CN105721580A - 开放式船载远程技术支持系统的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开放式船载远程技术支持系统的实现方法,该系统监控对象为各个采集设备,需要在监控中心实现对采集设备的状态监视和指标测试,具体过程为:第一步、设计二层结构系统框架,实现体系结构的强开放性、好可扩展性;第二步、设计开放式远程监控协议,实现通信双方报文的管理高效;第三步,设计二层安全机制,实现通信双方的信息交互安全;第四步,设计协议描述方式,实现信息帧的结构化编排。不仅降低了成本和软件开发难度,而且系统扩展性得到极大地提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种开放式船载远程技术支持系统的实现方法。属于软件工程技术领域。
背景技术
远程监控是相比传统的现场监控模式,结合现代通信技术和信息处理技术而新兴的一种技术方式,在航天航空、工业控制、食品、教育、智能家居等,特别是在一些不便于或不安全现场监控的领域有广泛的应用市场,具有安全可靠、便于观测、利于处理等优点。
由于国家航空航天事业的发展,船载测控设备担负着海上测控的重要任务,正是由于这种背景,测控设备的维护保养仅能依靠船上技术人员进行实施,一旦设备发生问题,就缺乏后方厂所人员强有力的支持,而且无法便利协调其它船进行配合检查。鉴于此,急需开发一种船载远程技术支持系统,利用现代化技术手段,通过监视设备运行状态和测试设备战技指标来远程判断系统性能,从而更好地保障任务。
2012年1月昆明理工大学硕士论文《设备远程在线状态监测系统的研究》公开了一种铁路局机务设备远程监测的方法,该方法以设备监测项目为背景,以设备状态监测和软件体系结构为理论基础,对设备远程在线状态监测软件体系结构进行了深入研究,使用Labview和C#2010开发了远程监测系统。
2015年6月内蒙古科技大学硕士论文《工业远程故障诊断与维护系统研究》公开了一种城市管网设备的远程诊断和维护方法,该方法运用物联网技术,探索研究如何在工业控制网络上实现物(设备)与人的互联、互动的方式,旨在让设备维修人员和生产调度人员无论在何地、何时都能及时了解生产线的运行状态,并参与维护、控制和管理。
这些研究共性优点为针对项目背景,结合待监控设备特性,充分利用现行技术的优势,综合各种成熟技术,完成了项目开发。这些研究需要在现场级配备硬件设施,并开发配套软件,投入较大;对数据传输采用UDP方式,缺乏验证机制,数据安全性得不到保障;由于设备类型多样、参数、格式均不相同,给技术支持系统扩展带来很大难度,管理和维护也较为困难。
本发明综合多项技术设计了一种开放式远程技术支持系统的设计方法,为解决这一问题提供一种实用、简便的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种开放式船载远程技术支持系统的实现方法,通过系统层次化顶层设计完成框架构建,采用开放式远程监控协议设计通信方式,采用XML技术实现信息帧的结构化描述,采用端口验证提取密钥方式实现数据加/解密,采用任务宏模式实现测试指令的高效传输,不仅降低了成本和软件开发难度,而且系统扩展性得到极大地提高。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为:一种开放式船载远程技术支持系统的实现方法,该系统监控对象为各个采集设备,需要在监控中心实现对采集设备的状态监视和指标测试,具体过程为:
第一步、设计二层结构系统框架,实现体系结构的强开放性、好可扩展性
将整个技术支持系统的体系结构分为二层,包括监控现场任务层和监控管理业务层,监控现场任务层由集控中心和各个采集设备组成,其中采集设备包含各个设备和自动测试设备,对设备的状态参数进行实时采集,并进行跟踪反馈,一方面能够接收来自监控管理业务层的控制指令,控制设备进行相应操作,并及时反馈执行情况;另一方面能够接收来自监控管理业务层的测试指令,通过设置仪器和设备状态参数进行测试,并反馈测试结果,将设备的状态参数进行格式转换,按照约定协议进行数据收发;
