Łączność IoT dla inteligentnego opomiarowania na skalę globalną

Czym jest inteligentne opomiarowanie i dlaczego łączność definiuje jego sukces?

Inteligentne liczniki to cyfrowe urządzenia, które mierzą i przesyłają w czasie rzeczywistym dane o zużyciu energii elektrycznej, gazu i wody do dostawców mediów. W przeciwieństwie do tradycyjnych liczników, które wymagają ręcznego odczytu, inteligentne liczniki umożliwiają dwukierunkową komunikację - wspierając zdalne zarządzanie, aktualizacje oprogramowania układowego, automatyczne fakturowanie, wykrywanie awarii i prognozowanie popytu.

Globalny rynek inteligentnych liczników został wyceniony na około 28 mld USD w 2024 r. i przewiduje się, że będzie rósł w tempie ponad 14% rocznie do 2034 r., napędzany przez rządowe mandaty na modernizację infrastruktury sieciowej, globalne dążenie do integracji energii odnawialnej i rosnące zapotrzebowanie na szczegółowe dane dotyczące zużycia. Do końca 2023 roku na całym świecie zainstalowano ponad 1 miliard inteligentnych liczników, a oczekuje się, że do 2030 roku liczba ta przekroczy 1,75 miliarda.

Za każdym z tych urządzeń kryje się warstwa łączności. A w przypadku wdrożeń na dużą skalę, rozproszonych na poziomie krajowym lub globalnym, ta warstwa łączności jest największym czynnikiem decydującym o tym, czy program inteligentnych pomiarów spełni swoją obietnicę - czy też stanie się kosztownym problemem w utrzymaniu.

Com4 jest jednym z wiodących europejskich dostawców łączności IoT, z ponad dwudziestoletnim doświadczeniem we wspieraniu inteligentnych pomiarów, infrastruktury energetycznej i wdrożeń w wielu krajach. Dzięki niezależnym od operatora kartom SIM łączącym się z ponad 750 sieciami w ponad 190 krajach oraz własnej redundantnej mobilnej sieci rdzeniowej, Com4 zapewnia operatorom użyteczności publicznej, producentom OEM i dostawcom infrastruktury podstawy łączności, których wymagają ich programy.

Wyzwanie globalnego wdrożenia: dlaczego łączność inteligentnych liczników jest trudniejsza niż się wydaje

Z zewnątrz inteligentne liczniki wydają się proste: stałe urządzenie, które okresowo wysyła niewielką ilość danych. W praktyce są to jedne z najbardziej wymagających wdrożeń IoT, które działają na dużą skalę.

Trudne środowisko fizyczne. Inteligentne liczniki są zazwyczaj instalowane w piwnicach, szafkach narzędziowych, podziemnych skarbcach i odległych lokalizacjach wiejskich. Środowiska te znacznie osłabiają sygnały komórkowe. Łączność musi przenikać głęboko do wnętrza i działać niezawodnie w miejscach, w których zasięg jest słaby lub niespójny.

Długi okres eksploatacji. Oczekuje się, że inteligentne liczniki będą działać przez 10 do 20 lat bez wymiany sprzętu. Strategie łączności zablokowane w czasie projektowania muszą pozostać opłacalne przez wiele generacji technologii sieciowych. Wyłączenie sieci 2G i 3G na wielu rynkach wymusiło już kosztowne, nieplanowane migracje dla operatorów, którzy oparli się na starszych standardach - ryzyko, które każde nowe wdrożenie musi uwzględniać od pierwszego dnia.

Rygorystyczne budżety energetyczne. Wiele inteligentnych liczników polega na zasilaniu bateryjnym do zasilania awaryjnego lub podstawowego. Nadmierne próby ponownego podłączenia do sieci i nieefektywne protokoły łączności wyczerpują baterie, skracając żywotność urządzeń i bezpośrednio zwiększając koszty konserwacji.

Programy obejmujące wiele krajów. Operatorzy użyteczności publicznej, producenci OEM sprzętu i inwestorzy infrastrukturalni coraz częściej wdrażają rozwiązania w wielu krajach. Każdy rynek ma inne środowisko operatora, ramy regulacyjne, pasma częstotliwości i wymagania dotyczące zgodności. Zarządzanie łącznością za pośrednictwem oddzielnych umów z operatorami krajowymi tworzy koszty operacyjne i luki w zasięgu na każdej granicy.

