基于NB-IoT的智慧路燈在智慧城市中的應(yīng)用分析

鄭炳松

（中國(guó)照明學(xué)會(huì)）

基于NB-IoT的智慧路燈在智慧城市中的應(yīng)用分析

鄭炳松

（中國(guó)照明學(xué)會(huì)）

NB-IoT具有廣覆蓋、低功耗、海量連接等特點(diǎn)，是新興的物聯(lián)網(wǎng)連接方式，可應(yīng)用于包括水務(wù)、燃?xì)?、路燈、停車等智慧城市公共服?wù)領(lǐng)域。論文介紹了基于NB-IoT的智慧路燈在智慧城市中的作用及其試點(diǎn)應(yīng)用的部分項(xiàng)目，對(duì)其應(yīng)用情況及存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討與分析，以期為基于NB-IoT的智慧路燈的未來(lái)的推廣與應(yīng)用提供參考。

智慧城市；智慧路燈；NB-IoT；節(jié)能；

1 引言

智慧城市建設(shè)是解決交通擁堵等城市發(fā)展難題，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的新理念和新模式[1]。路燈在城市分布廣泛、均勻，具有地理坐標(biāo)精確、供電網(wǎng)絡(luò)完整、通信位置明確等特點(diǎn)，是智慧城市物聯(lián)網(wǎng)極佳的切入口，可以作為城市物聯(lián)網(wǎng)的感知終端載體[2]。由此發(fā)展起來(lái)的智慧路燈，近年來(lái)在北京、上海、南京、深圳等智慧城市試點(diǎn)應(yīng)用，不僅切實(shí)提升了城市照明的管控水平，進(jìn)一步節(jié)約照明用電，還為城市管理和服務(wù)實(shí)現(xiàn)信息化和智慧化提供了重要的技術(shù)支撐[3-5]。

智慧路燈集成了智慧照明、無(wú)線WIFI、視頻監(jiān)控、信息發(fā)布、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警、充電樁等多項(xiàng)功能，其架構(gòu)一般分為應(yīng)用層、平臺(tái)層、傳輸層、硬件層，其中傳輸層通信方式的選擇是智慧路燈應(yīng)用的關(guān)鍵[6-7]。目前，智慧路燈使用的通信方式主要有PLC、ZigBee、NB-IoT、LoRa等四種[8]，其中NB-IoT由于廣覆蓋、海量連接、低功耗的特點(diǎn)備受智慧路燈用戶主體和生產(chǎn)制造商的青睞，目前基于NB-IoT的智慧路燈發(fā)展勢(shì)頭迅猛。

2 基于NB-IoT的智慧路燈的作用

2017年初，全球各大運(yùn)營(yíng)商便在NB-IoT領(lǐng)域積極布局，從政策、運(yùn)營(yíng)到產(chǎn)業(yè)鏈推動(dòng)NB-IoT發(fā)展與應(yīng)用。2017年6月，工信部發(fā)布的《關(guān)于全面推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）建設(shè)發(fā)展的通知》指出：到2017年末，實(shí)現(xiàn)NBIoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋直轄市、省會(huì)城市等主要城市，基站規(guī)模達(dá)到40萬(wàn)個(gè)；到2020年，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全國(guó)普遍覆蓋，面向室內(nèi)、交通路網(wǎng)、地下管網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)深度覆蓋，基站規(guī)模達(dá)到150萬(wàn)個(gè)；2017年實(shí)現(xiàn)基于NB-IoT的連接超過(guò)2000萬(wàn)，2020年總連接數(shù)超過(guò)6億[9]。基于NB-IoT的各類終端產(chǎn)品及系統(tǒng)不斷被推出，智慧路燈、智慧照明、智慧停車、智慧水務(wù)等走向試點(diǎn)應(yīng)用，成為政府、運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商、制造商關(guān)注的焦點(diǎn)[10-12]?；贜B-IoT的智慧路燈具備多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，如可實(shí)現(xiàn)單燈精確控制和維護(hù)，無(wú)需人工巡檢，可遠(yuǎn)程檢測(cè)并定位故障，無(wú)需路燈企業(yè)建網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋好，可靠性高等，其在智慧城市中應(yīng)用案例不斷增多[13]。