监控管理业务层由监测服务器组成,对采集的数据进行集中管理和控制:一方面发送设备状态和参数控制指令,改变设备状态;及时发现设备异常状态,便于人员及早处理;另一方面发送测试指令,并对测试结果进行评估;对数据进行数据库存储,便于事后处理;
第二步、设计开放式远程监控协议,实现通信双方报文的管理高效
开放式远程监控协议框架主要包括监控设备信息结构、监控参数信息库和开放式远程监控协议组成,监控设备信息结构用于表征各个采集设备的标识,用于定义开放式远程监控协议数据单元和技术支持系统中管理对象的格式,从而区分多个设备;监控参数信息库是对监控参数进行定义;
开放式远程监控协议的数据报文主要由传输报头、开放式远程监控协议首部、Order首部以及变量部分组成,传输报头包括IP数据包和UDP数据包;开放式远程监控协议首部首部包括版本号、组合变量数、监控设备信息结构编码和时间戳,版本号为1字节的协议版本编号,组合变量数为2字节的变量个数,SMEI编码为3字节的设备编码,时间戳为2字节的数据发生时间编码;Order首部包括类型标识、差错校验和长度,类型标识为1字节的指令编码,差错校验为2字节的变量部分CRC校验结果,长度为2字节的变量部分长度;
第三步,设计二层安全机制,实现通信双方的信息交互安全
采用二层数据加密方法,第一层为用户登录校验,集控中心本地产生随机密钥,按照开放式远程监控协议编制握手信息帧,集控中心不停发送此握手信息帧;监控中心接收到握手信号,按照远控端口号对监控设备信息结构进行解析得到密钥,再以密钥解析版本号,如正确返回应答帧;集控中心收到应答帧,并判断正确后,开始发送数据帧,监控中心收到验证后返回原帧作为应答帧,依次循环;第二层为数据加密,对于需要进行加密的参数使用随机密钥加密,形成变量部分,再对整个变量部分进行CRC校验、长度计算和组合变量数赋值,形成完成数据包,其中加密参数的判断通过监控参数信息库编码确定;在解析中,监控设备信息结构可以确定采集设备类型,类型标识可以确定数据业务类型,CRC校验、长度计算和组合变量数决定了变量部分的组成形式,通过简单循环、利用监控参数信息库就可以解析出全部变量;
第四步,设计协议描述方式,实现信息帧的结构化编排
(1)、利用可扩展标记语言XML,实现对开放式远程监控协议的描述,通过读取定义好的XML文件,来获取用于形成数据帧的数据信息,并用于数据解析处理用,采用按照系统分类,对应的子系统分别用不同的XML文件来表示,XML文件名与监控设备信息结构编码一一对应,XML文件中对应的参数属性定义为监控参数信息库;
(2)、采用任务宏方式将所有测试项目以一种编码形式进行传输,用监控设备信息结构表示测试项目,在集控中心有对应的XML文件,其文件名对应监控设备信息结构,通过读取XML文件可以得到设备的配置信息和仪器参数设置信息,再编排对应的设置命令,下达给设备进行执行,并返回测试结果上报;测试结果分为数值型和频谱型。
优选地,步骤二中的开放式远程监控协议采用“逆向”确认方式进行判断,即集控中心为起始端,集控中心与采集设备间是由采集设备主动上报数据,集控中心根据IP和端口进行数据识别,并将数据放入缓存,集控中心与监控中心间分为单项指令和双向指令,双向指令是由集控中心发送数据包,等待监控中心应答,一旦收到应答帧,进行数据校验,正确则发送下一帧数据包,如果等待30秒没有收到应答,则进行重新发送,在连续6次发送数据帧,没有返回应答情况,发送报警信息,数据停发;而单项指令为设置或测试指令,是由监控中心发送数据包,通过返回包进行确认。
优选地,步骤四中对于测试结构的处于分为两种:对于数值型数据,直接编排上报;对于频谱型的数据,采用“重叠分段”数据采集方法,是根据频谱为左右相似的特点,在设置好频谱仪的带宽,按照带宽分为6段,左右各为3段,对于左侧频谱,先提取底噪数据,即对第一段的频谱数据进行平滑处理,得到一个数值和一个斜率;再提取杂散数据,通过对第二段数据提取最大点得到峰值,峰值可有可无,在有峰值的情况下,数据左右平移找到最近的最小点,则得到三点数据;再提取主瓣数据,对第三段数据寻找最大点,向左向寻找最近最小点;对于右侧频谱,仅对第一和第二段数据进行处理,均为先判断峰值与左侧是否相同,如相近则不发送,不相近则发送。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)本发明设计的系统框架结构具有“高内聚,低耦合”的特点。
