CN101657768B - 用于对过程值进行无损处理的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于并入技术过程或技术安装的过程控制系统中的过程值的无损处理的方法和系统。根据本发明的所述方法和系统的特征在于过程值由获取单元获取作为原始数据。对各个过程值关联物理单位和测量范围,并使用所获得的原始数据来生成可存档数据。通过存档功能选择出于预定容差范围内的可存档数据,并以原始数据格式存储在历史服务器中。
Description
技术领域
本发明涉及用于技术过程或技术安装的过程值(亦称作过程测量值或过程数据)的无损处理的方法,该方法特别应用于过程自动化领域。本发明也涉及用于实现该方法的系统。
背景技术
对于过程值(亦称作过程测量值或过程数据)的长期存档,数据以测量值系列(亦称作测量值历史或过程值历史)的形式存储于所谓的历史服务器中。在这种情况下的数据存档是极密集型存储。因此需要具有很大存储空间的大量内存来读取已存储的数据,并且在进一步处理读出的数据时必须移动大量的数据项。在这种情况下,将要被存储的数据库是由信号的数量、信号的期望变换率及信号的记录持续时间的乘积(product)组成的。
近年来技术安装的操作员所必需的并且意在为存档存储的过程数据库迅速增长,有着一方面以无损方式存储数据而另一方面以尽可能高的速度重新读取所述数据的期望。这些期望可以通过以未经压缩的原始格式的简单存储实现。然而这面临的缺点是,采取这种原始值存储的原则,可用的大量内存没有以最优的方式得到应用。目前将要被存储的原始数据库在0.5T至约5T的范围内,但是根据将要被存储的数据库大小呈继续增长的趋势。
虽然可以获得相对有利的大量内存来存储由处理或安装得来的数据的容量,但是目标是在过程自动化中使用压缩方法来存储较大容量的数据,其中的压缩方法最优地结合了数据的无损存储和特别是以所期望的尽可能高的速度读取这些数据的目标。在这种情况下可以接受次优压缩系数。
近来已使用无损或有损方法对由处理或安装得来的数据的容量 进行压缩。
在已知的有损压缩方法(包括矩形波串/反斜坡方法和变换方法)中,在解压缩后可以再次获得先前压缩过的数据,其中相对测量值和时间标记带有或多或少的明显差异。
在例如“http://med.ee.nd.edu/MED7/med99/papers/MED101.pdf”(在矩形波串反斜坡数据压缩算法中窗口尺寸的自动调整),“http://training.osisoft.com/NR/rdonlyres/557CC68-65AD-4E55-A365-B30C1FCF74F9/0/SwingingDoorCompression.doc”(摇门压缩)及,“http://de.wikipedia.org/wiki/wavelet”(小波和变换)中描述了矩形波串/反斜坡、摇门或小波变换方法。
这些方法提供良好的压缩比率但是它们不是无损的。此外,考虑到将要被处理的数据的容量,读取操作比以非压缩形式存储的数据的读取要慢的多。
已知的无损压缩方法诸如LZW、LZ77或LZ78方法(在这种情况下,原始文本中的字符序列由根据另一个字母表得到的字符序列替代)在例如http://de.wikipedia.org/wiki/LZ77-Datenkompression和http://de.wikipedia.org/wiki/LZ78中描述,也仅仅为由处理和安装提供的并且需要存储的原始数据提供了不足的压缩比率,并且对过程自动化中解压缩期间的许多应用来说速度太慢。
在所谓的有损压缩方法中,因为被读取或解压缩的数据不同于原始数据,对所出现数据的压缩与信息的损耗相关联。
上述的有损方法不适用于特别是在经常将存档数据用作帐单相关基础的处理或安装信息系统的环境中(比如如果将尽可能精确的处理环境测量值用作办公环境中的平衡处理的基础,这种情况下一定不能应用有损值),或在这些数据的基础上继续精确分析过程数据的取样时间的情况下。
有损方法的另一个缺点是基于数据的解压缩(亦称作解压)是密集计算的事实。因此,由于仅仅数据的解压缩就占用了很长时间,对大量待处理数据的压缩极可能成为阻碍。
发明内容