Złożoność regulacyjna. Wdrożenia muszą być zgodne ze zmieniającą się matrycą standardów, w tym dyrektywami UE dotyczącymi inteligentnych sieci, dyrektywą w sprawie odporności podmiotów krytycznych (CER), ustawą o cyfrowej odporności operacyjnej (DORA), normami dotyczącymi urządzeń pomiarowych IEC 62052/62053 oraz wymogami cyberbezpieczeństwa IEEE 1686 - z których wszystkie różnią się w zależności od kraju i rodzaju mediów.

Jak działają inteligentne systemy pomiarowe: Architektura AMI

Nowoczesne inteligentne systemy pomiarowe opierają się na zaawansowanej infrastrukturze pomiarowej (AMI) - zintegrowanym systemie inteligentnych liczników, sieci komunikacyjnych i platform zarządzania danymi umożliwiających dwukierunkową komunikację między przedsiębiorstwami użyteczności publicznej a klientami.

Typowy system AMI obejmuje

• Inteligentne liczniki w lokalach klientów, wyposażone w czujniki, moduły komunikacyjne, wyświetlacze odporne na manipulacje i podtrzymanie bateryjne.
• Łączność przenoszącą dane między licznikami a systemami stacji czołowej - przy użyciu sieci komórkowej(NB-IoT, LTE-M, 4G), RF mesh lub komunikacji po linii energetycznej (PLC) w zależności od wdrożenia.
• Systemy stacji czołowej zarządzające danymi liczników i umożliwiające zdalne operacje, w tym aktywację, dezaktywację i aktualizacje oprogramowania układowego
• Systemy zarządzania danymi z liczników (MDMS), które przechowują, przetwarzają i analizują dane z liczników na potrzeby fakturowania, prognozowania i raportowania.

AMI zastępuje starsze systemy automatycznego odczytu liczników (AMR), które obsługiwały tylko komunikację jednokierunkową. Dwukierunkowa łączność jest tym, co odblokowuje korzyści operacyjne i komercyjne, w które inwestują przedsiębiorstwa użyteczności publicznej: zdalne zarządzanie, ustalanie cen na podstawie czasu użytkowania, reagowanie na popyt i wykrywanie awarii w czasie zbliżonym do rzeczywistego.

Wybór odpowiedniej technologii łączności dla inteligentnych liczników

Wybór technologii łączności jest jedną z najważniejszych decyzji w projektowaniu inteligentnych liczników i musi zostać dokonany przed sfinalizowaniem sprzętu. Kluczowymi technologiami komórkowymi IoT dla inteligentnych liczników są NB-IoT i LTE-M, obie należące do kategorii Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) .

NB-IoT

NB-IoT jest przeznaczony dla urządzeń stacjonarnych, które rzadko przesyłają niewielkie ilości danych. Oferuje głęboką penetrację sygnału wewnątrz pomieszczeń - krytyczną dla liczników w piwnicach i zamkniętych przestrzeniach użytkowych - oraz efektywne wykorzystanie baterii. Szczytowa szybkość transmisji danych wynosząca około 250 kb/s jest więcej niż wystarczająca do przesyłania danych o zużyciu energii i komunikatów rozliczeniowych.

Kluczowe ograniczenie dla globalnych wdrożeń: NB-IoT z trudem zdobywa popularność poza Chinami, które stanowią zdecydowaną większość światowych połączeń NB-IoT. Zasięg w Europie i Ameryce Północnej różni się znacznie w zależności od operatora, a obsługa roamingu za granicą pozostaje ograniczona. W przypadku czysto krajowych wdrożeń u jednego operatora, NB-IoT może być właściwym wyborem. W przypadku programów transgranicznych lub wielorynkowych obraz zasięgu wymaga dokładnej weryfikacji przed podjęciem decyzji.

LTE-M (Cat-M1)

LTE-M oferuje wyższe prędkości transmisji danych (do 1 Mb/s), mniejsze opóźnienia i szerszy zasięg międzynarodowy, bazując na istniejącej infrastrukturze LTE. Obsługuje transmisję głosu, aktualizacje oprogramowania układowego w trybie FOTA (firmware-over-the-air) i mobilność - dzięki czemu jest bardziej wszechstronny w programach obejmujących zasoby mobilne obok liczników stacjonarnych.

W przypadku wdrożeń globalnych LTE-M generalnie oferuje bardziej spójny zasięg w wielu krajach niż NB-IoT poza Azją. Obecnie dostępne są dwusystemowe chipsety obsługujące zarówno NB-IoT, jak i LTE-M, dzięki czemu producenci OEM mogą zbudować jedno urządzenie, które wybiera najbardziej odpowiednią technologię w każdej lokalizacji.

