基于NB-IoT 技術的電動自行車管理方案及優勢

■ 文/公安部第一研究所 王元虎 王俊修 陸洪波

關鍵字：電動自行車 公安物聯網 防盜實戰 NB-IoT

1 引言

在綠色出行大背景下，我國電動自行車行業快速增長。據統計我國電動自行車保有量約2 億輛，年產3000 多萬輛。伴隨居民和行業電動自行車保有量和使用量的高速增長，也帶來了電動自行車被盜案件高發，更有犯罪分子采用被盜電動自行車二次作案。

近年來，各級公安機關積極落實習近平總書記指出的“群眾利益無小事”要求，日常工作量和管理業務也隨之擴大。但是電動自行車相關案件有涉案金額低、體積小、容易轉移拆卸銷贓等特點。采用安排民警蹲守、攝像頭回看等傳統方法，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。采用最新的物聯網技術手段，可以快速偵破電動自行車被盜案件，及時抓獲和震懾犯罪分子，切實保障人民群眾生命和財產安全。

國內先后在溫州、昆明、無錫、鄭州等城市大規模使用物聯網技術對電動自行車進行管理，降低了發案率，提高了破案率，挽回了人民群眾的經濟損失，提升了人民群眾滿意度，取得了良好的社會效益。同時也催生了一個現象，部署物聯網電動自行車管理系統后，其周邊城市的電動自行車被盜案有所提升，顯示出物聯網技術實施后對犯罪分子的震懾和“溢出”效應，體現了推廣和擴大物聯網技術監管電動自行車的必要性和迫切性。

本文就不同的物聯網技術方案，從實戰效果和經濟效益兩方面進行分析和比較，并建議使用NB-IoT 技術加強電動自行車業務管理。

2 電動自行車監管需求分析

公安機關對于電動自行車的監管需求主要集中在車輛戶籍化、電動自行車失竊的事前預防（防盜，降低發案率）、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、證件號碼、手機號碼）、電動自行車（品牌、顏色、廠商、車牌號等）、電子標簽（序列號、類型等）建立數字關聯。用于電動自行車的登記、變更、注銷等流程，并將這些信息上報存儲在電動自行車管理云平臺。

（2）事前預防：停車狀態下，車輛狀態（震動、啟動、溫度等）實時上報，提示車主車輛的狀態，從而及時干預盜竊行為。

（3）事中跟蹤：車主發現車輛丟失后，馬上報警，并對車輛遠程鎖車。公安平臺可以查看車輛實時位置。

（4）事后處置：公安平臺調取車輛行駛軌跡，停放位置等信息，并可基于車輛軌跡聯動視頻查看情況。明確車輛位置后，出警執法，現場尋車。

3 電動自行車監管平臺技術分析

隨著5G、物聯網技術及產業鏈的日趨成熟，利用5G和物聯網技術解決電動自行車管理成為一種新的技術發展方向。5G 比4G 在支持的網絡連接數上增加了幾個量級，使物聯網（“物+網”）成為可能，感知物的狀態，通過網絡將其匯聚，實現對物的感知、控制等應用。物的感知，由傳感器實現；網的連接，由有線和無線網絡完成。

電動自行車監管平臺通過在電動自行車上安裝定位模塊、RFID 電子標簽、多種傳感器，同時部署NB-IoT 基站或RFID 定位基站，借助移動、聯通、電信三大運營商的移動網絡，實現車輛的自動感知、自動識別、智能定位和軌跡監控，達到車輛管理信息化、行程受監管和軌跡可追溯的目標。

圖1 電動自行車監管平臺體系架構圖

電動自行車監管平臺最基本的要求是定位能力精準，網絡傳輸可靠。由此可以看出物聯網電動自行車管理核心技術難點是定位和聯網技術。當前業界針對這些難點主要有以下技術方案。