(2)本发明设计的ORMMP协议具有高扩展性和开放性特点。
(3)本发明设计的数据验证方式具有简单隐蔽的特点。
(4)本发明设计的XML解析协议方式具有高效可靠的特点。
(5)本发明兼顾考虑了数据占用带宽的设计问题。
附图说明
图1为本发明一种开放式船载远程技术支持系统的设计方法的流程图。
图2为本发明一种开放式船载远程技术支持系统的设计方法中系统体系结构图。
图3为本发明一种开放式船载远程技术支持系统的设计方法中ORMMP结构图。
图4为本发明一种开放式船载远程技术支持系统的设计方法中协议PDU图。
图5为本发明一种开放式船载远程技术支持系统的设计方法中协议时序图。
图6为本发明一种开放式船载远程技术支持系统的设计方法中逆向判断流程图。
图7为本发明一种开放式船载远程技术支持系统的设计方法中宏指令XML表示图。
图8为本发明一种开放式船载远程技术支持系统的设计方法中XML与编码结构图。
图9为本发明一种开放式船载远程技术支持系统的设计方法中重叠分段频谱图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明涉及一种开放式船载远程技术支持系统的实现方法,该系统监控对象为各个测控设备(采集设备),需要在远端(监控中心)实现对采集设备的状态监视和指标测试,具体过程为:
第一步、设计二层结构系统框架,实现体系结构的强开放性、好可扩展性
由于监控对象种类多、监控对象模式多、监控目标和要求不同,以及监控对象经常发生升级、功能扩展等变化,构建的系统体系结构必须具有开放性强、可扩展性好的特点,如图2所示。按照对象位置,结合分层体系结构的设计思想,将整个技术支持系统的体系结构分为二层,即监控现场任务层和监控管理业务层,监控现场任务层由集控中心、各个采集设备组成,其中采集设备包含各个设备和自动测试设备(包括微波网络、信号源、频谱仪、示波器),主要完成:对设备的状态参数进行实时采集,并进行跟踪反馈;能够接收来自管理业务层的控制指令,控制设备进行相应操作,并及时反馈执行情况;能够接收来自管理业务层的测试指令,通过设置仪器和设备状态参数进行测试,并反馈测试结果;将设备的状态参数进行格式转换;按照约定协议进行数据收发。监控管理业务层由监测服务器组成,主要任务:对采集的数据进行集中管理和控制;发送设备状态和参数控制指令,改变设备状态;及时发现设备异常状态,便于人员及早处理;发送测试指令,并对测试结果进行评估;对数据进行数据库存储,便于事后处理。
由于系统按照逻辑层次进行划分,分布较为灵活,层间通过网口实现交互,各层独立内聚性强,层间耦合度低。
其核心为接口标准化和协议通用化,所谓接口标准化就是所有采控设备与集控中心间采用网络接口,对于某些仅提供串口的采控设备通过串口服务器进行转化,对于通用仪器(信号源、频谱仪)采用GPIB转网络器件进行转化,实现全网络化监控,其通信模式为各个设备主动上报相关数据给集控中心;协议通用化就是针对数据量大、信息内容多变以及数据传输安全而设计的一种格式化帧结构,为此设计了开放式远程监控协议(ORMMP)。
第二步、设计ORMMP通信协议,实现通信双方报文的管理高效
设计协议的目的就是定义一个统一的接口和通信规则,使得监控中心可以便利实现对采控设备的监视和控制,不仅能够实现远程的高效管理,而且便于减少采控设备变化或升级所带来的改造影响,其构成如图3所示。ORMMP协议框架主要包括监控设备信息结构SMEI(StructureofMonitorEquipmentInformation)、监控参数信息库MPIB(MonitorParameterInformationBase)和ORMMP协议组成,监控设备信息结构SMEI用于表征各个采控设备的标识,用于定义ORMMP协议数据单元(PDU)和技术支持系统中管理对象的格式,从而区分多个设备;监控参数信息库MPIB是对监控参数进行定义,便于有效地进行管理,它是一个管理信息的数据库集合。
