NB-IoT在交通基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測中的應(yīng)用探析

　　一、低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network，LPWAN)初認(rèn)識

　　LPWAN的出現(xiàn)補(bǔ)齊了物聯(lián)網(wǎng)萬物互聯(lián)時代連接需求的通信層短板。該網(wǎng)絡(luò)及其連接的設(shè)備具有以下的特點：

　　1、超低功耗

　　設(shè)備與網(wǎng)路進(jìn)行通信連接時，由于傳輸數(shù)量少、頻次低、平時設(shè)備處于睡眠狀態(tài)等，對設(shè)備電池電量消耗低，確保電池可以持續(xù)供電10年以上，滿足長期免維護(hù)需要。比如城市智能水表，一般只有在月底進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表時才喚醒，其一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只有數(shù)KB，具有數(shù)據(jù)小、頻次低的特征。

　　2、廣覆蓋深覆蓋

　　對網(wǎng)絡(luò)的要求，單基站的連接覆蓋范圍可以達(dá)到十幾公里，通過增強(qiáng)覆蓋，在惡劣環(huán)境下可以實現(xiàn)較好的信號穿透，信號可以實現(xiàn)上天入地，基本可以消滅信號覆蓋盲區(qū)的問題。

　　3、超大連接能力

　　單個基站的設(shè)備連接能力達(dá)到數(shù)萬甚至十萬個，相比于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，連接能力得到大幅提升，可以有效支撐萬物互聯(lián)的需求。

　　4、低成本低帶寬

　　一方面是終端設(shè)備芯片的簡化設(shè)計，使內(nèi)置基于LPWAN標(biāo)準(zhǔn)通信模塊的設(shè)備整體成本降低，另一方面是數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧可佟㈩l次低帶來的應(yīng)用方支付給網(wǎng)絡(luò)運營商的流量費(連接費)用低，如中國電信推出的全球首個NB-IoT套餐8年的連接費用才僅僅105元，年均10幾元的設(shè)備連接費僅相當(dāng)于現(xiàn)在動輒每年數(shù)百元的4G流量費的零頭。

　　應(yīng)該說低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWAN)使“萬物互聯(lián)”的愿景成為可能。

　　LPWAN的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)是否基于授權(quán)使用無線電頻譜，可以分為授權(quán)頻譜和非授權(quán)頻譜兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其中授權(quán)頻譜標(biāo)準(zhǔn)著名的有3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織主導(dǎo)的NB-IoT和eMTC標(biāo)準(zhǔn)等，非授權(quán)頻譜知名的有LoRa、Sigfox標(biāo)準(zhǔn)等。

　　二、聚焦窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)

　　在諸多LPWAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，NB-IoT在我國能夠脫穎而出，甚至一馬當(dāng)先，主要基于以下的原因。

　　1、國家政策的大力支持

　　2017年6月16日，工信部下發(fā)《全面推進(jìn)移動物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)建設(shè)發(fā)展的通知》，明確以14條舉措全面推進(jìn)NB-IoT建設(shè)發(fā)展，到2020年建設(shè)150萬NB-IoT基站、發(fā)展超過6億的NB-IoT連接總數(shù)。通知明確建設(shè)廣覆蓋、大連接、低功耗移動物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)基礎(chǔ)設(shè)施、發(fā)展基于NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用，有助于推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國和制造強(qiáng)國建設(shè)、促進(jìn)“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”和“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展。這說明NB-IoT已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略布局層面，必將引領(lǐng)NB-IoT產(chǎn)業(yè)進(jìn)入全面發(fā)展的快車道。

　　2、三大運營商的積極布局

　　首先，中國電信已經(jīng)完成NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署，全網(wǎng)31萬個基站實現(xiàn)同步升級，建成了全球最大的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。同時，在落地方面，中國電信經(jīng)過對NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)平臺的聯(lián)動優(yōu)化，大大提高了智慧城市中水、電、氣等抄表的上報成功率，降低了上報過程中的低時延等問題。