3.1 基于NB-IoT 的聯網和北斗定位技術

NB-IoT 是3GPP 定義的首個專門用于物聯的無線制式，屬于5G 技術。其網絡架構包含模組/終端設備、基站、核心網、IoT 平臺和應用服務平臺等部分。

圖2 基于NB-IoT 電動自行車管理應用架構

（1）車載定位終端：具有北斗/GPS 定位設備，通過NB-IoT 網絡上報包括車輛ID、北斗/GPS 位置等信息。

（2）NB-IoT 基站：主要承擔空口接入處理和小區管理等相關功能，然后將非接入層數據轉發給IoT 網關處理。

（3）IoT 核心網：承擔與無線側非接入層交互的功能，將IoT 業務相關數據轉發到IoT 平臺進行處理。

（4）IoT 平臺：匯聚從各種接入網得到的IoT 數據，根據不同類型轉發至相應的業務應用服務器進行處理。

（5）應用服務平臺：IoT 數據的最終匯聚點，根據客戶的需求進行數據處理等操作。

基于NB-IoT 電動車監控有兩種定位手段：一種是利用北斗/GPS 作定位，通過NB-IoT 網絡上報包括車輛ID、北斗/GPS 位置等信息，管理平臺收集處理電動自行車軌跡信息，實現管理。但由于遮擋等緣故（室內、樓道等），存在北斗/GPS 信號弱的區域。另一種是利用NBIoT 的無線基站定位技術，獲取電動車與相鄰無線基站的相對距離，然后在這個結果基礎上進行位置校準，進而獲得精確的定位結果，確保平臺對電動車的精準位置定位與軌跡跟蹤。

作為5G 技術，NB-IoT 具備大連接、覆蓋廣、功耗低、成本低的優勢。與現有無線技術相比，NB-IoT 可以提升50-100 倍的接入數；相比4G LTE 技術，其覆蓋能力提升100 倍，能夠很好地實現廣域覆蓋和深度覆蓋。另外，NB-IoT 采用了大量的節電技術減少終端能耗提升電池續航時間，當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 上下游產業鏈的成熟，NB-IoT芯片成本持續降低，進而推動了整個物聯網終端成本的降低。到2018 年底，NB-IoT 模組價格已經降至人民幣18 元。

在此背景下， 2017 年6 月，工信部下發了《關于全面推進移動物聯網(NB-IoT)建設發展的通知》。截止2018 年底，中國三大運營商已建成NB-IoT 基站超過80萬個，實現全國普遍覆蓋，國內NB-IoT 用戶數已經超過3000 萬。從全球范圍來看，已有超過20 個NB-IoT 商用網絡成功部署，IoT 應用覆蓋40 多個行業。因此，當前NB-IoT 技術已經通過規模商用的檢驗，具備深度應用的價值。

3.2 基于2G 的聯網和定位技術

在該電動自行車管理方案中，主要利用北斗/GPS 作位置定位，同時通過2G 網絡上報包括車輛ID、北斗/GPS 位置等信息，管理平臺收集處理電動自行車軌跡信息，實現管理。當前2G 的聯網技術有GPRS（中國移動和中國聯通采用）和CDMA 1X 技術（中國電信）。由于2G技術屬于上一代的移動通信技術，未來運營商會逐漸淘汰該技術。因此，基于2G 技術的電動自行車管理方案存在無法持續演進的問題。

3.3 基于 RFID 定位技術

RFID 技術簡單、相對成熟。基于RFID 的定位方案核心是采用超高頻射頻識別技術，賦予每臺電動自行車唯一的“身份證”——RFID 標簽，通過手持或在路口部署RFID 讀寫器采集電動自行車的標簽數據和讀寫器的位置信息。RFID 讀寫器再將采集的標簽信息通過運營商4G 網絡傳輸到管理平臺，從而實現對電動自行車的定位。

該方案技術簡單，但在實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：單個RFID 讀寫器只能覆蓋100 米左右的范圍，電動車進入讀寫器范圍可以觸發識別。一旦終端離開監控范圍則無法進行追蹤，無法實現隨時隨地的位置和狀態上報。

圖3 RFID方案示意圖

圖4 RFID方案覆蓋圖

（2）RFID 讀寫器數量大：為實現較好的監控效果，每平方公里大約需要部署20-30 個RFID 讀寫器。以國內東部某率先大規模部署RFID 讀寫器的三線城市為例，約250 平方公里的城市區域，大約部署了1 萬個讀寫器，每平方公里部署近40 個RFID 讀寫器。

（3）費用高：每個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人員進行安裝，僅登高車一天使用費約7000-8000 元。經統計，按照三年服務期，其OPEX（維護成本）是CAPEX（設備購買和安裝成本）的2-3 倍。

（4）在線率低：因為RFID 讀寫器取市電，經常遭遇斷電、雷擊、進水等意外事故，日常在線率低。

4 監管滿足度分析

在NB-IoT 方案方面，由于NB-IoT 網絡無縫覆蓋北斗系統全域精準定位，終端可隨時隨地聯網，將車輛位置、狀態等信息上報管理平臺，并接收平臺控制指令，實現對電動車隨時隨地的跟蹤和操控。

