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NB-IoT在交通基础设施安全监测中的应用探析

2018年06月19日
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。

NB-IoT在交通基础设施安全监测中的应用探析

  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。

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