基于NB-IoT 技術(shù)的電動(dòng)自行車管理方案及優(yōu)勢(shì)

■ 文/公安部第一研究所 王元虎 王俊修 陸洪波

關(guān)鍵字：電動(dòng)自行車 公安物聯(lián)網(wǎng) 防盜實(shí)戰(zhàn) NB-IoT

1 引言

在綠色出行大背景下，我國電動(dòng)自行車行業(yè)快速增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國電動(dòng)自行車保有量約2 億輛，年產(chǎn)3000 多萬輛。伴隨居民和行業(yè)電動(dòng)自行車保有量和使用量的高速增長，也帶來了電動(dòng)自行車被盜案件高發(fā)，更有犯罪分子采用被盜電動(dòng)自行車二次作案。

近年來，各級(jí)公安機(jī)關(guān)積極落實(shí)習(xí)近平總書記指出的“群眾利益無小事”要求，日常工作量和管理業(yè)務(wù)也隨之?dāng)U大。但是電動(dòng)自行車相關(guān)案件有涉案金額低、體積小、容易轉(zhuǎn)移拆卸銷贓等特點(diǎn)。采用安排民警蹲守、攝像頭回看等傳統(tǒng)方法，破案效率低，給基層派出所日常工作帶來了越來越大的挑戰(zhàn)。采用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，可以快速偵破電動(dòng)自行車被盜案件，及時(shí)抓獲和震懾犯罪分子，切實(shí)保障人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全。

國內(nèi)先后在溫州、昆明、無錫、鄭州等城市大規(guī)模使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)電動(dòng)自行車進(jìn)行管理，降低了發(fā)案率，提高了破案率，挽回了人民群眾的經(jīng)濟(jì)損失，提升了人民群眾滿意度，取得了良好的社會(huì)效益。同時(shí)也催生了一個(gè)現(xiàn)象，部署物聯(lián)網(wǎng)電動(dòng)自行車管理系統(tǒng)后，其周邊城市的電動(dòng)自行車被盜案有所提升，顯示出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)施后對(duì)犯罪分子的震懾和“溢出”效應(yīng)，體現(xiàn)了推廣和擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)管電動(dòng)自行車的必要性和迫切性。

本文就不同的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案，從實(shí)戰(zhàn)效果和經(jīng)濟(jì)效益兩方面進(jìn)行分析和比較，并建議使用NB-IoT 技術(shù)加強(qiáng)電動(dòng)自行車業(yè)務(wù)管理。

2 電動(dòng)自行車監(jiān)管需求分析

公安機(jī)關(guān)對(duì)于電動(dòng)自行車的監(jiān)管需求主要集中在車輛戶籍化、電動(dòng)自行車失竊的事前預(yù)防（防盜，降低發(fā)案率）、事中跟蹤（追贓，提升破案率）和事后處置（軌跡回放，追贓）等方面。

（1）車輛戶籍化：將車主（姓名、證件號(hào)碼、手機(jī)號(hào)碼）、電動(dòng)自行車（品牌、顏色、廠商、車牌號(hào)等）、電子標(biāo)簽（序列號(hào)、類型等）建立數(shù)字關(guān)聯(lián)。用于電動(dòng)自行車的登記、變更、注銷等流程，并將這些信息上報(bào)存儲(chǔ)在電動(dòng)自行車管理云平臺(tái)。

（2）事前預(yù)防：停車狀態(tài)下，車輛狀態(tài)（震動(dòng)、啟動(dòng)、溫度等）實(shí)時(shí)上報(bào)，提示車主車輛的狀態(tài)，從而及時(shí)干預(yù)盜竊行為。

（3）事中跟蹤：車主發(fā)現(xiàn)車輛丟失后，馬上報(bào)警，并對(duì)車輛遠(yuǎn)程鎖車。公安平臺(tái)可以查看車輛實(shí)時(shí)位置。