傳統(tǒng)智慧路燈一般采用“兩跳式”照明解決方案，即集中控制器與終端控制器之間的通訊一般采用PLC、ZigBee、LoRa等通訊方式。這種方式需要部署大量網(wǎng)關(guān)控制路燈，成本高，組網(wǎng)難度高，操作管理麻煩，且易受干擾，可靠性無(wú)法保障。而基于NB-IoT的智慧路燈既滿足路燈分布離散的特點(diǎn)，又實(shí)現(xiàn)對(duì)每盞路燈“一跳式”的連接和控制，不需要網(wǎng)關(guān)設(shè)備，減少了建設(shè)和維護(hù)成本。同時(shí)，由于NB-IoT使用授權(quán)頻譜，這就免去了智慧路燈運(yùn)行時(shí)網(wǎng)絡(luò)干擾問(wèn)題；且IoT平臺(tái)為智慧路燈應(yīng)用提供基礎(chǔ)的連接管理、數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理能力，并通過(guò)開放標(biāo)準(zhǔn)接口使得智慧路燈應(yīng)用更加靈活便捷[14]?；贜B-IoT的智慧路燈在LED路燈基礎(chǔ)上配備了具有傳感、通信和處理能力的組件以及控制裝置，在智慧城市中發(fā)揮的作用將不斷凸顯。

1）推進(jìn)城市綠色照明，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排

推廣LED路燈、應(yīng)用控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)城市道路照明節(jié)能的重要手段，同時(shí)收集電力使用數(shù)據(jù)并智慧化管理也是節(jié)省電力能源的重要途徑。智慧路燈在LED路燈節(jié)能的基礎(chǔ)上，通過(guò)智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)“按需照明”、二次節(jié)能。又基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)路燈巡檢、故障主動(dòng)報(bào)警、自由編組、地圖指引、故障報(bào)警、偷盜報(bào)警、遠(yuǎn)程抄表等功能，從而實(shí)現(xiàn)城市道路照明的精細(xì)化管理，更進(jìn)一步挖掘城市道路照明節(jié)能的潛力，推進(jìn)城市綠色照明。

2）助力城市管理的精細(xì)化和公共服務(wù)的便捷化

智慧路燈上集成了充電樁、微基站、視頻探頭、多媒體屏、信息交互屏，搭載了通信子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)等，可以實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)采集、分析、處理，公共信息發(fā)布，導(dǎo)航定位和無(wú)線上網(wǎng)服務(wù)等功能。如：搭載微基站，實(shí)現(xiàn)“無(wú)線城市”；變身為充電樁，為新能源汽車提供充電服務(wù)；智能化監(jiān)測(cè)市政管網(wǎng)管線，提升智能安防響應(yīng)效率等等。智慧路燈為實(shí)現(xiàn)城市管理的精細(xì)化和公共服務(wù)的便捷化提供了很好的技術(shù)支撐，是智慧城市建設(shè)落到實(shí)處的重要手段。

3）展示城市文化，塑造城市品牌

作為城市公共設(shè)施的重要組成部分，路燈也是城市景觀的一部分，承擔(dān)著美化環(huán)境、傳承城市文明的功能。智慧路燈可以根據(jù)各城市的人文特色、各區(qū)域的文化屬性、各風(fēng)景名勝區(qū)的文化內(nèi)涵，設(shè)計(jì)定型、制作生產(chǎn)，可以成為城市文化的容器、載體和舞臺(tái)，城市空間中居民進(jìn)行交流和互動(dòng)的良好平臺(tái)。將城市文化元素、地域文化元素融入智慧路燈的設(shè)計(jì)中，通過(guò)光的語(yǔ)言加以刻畫和表示，向城市的居民傳遞文化信息，可以打造城市新的“文化名片”，塑造城市品牌。

此外，基于NB-IoT的智慧路燈還可以降低智慧城市建設(shè)的投資成本，有效地節(jié)約城市用地資源和空間資源，有利于智慧城市的各二級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)二次利用等。