Imperatyw wielu sieci

Żaden pojedynczy operator nie zapewnia optymalnego zasięgu wszędzie tam, gdzie zainstalowany jest inteligentny licznik. Obszary wiejskie, granice państwowe i środowiska podziemne stwarzają sytuacje, w których urządzenie zablokowane u jednego operatora nie będzie działać lub przestanie działać. Wielosieciowe karty SIM - wybierające najsilniejszego dostępnego operatora w danej lokalizacji - rozwiązują ten problem bezpośrednio. Eliminują również potrzebę zarządzania oddzielnymi umowami operatorskimi dla każdego kraju wdrożenia. Niesterowane, niezależne od operatora karty SIM IoT firmy Com4 łączą się z ponad 750 sieciami na całym świecie, zapewniając każdemu urządzeniu dostęp do najlepszego dostępnego sygnału bez ręcznej interwencji.

Sześć zasad projektowania niezawodnych wdrożeń inteligentnych systemów pomiarowych

1. Zacznij od strategii łączności, a nie od sprzętu

Najczęstszym błędem w projektowaniu inteligentnych liczników jest traktowanie łączności jako komponentu wybieranego po sfinalizowaniu współczynnika kształtu. Umiejscowienie anteny, tłumienie sygnału i wybór modułu oddziałują bezpośrednio na fizyczny projekt urządzenia. Zmiana podejścia do łączności po zamknięciu obudowy zazwyczaj wymaga pełnego przeprojektowania. Zdefiniuj strategię łączności na najwcześniejszym etapie.

2. Projektowanie z myślą o pełnym okresie eksploatacji urządzenia

Licznik oddany do użytku dzisiaj może nadal działać w terenie w 2040 roku. Urządzenia powinny być wyposażone w technologię eUICC, umożliwiającą zdalne dostarczanie kart SIM drogą radiową - pozwalając na aktualizację profili łączności bez wizyt w terenie lub fizycznej wymiany kart SIM. Jest to niezbędne do migracji między operatorami lub technologiami sieciowymi, ponieważ krajobraz zmienia się w ciągu 15-20 lat eksploatacji.

3. Optymalizacja pod kątem niskiego zużycia energii

Rozwiązania łączności zaprojektowane dla protokołów LPWAN - w tym PSM (tryb oszczędzania energii) i eDRX (rozszerzony odbiór nieciągły) - znacznie wydłużają żywotność baterii. W przypadku urządzenia, które ma działać przez dekadę lub dłużej, ma to bezpośredni wpływ na całkowity koszt posiadania.

4. Zgodność z przepisami od samego początku

Wymagania regulacyjne różnią się w zależności od kraju i rodzaju mediów. Wybór partnera w zakresie łączności z doświadczeniem w zakresie zgodności z wieloma rynkami zmniejsza ryzyko wykrycia luk po wdrożeniu urządzeń. Com4 ma bezpośrednie doświadczenie w poruszaniu się po wymogach certyfikacyjnych i regulacyjnych na rynkach europejskich w imieniu klientów użyteczności publicznej.

5. Priorytet dla możliwości zdalnego zarządzania

Diagnozowanie, rozwiązywanie problemów i rozwiązywanie problemów z łącznością bez wysyłania technika jest podstawowym wymogiem w przypadku dużych wdrożeń. Platformy łączności powinny zapewniać dostęp w czasie rzeczywistym do dzienników sieci, danych sygnalizacyjnych, stanu urządzeń i analiz użytkowania. Gdy licznik przestaje działać, zespół operacyjny powinien być w stanie natychmiast zidentyfikować przyczynę i działać zdalnie.

6. Planowanie ekspansji na dużą skalę i do wielu odbiorców od pierwszego dnia

Programy inteligentnych pomiarów coraz częściej obejmują energię elektryczną, gaz i wodę w ramach tej samej infrastruktury i często obejmują wiele krajów. Platforma łączności i zarządzania wybrana do początkowego wdrożenia powinna być skalowalna w różnych zakładach i regionach geograficznych bez konieczności nawiązywania dodatkowych relacji z operatorami lub renegocjacji. Przewiduje się, że samo przyjęcie inteligentnych wodomierzy wzrośnie o 16% CAGR do 2030 r., co czyni to krótkoterminowym wymogiem planowania.

