CN109714402A - 一种冗余数据采集系统及其运行使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冗余数据采集系统及其运行使用方法，解决的是成本高、功能重复、设备运维负担重及可靠性差的技术问题，通过采用包括物理设备，物理设备包括位于现场侧的计量终端、采集终端以及通信终端，位于主站侧的通信路由器以及采集关口，所述冗余数据采集系统包括相互冗余的数据采集功能平面，相互冗余的数据采集功能平面之间是逐级进行备份的技术方案，较好的解决了该问题，可用于数据采集中。

Description

一种冗余数据采集系统及其运行使用方法

技术领域

本发明涉及工业互联网领域的工业现场数据采集领域，具体涉及一种冗余数据采集系统及其运行使用方法。

背景技术

工业互联网支持智能电网、智慧水务、智慧城市、智能交通、智能家居等领域的信息采集，支持高可靠性、高实时性、高可用性和高安全性的大区域协同控制。为了实现此目标，需要构造的数据采集系统的可靠性和可用性不低于工业生产控制系统，例如：如果要求配电系统可靠性达到99.999％的要求，则采集系统的通信子系统就应提供不低于此指标的可用性，然而对于目前的蜂窝无线通信的通信终端设备所提供数据传输可用性通常不能满足。因此，业界通常采用冗余配置的数据采集系统或子系统。

现有的冗余数据采集系统是采用相同的物理设备构成相同采集功能的备份系统，此种方法优点是设计和工程施工简单，然而存在投资成本高、功能重复、增加了社保运维负担等缺点。为此，本发明提供一种冗余数据采集系统及其运行使用方法，实现功能扩展方便、冗余控制准确实时、建设运行成本合理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的成本高、功能重复、设备运维负担重、可靠性差的技术问题。提供一种新的冗余数据采集系统，该冗余数据采集系统具有成本低、功能利用率高、定位故障简单的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种冗余数据采集系统，包括多个功能层级的物理设备，物理设备包括位于现场侧的计量终端、采集终端以及通信终端，位于主站侧的通信路由器以及采集关口，所述冗余数据采集系统由相互冗余的数据采集功能平面组成，而相互冗余的数据采集功能平面之间各个功能层级是逐级进行备份。

本发明的工作原理：本发明采集系统内部的实体设备冗余提升到跨冗余采集系统之间的功能层级对应实体之间的直接关联角度，在主用功能平面和备用功能平面之间实现逐级、逐段备份子系统关联，相互监测功能平面运行状态。当发现主用平面功能故障，则启用备用平面部分功能或全部功能。可以在远端现场实时发现故障，既保证了冗余系统及时处理，也降低了冗余系统的开销，正常情况下可以关闭备用采集系统的远程通信传输通道，减少数据通信流量开销。

上述方案中，所述数据采集功能平面包括功能组件以及协议栈；所述功能组件包括计量及量化功能组件、数据采集功能组件及通信传输功能组件；所述协议栈包括计量协议，采集协议及通信传输协议；进一步地，所述相互冗余的数据采集功能平面中至少包含一个相互异构冗余的数据采集功能平面所述冗余数据采集系统中至少包含一个具备完整数据采集功能的数据采集功能平面以及至少包含一个与具备完整数据采集功能的数据采集功能平面相互异构的冗余的数据采集功能平面；所述相互异构的冗余的数据采集功能平面中采用了至少一种异构的物理设备，或异构的功能组件，或异构的协议栈；所述相互异构的冗余的数据采集功能平面之间建立有解析冗余关系，以实现冗余采集功能平面之间的数据值和数据时标的相互监督和重构。

进一步地，所述相互异构冗余的数据采集功能平面冗余异构的现场数据采集设备是计量终端或采集终端，功能组件是计量及量化功能组件或数据采集功能组件；相互冗余异构的数据采集功能平面之间的计量终端或计量及量化功能组件之间设置有现场通信总线，通过现场通信总线相互校验数据，建立跨不同数据采集功能平面的计量数据相关性分析能力，计量数据相关性分析能力包括相互监督，动态解析重构计量数值以及动态解析重构计量时标；相互冗余的数据采集功能平面之间的采集终端或数据采集功能组件之间设置有现场通信总线通过现场通信总线相互校验数据发现并记录采集终端或数据采集功能组件错误，监督采集数值和采集时标，动态解析重构采集数据与采集时标，以及控制主备采集终端之间的切换或主备数据采集功能组件之间的切换；相互冗余的数据采集功能平面之间的采集终端与计量终端之间设置有现场通信总线，或数据采集功能组件与计量及量化功能组件之间设置有现场通信总线，数据采集终端或者数据采集功能组件通过现场通信总线建立跨不同数据采集功能平面的计量数据相关性分析能力，计量数据相关性分析能力包括相互监督，动态解析重构计量数值以及动态解析重构计量时标，控制主备计量终端之间的切换或主备计量及量化功能组件之间的切换。