从图3可知,该远程技术支持系统最底层是网络接口层为网卡,第二层网络层使用的是IP协议,第三层传输层采用的是UDP协议,最上层为ORMMP协议。ORMMP协议的数据报文主要由传输报头、公共ORMMP首部、Order首部以及变量部分组成,其PDU结构如图4所示。传输报头与底层协议有关,本系统采用TCP/IP模型,则传输报头包括IP数据包和UDP数据包;公共ORMMP首部包括版本号、组合变量数、SMEI编码、时间戳,版本号为1字节的协议版本编号,组合变量数为2字节的变量个数,SMEI编码为3字节的设备编码,时间戳为2字节的数据发生时间编码;Order首部包括类型标识、差错校验和长度,类型标识为1字节的指令编码(信息帧--00、控制指令--01或测试指令--02),差错校验为2字节的变量部分CRC校验结果,长度为2字节的变量部分长度。ORMMP的数据报内容就是UDP数据报的变量部分内容,也是IP数据报的数据部分内容,它享受传输层和网络层的服务。为了适应不同种类设备的监控数据格式,在确定数据报文的简单和精确的基础上,还充分考虑了数据包的扩展与开放,可通过设定的可变长字段来满足不同格式数据的打包、封装,而数据部分则放在变量部分的报文中,其变量辨识通过MPIB进行。
由于UDP是非面向连接的不可靠传输协议,使用它作为传输层,无论使用那种协议,协议本身并不能保证传输的可靠性,而是需要程序部分进行校验,比如网络设备普遍使用的SNMP协议,就是按照TCP/IP协议规定对报文是否丢失作出判断,其指令起始端为监控中心,对于双向指令采用在规定时间间隔内是否获得应答帧能行处理,而单项指令采用轮询方式处理,相对程序编制较为复杂。本专利采用了另一种“逆向”确认方式进行判断,即集控中心为起始端,其时序如图5所示。集控中心与采集设备间是由采集设备主动上报数据,集控中心根据IP和端口进行数据识别,并将数据放入缓存。集控中心与监控中心间分为单项指令和双向指令,双向指令是由集控中心发送数据包,等待监控中心应答,一旦收到应答帧,进行数据校验,正确则发送下一帧数据包,如果等待30秒没有收到应答,则进行重新发送,在连续6次发送数据帧,没有返回应答情况,发送报警信息,数据停发;而单项指令为设置或测试指令,是由监控中心发送数据包,通过返回包进行确认,为保证数据安全必须建立特定安全机制进行保证。
第三步,设计二层安全机制,实现通信双方的信息交互安全
网络数据传输安全是必须考虑的问题,特别是对该远程技术支持系统,主要原因是传输信息包含大量的涉密信息,而且中间包含无线环节,必须采用必要的加密手段进行信息处理。本专利采用了二层数据加密方法,流程如图5所示。第一层为用户登录校验,集控中心本地产生随机密钥(3个byte),按照图4编制握手帧,具体定义为:版本号定义为44,SMEI定义为本地端口号与随机密钥异或后的值,请求标识为00,效验和长度为版本号与随机密钥异或后的值,没有变量部分,集控中心不停发送此握手信息;监控中心接收到握手信号,按照远控端口号对SMEI进行解析得到密钥,再以密钥解析版本号,如正确返回应答帧,帧结构的类型标识设为FF;集控中心收到,并判断正确后,开始发送数据帧,监控中心收到验证后返回原帧作为应答帧,依次循环。第二层为数据加密,对于需要进行加密的参数使用随机密钥加密,形成变量部分,再对整个变量部分进行CRC校验、长度计算和组合变量数赋值,形成完成数据包,其中加密参数的判断通过MPIB编码确定;在解析中,可见有多种判决条件可以利用,SMEI可以确定采控设备类型,类型标识可以确定数据业务类型,CRC校验、长度计算和组合变量数决定了变量部分的组成形式,通过简单循环、利用MPIB就可以解析出全部变量。
第四步,设计协议描述方式,实现信息帧的结构化编排
