NB-IoT在交通基础设施安全监测中的应用探析

　　一、低功耗广域网(Low Power Wide Area Network，LPWAN)初认识

　　LPWAN的出现补齐了物联网万物互联时代连接需求的通信层短板。该网络及其连接的设备具有以下的特点：

　　1、超低功耗

　　设备与网路进行通信连接时，由于传输数量少、频次低、平时设备处于睡眠状态等，对设备电池电量消耗低，确保电池可以持续供电10年以上，满足长期免维护需要。比如城市智能水表，一般只有在月底进行远程抄表时才唤醒，其一次传输的数据只有数KB，具有数据小、频次低的特征。

　　2、广覆盖深覆盖

　　对网络的要求，单基站的连接覆盖范围可以达到十几公里，通过增强覆盖，在恶劣环境下可以实现较好的信号穿透，信号可以实现上天入地，基本可以消灭信号覆盖盲区的问题。

　　3、超大连接能力

　　单个基站的设备连接能力达到数万甚至十万个，相比于传统蜂窝网络，连接能力得到大幅提升，可以有效支撑万物互联的需求。

　　4、低成本低带宽

　　一方面是终端设备芯片的简化设计，使内置基于LPWAN标准通信模块的设备整体成本降低，另一方面是数据传输的量少、频次低带来的应用方支付给网络运营商的流量费(连接费)用低，如中国电信推出的全球首个NB-IoT套餐8年的连接费用才仅仅105元，年均10几元的设备连接费仅相当于现在动辄每年数百元的4G流量费的零头。

　　应该说低功耗广域网络(LPWAN)使“万物互联”的愿景成为可能。

　　LPWAN的技术标准根据是否基于授权使用无线电频谱，可以分为授权频谱和非授权频谱两种技术标准。其中授权频谱标准著名的有3GPP标准化组织主导的NB-IoT和eMTC标准等，非授权频谱知名的有LoRa、Sigfox标准等。

　　二、聚焦窄带物联网(NB-IoT)

　　在诸多LPWAN技术标准中，NB-IoT在我国能够脱颖而出，甚至一马当先，主要基于以下的原因。

　　1、国家政策的大力支持

　　2017年6月16日，工信部下发《全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》，明确以14条举措全面推进NB-IoT建设发展，到2020年建设150万NB-IoT基站、发展超过6亿的NB-IoT连接总数。通知明确建设广覆盖、大连接、低功耗移动物联网(NB-IoT)基础设施、发展基于NB-IoT技术的应用，有助于推进网络强国和制造强国建设、促进“大众创业、万众创新”和“互联网+”发展。这说明NB-IoT已经上升为国家战略布局层面，必将引领NB-IoT产业进入全面发展的快车道。

　　2、三大运营商的积极布局

　　首先，中国电信已经完成NB-IoT网络部署，全网31万个基站实现同步升级，建成了全球最大的NB-IoT网络。同时，在落地方面，中国电信经过对NB-IoT网络和物联网平台的联动优化，大大提高了智慧城市中水、电、气等抄表的上报成功率，降低了上报过程中的低时延等问题。

　　其次，中国联通在去年第三季度完成了NB-IoT核心网建设。到今年5月，NB-IoT基站规模超过30万个，基本可以做到全国覆盖，这是继中国电信之后第二张覆盖全国的NB-IoT网络。去年6月，中国联通发布了物联网新一代连接管理平台，目前该平台已经超过了8000万的连接、近两万的行业客户，其中每月新增连接数在300-400万左右，已经成为全球最大的单一连接管理平台，预计到今年底，中国联通物联网连接数将突破1.3亿个。

　　再次，中国移动NB-IoT网络在2017年已开通346个城市，实现端到端规模商用。预计2018年，中国移动的NB-IoT网络将连续覆盖扩至全国县市城区。

　　3、主流通信商的主导

　　首先，NB-IoT是由3GPP标准化组织来推动完成的技术标准。其次，参与NB-IoT标准制定的均是世界主流的通信商如华为、沃达丰、高通、爱立信、诺基亚、中兴等。NB-IoT标准就是在华为、沃达丰、高通主导的NB-CIoT技术方案和爱立信、诺基亚、中兴主导的NB-LTE技术方案相互融合的基础上，由3GPP组织最终敲定，可以说，NB-IoT目前是低功耗广域网络领域最主流的技术之一。

