NB-IoT在交通基础设施安全监测中的应用探析交通基础设施安全监测应该是NB-IoT的一

作者：

乔川龙

作者单位：

湖南省交通运输厅科技信息中心

物联网智库整理发布

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【导读】

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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。

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。

作者简介：

乔川龙，湖南省交通运输厅科技信息中心，博士，主要研究方向为智能交通、交通运输信息化宏观政策等。