因此,本发明是基于对用于技术过程或技术安装的过程值(亦称为过程测量值或过程数据)进行无损处理的方法以及用于实现此方法的相应系统进行说明的目的,从而克服已有技术的上述缺点。特别地,根据本发明的数据压缩方法能够加快压缩数据的解压缩操作。另外,与已使用的大多数方法相反,所述方法是无损的。
根据本发明,该目标是通过具有权利要求1所述特征的方法来实现的。在其它权利要求和说明书中详述了根据本发明的方法及用于实现此方法的系统的细化和改进。
本发明涉及这样一种方法,在下游的专用无损压缩方法中始终与损耗一同记录技术安装的数字化过程值,从而在技术安装或技术过程的过程控制系统中达到过程数据的压缩比率和解压速度的最优组合。
根据本发明,应用记录单元以原始数据的形式对由技术安装或技术过程提供的过程值进行记录,并且将物理单位和测量范围分别分配给已记录的原始数据。对以这种方式生成的可存档原始数据进行核对以判定数据是否在预定容差带内。使用存档功能将处于预定容差带内的可存档数据选择出来并且以其初始(即未经压缩的)数据格式(也称作原始数据格式)存储在历史服务器中作为已选择数据。
历史服务器是带实时采集处理或测量数据功能、用于长期存储及对采集的数据进行存档的专用数据库,已采集数据以固定的时间间隔存储于协议存储器的硬盘上。
使用历史服务器提供的编码模块对原始数据格式的已选数据进行压缩,其中所述压缩相对其在历史服务器中的存储具有时间延迟,压缩文件由压缩数据生成。
为了将压缩文件中的数据提供给过程控制系统来进行进一步处理,例如为了显示过程值在预定时间范围内的进展,在接到请求之后使用历史服务器所提供的译码模块对压缩文件中的数据进行解压缩。对压缩文件进行解压缩及提供其它原始数据格式的可用数据的请求是由过程控制系统自动地或基于某事件提供的。
由译码模块提供的解压缩数据和原始数据格式的其它数据被优先传送至显示模块以备进一步处理,其中原始数据格式的其它数据是在压缩文件的生成过程中从处理或安装中读取的。
根据本发明的方法用来改进特别是过程值历史的长期存档以达到不但以无损方式对过程值进行压缩而且实现压缩数据的最佳可能压缩密度的效果,其中过程值历史是由连续记录的过程值形成的。与有损方法相反,基于本发明的方法能够对所有的帐单相关数据进行不损失数据原始信息的精确存储。
原始数据以其原始未压缩的数据格式存储于历史服务器中,采用根据时间将每个测量值分到各自独立的文件中而不对原始数据进行压缩的方式,特别是分成所谓的双日(two-day)文件。
下面说明使用专用技术将原始数据存储到历史服务器中的操作。
针对数千个不同的测量点(亦称作信号)的测量值历史序列应分别存储于历史服务器中。将测量点的测量值历史序列看作独立的子数据库使得可以将测量值历史序列有效地存储在如下所述的标准文件系统中:在此文件系统中为每个信号子数据库或信号的测量值序列使用单独的文件夹。信号子数据库因此可以分布于任意期望数量的硬盘中,从而获得更好的性能及附加的冗余方面。
此外,将短时读/写缓存纳入用于每个信号的RAM。短时读/写缓存对内部SQL引擎是“可见的”,因此可以无延迟地获得客户请求的值。
所谓的短时读/写缓存的“硬盘友好地”清空是通过引入缓存清理处理控制的。在这个方面,缓存清理处理使得缓存的内容全部写回主存储器。于是清空的信号缓存可以再次用于记录下一个值。
缓存清理处理还基于信号速度控制独立动态缓存的容量。例如,所谓的快速信号在每个单位时间内被赋给许多值。将较大的短时缓存分配给这些信号。相反,慢速信号逐渐地将其缓存让给快速信号。
缓存清理处理是以需要尽可能少的数据存取操作或尽可能平均的分配数据存取操作的方式进行时间控制操作和容量控制操作的。这 有利地得到了甚至在例如新技术文件系统(NTFS)的标准文件系统中进行读写数据时的最优性能。
由编码模块执行的压缩方法在并行处理中独立地操作并且相对实际存档带着一定的延迟来对原始数据进行编码,也就是说过程值首先以原始数据格式存储然后在并行处理中以可配置的延迟逐渐转换为压缩格式,压缩文件由压缩数据生成。
可得到的优点是基于以下事实:可以控制原始数据压缩中的时间延迟以在例如相对长的时间周期内使用原始值,这是因为在此时间周期内通常会请求越来越多的访问操作(例如在创建日报告和趋势图时),从而可以不经过译码访问存储介质并且在这种情况下以快速的方式进行访问。