进一步地，冗余的物理设备之间或冗余的功能组件之间采用解析冗余获得数据之间的解析相关性；冗余的同异物理设备之间或冗余的同构的功能组件之间采用有限长度数值序列对比方法相互校验数据；冗余的异构的物理设备之间或冗余的异构的功能组件之间采用解析冗余的拟合曲线对比方法相互校验数据。

进一步地，所述冗余的数据采集功能平面的现场侧与主站侧之间冗余的是通信终端或通信传输功能组件；冗余配置通信终端之间连接有现场通信总线，通信终端之间或通信传输功能组件之间相互监测，对比相互冗余通信传输通道的服务质量和带宽可用度，实现主备通信传输通道之间的切换或者负荷负担。

进一步地，现场侧的物理设备之间或功能组件之间通过现场通信总线相互对比时间值和时钟值来实现时钟系统的控制与管理；物理设备之间或功能组件之间的构成时钟同步关系树，位于时钟同步关系树下级的物理设备或功能组件同步于上级的物理设备或功能组件，位于时钟同步关系树同层级的物理设备或功能组件之间互同步，位于同一现场通信总线且没有时钟关系树继承关系的物理设备或功能组件之间互同步。

本发明还提供一种冗余数据采集系统的运行使用方法，方法包括：

步骤一，物理设备或功能组件自检和自评估，当自检结果和自评估结果不满足可靠性和可用度指标，则触发冗余物理设备或功能组件的主用倒换成备用，或主用备用负荷分担，倒换或负荷分担的过程采用主备之间互控逻辑实现或由上级设备的控制逻辑实现；

步骤二，物理设备和功能组件实时监测和评估相互冗余中对端的冗余物理设备或功能组件，当判断冗余物理设备或功能组件不满足可靠性和可用度指标，则触发冗余物理设备或功能组件的备用倒换为主用或主用备用负荷分担，倒换或负荷分担的过程采用主备之间互控逻辑实现或由上级设备控制实现；

步骤三，上级的物理设备或功能组件直接获取下级的物理设备或功能组件的状态信息，或是上级的物理设备或功能组件根据上级的物理设备或功能组件工作状态推断出下级的物理设备或功能组件的工作状态，上级的物理设备或功能组件直接控制下级的物理设备或功能组件的主备冗余倒换或负荷分担；

步骤四，根据冗余数据采集系统中的物理设备和功能组件的可靠性和可用度动态配置冗余数据采集平面的物理设备，功能组件和协议栈。

进一步地，采用步骤四中配置出多个冗余数据采集系统的采集功能平面，步骤包括为使用于测试目的沙箱进行封装的如下步骤：

步骤4.1:将数据采集功能平面的拓扑结构依照从数据采集主站到计量终端，逐级划分为n级功能层次，每级功能层次具有m个冗余的物理设备，n级功能层次自主确定其层次中的冗余功能平面拓扑配置，每级功能层次中m个冗余的物理设备相互协商确定其层次中的冗余功能平面拓扑配置；

步骤4.2：数据采集系统中的物理设备与相邻的功能层次以及与同相同功能层次的冗余物理设备之间建立通信连接，每个冗余物理设备向数据采集系统洪泛其与相邻的功能层次以及相同功能层次的冗余物理设备的端口连接拓扑，洪泛信息还包括了该物理设备的可靠性R和可用度A；

步骤4.3：数据采集系统中的物理设备接收其他物理设备洪泛信息，每级功能层次中m个冗余物理设备依据其可用度A的大小排序，n个功能层级依据不同功能层级的可靠性R大小排序，设定采集功能平面的可靠性门限区间为δ[R_min,R_max]，和最小可用度门限为A_min；

步骤4.4：每个功能层级的物理设备依据洪泛信息所建立的数据采集系统设备拓扑图，在满足最小可用度门限条件下，计算从数据采集服务器到被计量对象之间的最大可靠性路径，每一层级中的物理设备的可靠性为并联关系，则第i级可靠性应为该层级中所有物理设备的可靠性之和：而层级之间的可靠性应为串联关系，即n级功能层次的路径最大可靠性为每一层可靠性之积：

步骤4.5：用最大可靠性路径的可靠性R作初步判决，当最大可靠性路径的可靠性R大于最小可靠性门限，证明该平面可以实现，反之平面无法实现，当可靠性R大于最大参考可靠性门限时，则依据n个功能层级的可靠性大小顺序，对每层的可靠性进行排序，从可靠性最低层级开始更新该层级的冗余物理设备，减少同层中设备的并联从而降低可靠性直至到达最大参考可靠性门限与最小可靠性门限δ[R_min,R_max]之内，完成该层级的冗余物理设备的匹配，从而获得最优路径；

步骤4.6：在步骤4.5中的每个功能层级内部的每个冗余物理设备之间，依据不同冗余物理设备的可用度大小，首先选择满足最小可用度且可用度最小的冗余物理设备，保证在降低可靠性的同时对可用性要求尽可能接近最小可用度的要求，若可靠性最低级层更新完毕后可靠性仍大于最大参考可靠性门限，则再按照上述步骤更新可靠性高于最低级层中的设备直至获得最优路径；