3 應(yīng)用情況與存在的問(wèn)題

隨著智慧城市建設(shè)的不斷推進(jìn)和新一代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，從智慧路燈入手搭建智慧城市物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)成為智慧城市項(xiàng)目落地的重要抓手，基于NB-IoT的智慧路燈已開始在北京、杭州、上海等城市試點(diǎn)應(yīng)用與推廣（見表1）[15-16]。

由表1可見，當(dāng)前基于NB-IoT的智慧路燈在城市中的應(yīng)用情況呈現(xiàn)以下幾個(gè)特點(diǎn)：①有運(yùn)營(yíng)商如中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信的參與，這是因?yàn)镹B-IoT是主流運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商在3GPP全球標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，NB-IoT基站、IoT平臺(tái)主要掌握在運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商手中，基于NB-IoT的智慧應(yīng)用必須有運(yùn)營(yíng)商的加入。②試點(diǎn)范圍較小，一般都在園區(qū)，且安裝的智慧路燈量也不大，基于NB-IoT的智慧路燈目前還處于發(fā)展的初級(jí)階段，應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化、推廣的機(jī)制、運(yùn)行的模式等還在探索中。③由幾家跨領(lǐng)域跨學(xué)科的公司（包括運(yùn)營(yíng)商、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商、智慧路燈廠商等）合作完成，充分體現(xiàn)了基于NB-IoT的智慧路燈多學(xué)科多領(lǐng)域交叉融合的特點(diǎn)。④從表1中，我們也可以發(fā)現(xiàn)：目前試點(diǎn)應(yīng)用的智慧路燈的主要功能還是實(shí)現(xiàn)二次節(jié)能、路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控、提升公共照明管理和維護(hù)水平，并沒(méi)有充分發(fā)揮智慧路燈作為智慧城市物聯(lián)網(wǎng)接入口的關(guān)鍵功能。

這主要是因?yàn)榛贜B-IoT的智慧路燈應(yīng)用當(dāng)前還存在以下問(wèn)題：

1）智慧路燈由硬件（包括LED燈具、微基站、視頻探測(cè)系統(tǒng)、信息交互屏、傳感器等）和軟件（IoT監(jiān)控平臺(tái)）兩部分組成，是多學(xué)科多領(lǐng)域交叉融合的復(fù)雜系統(tǒng)，硬件模塊接口互換，平臺(tái)的開放性、兼容性和擴(kuò)展性，系統(tǒng)的互聯(lián)互通等智慧路燈的共性問(wèn)題有待解決。標(biāo)準(zhǔn)化是破解這些問(wèn)題的重要手段，在促進(jìn)智慧路燈與智慧交通、智慧城管和智慧公安等的銜接與互聯(lián)，規(guī)范完善智慧路燈的制造、設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)城市資源共享等方面有著重要作用。但是目前智慧路燈的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程明顯落后于智慧城市的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，標(biāo)準(zhǔn)化體系尚未建立。

2）智慧路燈集成了多項(xiàng)功能（包括智慧照明、智慧城管、智慧交通、智慧管廊等），許多功能分屬政府不同部門（如市政、公安、交通、氣象等）的管理職能，而一些功能（如道路照明、災(zāi)害預(yù)警、出行安全提示等）則與城市居民的生產(chǎn)、生活、出行密切相關(guān)。但是受城市管理模式、管理體系的制約，管理部門之間信息資源目前仍缺乏互聯(lián)互通和共享機(jī)制，整合智慧路燈的這些功能尤其是城市的管理職能難度很大。當(dāng)前的智慧路燈各項(xiàng)功能之間的聯(lián)系非常弱，有些功能并未發(fā)揮作用。

3）智慧路燈功能強(qiáng)大，但其安全性需要進(jìn)一步加強(qiáng)。當(dāng)前NB-IoT技術(shù)還處于初級(jí)發(fā)展階段，并沒(méi)有建立起一套完善的安全標(biāo)準(zhǔn)，且NB-IoT是運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，其智慧應(yīng)用依賴于運(yùn)營(yíng)商基站布局，受通信運(yùn)營(yíng)商基站布局的影響大，因此基于NB-IoT的智慧路燈的安全問(wèn)題堪憂。