　　其次，中國聯(lián)通在去年第三季度完成了NB-IoT核心網(wǎng)建設(shè)。到今年5月，NB-IoT基站規(guī)模超過30萬個，基本可以做到全國覆蓋，這是繼中國電信之后第二張覆蓋全國的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。去年6月，中國聯(lián)通發(fā)布了物聯(lián)網(wǎng)新一代連接管理平臺，目前該平臺已經(jīng)超過了8000萬的連接、近兩萬的行業(yè)客戶，其中每月新增連接數(shù)在300-400萬左右，已經(jīng)成為全球最大的單一連接管理平臺，預(yù)計到今年底，中國聯(lián)通物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將突破1.3億個。

　　再次，中國移動NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在2017年已開通346個城市，實現(xiàn)端到端規(guī)模商用。預(yù)計2018年，中國移動的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將連續(xù)覆蓋擴(kuò)至全國縣市城區(qū)。

　　3、主流通信商的主導(dǎo)

　　首先，NB-IoT是由3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織來推動完成的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其次，參與NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)制定的均是世界主流的通信商如華為、沃達(dá)豐、高通、愛立信、諾基亞、中興等。NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)就是在華為、沃達(dá)豐、高通主導(dǎo)的NB-CIoT技術(shù)方案和愛立信、諾基亞、中興主導(dǎo)的NB-LTE技術(shù)方案相互融合的基礎(chǔ)上，由3GPP組織最終敲定，可以說，NB-IoT目前是低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最主流的技術(shù)之一。

　　4、產(chǎn)業(yè)界的傾情投入

　　2017年工信部的《通知》印發(fā)后，中國窄帶物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方興未艾，中國NB-IoT產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，匯聚NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈芯片、模組、設(shè)備、平臺、運營商等多方力量，共建NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)，共同構(gòu)筑成熟的端到端產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)NB-IoT產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展及商用部署，孵化新型生態(tài)圈中的商業(yè)模式。一年多來，根據(jù)中國信通院2018年4月發(fā)布的《NB-IoT行業(yè)發(fā)展研究報告》顯示，NB-IoT在智能家居、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市中的智能路燈、停車場、公交站臺、水表、燃?xì)獗?、水?wù)檢測、氣體監(jiān)控、消防等領(lǐng)域都開展了廣泛的商用或試點，呈現(xiàn)出了良好的發(fā)展勢頭。華為預(yù)測到2018年底在中國窄帶物聯(lián)網(wǎng)將有1.5億個連接，隨著中國市場的規(guī)模的不斷擴(kuò)大，將有助于降低NB-IoT設(shè)備和服務(wù)成本，形成一個長期良性發(fā)展態(tài)勢。

　　三、交通基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測的需求

　　交通運輸部2017年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報顯示，截至2017年末，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到12.7萬公里，全國公路總里程477.35萬公里;年末全國四級及以上等級公路里程433.86萬公里，二級及以上等級公路里程62.22萬公里，高速公路里程13.65萬公里。年末國道35.84萬公里，省道33.38萬公里。農(nóng)村公路里程400.93萬公里，其中縣道55.07萬公里，鄉(xiāng)道115.77萬公里，村道230.08萬公里。年末全國公路橋梁83.25萬座、5225.62萬米，其中特大橋梁4646座、826.72萬米，大橋91777座、2424.37萬米。全國公路隧道16229處、1528.51萬米，其中特長隧道902處、401.32萬米，長隧道3841處、659.93萬米。

　　從統(tǒng)計的信息看，交通運輸行業(yè)呈現(xiàn)出點多、線長、面廣的特征，同時又是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性行業(yè)，很多交通基礎(chǔ)設(shè)施都是穿山而建、遇水而架，地理環(huán)境、地質(zhì)條件、地形地貌復(fù)雜，在洪水暴雨等自然災(zāi)害發(fā)生時，極易出現(xiàn)護(hù)坡邊坡滑坡垮塌、路面路基下沉塌陷的險情，一些公路路面長期受超重超載車輛碾壓，超負(fù)荷運行，造成路面過早損壞損毀。交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全問題一般都不是突然發(fā)生的，都有預(yù)先的征兆，是由小險逐漸積累最后發(fā)生大險，造成交通阻斷、路產(chǎn)損毀等經(jīng)濟(jì)損失。如果能夠做到對交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，通過布設(shè)在路側(cè)、路基、橋梁、隧道等位置的傳感監(jiān)測設(shè)備及時發(fā)現(xiàn)隱患、及時預(yù)警、及時處置，做到未雨綢繆，防患于未然，就可以有效防范滑坡垮塌、下沉塌陷等險情的發(fā)生，確保在交通基礎(chǔ)設(shè)施安全的基礎(chǔ)上，保障整個交通運輸過程的人暢其行、貨暢其流。

