基于NB-IoT模式下的智慧井盖的应用

满运锋

（河南省通信工程局有限责任公司）

1 引言

城市地下通信管网，是现代城市的动脉、静脉和神经网络，为智慧城市的运转提供了宽带、基站、监控等功能，其中通信运营商地下管网的安全，更是保证各运营商核心网络在整个城市各项服务的根本，首先，要守好地下管网的出入口，也就是遍布整个城市的井盖。大部分威胁地下管网的行为，都是从打开一个小小的井盖开始的。只有做到对井盖的有效监控，才能保障地下管网安全，杜绝事故的发生。而守好井盖最有效的方法，就是实现井盖的联网监控，使得井盖不能随意打开，对非法侵入管道的行为，进行及时报警。利用先进的窄带物联网、云存储、大数据技术，实时监测城市地下管网的管道内外环境安全，为有效防止人为破坏城市地下管网提供技术手段，为城市的安全和应急抢险等工作提供有效参考的解决方案[1]，它也是目前智慧城市的重要组成部分，同时在建设和维护方面，地下管网的出入口也是安全的生命通道，解决了上述问题，将会是通信领域智慧化发展的重要亮点之一。

2 项目应用背景

目前传统的人井出入口井盖存在以下问题：①非法人员侵入简单，无法及时监控，不同运营商的管线存在安全隐患；②导致地下线缆或设备被盗，影响通讯；③影响交通顺畅并带来人员伤亡及财产损失；④运维成本较高，需要人工监测管网井盖安全；⑤一旦发生人身事故，涉及连带责任和高额索赔。

近几年来，国家对地下管网发展也是高度重视，从2013年以来先后印发了《国务院关于加强城市基础设施建设的意见》《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》，《城市综合管廊工程技术规范》（GB50838-2015）、《关于进一步加强城市窨井盖安全管理的通知》等文件或行业规范要求，旨在让全民充分认识加强井盖管理的重要性，确保井盖安全运行，明确牵头部门，按照“谁所有、谁负责”的原则，落实井盖管理责任主体；开展井盖隐患排查整改工作，增设各类井盖防坠落保护装置和防盗保护装置，实行井盖的数字化管理，建立井盖档案登记制度等措施。

针对以上政策要求，在通信工程建设和维护初期，就应该从源头上建立保护机制，应用先进的物联网技术，契合传感网络、电子工程、物理学的理论知识，高效的解决上述问题。

3 项目理论基础

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）目前已成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT 构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT 是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也称为低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT 支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接，能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖[2]。

NB-IoT自身具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势，使其可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。随着物联网平台的日益成熟，采用物联网平台对物联网卡进行管控，已经成为当前网络终端管控的新趋势，且符合国家、集团对网络安全的要求。

4 项目应用的情况

物联网领域的产品必须能够贴近应用实际才能有长远的发展生命力，智慧井盖系统也是如此，首先要求有高的防护能力、低功耗通信效能、维护成本低、施工简单等特点。

4.1 在线监测功能的实现

智慧井盖应用时要能够实现实时监测和预警，重要地下设施（如线缆、网络设备等）需防止人员非法进入的监测；同时具备管道环境的实时监测（如气体、温度、水位等）；进一步降低运维成本。通过建立 NB-IOT 远端和近端模式，通过平台和手机 APP终端方便实现上述功能（见图1）[3]。

通过手机APP可以安装在普通的安卓手机端供工作人员使用。同时要具备以下基本功能：

①井盖注册：包括地理信息，图片信息和井盖其他参数的录入。

②井盖信息查看和报警信息接收。

③手机APP性能指标。

④井盖信息和状态查看：可查看井盖信息，实时监测井盖状态，一旦井盖异常开启或移动，及时报警并启动处理机制。

⑤电子锁井盖设防撤防：根据实际部署情况，对电子锁井盖进行设防撤防工作，防止误报、多报。

⑥异常情况图文上报：日常维护人员巡查时发现井盖异常后，通过app管理系统进行图文上报。

⑦电子锁井盖的管理：电子锁井盖可以通过APP进行系统注册、注销。

具体流程见图2所示。

图2 智能井盖维护流程图

4.2 防盗技术的升级改造

在传统井盖的基础上，加设特制金属内井盖，安装电子监控报警、专用锁具。

针对传统井盖偷盗现象，通过在传统井盖（外盖）的内部加装内盖和电子锁设备（配置专用锁具），实现井盖的远程授权开启和非法开启报警功能，通过独特的锁芯设计，井盖非开启情况下离合器分开，在手机APP 未连接平台获得开锁指令后，锁具处于“滑丝”状态，锁芯处于空转状态，防止人为恶意破坏有效防止暴力开锁及破坏，减少更换锁芯的风险，井盖出现异常状况后及时上报监控平台并指挥现场处理。同时相关水浸、温度、烟感等防水器件安装到内井中，防水级别达到IP68，内井采用特制的铝塑结构，对信号无屏蔽功能，能够较好地解决信号传输问题[4]。

采用内井盖方式相对比市场上的传统单井盖加装传感器有很多优势，包括：

①防止外井盖开启时，拖拽后破坏附带的传感器。

②多层保护，防止外井盖丢失后发生人身事故。

③进一步防止大量渗水，减少抽水工作量。

④双层井盖保护性更强，有利于管井内物资保护。

具体应用图3如下：

图3 防盗开闭技术实物图

4.3 物理安装方式的升级改造（举例）

物理安装采用内井壁上加装一个井框，在规定离外井盖最低处水平面以下100mm 处的四个井壁上，均分装入八根D12X200 的圆钢外露伸出段60mm 长，所有圆钢要在同一水平面均布，同时将内井圈放置在八根预先放置的圆钢的伸出段上，用电焊将二者焊牢固，用角磨机或其他工具，将内井圈内的D12 圆钢突出段切除；对井框外表面涂刷表面防锈漆，放置内井盖在内井圈内。结构如图4所示。

图4 智能井盖结构图

4.4 智慧井盖评价管理及在其他应用领域的发展应用

通过智慧井盖的应用，解决了以下物理问题：

①人身安全。人孔井盖破损后会对路面行人、非机动车、机动车造成安全威胁；井盖底下甲烷引起爆炸；

②井内线路。重要线路质量得不到保障，易酿成重大事故；井盖不设防，人井管道资源抢占，可任意进入使用地下管网；

③安全隐患。给破坏分子留下可乘之机；

④用户体验。来自用户的网络质量感受度差。

同时实现了增值服务：特制专用内井盖加24h实时监控功能，实时掌控人孔井状态，无误报告警。由于管道资源的特殊性，破坏者不是穿缆就是割接施工，快则1h～2h，慢则需要3h～4h施工过程，接收到告警后巡检员可现场取证，并报警处理。同时智慧井盖系统要求将特制金属内井盖固定在人孔井下，打开时省时省力，每次开启使用特制专用钥匙，安全性好，防盗性高，保证百分之百的通开率。采用窄带物联网进行传输模式，终端密闭，防水可达IP68级，锁具质保，电池使用均可达3年以上的特点[5]。

5 结语

物联网的建设和维护是一个不断完善的过程，是跟随客户的动态需求实现其功能，通过智慧井盖的应用模式研究，可以在车联网、智慧医疗、智能家居等物联网应用中采取上述模式，可以极大地提升客户感知和应用价值。作为物联网应用的一个缩影，它基于理论和实际应用模式，对于构建地下智慧管网的其他物联产品有一定的参考价值。