“北斗云”

［關(guān)鍵詞］北斗云；物聯(lián)網(wǎng)；電力時(shí)空大數(shù)據(jù)；高精度位置服務(wù)

隨著北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)全球組網(wǎng)的完成，北斗與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G通信等技術(shù)不斷融合，在信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、公共安全等領(lǐng)域大顯身手[1，2，3]。能源電力領(lǐng)域正處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，急需加強(qiáng)開展北斗精準(zhǔn)時(shí)空電力應(yīng)用技術(shù)研究[4]，形成電力與北斗技術(shù)融合應(yīng)用的系統(tǒng)解決方案。

本文進(jìn)行電力北斗云平臺(tái)技術(shù)研究[3]，首先提出“北斗云”概念，給出一整套技術(shù)框架，針對時(shí)空大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)，涉及數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、云處理、文件管控、平臺(tái)架構(gòu)等幾方面進(jìn)行研究；然后，立足電力行業(yè)，搭建電力北斗多維度時(shí)空大數(shù)據(jù)云的服務(wù)體系與部署方式；針對不同的定位精度，提出不同場景的電力應(yīng)用范圍；利用可視化技術(shù)，根據(jù)電網(wǎng)電力數(shù)據(jù)特點(diǎn)，研究北斗與電力GIS的可視化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。

1.“北斗云”概念

北斗結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，催生出“北斗云”，北斗云主要承擔(dān)位置信息采集，數(shù)據(jù)產(chǎn)品存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)分析處理、信息綜合應(yīng)用等關(guān)鍵任務(wù)，是北斗綜合運(yùn)營服務(wù)的物理承載平臺(tái)，總體技術(shù)架構(gòu)見圖1。北斗系統(tǒng)可提供高精度、快迭代的位置服務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)可提供海量傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，二者結(jié)合猶如建設(shè)了一條信息服務(wù)的高速公路，帶領(lǐng)我們進(jìn)入一個(gè)高精度互聯(lián)的時(shí)代。

“北斗云”技術(shù)架構(gòu)包含：采集硬件傳感器（北斗接收機(jī)、氣象傳感器、環(huán)境傳感器以及各種專業(yè)傳感器）、數(shù)據(jù)傳輸模塊DTU、數(shù)據(jù)庫、軟件管理后臺(tái)、軟件前端展示等。在云端實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)：云端北斗算法、GIS引擎、物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、多源數(shù)據(jù)融合以及大數(shù)據(jù)管理和挖掘。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議

數(shù)據(jù)傳輸模塊DTU 采用物聯(lián)網(wǎng)自定義MQTT 協(xié)議[5，6，7]，云端配置JSON文件動(dòng)態(tài)加載模塊，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)集成在云端，統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理、處理、分析以及可視化展示。圖2展示了數(shù)據(jù)采集單元運(yùn)作模式，不同模塊加載運(yùn)行通過MQTT協(xié)議進(jìn)行消息訂閱，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 北斗云計(jì)算

利用北斗三代系統(tǒng)最新技術(shù)成果，充分發(fā)揮相對技術(shù)優(yōu)勢，開展北斗授時(shí)、定位、測姿技術(shù)研究及其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。圖3展示了北斗云計(jì)算技術(shù)流程圖，由監(jiān)測現(xiàn)場的北斗測站部署，實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫舜鎯?chǔ)，同時(shí)完成數(shù)據(jù)預(yù)處理、定位解算、時(shí)序穩(wěn)定性分析、預(yù)警等功能，整套北斗云計(jì)算技術(shù)流程可以實(shí)現(xiàn)毫米級實(shí)時(shí)監(jiān)測。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)高速發(fā)展，現(xiàn)已能自由獲得諸多GNSS數(shù)據(jù)和軟件資源，足以具備建立衛(wèi)星導(dǎo)航云（或者稱為“北斗云”）的基本條件[8]。圖4展示了北斗/GNSS軟件資源，涉及獲取數(shù)據(jù)的預(yù)處理，定位解算（基線處理、整網(wǎng)平差）等各環(huán)節(jié)。G-UNT/ANUBIS軟件支持多星座數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核，GFZRNX軟件滿足GNSS數(shù)據(jù)編輯，而TEQC能將GNSS原始數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換；RTKLIB軟件包擁有眾多的開源GNSS 算法，能夠處理多種模式定位解算。GAMIT/GLOBK 軟件解算高精度GNSS 基線，可達(dá)到10^-9 相對精度。

本文在構(gòu)建電力北斗云的研究中，數(shù)據(jù)預(yù)處理質(zhì)量檢測采用GPD V1.0 軟件、靜態(tài)基線后處理采用GAMIT/GLOBK 10.71軟件、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)基線解算采用RTKLIB 2.4.3b34軟件包，穩(wěn)定性分析采用自研軟件。