1、协议描述就是以一种特定的方法将协议的定义、时序、语义、语法等信息鲜明表征,便于用户直观对协议进行了解。本专利就是利用可扩展标记语言XML,实现对ORMMP协议的描述,即ORMMP协议的格式与内容存储为XML文件形式,通过读取定义好的XML文件,来获取用于形成数据帧的数据信息,并用于数据解析处理用。
由于系统多、分系统复杂,采用按照系统分类,对应的子系统分别用不同的XML文件来表示,XML文件名与SMEI编码一一对应,XML的格式如图6,XML文件中对应的参数属性定义为MPIB,结构如图8所示。采用XML文件使用XML文档进行描述,可以大大降低ORMMP协议的交互双方数据处理程序块之间的耦合度,是因为XML文件采用半结构化描述语言,在协议发生变化或监控对象发生变化时,可以根据具体要求进行修改,在程序不变化的情况下,就可以完成系统的改造,可见采用这种方法大大提高了系统的灵活性和开放性。
2、为判断设备状态,需要对设备进行远程测试,并将测试结果发送回监控中心,便于技术人员确认。但由于设备测试需要设定设备参数、通用仪器参数以及链路配置等,要将所有配置信息通通发送,在多个测试项目下,数据量非常大。本专利采用了任务宏方式,即将所有测试项目以一种编码形式进行传输,即用图4中的SMEI表示测试项目,在集控中心有对应的XML文件,XML文件的内容如图6所示,其文件名对应SMEI。文件中包含有对编码的解释,通过读取文件可以得到设备的配置信息和仪器参数设置信息,再编排对应的设置命令,下达给设备进行执行,并返回测试结果上报。
测试结果分为两种,数值型和频谱型,对于数值型数据,直接编排上报;对于频谱型的数据,如采用整包发生,需要发送1023个浮点数值,将占用较大带宽,需要采用一种压缩算法,在保证数据尽量不失真的情况下,还需保证小带宽传输。本专利采用“重叠分段”数据采集方法,是根据频谱为左右相似的特点,如图9所示。在设置好频谱仪的SPAN(带宽)后,按照SPAN分为6段,左右各为3段。对于左侧频谱,先提取底噪数据(在频谱的最左或最右为底噪),即对第一段的频谱数据进行平滑处理,得到一个数值和一个斜率;再提取杂散数据(3点表示,起停点和峰值),通过对第二段数据提取最大点得到峰值(通过图7中的门限线进行判决),峰值可有可无,在有峰值的情况下,数据左右平移找到最近的最小点,则得到三点数据;再提取主瓣数据(2点数据,起点和峰值),对第三段数据寻找最大点,向左向寻找最近最小点;对于右侧频谱,仅对第一和第二段数据进行处理,均为先判断峰值与左侧是否相同,如相近则不发送,不相近则发送。
除上述实施例外,本发明还包括有其他实施方式,凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案,均应落入本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种开放式船载远程技术支持系统的实现方法,其特征在于:该系统监控对象为各个采集设备,需要在监控中心实现对采集设备的状态监视和指标测试,具体过程为:
第一步、设计二层结构系统框架,实现体系结构的强开放性、好可扩展性
将整个技术支持系统的体系结构分为二层,包括监控现场任务层和监控管理业务层,监控现场任务层由集控中心和各个采集设备组成,其中采集设备包含各个设备和自动测试设备,对设备的状态参数进行实时采集,并进行跟踪反馈,一方面能够接收来自监控管理业务层的控制指令,控制设备进行相应操作,并及时反馈执行情况;另一方面能够接收来自监控管理业务层的测试指令,通过设置仪器和设备状态参数进行测试,并反馈测试结果,将设备的状态参数进行格式转换,按照约定协议进行数据收发;
监控管理业务层由监测服务器组成,对采集的数据进行集中管理和控制:一方面发送设备状态和参数控制指令,改变设备状态;及时发现设备异常状态,便于人员及早处理;另一方面发送测试指令,并对测试结果进行评估;对数据进行数据库存储,便于事后处理;
第二步、设计开放式远程监控协议,实现通信双方报文的管理高效