（4）事后處置：公安平臺(tái)調(diào)取車輛行駛軌跡，停放位置等信息，并可基于車輛軌跡聯(lián)動(dòng)視頻查看情況。明確車輛位置后，出警執(zhí)法，現(xiàn)場(chǎng)尋車。

3 電動(dòng)自行車監(jiān)管平臺(tái)技術(shù)分析

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈的日趨成熟，利用5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決電動(dòng)自行車管理成為一種新的技術(shù)發(fā)展方向。5G 比4G 在支持的網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)上增加了幾個(gè)量級(jí)，使物聯(lián)網(wǎng)（“物+網(wǎng)”）成為可能，感知物的狀態(tài)，通過網(wǎng)絡(luò)將其匯聚，實(shí)現(xiàn)對(duì)物的感知、控制等應(yīng)用。物的感知，由傳感器實(shí)現(xiàn)；網(wǎng)的連接，由有線和無線網(wǎng)絡(luò)完成。

電動(dòng)自行車監(jiān)管平臺(tái)通過在電動(dòng)自行車上安裝定位模塊、RFID 電子標(biāo)簽、多種傳感器，同時(shí)部署NB-IoT 基站或RFID 定位基站，借助移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營商的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)感知、自動(dòng)識(shí)別、智能定位和軌跡監(jiān)控，達(dá)到車輛管理信息化、行程受監(jiān)管和軌跡可追溯的目標(biāo)。

圖1 電動(dòng)自行車監(jiān)管平臺(tái)體系架構(gòu)圖

電動(dòng)自行車監(jiān)管平臺(tái)最基本的要求是定位能力精準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠。由此可以看出物聯(lián)網(wǎng)電動(dòng)自行車管理核心技術(shù)難點(diǎn)是定位和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。當(dāng)前業(yè)界針對(duì)這些難點(diǎn)主要有以下技術(shù)方案。

3.1 基于NB-IoT 的聯(lián)網(wǎng)和北斗定位技術(shù)

NB-IoT 是3GPP 定義的首個(gè)專門用于物聯(lián)的無線制式，屬于5G 技術(shù)。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含模組/終端設(shè)備、基站、核心網(wǎng)、IoT 平臺(tái)和應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)等部分。

圖2 基于NB-IoT 電動(dòng)自行車管理應(yīng)用架構(gòu)

（1）車載定位終端：具有北斗/GPS 定位設(shè)備，通過NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)上報(bào)包括車輛ID、北斗/GPS 位置等信息。

（2）NB-IoT 基站：主要承擔(dān)空口接入處理和小區(qū)管理等相關(guān)功能，然后將非接入層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給IoT 網(wǎng)關(guān)處理。

（3）IoT 核心網(wǎng)：承擔(dān)與無線側(cè)非接入層交互的功能，將IoT 業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT 平臺(tái)進(jìn)行處理。

（4）IoT 平臺(tái)：匯聚從各種接入網(wǎng)得到的IoT 數(shù)據(jù)，根據(jù)不同類型轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行處理。

（5）應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)：IoT 數(shù)據(jù)的最終匯聚點(diǎn)，根據(jù)客戶的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等操作。

基于NB-IoT 電動(dòng)車監(jiān)控有兩種定位手段：一種是利用北斗/GPS 作定位，通過NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)上報(bào)包括車輛ID、北斗/GPS 位置等信息，管理平臺(tái)收集處理電動(dòng)自行車軌跡信息，實(shí)現(xiàn)管理。但由于遮擋等緣故（室內(nèi)、樓道等），存在北斗/GPS 信號(hào)弱的區(qū)域。另一種是利用NBIoT 的無線基站定位技術(shù)，獲取電動(dòng)車與相鄰無線基站的相對(duì)距離，然后在這個(gè)結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行位置校準(zhǔn)，進(jìn)而獲得精確的定位結(jié)果，確保平臺(tái)對(duì)電動(dòng)車的精準(zhǔn)位置定位與軌跡跟蹤。

