NB-IoT在交通基礎設施安全監測中的應用探析
作者：喬川龍
作者單位：湖南省交通運輸廳科技信息中心
物聯網智庫 整理髮布
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------【導讀】------
交通基礎設施安全監測應該是NB-IoT的一個新的廣闊的應用場景，從交通管理的需求來看，交通基礎設施的安全監測是智慧交通全面「可測」的必然要求，也是交通運輸高質量發展的必然要求；從產業界來看，顯然這是一片藍海，是未開發的處女地，是NB-IoT產業規模化的新戰場、新增長極，從供需雙方來看有需求，從技術上來說是可行的，因此，我們有理由為此充滿信心和期待。
一、低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network，LPWAN）初認識
LPWAN的出現補齊了物聯網萬物互聯時代連接需求的通信層短板。該網路及其連接的設備具有以下的特點：
1、超低功耗
設備與網路進行通信連接時，由於傳輸數量少、頻次低、平時設備處於睡眠狀態等，對設備電池電量消耗低，確保電池可以持續供電10年以上，滿足長期免維護需要。比如城市智能水表，一般只有在月底進行遠程抄表時才喚醒，其一次傳輸的數據只有數KB，具有數據小、頻次低的特徵。
2、廣覆蓋深覆蓋
對網路的要求，單基站的連接覆蓋範圍可以達到十幾公里，通過增強覆蓋，在惡劣環境下可以實現較好的信號穿透，信號可以實現上天入地，基本可以消滅信號覆蓋盲區的問題。
3、超大連接能力
單個基站的設備連接能力達到數萬甚至十萬個，相比於傳統蜂窩網路，連接能力得到大幅提升，可以有效支撐萬物互聯的需求。
4、低成本低帶寬
一方面是終端設備晶元的簡化設計，使內置基於LPWAN標準通信模塊的設備整體成本降低，另一方面是數據傳輸的量少、頻次低帶來的應用方支付給網路運營商的流量費（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幾元的設備連接費僅相當於現在動輒每年數百元的4G流量費的零頭。
應該說低功耗廣域網路（LPWAN）使「萬物互聯」的願景成為可能。
LPWAN的技術標準根據是否基於授權使用無線電頻譜，可以分為授權頻譜和非授權頻譜兩種技術標準。其中授權頻譜標準著名的有3GPP標準化組織主導的NB-IoT和eMTC標準等，非授權頻譜知名的有LoRa、Sigfox標準等。
二、聚焦窄帶物聯網（NB-IoT）
在諸多LPWAN技術標準中，NB-IoT在我國能夠脫穎而出，甚至一馬當先，主要基於以下的原因。
1、國家政策的大力支持
2017年6月16日，工信部下發《全面推進移動物聯網（NB-IoT）建設發展的通知》，明確以14條舉措全面推進NB-IoT建設發展，到2020年建設150萬NB-IoT基站、發展超過6億的NB-IoT連接總數。通知明確建設廣覆蓋、大連接、低功耗移動物聯網（NB-IoT）基礎設施、發展基於NB-IoT技術的應用，有助於推進網路強國和製造強國建設、促進「大眾創業、萬眾創新」和「互聯網+」發展。這說明NB-IoT已經上升為國家戰略布局層面，必將引領NB-IoT產業進入全面發展的快車道。
2、三大運營商的積極布局
首先，中國電信已經完成NB-IoT網路部署，全網31萬個基站實現同步升級，建成了全球最大的NB-IoT網路。同時，在落地方面，中國電信經過對NB-IoT網路和物聯網平台的聯動優化，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，中國聯通在去年第三季度完成了NB-IoT核心網建設。到今年5月，NB-IoT基站規模超過30萬個，基本可以做到全國覆蓋，這是繼中國電信之後第二張覆蓋全國的NB-IoT網路。去年6月，中國聯通發布了物聯網新一代連接管理平台，目前該平台已經超過了8000萬的連接、近兩萬的行業客戶，其中每月新增連接數在300-400萬左右，已經成為全球最大的單一連接管理平台，預計到今年底，中國聯通物聯網連接數將突破1.3億個。
再次，中國移動NB-IoT網路在2017年已開通346個城市，實現端到端規模商用。預計2018年，中國移動的NB-IoT網路將連續覆蓋擴至全國縣市城區。
3、主流通信商的主導
首先，NB-IoT是由3GPP標準化組織來推動完成的技術標準。其次，參與NB-IoT標準制定的均是世界主流的通信商如華為、沃達豐、高通、愛立信、諾基亞、中興等。NB-IoT標準就是在華為、沃達豐、高通主導的NB-CIoT技術方案和愛立信、諾基亞、中興主導的NB-LTE技術方案相互融合的基礎上，由3GPP組織最終敲定，可以說，NB-IoT目前是低功耗廣域網路領域最主流的技術之一。
4、產業界的傾情投入