原始数据压缩中的时间延迟可以有利地针对单个过程值或过程值的组或类别进行单个设置。例如,与帐单相关的数据在几年内保持原始数据格式,直至开始对这些数据进行压缩。
基于上述认识,现在给出另一个并行处理(KompressDelayKonfigurator模块)来自动确定压缩延迟并根据下述原则运行:
内置历史服务器为每个信号提供访问统计。这些访问统计包括例如谁访问了相对当前时间的哪个历史阶段的单个时间序列。KompressDelayKonfigurator模块基于这些数据确定最优的延迟时间。
本发明的另一优点是基于针对压缩数据的快速运行解压缩算法,该算法与图2中描述的压缩算法和图3中描述的解压缩算法逆向对应,于是显著降低了在对压缩数据进行解压缩时的速度而没有限制此处理中历史服务器的功能。
基于本发明的用来执行此方法的系统可以从权利要求7中归纳得出。
用于过程值的无损处理的本发明的系统集成在技术安装或技术过程的过程控制系统中,并且包括以原始数据形式记录由处理或安装提供的过程值的记录装置。在为各个过程值分配物理单位和测量范围 以后,记录单元与根据记录的原始数据生成存档数据的处理单元交互工作。
处理单元与用来核对存档数据是否超出预定容差带的存档功能交互工作。存档功能核对每个输入过程值以确定所输入的过程值是否超出预定容差带。存档功能还在容差带内选择存档数据并且将已选中的数据以未压缩的原始数据格式进行存储,也就是说每个处在预定容差带内的输入过程值以原始值形式存储在历史服务器中,例如在包括时间标记的原始数据格式的两天文件中、IEEE双格式的值和16位整数格式(存储整数值的文件类型)的状态。
历史服务器具有用于压缩已选择数据的编码模块。编码模块在历史服务器中连续地以相对数据存储的时间延迟用原始数据格式压缩所选择数据。
编码处理对以原始数据格式存储的数据逐步进行压缩,其中编码处理是在历史服务器中以分解和独立延迟的方式进行的。
在自动或基于事件的请求之后,压缩数据被直接提供给用来解压缩的解压缩模块,并且将解压缩数据和原始格式的其它可用数据提供给例如用来显示趋势图的显示模块,以对数据进行继续处理或/和显示。
本发明的系统和方法优选用于自动化技术中测量序列的长期存档。
附图说明
本发明及本发明的有利细化及改进将通过使用图1和图2中例示的示例性实施例来更加详细的描述和说明,其中:
图1例示了针对技术安装和技术过程的过程值进行无损处理的本发明的系统的实施例,
图2例示了针对技术安装和技术过程的过程值进行无损压缩的示例性方法程序,
图3例示了用于对压缩文件进行解压缩的示例性方法程序,及
图4例示了所选择处理或信号值以及针对不同时间范围的相应 压缩结果的示例性进展。
具体实施方式
图1例示了对过程值进行无损处理的本发明系统的实施例,其中本发明的系统集成在技术安装或技术过程的过程控制系统中。
根据本发明的系统包括记录单元10,其中记录单元10优选采用具有例如12位(即根据测量电压生成对应于从0至4096的数值范围的位形态)的分辨率的输入输出单元的形式。记录装置10以数字数据的形式记录由处理或安装提供的过程值。可存档数据由处理单元20通过将原始数据形式的已记录过程值逐个转换成所谓的设计(engineer)值生成,其中处理单元20与记录单元10相连。为此,为每个过程值分别分配物理单位(例如℃)和测量范围(例如0至600℃),并且相应地传送由输入/输出单元10记录的数字值,例如在当前示例中通过从记录值2048得到300℃,使得作为IEEE双数值的数字300可用于系统。
集成在基于本发明的系统中的存档功能30对每个原始值(由记录单元10提供且已转换为设计值)进行核对以确定该值是否超出预定容差带,然后将原始值以原始数据格式、具有时间标记的原始值、IEEE双格式值及16位整数格式的状态存储到双日文件中。
下表1表示了原始数据文件的结构、与过程值数量和每个测量值的18字节的乘积相对应的字节数。在下例中,每个文件包含两天内的最大值。
表一
时间标记 | 数据值 | 数据类型 |