作為5G 技術(shù)，NB-IoT 具備大連接、覆蓋廣、功耗低、成本低的優(yōu)勢(shì)。與現(xiàn)有無線技術(shù)相比，NB-IoT 可以提升50-100 倍的接入數(shù)；相比4G LTE 技術(shù)，其覆蓋能力提升100 倍，能夠很好地實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋和深度覆蓋。另外，NB-IoT 采用了大量的節(jié)電技術(shù)減少終端能耗提升電池續(xù)航時(shí)間，當(dāng)前一塊普通的鋰電池可以不間斷給終端供電10 年以上。隨著NB-IoT 上下游產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，NB-IoT芯片成本持續(xù)降低，進(jìn)而推動(dòng)了整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端成本的降低。到2018 年底，NB-IoT 模組價(jià)格已經(jīng)降至人民幣18 元。

在此背景下， 2017 年6 月，工信部下發(fā)了《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》。截止2018 年底，中國三大運(yùn)營商已建成NB-IoT 基站超過80萬個(gè)，實(shí)現(xiàn)全國普遍覆蓋，國內(nèi)NB-IoT 用戶數(shù)已經(jīng)超過3000 萬。從全球范圍來看，已有超過20 個(gè)NB-IoT 商用網(wǎng)絡(luò)成功部署，IoT 應(yīng)用覆蓋40 多個(gè)行業(yè)。因此，當(dāng)前NB-IoT 技術(shù)已經(jīng)通過規(guī)模商用的檢驗(yàn)，具備深度應(yīng)用的價(jià)值。

3.2 基于2G 的聯(lián)網(wǎng)和定位技術(shù)

在該電動(dòng)自行車管理方案中，主要利用北斗/GPS 作位置定位，同時(shí)通過2G 網(wǎng)絡(luò)上報(bào)包括車輛ID、北斗/GPS 位置等信息，管理平臺(tái)收集處理電動(dòng)自行車軌跡信息，實(shí)現(xiàn)管理。當(dāng)前2G 的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有GPRS（中國移動(dòng)和中國聯(lián)通采用）和CDMA 1X 技術(shù)（中國電信）。由于2G技術(shù)屬于上一代的移動(dòng)通信技術(shù)，未來運(yùn)營商會(huì)逐漸淘汰該技術(shù)。因此，基于2G 技術(shù)的電動(dòng)自行車管理方案存在無法持續(xù)演進(jìn)的問題。

3.3 基于 RFID 定位技術(shù)

RFID 技術(shù)簡(jiǎn)單、相對(duì)成熟?；赗FID 的定位方案核心是采用超高頻射頻識(shí)別技術(shù)，賦予每臺(tái)電動(dòng)自行車唯一的“身份證”——RFID 標(biāo)簽，通過手持或在路口部署RFID 讀寫器采集電動(dòng)自行車的標(biāo)簽數(shù)據(jù)和讀寫器的位置信息。RFID 讀寫器再將采集的標(biāo)簽信息通過運(yùn)營商4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾砥脚_(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)自行車的定位。

該方案技術(shù)簡(jiǎn)單，但在實(shí)際部署中遇到了如下問題，限制了該方案的推廣。

（1）定位和通信覆蓋差：?jiǎn)蝹€(gè)RFID 讀寫器只能覆蓋100 米左右的范圍，電動(dòng)車進(jìn)入讀寫器范圍可以觸發(fā)識(shí)別。一旦終端離開監(jiān)控范圍則無法進(jìn)行追蹤，無法實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的位置和狀態(tài)上報(bào)。

圖3 RFID方案示意圖

圖4 RFID方案覆蓋圖

（2）RFID 讀寫器數(shù)量大：為實(shí)現(xiàn)較好的監(jiān)控效果，每平方公里大約需要部署20-30 個(gè)RFID 讀寫器。以國內(nèi)東部某率先大規(guī)模部署RFID 讀寫器的三線城市為例，約250 平方公里的城市區(qū)域，大約部署了1 萬個(gè)讀寫器，每平方公里部署近40 個(gè)RFID 讀寫器。