Uzasadnienie biznesowe: Co zapewnia inteligentne opomiarowanie

Finansowe i operacyjne uzasadnienie dla inteligentnych pomiarów jest dobrze ugruntowane i nadal się umacnia wraz ze wzrostem skali wdrożeń i dojrzewaniem możliwości danych.

• Badania UE szacują, że inteligentne liczniki generują oszczędności energii na poziomie 2-10% na punkt pomiarowy, przy średnich oszczędnościach kosztów wynoszących około 230 euro dla gazu i 270 euro dla energii elektrycznej na punkt w całym łańcuchu wartości.
• Każdy uniknięty przejazd ciężarówki pozwala zaoszczędzić setki dolarów na robociźnie, paliwie i zużyciu pojazdów. Zdalne zarządzanie sprawia, że oszczędności te są systematyczne, a nie przypadkowe.
• Dokładne rozliczenia w czasie rzeczywistym zmniejszają liczbę sporów i koszty operacyjne ich rozwiązywania. Brytyjskie badania wykazały, że 80% mieszkańców posiadających inteligentne liczniki zgłosiło lepszy wgląd w swoje rachunki za energię.
• Wykrywanie awarii i zdalne przywracanie zasilania skraca czas reakcji na awarię i eliminuje niepotrzebne inspekcje w terenie.
• W 2024 r. ponad 45% nowych instalacji inteligentnych liczników na całym świecie wykorzystywało łączność komórkową IoT - wyraźna zmiana w całej branży w kierunku bardziej wydajnej, skalowalnej technologii komunikacyjnej.

Przypadek użycia: Validér - największe wdrożenie inteligentnych liczników IoT w Norwegii

Kiedy norweski parlament nakazał wyposażenie wszystkich norweskich gospodarstw domowych w cyfrowe automatyczne liczniki energii, stworzył jeden z największych inteligentnych systemów pomiarowych w historii Europy. Validér, wiodący dostawca usług pomiarowych i gromadzenia danych dla norweskich przedsiębiorstw energetycznych, otrzymał zadanie urzeczywistnienia tego wdrożenia.

Aby dostarczyć szkielet łączności dla automatycznych liczników energii na skalę krajową, Validér wybrał Com4 - współpracując z Atea w celu obsługi logistyki i administracji, podczas gdy Com4 dostarczył rozwiązania komunikacyjne i technologię.

Wymagania techniczne były bardzo wysokie. Liczniki energii musiały niezawodnie łączyć się w całej Norwegii - od mieszkań miejskich po wiejskie i odległe lokalizacje - i raportować dane o zużyciu bez przerw. Bezpieczeństwo nie podlegało negocjacjom: ruch danych był kierowany przez odizolowaną, zamkniętą sieć z szyfrowaniem typu end-to-end, zapewniając ochronę danych o zużyciu energii na całej drodze od licznika do zakładu energetycznego.

Kluczową innowacją we wdrożeniu było wykorzystanie kart SIM wielokrotnego zapisu - umożliwiających zmianę operatora komórkowego bez konieczności wymiany fizycznej karty SIM wewnątrz każdego licznika. W przypadku wdrożenia obejmującego setki tysięcy urządzeń, podejście to pozwoliło uniknąć ogromnych kosztów operacyjnych i finansowych związanych z wymianą karty SIM w terenie w przypadku zmiany wymagań dotyczących łączności w całym okresie eksploatacji urządzenia.

"Chodzi o największą w Norwegii dostawę komunikacji IoT. Istotne jest, aby rozwiązanie zostało zaprojektowane w oparciu o wymogi bezpieczeństwa" - powiedział Stein André Larner, dyrektor generalny Com4 w momencie ogłoszenia.

Thomas Thiis, CEO Validér, potwierdził, że partnerstwo z Com4 dało firmie podstawy do długoterminowej ekspansji: "Umowa przyczynia się do tego, że jesteśmy dobrze przygotowani do ekspansji w zakresie gromadzenia danych o wartościach liczników przez mobilne łącza szerokopasmowe, zarówno dla obecnych, jak i nowych klientów".

Wdrożenie Validér dokładnie ilustruje to, co odróżnia inteligentną łączność pomiarową od ogólnego IoT: skala krajowa, długie horyzonty kontraktowe, wysokie wymagania w zakresie bezpieczeństwa oraz potrzeba partnera w zakresie łączności, który może zapewnić niezawodność w każdych warunkach - i dostosowywać się w miarę rozwoju programu.

