭的时间和开启的时间可以根据需要进行设定。当然也可以通过采用非磁性信号方式来解决这个问题。 3)卡座抗攻击保护功能。当有人将金属类具有破坏性的卡片插入卡座时，应不会对水表的正常使用产生影响，包括电量消耗。 4)掉电自动保护数据功能。掉电后，数据依然可以被保存。当恢复供电后，数据自动恢复。 5)欠电自动关闭系统的功能。当电池电压或电池容量掉到规定数值后，意味着电池可能已经快没有电了，此时，水表应会自动将阀门关闭并使系统处于休眠状态，并显示相应信息和提示。 6)防拆卸功能。应在表体和接头管件上设置铅封口并可进行防伪铅封处理，以防止随意拆卸水表的行为。 当然，可以根据需要设置其它功能，从技术角度讲，智能IC 卡水表可以设置很多功能。五、智能IC卡水表的主要技术指标分析 智能IC卡水表一般是放置在室内使用，因此对其使用环境要求并不高。只不过这种水表一般会放置在靠近厨房的位置，所以有一个防止水气侵蚀和油烟污染的问题。这些问题现在都不难解决。防止水气只要采用合理的密封技术，一般都能满足要求。而防止油烟污染，只要在IC卡卡座上做一些技术处理比如加防尘罩等就可以解决。下面对几个重要的技术指标进行分析。 1、电池使用寿命指标。这是一个重要指标。煤气表在这方面解决的不好。有些煤气表要求用户几个月换一次电池，这就不科学。现在的低功耗设计方案已经能使一只智能IC卡水表的不换电池工作时间提高到8年甚至10年。如果达到这样的水平，对用户和供水部门都会是很方便的。当然，水表的机械计量部分和电器控制部分的使用寿命应当更高一些，更换电池后，应当可以继续使用一个较长的时间。 2、计量精度指标。随着水资源的紧张，水价将会逐渐上调，为了适应这一要求，应尽可能提高水表的计量精度。现在普遍采用的B级表将不能满足要求，应当将这个技术指标提高到C级标准。 3、整表使用寿命。整表的使用寿命是一个值得探讨的问题。因为整表的使用寿命从理论上说，是由寿命最短的器件决定的。那么，使用寿命最短的器件是那个呢？按照国家标准，这个器件是水表，但实际上，水表的使用期限都远远超过国家标准规定的年限，可见，这个标准定的并不合理。从现在的实际制造情况来看，要制造商承诺的寿命指标达到6年是合理的。但实际上，智能IC卡水表的使用寿命超过10年是完全可能的。 4、防潮湿及密封性能指标。密封问题上面已经提到过。只要对电器部分采用密封处理方案，加上