（3）費(fèi)用高：每個(gè)讀寫器都需要安裝在3 米以上的燈桿等位置，需要登高車和持證專業(yè)人員進(jìn)行安裝，僅登高車一天使用費(fèi)約7000-8000 元。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，按照三年服務(wù)期，其OPEX（維護(hù)成本）是CAPEX（設(shè)備購買和安裝成本）的2-3 倍。

（4）在線率低：因?yàn)镽FID 讀寫器取市電，經(jīng)常遭遇斷電、雷擊、進(jìn)水等意外事故，日常在線率低。

4 監(jiān)管滿足度分析

在NB-IoT 方案方面，由于NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)無縫覆蓋北斗系統(tǒng)全域精準(zhǔn)定位，終端可隨時(shí)隨地聯(lián)網(wǎng)，將車輛位置、狀態(tài)等信息上報(bào)管理平臺(tái)，并接收平臺(tái)控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車隨時(shí)隨地的跟蹤和操控。

在RFID 方案方面，受限于RFID 讀寫器的通信傳輸距離（僅50-100 米）和數(shù)量，RFID 方案有孤島覆蓋、定位軌跡不連續(xù)、通信不及時(shí)等問題，并且其功能單一，無法擴(kuò)展。因此，不支持事前預(yù)防；事中只能采取路口“守株待兔”的布控方案；事后軌跡回放，智能跟蹤到最后一個(gè)RFID 讀寫器位置，車輛進(jìn)入樓道、小區(qū)停車棚等，線索都會(huì)丟失。

在2G 方案方面，受限于三大運(yùn)營商2G 退網(wǎng)，很多區(qū)域2G 信號(hào)變差，覆蓋空洞增多，導(dǎo)致電動(dòng)自行車定位數(shù)據(jù)丟失。且因?yàn)?G 網(wǎng)絡(luò)容量較小，在電動(dòng)自行車早晚高峰出行時(shí)段，大量數(shù)據(jù)并發(fā)上報(bào)，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)丟失。

總之，從表1 可以看出，RFID方案對(duì)監(jiān)管滿足度非常低。2G退網(wǎng)是必須考慮的問題。面向5G 成熟的“NBIoT+北斗”方案能夠全程全網(wǎng)監(jiān)控車輛狀態(tài)，實(shí)時(shí)上報(bào)，滿足公安在事前、事中、事后的監(jiān)管需求。

表1 NB-IoT、RFID、2G 監(jiān)管滿足度對(duì)比表

5 經(jīng)濟(jì)性分析

本文以某城市對(duì)100 萬輛電動(dòng)自行車實(shí)施管理為例，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建設(shè)成本分析。該城市希望監(jiān)管全市100 萬臺(tái)電動(dòng)自行車，要求提供三年服務(wù)。假設(shè)該城市市區(qū)面積250 平方公里。按照每150-200 米一個(gè)路口，每平方公里大約30 個(gè)路口，則全市區(qū)大約7500 個(gè)路口。

鑒于三大運(yùn)營商2G 網(wǎng)絡(luò)即將退網(wǎng)，不做進(jìn)一步分析，以下僅針對(duì)RFID 和NB-IoT 做對(duì)比分析。