开放式远程监控协议框架主要包括监控设备信息结构、监控参数信息库和开放式远程监控协议组成,监控设备信息结构用于表征各个采集设备的标识,用于定义开放式远程监控协议数据单元和技术支持系统中管理对象的格式,从而区分多个设备;监控参数信息库是对监控参数进行定义;
开放式远程监控协议的数据报文主要由传输报头、开放式远程监控协议首部、Order首部以及变量部分组成,传输报头包括IP数据包和UDP数据包;开放式远程监控协议首部首部包括版本号、组合变量数、监控设备信息结构编码和时间戳,版本号为1字节的协议版本编号,组合变量数为2字节的变量个数,SMEI编码为3字节的设备编码,时间戳为2字节的数据发生时间编码;Order首部包括类型标识、差错校验和长度,类型标识为1字节的指令编码,差错校验为2字节的变量部分CRC校验结果,长度为2字节的变量部分长度;
第三步,设计二层安全机制,实现通信双方的信息交互安全
采用二层数据加密方法,第一层为用户登录校验,集控中心本地产生随机密钥,按照开放式远程监控协议编制握手信息帧,集控中心不停发送此握手信息帧;监控中心接收到握手信号,按照远控端口号对监控设备信息结构进行解析得到密钥,再以密钥解析版本号,如正确返回应答帧;集控中心收到应答帧,并判断正确后,开始发送数据帧,监控中心收到验证后返回原帧作为应答帧,依次循环;第二层为数据加密,对于需要进行加密的参数使用随机密钥加密,形成变量部分,再对整个变量部分进行CRC校验、长度计算和组合变量数赋值,形成完成数据包,其中加密参数的判断通过监控参数信息库编码确定;在解析中,监控设备信息结构可以确定采集设备类型,类型标识可以确定数据业务类型,CRC校验、长度计算和组合变量数决定了变量部分的组成形式,通过简单循环、利用监控参数信息库就可以解析出全部变量;
第四步,设计协议描述方式,实现信息帧的结构化编排
(1)、利用可扩展标记语言XML,实现对开放式远程监控协议的描述,通过读取定义好的XML文件,来获取用于形成数据帧的数据信息,并用于数据解析处理用,采用按照系统分类,对应的子系统分别用不同的XML文件来表示,XML文件名与监控设备信息结构编码一一对应,XML文件中对应的参数属性定义为监控参数信息库;
(2)、采用任务宏方式将所有测试项目以一种编码形式进行传输,用监控设备信息结构表示测试项目,在集控中心有对应的XML文件,其文件名对应监控设备信息结构,通过读取XML文件可以得到设备的配置信息和仪器参数设置信息,再编排对应的设置命令,下达给设备进行执行,并返回测试结果上报;测试结果分为数值型和频谱型。
2.根据权利要求1所述的一种开放式船载远程技术支持系统的实现方法,其特征在于:步骤二中的开放式远程监控协议采用“逆向”确认方式进行判断,即集控中心为起始端,集控中心与采集设备间是由采集设备主动上报数据,集控中心根据IP和端口进行数据识别,并将数据放入缓存,集控中心与监控中心间分为单项指令和双向指令,双向指令是由集控中心发送数据包,等待监控中心应答,一旦收到应答帧,进行数据校验,正确则发送下一帧数据包,如果等待30秒没有收到应答,则进行重新发送,在连续6次发送数据帧,没有返回应答情况,发送报警信息,数据停发;而单项指令为设置或测试指令,是由监控中心发送数据包,通过返回包进行确认。
3.根据权利要求1或2所述的一种开放式船载远程技术支持系统的实现方法,其特征在于:步骤四中对于测试结构的处于分为两种:对于数值型数据,直接编排上报;对于频谱型的数据,采用“重叠分段”数据采集方法,是根据频谱为左右相似的特点,在设置好频谱仪的带宽,按照带宽分为6段,左右各为3段,对于左侧频谱,先提取底噪数据,即对第一段的频谱数据进行平滑处理,得到一个数值和一个斜率;再提取杂散数据,通过对第二段数据提取最大点得到峰值,峰值可有可无,在有峰值的情况下,数据左右平移找到最近的最小点,则得到三点数据;再提取主瓣数据,对第三段数据寻找最大点,向左向寻找最近最小点;对于右侧频谱,仅对第一和第二段数据进行处理,均为先判断峰值与左侧是否相同,如相近则不发送,不相近则发送。
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