在RFID 方案方面，受限于RFID 讀寫器的通信傳輸距離（僅50-100 米）和數量，RFID 方案有孤島覆蓋、定位軌跡不連續、通信不及時等問題，并且其功能單一，無法擴展。因此，不支持事前預防；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RFID 讀寫器位置，車輛進入樓道、小區停車棚等，線索都會丟失。

在2G 方案方面，受限于三大運營商2G 退網，很多區域2G 信號變差，覆蓋空洞增多，導致電動自行車定位數據丟失。且因為2G 網絡容量較小，在電動自行車早晚高峰出行時段，大量數據并發上報，會導致網絡擁塞和業務數據丟失。

總之，從表1 可以看出，RFID方案對監管滿足度非常低。2G退網是必須考慮的問題。面向5G 成熟的“NBIoT+北斗”方案能夠全程全網監控車輛狀態，實時上報，滿足公安在事前、事中、事后的監管需求。

表1 NB-IoT、RFID、2G 監管滿足度對比表

5 經濟性分析

本文以某城市對100 萬輛電動自行車實施管理為例，進行物聯網技術的建設成本分析。該城市希望監管全市100 萬臺電動自行車，要求提供三年服務。假設該城市市區面積250 平方公里。按照每150-200 米一個路口，每平方公里大約30 個路口，則全市區大約7500 個路口。

鑒于三大運營商2G 網絡即將退網，不做進一步分析，以下僅針對RFID 和NB-IoT 做對比分析。

5.1 RFID 方案的成本構成

RFID 方案的成本由以下部分構成：

（1）終端費用：每臺電動自行車上安裝RFID 標簽，其成本較低，單價15 元/臺。

（2）RFID 讀寫器費用：單個讀寫器費用包括設備費、安裝費、三年維護費等部分。其中：設備費2500 元/臺；安裝費2500 元/臺，安裝在紅綠燈橫桿上，需要凌晨時段，調用登高車和持證專業人員安裝，導致成本較高；維護費三年6000 元，RFID 讀寫器無網絡管理能力，斷電、進水、雷擊等都會造成設備失效，需要登高車查看和修復問題。據統計，單個讀寫器平均9 個月需要查看一次。維護不及時會有較大比例RFID 讀寫器掉線，喪失作用。

（3）RFID 網絡建設費用。服務100 萬電動車，大約需要部署1 萬個RFID 讀寫器，分析過程如下：每個路口平均安裝1 個RFID 讀寫器，則覆蓋市區需要7500 萬個RFID 讀寫器。郊區只在部分重要路口進行安裝，但是因為郊區面積是城區40-50 倍，所以郊區安裝約2500 個RFID 讀寫器。

根據上述測算，整個RFID 方案總體投資1.25 億。平均到每個終端的成本為125 元。如果考慮到RFID 方案較低被盜追回率，導致保費較高，總體成本合計近200 元。

5.2 NB-IoT 方案的成本構成

NB-IoT 方案的成本由以下部分構成：

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

（2）網絡租賃費：中國電信、中國移動、中國聯通等運營商均建設了覆蓋全國的NB-IoT 網絡。以中國電信為例，其單個NB-IoT 終端網絡服務費目錄價為20 元/年，三年折扣目錄價為50 元。網絡由中國電信建設和維護，確保99.999%的可靠性，覆蓋全國99.6%的人口，可滿足該省會城市、郊區隨時隨地通信。

綜合來看，NB-IoT 方案總投資1 億。平均到每個終端的成本約100 元。因為網絡在全國范圍內隨時隨地覆蓋，降低被盜率，提升追回率，因此保費較低。總體成本合計近130 元。

表2 是兩種技術的經濟性對比。

5.3 結論

綜合考慮初期投資（CAPAX）和運維成本（OPEX），采用NB-IoT 技術比RFID 技術成本降低25%。如果再考慮保險費，則NB-IoT 方案價格更優，NB-IoT 性價比更高。

表2 NB-IoT、RFID經濟性對比表

6 結語

本文對比介紹了RFID、2G 和NB-IoT 三種物聯網關鍵技術的優劣勢，并討論了三種技術在公安實戰中事前預防、事中跟蹤和事后處置的滿足度，進一步對比了RFID和NB-IoT 兩種技術在經濟性上的差異。本文提出NB-IoT在技術、經濟性、實戰效果等方面都更滿足電動自行車管理的需要。在政府的大力支持下，面向5G 技術的 NB-IoT方案，必將成為更多地區滿足實戰需求的最佳選擇，為我國電動自行車的良性發展提供技術支撐。