　　4、产业界的倾情投入

　　2017年工信部的《通知》印发后，中国窄带物联网的发展方兴未艾，中国NB-IoT产业联盟成立，汇聚NB-IoT产业链芯片、模组、设备、平台、运营商等多方力量，共建NB-IoT产业链生态，共同构筑成熟的端到端产业链，促进NB-IoT产业的快速发展及商用部署，孵化新型生态圈中的商业模式。一年多来，根据中国信通院2018年4月发布的《NB-IoT行业发展研究报告》显示，NB-IoT在智能家居、智慧农业、智慧城市中的智能路灯、停车场、公交站台、水表、燃气表、水务检测、气体监控、消防等领域都开展了广泛的商用或试点，呈现出了良好的发展势头。华为预测到2018年底在中国窄带物联网将有1.5亿个连接，随着中国市场的规模的不断扩大，将有助于降低NB-IoT设备和服务成本，形成一个长期良性发展态势。

　　三、交通基础设施安全监测的需求

　　交通运输部2017年交通运输行业发展统计公报显示，截至2017年末，全国铁路营业里程达到12.7万公里，全国公路总里程477.35万公里;年末全国四级及以上等级公路里程433.86万公里，二级及以上等级公路里程62.22万公里，高速公路里程13.65万公里。年末国道35.84万公里，省道33.38万公里。农村公路里程400.93万公里，其中县道55.07万公里，乡道115.77万公里，村道230.08万公里。年末全国公路桥梁83.25万座、5225.62万米，其中特大桥梁4646座、826.72万米，大桥91777座、2424.37万米。全国公路隧道16229处、1528.51万米，其中特长隧道902处、401.32万米，长隧道3841处、659.93万米。

　　从统计的信息看，交通运输行业呈现出点多、线长、面广的特征，同时又是国民经济发展的支柱性行业，很多交通基础设施都是穿山而建、遇水而架，地理环境、地质条件、地形地貌复杂，在洪水暴雨等自然灾害发生时，极易出现护坡边坡滑坡垮塌、路面路基下沉塌陷的险情，一些公路路面长期受超重超载车辆碾压，超负荷运行，造成路面过早损坏损毁。交通基础设施的安全问题一般都不是突然发生的，都有预先的征兆，是由小险逐渐积累最后发生大险，造成交通阻断、路产损毁等经济损失。如果能够做到对交通基础设施的安全状态进行实时监测，通过布设在路侧、路基、桥梁、隧道等位置的传感监测设备及时发现隐患、及时预警、及时处置，做到未雨绸缪，防患于未然，就可以有效防范滑坡垮塌、下沉塌陷等险情的发生，确保在交通基础设施安全的基础上，保障整个交通运输过程的人畅其行、货畅其流。

　　但目前的状况显然并不容乐观，对交通基础设施安全状态的监测，除了在机电设施条件比较完善的高速公路、重要桥梁、长大隧道外，绝大多数设施还不能实现传感设备的全面部署，进行实时监测，而是仅仅靠养护部门的日常巡检发现隐患问题，这样必然是效率低下，而且一些隐性的隐患并不容易被发觉。只所以不能大量布设传感设备对交通基础设施进行实时监测，一个重要原因是成本太高，一是设备成本高，二是布设成本高，三是运维成本高，尤其是在普通国省干道、县乡村道，既不具备供电条件，也不具备网络条件(用移动运营商网络流量费太贵，信号覆盖盲区)，更是难上加难。

　　四、NB-IoT在交通基础设施安全监测的应用设想

　　在2017年通信展上，进行了NB-IoT应用于山体滑坡监测及预警演示，一旦遇到地质灾害，多个内置NB-IoT通信模块的传感器监测山体异常情况，实现触发数据上传，通过小区广播实时对灾区附近用户进行信息预警，并远程告知政府、气象、公安等行业主管部门。关于NB-IoT+北斗对山体状态进行监测的相关应用的可行性也在业界进行了探讨。

　　受此启发，笔者认为将NB-IoT技术应用到交通基础设施安全监测中，从技术上来说应该是可行的。基于NB-IoT通信模块的传感设备成本低、布设易、长期免维护，NB-IoT基站覆盖能力强，连接不受地理条件限制，连接容量大，能够满足密集布设传感设备的要求，依托运营商的NB-IoT网络进行数据传输，连接费用低廉。因此，可以在道路路基边坡、桥梁隧道等交通基础设施中大量布设内置NB-IoT通信模块的传感设备，对其形变进行监测，传感设备一旦监测到这些交通基础实施的安全状态达到预警值，马上触发传感器向监测监控平台发出预警，然后采取相应的处置措施。

　　目前，产业界对NB-IoT虽然热情高涨，但在应用场景的落地方面还是太局限，大多聚焦在智能水表气表、智能路灯、智能垃圾桶、智能烟感器等。交通基础设施安全监测应该是NB-IoT的一个新的广阔的应用场景，从交通管理的需求来看，交通基础设施的安全监测是智慧交通全面“可测”的必然要求，也是交通运输高质量发展的必然要求;从产业界来看，显然这是一片蓝海，是未开发的处女地，是NB-IoT产业规模化的新战场、新增长极，从供需双方来看有需求，从技术上来说是可行的，因此，我们有理由为此充满信心和期待。