Com4: Wiodący europejski dostawca łączności IoT dla inteligentnych systemów pomiarowych

Com4 jest jednym z wiodących europejskich dostawców łączności IoT, obsługującym własną redundantną mobilną sieć rdzeniową - zbudowaną na infrastrukturze Nokia 5G Standalone Core - zapewniającą kontrolę, elastyczność i odporność, których wymagają inteligentne programy pomiarowe. W przeciwieństwie do tradycyjnych operatorów telekomunikacyjnych ograniczonych przez jedną sieć, Com4 jest niezależny od operatora, łącząc urządzenia z ponad 750 sieciami w ponad 190 krajach za pośrednictwem jednej relacji handlowej.

W szczególności w przypadku wdrożeń inteligentnych systemów pomiarowych Com4 oferuje:

Pełne pokrycie technologiczne. Com4 obsługuje pełną gamę technologii komórkowych IoT - NB-IoT, LTE-M, 4G, 5G i 5G RedCap - a także satelitę (NTN/LEO) do wdrożeń w lokalizacjach poza zasięgiem naziemnym. Klienci wybierają odpowiednią technologię dla każdego kontekstu i mogą rozwijać swoją strategię wraz z rozwojem sieci.

eSIM i eUICC dla przyszłościowych wdrożeń. Jako pierwszy operator IoT w Europie, który wdrożył zgodne z GSMA zarządzanie subskrypcją eSIM eUICC - i organizacja stojąca za pierwszą w Europie udaną wymianą profilu IoT SIM - Com4 umożliwia zdalne ponowne dostarczanie kart SIM w całych wdrożonych flotach. Nie są wymagane wizyty w terenie w celu aktualizacji profili łączności w tysiącach lub milionach liczników.

Ujednolicona platforma zarządzania łącznością. Platforma Polaris Connectivity Management Platform (CMP) firmy Com4 zapewnia udostępnianie, kontrolę zasad, monitorowanie użytkowania w czasie rzeczywistym, diagnostykę i analitykę dla każdej karty SIM na każdym rynku w jednym interfejsie. Interfejs API umożliwia klientom integrację danych dotyczących łączności bezpośrednio z ich własnymi systemami operacyjnymi, a narzędzia do automatyzacji zmniejszają ręczne obciążenie związane z zarządzaniem dużymi flotami.

Odporność z założenia. Com4 obsługuje w pełni redundantne platformy mobilne z podwójnym zasilaniem i połączeniami światłowodowymi, geograficznie oddzielonymi centrami danych i bezpiecznym zapasowym obiektem w utwardzonej górskiej lokalizacji. W przypadku programów obsługujących miliony klientów korzystających z energii elektrycznej, gazu lub wody, taki poziom redundancji infrastruktury jest wymogiem, a nie miłym dodatkiem.

Sprawdzone doświadczenie w zakresie inteligentnych pomiarów. Wdrożenie Validér pozostaje jednym z punktów odniesienia dla inteligentnej łączności pomiarowej IoT w Europie. Osiągnięcia Com4 w zakresie krajowego wdrożenia w Norwegii - w połączeniu z globalnym zasięgiem niezależnym od operatora - sprawiają, że Com4 jest preferowanym partnerem w zakresie łączności dla operatorów mediów planujących wdrożenia na dużą skalę, zarówno w kraju, jak i za granicą.

Łączność jest podstawą, a nie komponentem

Inteligentne liczniki są długowieczne, szeroko rozpowszechnione, ograniczone pod względem mocy i coraz częściej wdrażane w wielu krajach i typach mediów. Warstwa łączności leżąca u ich podstaw musi spełniać wszystkie te wymagania jednocześnie - i pozostawać sprawna przez cały okres eksploatacji urządzenia.

Wdrożenie Validér pokazuje, co jest możliwe, gdy łączność jest traktowana jako strategiczny fundament od samego początku: bezpieczny, skalowalny, przyszłościowy program, który wspierał przejście Norwegii do niemal powszechnego zasięgu inteligentnych pomiarów.

Dla operatorów użyteczności publicznej, producentów OEM sprzętu i inwestorów infrastrukturalnych planujących wdrożenia inteligentnych systemów pomiarowych nowej generacji - krajowych lub globalnych - Com4 zapewnia infrastrukturę, wiedzę i doświadczenie, aby to zadziałało.

Skontaktuj się z Com4, aby omówić swoje wymagania dotyczące inteligentnej łączności pomiarowej.