5.1 RFID 方案的成本構(gòu)成

RFID 方案的成本由以下部分構(gòu)成：

（1）終端費(fèi)用：每臺(tái)電動(dòng)自行車上安裝RFID 標(biāo)簽，其成本較低，單價(jià)15 元/臺(tái)。

（2）RFID 讀寫器費(fèi)用：?jiǎn)蝹€(gè)讀寫器費(fèi)用包括設(shè)備費(fèi)、安裝費(fèi)、三年維護(hù)費(fèi)等部分。其中：設(shè)備費(fèi)2500 元/臺(tái)；安裝費(fèi)2500 元/臺(tái)，安裝在紅綠燈橫桿上，需要凌晨時(shí)段，調(diào)用登高車和持證專業(yè)人員安裝，導(dǎo)致成本較高；維護(hù)費(fèi)三年6000 元，RFID 讀寫器無網(wǎng)絡(luò)管理能力，斷電、進(jìn)水、雷擊等都會(huì)造成設(shè)備失效，需要登高車查看和修復(fù)問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，單個(gè)讀寫器平均9 個(gè)月需要查看一次。維護(hù)不及時(shí)會(huì)有較大比例RFID 讀寫器掉線，喪失作用。

（3）RFID 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用。服務(wù)100 萬電動(dòng)車，大約需要部署1 萬個(gè)RFID 讀寫器，分析過程如下：每個(gè)路口平均安裝1 個(gè)RFID 讀寫器，則覆蓋市區(qū)需要7500 萬個(gè)RFID 讀寫器。郊區(qū)只在部分重要路口進(jìn)行安裝，但是因?yàn)榻紖^(qū)面積是城區(qū)40-50 倍，所以郊區(qū)安裝約2500 個(gè)RFID 讀寫器。

根據(jù)上述測(cè)算，整個(gè)RFID 方案總體投資1.25 億。平均到每個(gè)終端的成本為125 元。如果考慮到RFID 方案較低被盜追回率，導(dǎo)致保費(fèi)較高，總體成本合計(jì)近200 元。

5.2 NB-IoT 方案的成本構(gòu)成

NB-IoT 方案的成本由以下部分構(gòu)成：

（1）終端費(fèi)：NB-IoT 終端包括北斗/GPS、震動(dòng)、溫度等傳感器，單價(jià)約50 元。

（2）網(wǎng)絡(luò)租賃費(fèi)：中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通等運(yùn)營商均建設(shè)了覆蓋全國的NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)。以中國電信為例，其單個(gè)NB-IoT 終端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費(fèi)目錄價(jià)為20 元/年，三年折扣目錄價(jià)為50 元。網(wǎng)絡(luò)由中國電信建設(shè)和維護(hù)，確保99.999%的可靠性，覆蓋全國99.6%的人口，可滿足該省會(huì)城市、郊區(qū)隨時(shí)隨地通信。

綜合來看，NB-IoT 方案總投資1 億。平均到每個(gè)終端的成本約100 元。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)在全國范圍內(nèi)隨時(shí)隨地覆蓋，降低被盜率，提升追回率，因此保費(fèi)較低?？傮w成本合計(jì)近130 元。

表2 是兩種技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。

5.3 結(jié)論

綜合考慮初期投資（CAPAX）和運(yùn)維成本（OPEX），采用NB-IoT 技術(shù)比RFID 技術(shù)成本降低25%。如果再考慮保險(xiǎn)費(fèi)，則NB-IoT 方案價(jià)格更優(yōu)，NB-IoT 性價(jià)比更高。

表2 NB-IoT、RFID經(jīng)濟(jì)性對(duì)比表

6 結(jié)語

本文對(duì)比介紹了RFID、2G 和NB-IoT 三種物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)，并討論了三種技術(shù)在公安實(shí)戰(zhàn)中事前預(yù)防、事中跟蹤和事后處置的滿足度，進(jìn)一步對(duì)比了RFID和NB-IoT 兩種技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性上的差異。本文提出NB-IoT在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)戰(zhàn)效果等方面都更滿足電動(dòng)自行車管理的需要。在政府的大力支持下，面向5G 技術(shù)的 NB-IoT方案，必將成為更多地區(qū)滿足實(shí)戰(zhàn)需求的最佳選擇，為我國電動(dòng)自行車的良性發(fā)展提供技術(shù)支撐。