时间标记(IEEE双格 式,64位) | 值(IEEE双格式,64 位) | 状态(16位) |
时间标记(IEEE双格 式,64位) | 值(IEEE双格式,64 位) | 状态(16位) |
时间标记(IEEE双格 式,64位) | 值(IEEE双格式,64 位) | 状态(16位) |
[0053]
时间标记(IEEE双格 式,64位) | 值(IEEE双格式,64 位) | 状态(16位) |
时间标记(IEEE双格 式,64位) | 值(IEEE双格式,64 位) | 状态(16位) |
由技术过程或技术安装提供的数据以原始数据形式存储于历史服务器100中,采用根据时间将每个测量点的数据分成独立文件而不压缩数据的方式存储。
编码模块40集成在历史服务器100中,编码模块通过分解和独立的方式将以原始数据格式存储的原始数据逐渐地进行压缩,于是原始数据以并行方式并且独立于数据的实际存档转换为压缩格式。
编码模块40与同样集成在历史服务器100中的译码模块50交互工作。为了在从过程控制系统接到请求后对由编码模块40压缩的数据进行解压缩并且将未压缩数据和原始数据格式的其它可用数据提供给显示模块60,提供了译码模块50,其中显示模块60显示趋势图或报告。
在从编码模块40读取数据时,例如为了显示长期趋势图或报告,(如仍然可用且与后面的数据一起的原始数据)通过译码模块50转换压缩数据,并将仍然可用的原始数据和解压数据发送至趋势图或报告。
图2例示了针对技术安装或技术过程的过程值进行无损压缩的示例性方法程序。
基于上述结构和原始文件的内容以及生成数据的顺序,使用下述编码方法来压缩原始数据。
由记录单元10在第一步骤1中读入并且以IEEE双格式过程值的形式存储的原始数据仍然是基于具有例如12位(考虑到由记录单元10和处理单元20实现的记录链)分辨率的数字值。于是,通过12位分辨率在文件中最多可以得到4096个不同的值。只有处理期间通过算术运算形成的运算值除外。这些运算值具有增大的数值范围但是系数只有3。在记录期间容差带一般以滤掉一或两位的方式进行控 制,从而相应地降低了数据或值的预期容量。
根据本发明,文件中的原始值在第一目录CreatValueDictionary的第二步骤2中以只存储目录指数的方式进行处理。
在第三步骤3中,根据两个独立的原始值建立包括全部值之间差别的第二目录。因为在两个原始值之间一般不会出现值突变,非常有可能第二目录比第一目录包含更少的值。对两个目录进行相互比较,具有最少的值的目录被选中且以测量值目录(ValueDictionary)的形式提供用来继续处理。
在CreatTimestampDictionary的第四步骤4中针对时间分辨率执行相似的程序。在存储来自处理的原始值时,时间分辨率一般被精确地标记到毫秒。此外,在文件中出现近似相同的时间差值。在CreatTimestampDictionary中,原则上首先将所有的时间标记转换成毫秒然后形成相应的差值(下面称作时间差值)。据此建立时间差值的目录,即时间标记目录(TimestampDictionary)。
在第五步骤5中压缩时间标记目录时,下述作用变得重要。在读入快速信号时,通常以相对连续的方式提供相应的值;例如在0.5至0.8秒的时间范围内读入新值。因此,可以假设大多数时间差位于闭合的差值时间窗口中并且事实上所有毫秒数字因此出现在此范围内的时间标记目录中。于是在值索引的位编码开始之前以递升顺序对时间标记目录进行分类,并且形成相应的时间差值。在这种情况下生成所谓的递升值长单链,通过使用运行长度(run-length)编码进行快速压缩。
运行长度编码对数字形式的数据来说是非常简单的无损压缩算法并且特别适用于描述缩写形式的相同值的重复或序列。
在本发明的一个实施例中,预先以差值的形式对时间的单位进行编码。信号越慢,即信号具有较小的改变,值之间的时间差越大且更加不同。于是,即使相应的信号具有少量的值或数据项,时间标记目录仍然增长。考虑到对来自时间标记目录的时间单位的数据以及要编码的指数的增加的需求,将时间单位迅速编码成时间差。通过根据 最大时间差确定编码所需的位来有利地保存目录的处理。在这种情况下,编码模块40选择具有更紧凑格式的目录。