由于智慧路燈標(biāo)準(zhǔn)化的缺失，復(fù)雜的接入環(huán)境、多樣化的接入方式又給智慧城市網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)帶來(lái)極其復(fù)雜的信息安全問(wèn)題，而智慧路燈功能涵蓋市政、交通、氣象、安全、民生等多個(gè)領(lǐng)域，采集并擁有海量的大數(shù)據(jù)，極易成為網(wǎng)絡(luò)攻擊的目標(biāo)，其大數(shù)據(jù)安全隱患亟待破除。同時(shí)，由于智慧路燈需要24h帶電運(yùn)行，關(guān)乎城市居民、運(yùn)維人員人身安全的電氣安全問(wèn)題有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

表1 基于NB-IoT的智慧路燈應(yīng)用的項(xiàng)目

此外，基于NB-IoT的智慧路燈造價(jià)高、前期投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、投資風(fēng)險(xiǎn)度高，投融資難度不小，急需創(chuàng)新商業(yè)模式、管理模式和產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)，NB-IoT正面臨來(lái)自LoRa的挑戰(zhàn)與威脅，LoRa工作在免授權(quán)頻段，無(wú)需申請(qǐng)即可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)單，相比NB-IoT，運(yùn)營(yíng)成本低，且功耗更低，已經(jīng)形成了從芯片到解決方案的完整物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。這導(dǎo)致智慧路燈用戶主體和廠商對(duì)采用NB-IoT還是LoRa持探討態(tài)度，也是基于NB-IoT的智慧路燈目前沒(méi)有在城市更大范圍推廣的原因之一。

基于NB-IoT的智慧路燈是智慧城市信息互聯(lián)互通的節(jié)點(diǎn)，是物聯(lián)感知、數(shù)據(jù)采集的交互平臺(tái)，也是半導(dǎo)體照明、智慧城管、平安城市、智慧交通等多學(xué)科多領(lǐng)域交叉融合的復(fù)雜系統(tǒng)，其建設(shè)、推廣、應(yīng)用需要從多角色多維度綜合考量。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)我國(guó)政府出臺(tái)了一系列針對(duì)城市照明的建設(shè)、發(fā)展的文件，助推城市照明的快速發(fā)展，加快城市照明節(jié)能改造，提高城市照明信息化管理水平，提高城市照明設(shè)施建設(shè)和維護(hù)水平?；贜B-IoT的智慧路燈順應(yīng)城市綠色、智慧、和諧、特色發(fā)展的需求，也契合國(guó)家大力推動(dòng)NB-IoT智慧應(yīng)用的方向，為城市照明實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化、流程化、可視化、規(guī)范化管理，保障城市照明運(yùn)行安全，為智慧城市打造公共服務(wù)、公共設(shè)施、節(jié)能環(huán)保等多維平臺(tái)提供了全方位的技術(shù)支撐。隨著智慧路燈標(biāo)準(zhǔn)化的推進(jìn)、NB-IoT技術(shù)應(yīng)用的成熟、智慧城市建設(shè)的開展，我們相信基于NB-IoT的智慧路燈將會(huì)在更多城市中得到應(yīng)用，而當(dāng)前存在的諸多問(wèn)題也會(huì)陸續(xù)被破解，其未來(lái)發(fā)展前景十分廣闊，將為城市實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、精細(xì)化管理、個(gè)性化和特色發(fā)展貢獻(xiàn)新的力量。

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Analysis on the Application of Smart Road Lamp Based on NB-IoT Technology in the Smart City

ZHENG Bing-song

（China Illuminating Engineering Society）

NB-IoT technology, the new IoT connection way, with advantages including wide coverage, low power consumption, large data connection,etc, can be applied in the smart city’s public services fields such as water, gas, road lamp,parking and so on.The roles and some projects of smart road lamp based on NB-IoT technology applied in the Smart City were introduced in the paper. The application case and its existing problem was discussed and analyzed. The paper aims to provide reference for the popularization and application of the smart road lamp based on NB-IoT technology in the future.

smart city; smart road lamp; NB-IoT; energy-saving