“北斗云”

［關鍵詞］北斗云；物聯網；電力時空大數據；高精度位置服務

隨著北斗導航定位系統全球組網的完成，北斗與物聯網、人工智能、5G通信等技術不斷融合，在信息基礎設施建設、公共安全等領域大顯身手[1，2，3]。能源電力領域正處于產業轉型，急需加強開展北斗精準時空電力應用技術研究[4]，形成電力與北斗技術融合應用的系統解決方案。

本文進行電力北斗云平臺技術研究[3]，首先提出“北斗云”概念，給出一整套技術框架，針對時空大數據關鍵技術，涉及數據傳輸、存儲、云處理、文件管控、平臺架構等幾方面進行研究；然后，立足電力行業，搭建電力北斗多維度時空大數據云的服務體系與部署方式；針對不同的定位精度，提出不同場景的電力應用范圍；利用可視化技術，根據電網電力數據特點，研究北斗與電力GIS的可視化實現系統。

1.“北斗云”概念

北斗結合物聯網技術，催生出“北斗云”，北斗云主要承擔位置信息采集，數據產品存儲，數據分析處理、信息綜合應用等關鍵任務，是北斗綜合運營服務的物理承載平臺，總體技術架構見圖1。北斗系統可提供高精度、快迭代的位置服務，物聯網可提供海量傳感器監測數據，二者結合猶如建設了一條信息服務的高速公路，帶領我們進入一個高精度互聯的時代。

“北斗云”技術架構包含：采集硬件傳感器（北斗接收機、氣象傳感器、環境傳感器以及各種專業傳感器）、數據傳輸模塊DTU、數據庫、軟件管理后臺、軟件前端展示等。在云端實現關鍵技術：云端北斗算法、GIS引擎、物聯網協議、多源數據融合以及大數據管理和挖掘。

1.1 物聯網傳輸協議

數據傳輸模塊DTU 采用物聯網自定義MQTT 協議[5，6，7]，云端配置JSON文件動態加載模塊，實現多源數據集成在云端，統一存儲、管理、處理、分析以及可視化展示。圖2展示了數據采集單元運作模式，不同模塊加載運行通過MQTT協議進行消息訂閱，實現數據傳輸。

1.2 北斗云計算

利用北斗三代系統最新技術成果，充分發揮相對技術優勢，開展北斗授時、定位、測姿技術研究及其在智能電網中的應用。圖3展示了北斗云計算技術流程圖，由監測現場的北斗測站部署，實時流數據傳輸到云端存儲，同時完成數據預處理、定位解算、時序穩定性分析、預警等功能，整套北斗云計算技術流程可以實現毫米級實時監測。

隨著衛星導航技術高速發展，現已能自由獲得諸多GNSS數據和軟件資源，足以具備建立衛星導航云（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，涉及獲取數據的預處理，定位解算（基線處理、整網平差）等各環節。G-UNT/ANUBIS軟件支持多星座數據質量檢核，GFZRNX軟件滿足GNSS數據編輯，而TEQC能將GNSS原始數據格式進行轉換；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，可達到10^-9 相對精度。

本文在構建電力北斗云的研究中，數據預處理質量檢測采用GPD V1.0 軟件、靜態基線后處理采用GAMIT/GLOBK 10.71軟件、實時動態基線解算采用RTKLIB 2.4.3b34軟件包，穩定性分析采用自研軟件。

2. 電力北斗多維度時空大數據云

搭建電力北斗多維度時空大數據云平臺（圖5），打造以北斗精準位置服務和全方位地理信息為核心，涵蓋基礎設施接入、物聯標準統一、服務總線搭建、業務應用支撐的精準時空服務體系，面向電力業務應用領域的終端設備提供統一的授時授頻服務、短報文通信服務、高精度位置服務。

整個系統云平臺部署方案如圖6。信息內網通過電力專線接入北斗接收機矩陣，并通過VPN網絡與內部終端進行通信。信息內網與信息外網通過安全隔離裝置進行數據交互，互聯網社會狀態與信息外網可以通過運營商的4、5G/WiFI/GPRS等等形式通信。信息內網和外網均部署北斗云平臺。

2.1 電力北斗精準時空服務

電力北斗精準時空服務高精度定位服務包括實時分米級、厘米級和事后毫米級甚至亞毫米定位服務，低精度定位服務包含實時亞米、米級，整體位置服務見圖7，不同位置精度對應不同的服務場景。例如，精密監控量測和工程形變監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的業務、服務和數據關系，將變電站和輸電線路位置信息、桿塔傾斜、地質沉降等監測信息和GIS平臺集成，精準展示設備拓撲關系，為電力業務的開展和融合賦予時空智慧。通過將電網的整體拓撲連接，包括輸電環節內部的拓撲結構及其之間的連接關系的電網空間數據融合，實現輸電、通道資源在電網資源中心的統一管理，形成“電網拓撲一張圖”[9，10]。

3. 桿塔精確測姿監測應用

輸電線路覆蓋范圍廣、輸送距離長，沿途經過的環境惡劣、地質地形復雜，存在線路巡檢效率低、復巡周期長、監測數據不精確等問題[11，12]。利用本文研究的電力“北斗云”構建輸電線路桿塔變形及塔基周邊地質環境隱患點的防災監測應用，研發低成本、高精度北斗桿塔精確測姿模塊，實現輸電線路桿塔形變和傾斜監測，以及重要電力設施防破壞等高精度定位，精度達到毫米級（圖9）。

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

姿態解算模塊運行測姿算法，利用數據解析模塊解析后的數據，使用載波相位差分定位技術實現相對定位[14，15]，基線精度可達到毫米級，最后在站心坐標系下計算出兩個天線的姿態（航向角、俯仰角），從而得到載體的姿態信息。圖12為整個測姿解算流程，圖13為測量結果時間序列，由圖可知，北斗桿塔測姿能夠獲取精確的偏航角和俯仰角，并能夠達到精度要求。

4. 結語

本文研究了北斗在電力系統應用的技術架構，提出了電力專業“北斗云”高精度位置服務體系，針對不同電力業務場景位置精度需求，可定制化不同的系統平臺?；谕陚涞碾娏Α氨倍吩啤痹鰪娂夹g和精細模型改正技術框架，實現了對桿塔精確測姿監測，研究成果已應用于電力工程。

北斗與物聯網、人工智能、5G通信等技術不斷融合，在電力能源、城市基礎設施建設、公共安全等領域大顯身手。北斗衛星導航為“數字電網”建設提供了有力的數據支撐，滿足輸電線路從宏觀到微觀的運維與管理需要。