在第六步骤6中,在时间编码期间执行检测以确定在一定条件下是否在纵向方向上进行字节转换更为有效:因为所有时间是递升时间,相同字节的长链也在这种情况下类似地生成,其中长链可以采用上述运行长度编码以非常有效的方式压缩形成。如果每个文件具有不规则且少量的数据项目那么这个过程是特别有优势的。
上述运行长度编码通常也针对状态信息(16位整数)执行。
在接下来的步骤7中,除已建立的测量值目录和已在压缩文件中建立的时间标记目录之外对值的索引进行编码。在这种情况下,已经发现与严格确定的位域尺寸相比,根据传统的Shannon-Fano或Huffman方法进行的编码不能提供任何较好的结果甚至在一定程度上提供较差的结果。
在这种情况下,Shannon-Fano编码和Huffman编码是基于给文本中每个单个字符分配不同长度的位序列的熵编码的类型。由于需要具体的最小位数来区分所有字符,分配给字符的位数不能无限地小。
现在使用的并且对索引一直使用相同位数的固定编码方案具有如下优点,即由于不需要经由整个二进制树运行以形成相应的索引,从而该编码方案的解压缩相当快。
在最后步骤8中以此方式生成的压缩文件具有表2所示的结构:
表2
不同的开始值和指向所有结构块的指针 |
时间差的目录 |
值差的目录 |
按位编码的时间索引 |
按位编码的时间索引 |
按运行长度编码的状态信息 |
压缩以将原始数据从近似100%减少到近似18%-32%的方式实现,与用来降低原始数据容量的3-5的系数相一致。如果考虑先 前已通过容差带和相应的在原始数据容量中减少近似2-6的系数的压缩,最大可生成近似30倍(近似5×6=30)的总压缩,示例性中间值可以取系数8实现。
本发明的基本优点基于以下事实:虽然上游容差带表示有损压缩,由于只在选择了位于预定容差带内的存档数据之后才执行上述方法的步骤2至7,所以帐单相关的数据可以得到清晰地还原。
运行期间的帐单相关数据的确定(通常是在安装信息系统中执行的)与在压缩历史中确定的值具有完全相同的结果。
为了给安装信息系统提供用于进一步处理的压缩文件中的数据,例如为了显示预定时间范围内的过程值的进展,在由安装信息系统提出请求后应用历史服务器100提供的译码模块50根据图3所示的方法程序对压缩文件中的数据进行解压缩。
图3表示用于对压缩文件进行解压缩的示例性方法程序,已生成的压缩文件在第一方法步骤11中由译码模块50读取。
在接下来的步骤12中,生成时间标记目录(TimestampDictionary)和测量值目录(ValueDictionary)并且从历史服务器100中读取值索引和时间标记索引并生成值和时间标记。在对运行长度编码的状态信息译码后,数据还原为原始数据格式。
在最后步骤13中,由译码模块50以这种方式提供的原始数据格式的解压缩数据和在压缩文件的生成期间读出的原始数据格式的其它数据传送至显示模块60以待进一步处理。
在从压缩区域读取由译码模块50提供的解压缩数据以便例如显示长期趋势图时,压缩数据经过译码模块50转换并且与仍然可用的原始数据一起送至趋势显示60。
图4表示所选处理或信号值的进展及针对一天、30分钟时间范围和1分钟时间范围的相应压缩结果,其中使用典型的快速压力信号DS(Ta=250ms)和生成中等快速信号(Ta=1s)的海水脱盐安装设备含盐量LF的电导率测量样例。
下表3表示图4例示的信号分布图的压缩结果:
表3
曲 线 | Raw triple | dt. Dict | v. Dict | dv. Dict | dt. bits | v. bits | dv. bits | % dt v | % dt dv | % S&F dt- dv | % Win Zip |
DS | 178304 | 3539 | 2408 | 515 | 13 | 12 | 10 | 22.4 | 20.6 | 19.7 | 49.7 |
LF | 16704 | 7195 | 2081 | 76 | 13 | 12 | 7 | 22.3 | 27.8 | 27.3 | 52.8 |
表3中应用的缩写词可以在以下清单中列出:
Raw triple:时间/值/状态的三倍数,其包含在2天文件中并且表示信号曲线DS、LF的数据库