2. 電力北斗多維度時(shí)空大數(shù)據(jù)云

搭建電力北斗多維度時(shí)空大數(shù)據(jù)云平臺(tái)（圖5），打造以北斗精準(zhǔn)位置服務(wù)和全方位地理信息為核心，涵蓋基礎(chǔ)設(shè)施接入、物聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、服務(wù)總線搭建、業(yè)務(wù)應(yīng)用支撐的精準(zhǔn)時(shí)空服務(wù)體系，面向電力業(yè)務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域的終端設(shè)備提供統(tǒng)一的授時(shí)授頻服務(wù)、短報(bào)文通信服務(wù)、高精度位置服務(wù)。

整個(gè)系統(tǒng)云平臺(tái)部署方案如圖6。信息內(nèi)網(wǎng)通過電力專線接入北斗接收機(jī)矩陣，并通過VPN網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)部終端進(jìn)行通信。信息內(nèi)網(wǎng)與信息外網(wǎng)通過安全隔離裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，互聯(lián)網(wǎng)社會(huì)狀態(tài)與信息外網(wǎng)可以通過運(yùn)營商的4、5G/WiFI/GPRS等等形式通信。信息內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)均部署北斗云平臺(tái)。

2.1 電力北斗精準(zhǔn)時(shí)空服務(wù)

電力北斗精準(zhǔn)時(shí)空服務(wù)高精度定位服務(wù)包括實(shí)時(shí)分米級、厘米級和事后毫米級甚至亞毫米定位服務(wù)，低精度定位服務(wù)包含實(shí)時(shí)亞米、米級，整體位置服務(wù)見圖7，不同位置精度對應(yīng)不同的服務(wù)場景。例如，精密監(jiān)控量測和工程形變監(jiān)測都需要毫米甚至亞毫米級定位精度。

2.2 北斗+電力GIS

圖8展示了北斗+電力GIS的業(yè)務(wù)、服務(wù)和數(shù)據(jù)關(guān)系，將變電站和輸電線路位置信息、桿塔傾斜、地質(zhì)沉降等監(jiān)測信息和GIS平臺(tái)集成，精準(zhǔn)展示設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系，為電力業(yè)務(wù)的開展和融合賦予時(shí)空智慧。通過將電網(wǎng)的整體拓?fù)溥B接，包括輸電環(huán)節(jié)內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其之間的連接關(guān)系的電網(wǎng)空間數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)輸電、通道資源在電網(wǎng)資源中心的統(tǒng)一管理，形成“電網(wǎng)拓?fù)湟粡垐D”[9，10]。

3. 桿塔精確測姿監(jiān)測應(yīng)用

輸電線路覆蓋范圍廣、輸送距離長，沿途經(jīng)過的環(huán)境惡劣、地質(zhì)地形復(fù)雜，存在線路巡檢效率低、復(fù)巡周期長、監(jiān)測數(shù)據(jù)不精確等問題[11，12]。利用本文研究的電力“北斗云”構(gòu)建輸電線路桿塔變形及塔基周邊地質(zhì)環(huán)境隱患點(diǎn)的防災(zāi)監(jiān)測應(yīng)用，研發(fā)低成本、高精度北斗桿塔精確測姿模塊，實(shí)現(xiàn)輸電線路桿塔形變和傾斜監(jiān)測，以及重要電力設(shè)施防破壞等高精度定位，精度達(dá)到毫米級（圖9）。

桿塔北斗測姿設(shè)備（圖10），由北斗高精度測姿信號處理模塊、ARM處理單元、無線數(shù)據(jù)通信模塊、串口通信模塊及電源模塊等部分組成[13]。設(shè)備布置在輸電線路電力桿塔兩側(cè)，終端設(shè)備為兩個(gè)低成本小型化天線，如圖11所示。

姿態(tài)解算模塊運(yùn)行測姿算法，利用數(shù)據(jù)解析模塊解析后的數(shù)據(jù)，使用載波相位差分定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對定位[14，15]，基線精度可達(dá)到毫米級，最后在站心坐標(biāo)系下計(jì)算出兩個(gè)天線的姿態(tài)（航向角、俯仰角），從而得到載體的姿態(tài)信息。圖12為整個(gè)測姿解算流程，圖13為測量結(jié)果時(shí)間序列，由圖可知，北斗桿塔測姿能夠獲取精確的偏航角和俯仰角，并能夠達(dá)到精度要求。

4. 結(jié)語

本文研究了北斗在電力系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)架構(gòu)，提出了電力專業(yè)“北斗云”高精度位置服務(wù)體系，針對不同電力業(yè)務(wù)場景位置精度需求，可定制化不同的系統(tǒng)平臺(tái)。基于完備的電力“北斗云”增強(qiáng)技術(shù)和精細(xì)模型改正技術(shù)框架，實(shí)現(xiàn)了對桿塔精確測姿監(jiān)測，研究成果已應(yīng)用于電力工程。

北斗與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G通信等技術(shù)不斷融合，在電力能源、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、公共安全等領(lǐng)域大顯身手。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航為“數(shù)字電網(wǎng)”建設(shè)提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，滿足輸電線路從宏觀到微觀的運(yùn)維與管理需要。