2017年工信部的《通知》印發後，中國窄帶物聯網的發展方興未艾，中國NB-IoT產業聯盟成立，匯聚NB-IoT產業鏈晶元、模組、設備、平台、運營商等多方力量，共建NB-IoT產業鏈生態，共同構築成熟的端到端產業鏈，促進NB-IoT產業的快速發展及商用部署，孵化新型生態圈中的商業模式。一年多來，根據中國信通院2018年4月發布的《NB-IoT行業發展研究報告》顯示，NB-IoT在智能家居、智慧農業、智慧城市中的智能路燈、停車場、公交站台、水表、燃氣表、水務檢測、氣體監控、消防等領域都開展了廣泛的商用或試點，呈現出了良好的發展勢頭。華為預測到2018年底在中國窄帶物聯網將有1.5億個連接，隨著中國市場的規模的不斷擴大，將有助於降低NB-IoT設備和服務成本，形成一個長期良性發展態勢。
三、交通基礎設施安全監測的需求
交通運輸部2017年交通運輸行業發展統計公報顯示，截至2017年末，全國鐵路營業里程達到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。農村公路里程400.93萬公里，其中縣道55.07萬公里，鄉道115.77萬公里，村道230.08萬公里。年末全國公路橋樑83.25萬座、5225.62萬米，其中特大橋樑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。
從統計的信息看，交通運輸行業呈現出點多、線長、面廣的特徵，同時又是國民經濟發展的支柱性行業，很多交通基礎設施都是穿山而建、遇水而架，地理環境、地質條件、地形地貌複雜，在洪水暴雨等自然災害發生時，極易出現護坡邊坡滑坡垮塌、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，超負荷運行，造成路面過早損壞損毀。交通基礎設施的安全問題一般都不是突然發生的，都有預先的徵兆，是由小險逐漸積累最後發生大險，造成交通阻斷、路產損毀等經濟損失。如果能夠做到對交通基礎設施的安全狀態進行實時監測，通過布設在路側、路基、橋樑、隧道等位置的感測監測設備及時發現隱患、及時預警、及時處置，做到未雨綢繆，防患於未然，就可以有效防範滑坡垮塌、下沉塌陷等險情的發生，確保在交通基礎設施安全的基礎上，保障整個交通運輸過程的人暢其行、貨暢其流。
但目前的狀況顯然並不容樂觀，對交通基礎設施安全狀態的監測，除了在機電設施條件比較完善的高速公路、重要橋樑、長大隧道外，絕大多數設施還不能實現感測設備的全面部署，進行實時監測，而是僅僅靠養護部門的日常巡檢發現隱患問題，這樣必然是效率低下，而且一些隱性的隱患並不容易被發覺。只所以不能大量布設感測設備對交通基礎設施進行實時監測，一個重要原因是成本太高，一是設備成本高，二是布設成本高，三是運維成本高，尤其是在普通國省幹道、縣鄉村道，既不具備供電條件，也不具備網路條件（用移動運營商網路流量費太貴，信號覆蓋盲區），更是難上加難。
四、NB-IoT在交通基礎設施安全監測的應用設想
在2017年通信展上，進行了NB-IoT應用于山體滑坡監測及預警演示，一旦遇到地質災害，多個內置NB-IoT通信模塊的感測器監測山體異常情況，實現觸發數據上傳，通過小區廣播實時對災區附近用戶進行信息預警，並遠程告知政府、氣象、公安等行業主管部門。關於NB-IoT+北斗對山體狀態進行監測的相關應用的可行性也在業界進行了探討。
受此啟發，筆者認為將NB-IoT技術應用到交通基礎設施安全監測中，從技術上來說應該是可行的。基於NB-IoT通信模塊的感測設備成本低、布設易、長期免維護，NB-IoT基站覆蓋能力強，連接不受地理條件限制，連接容量大，能夠滿足密集布設感測設備的要求，依託運營商的NB-IoT網路進行數據傳輸，連接費用低廉。因此，可以在道路路基邊坡、橋樑隧道等交通基礎設施中大量布設內置NB-IoT通信模塊的感測設備，對其形變進行監測，感測設備一旦監測到這些交通基礎實施的安全狀態達到預警值，馬上觸發感測器向監測監控平台發出預警，然後採取相應的處置措施。
目前，產業界對NB-IoT雖然熱情高漲，但在應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。交通基礎設施安全監測應該是NB-IoT的一個新的廣闊的應用場景，從交通管理的需求來看，交通基礎設施的安全監測是智慧交通全面「可測」的必然要求，也是交通運輸高質量發展的必然要求；從產業界來看，顯然這是一片藍海，是未開發的處女地，是NB-IoT產業規模化的新戰場、新增長極，從供需雙方來看有需求，從技術上來說是可行的，因此，我們有理由為此充滿信心和期待。
作者簡介：
喬川龍，湖南省交通運輸廳科技信息中心，博士，主要研究方向為智能交通、交通運輸信息化宏觀政策等。
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