dt.Dict:所有包含的时间差值
v.Dict:所有包含的值
dv.Dict:所有包含的值的差异
dt.bits:时间编码所需索引的位
v.bits:值编码所需索引的位
dv.bits:差分值编码所需索引的位
%dt-v:达到的压缩率百分比,包括时间/值目录
%dt-dv:对差分值编码所能达到的压缩率百分比
%WinZip:作为对比,采用WinZip所能达到的压缩率百分比
Claims (11)
1.一种用于对过程值进行无损处理的方法,其集成在技术安装或技术过程的过程控制系统中,所述方法的特征在于:
使用记录装置以原始数据的形式记录过程值,
在为各个过程值分配物理单位和测量范围后根据已记录的原始数据生成可存档数据,
使用存档功能选择处于预定容差带内的可存档数据,
将所选择的数据以原始数据格式存储在历史服务器中,
使用由历史服务器提供的编码模块将所选择的原始数据格式的数据以相对于将该所选择的原始数据格式的数据存储到历史服务器中具有时间延迟的方式进行连续压缩,
在接到过程控制系统的请求后,使用由历史服务器提供的译码模块对压缩数据进行解压缩,以及
将译码模块提供的解压缩数据和原始数据格式的其它可用数据传送至显示模块以进行进一步处理。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于由过程控制系统自动地或基于事件来提供对压缩数据进行解压缩以及提供原始数据格式的其它可用数据的请求。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于采用根据时间将每个测量点的数据分入独立的文件中而不进行压缩的方式,将原始数据格式的数据存储于历史服务器(100)中。
4.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于原始数据格式的数据的压缩中的时间延迟是针对单个的过程值或过程值的组或分类来单独设置的。
5.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于为用于显示趋势图的模块或用于描述报告的模块提供解压缩数据和原始数据格式的其它可用数据。
6.一种用于对过程值进行无损处理的系统,该系统集成于技术安装或技术过程的过程控制系统中,所述用于对过程值进行无损处理的系统的特征在于
-记录装置以原始数据形式记录过程值,
-记录装置与处理单元交互工作,其中在为各个过程值分配物理单位和测量范围之后处理单元根据已记录的原始数据生成可存档数据,
-处理单元与存档功能交互工作,其中存档功能核对可存档数据是否超出预定容差带,存档功能选择位于容差带内的可存档数据并且以原始数据格式将可存档数据存储于历史服务器中,
-历史服务器具有编码模块和译码模块,编码模块对所选择的原始数据格式的数据以相对于将该所选择的原始数据格式的数据存储到历史服务器中具有时间延迟的方式进行连续压缩,
-编码模块与译码模块交互工作,其中译码模块在过程控制系统发出请求以后对由编码模块压缩的数据进行解压缩,并且为显示模块提供解压缩数据和原始数据格式的其它可用数据以进行进一步处理。
7.如权利要求6所述的系统,其特征在于过程控制系统自动地或基于事件提供对压缩数据进行解压缩以及提供原始数据格式的其它可用数据的请求。
8.如权利要求6或7所述的系统,其特征在于能够将原始数据格式的数据以根据时间将每个测量点的数据分入独立文件而不进行压缩的方式存储于历史服务器(100)中。
9.如权利要求6或7所述的系统,其特征在于原始数据格式的数据的压缩中的时间延迟是针对单个的过程值或过程值的组或分类单独设置的。
10.如权利要求6或7所述的系统,其特征在于历史服务器是用来采集过程数据或测量数据、信息和报告并且对采集数据进行长期存储及存档的数据库,其中采集数据以及完成的报告能以固定的时间间隔进行存储。
11.如权利要求6或7所述的系统,其特征在于显示模块将解压缩数据和原始数据格式的其它可用数据显示为趋势图或报告。
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