　　但目前的狀況顯然并不容樂觀，對交通基礎(chǔ)設(shè)施安全狀態(tài)的監(jiān)測，除了在機(jī)電設(shè)施條件比較完善的高速公路、重要橋梁、長大隧道外，絕大多數(shù)設(shè)施還不能實現(xiàn)傳感設(shè)備的全面部署，進(jìn)行實時監(jiān)測，而是僅僅靠養(yǎng)護(hù)部門的日常巡檢發(fā)現(xiàn)隱患問題，這樣必然是效率低下，而且一些隱性的隱患并不容易被發(fā)覺。只所以不能大量布設(shè)傳感設(shè)備對交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行實時監(jiān)測，一個重要原因是成本太高，一是設(shè)備成本高，二是布設(shè)成本高，三是運維成本高，尤其是在普通國省干道、縣鄉(xiāng)村道，既不具備供電條件，也不具備網(wǎng)絡(luò)條件(用移動運營商網(wǎng)絡(luò)流量費太貴，信號覆蓋盲區(qū))，更是難上加難。

　　四、NB-IoT在交通基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測的應(yīng)用設(shè)想

　　在2017年通信展上，進(jìn)行了NB-IoT應(yīng)用于山體滑坡監(jiān)測及預(yù)警演示，一旦遇到地質(zhì)災(zāi)害，多個內(nèi)置NB-IoT通信模塊的傳感器監(jiān)測山體異常情況，實現(xiàn)觸發(fā)數(shù)據(jù)上傳，通過小區(qū)廣播實時對災(zāi)區(qū)附近用戶進(jìn)行信息預(yù)警，并遠(yuǎn)程告知政府、氣象、公安等行業(yè)主管部門。關(guān)于NB-IoT+北斗對山體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的相關(guān)應(yīng)用的可行性也在業(yè)界進(jìn)行了探討。

　　受此啟發(fā)，筆者認(rèn)為將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用到交通基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測中，從技術(shù)上來說應(yīng)該是可行的?；贜B-IoT通信模塊的傳感設(shè)備成本低、布設(shè)易、長期免維護(hù)，NB-IoT基站覆蓋能力強(qiáng)，連接不受地理條件限制，連接容量大，能夠滿足密集布設(shè)傳感設(shè)備的要求，依托運營商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，連接費用低廉。因此，可以在道路路基邊坡、橋梁隧道等交通基礎(chǔ)設(shè)施中大量布設(shè)內(nèi)置NB-IoT通信模塊的傳感設(shè)備，對其形變進(jìn)行監(jiān)測，傳感設(shè)備一旦監(jiān)測到這些交通基礎(chǔ)實施的安全狀態(tài)達(dá)到預(yù)警值，馬上觸發(fā)傳感器向監(jiān)測監(jiān)控平臺發(fā)出預(yù)警，然后采取相應(yīng)的處置措施。

　　目前，產(chǎn)業(yè)界對NB-IoT雖然熱情高漲，但在應(yīng)用場景的落地方面還是太局限，大多聚焦在智能水表氣表、智能路燈、智能垃圾桶、智能煙感器等。交通基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測應(yīng)該是NB-IoT的一個新的廣闊的應(yīng)用場景，從交通管理的需求來看，交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測是智慧交通全面“可測”的必然要求，也是交通運輸高質(zhì)量發(fā)展的必然要求;從產(chǎn)業(yè)界來看，顯然這是一片藍(lán)海，是未開發(fā)的處女地，是NB-IoT產(chǎn)業(yè)規(guī)?；男聭?zhàn)場、新增長極，從供需雙方來看有需求，從技術(shù)上來說是可行的，因此，我們有理由為此充滿信心和期待。