步骤4.7：重复步骤4.4，步骤4.5和步骤4.6获得多条满足最小可靠性门限和最小可用度门限的冗余的次优路径，每个路径对应一个冗余数据采集功能平面，并根据上述步骤所选择最优路径和次优路径选配物理设备、功能组件和协议栈；

步骤4.8，根据沙箱环境要求，重新定义主用数据采集功能平面与作为沙箱环境的冗余的数据采集功能平面之间的现场通信总线的联系，将该现场通信总线配置为测试状态，测试状态只接收主用数据采集功能平面的计量数值，采集数值，通信数据包，不接收控制信息，也不向主用数据采集功能平面发送数据和控制信息，防止触发主用平面的自动主备倒换；

其中，n和m为正整数。

进一步地，所述运行使用方法还包括实现采集现场侧与主站侧之间的通信传输通道的状态获取，连续监测，以及冗余传输通道的实时切换；

通信传输通道的发送端发送数据报文，数据报文包括数据承载报文以及监测报文，接收端采用概率假设检验规则判断未接收到的数据报文总数；

通信传输通道的发送端按照虚警率和漏检率门限在有效时间窗口发送报文序列，当接收端未接收大于故障判决门限数量的报文序列则判断通信传输通道故障；

通信传输通道采用双工通信模式，首先发现故障端启动通道切换，并在已切换的通信传输通道向对端通告对端其切换决策信息，实时实现双端自主切换；

通过双端随机双漏桶算法实现通信传输通道状态连续监测，以及防止双端自主切换冲突；

发送端漏桶根据假设检验的所预设的虚警率和漏检率门限计算漏桶的平均注入速率，所述平均注入速率作为正确判断通信传输通道故障所需要的最小的发送报文序列速率；

发送端漏桶的高度为监测时间窗口内最少报文数目总数减去最小数据承载报文数，监测时间窗口随机化；

发送端漏桶的出口速率由数据承载报文控制，漏桶的出口速率不超过最小数据承载报文速率；

发送端在监测时间窗口结束时，发送以漏桶高度为基准的监测报文；

接收端漏桶复制发送端漏桶参数，当监测时间窗口结束时，如果漏桶溢出则判断通信传输通道故障，漏桶不溢出则判断通信传输通道正常；

采用通信传输通道所承载的数据业务报文与用于通道状态探测为目的主动探测报文结合。

进一步地，所述使用方法还包括：

采集现场冗余的物理设备之间，或解析冗余的功能组件之间相互监督现场获取数据，且将不可篡改的监督校验结果实时上报采集主站设备；

监督校验结果实时上报时，监督者采用监督者所在的与被监督者物理独立的通道向主站汇报，或共享被监督者的物理通道且独立的加密逻辑通道向主站汇报，或将带有监督者的数字签名的监督信息附加在被监督者的物理通道及逻辑通道向主站汇报；

监督校验结果包括时标和数值两个维度信息，采用数字签名保障数值和时标的不可篡改。

通常冗余采集系统采用与主用系统相同的物理设备组建，虽然建设运维方便，但是对于复杂的软件、硬件、协议组合，相同的物理设备系统的故障模式相同，特定条件下故障主备用系统可能同时出现故障。为此本发明采用异构方式构建冗余的数据采集平面以防止故障模式的同质化。异构的数据采集平面之间的数据处理通常要先建立解析关系的拟合曲线，再进行对比分析获得冗余系统之间的数值以及时间的误差值，从而实现监督冗余配置的对端。

本发明的数据采集系统在运行过程中需要不断的升级、扩容，需要有开放平台，本发明对开发者提供两类环境，包括：沙箱环境和正式环境。扩展了冗余系统功能支持沙箱环境，提供与主用系统的隔离、测试信号源注入以及探测点信号获取能力。

组网配置算法扩展冗余系统功能支持沙箱环境，提供与主用系统的隔离、测试信号源注入以及探测点信号获取能力。在运行过程中的冗余的数据采集系统功能平面之间，其设备或功能实体之间存在两种切换控制工作逻辑。首先是对等实体之间的自主切换控制逻辑，具有主倒备与备抢主两种工作模式；其次是主从控制逻辑模式，由位于数据采集系统中居于上层的实体控制居于下级的冗余实体之间的倒换。

本发明从现有的单纯考虑采集系统的硬件设备冗余角度改进为采集功能实现角度，硬件设备或硬件设备子系统的可靠性通过功能虚拟化成为功能实体的可靠性。数据采集系统采用冗余的物理设备，或功能组件，或协议栈所组成，具有相同或解析相关数据采集功能的多个互为冗余的数据采集功能平面，当其中一个数据采集功能平面中采用了至少一种异构的物理设备，或异构的功能组件，或异构的协议栈，则构成相互异构冗余的数据采集功能平面。

数据采集功能平面中，物理设备包括了一系列从采集现场的下行物理设备到采集主站的上行物理设备，依功能层次为，现场侧的计量终端，采集终端，通信终端，主站侧的通信路由器，采集关口；功能组件包括了从采集现场的下行功能组件到采集主站的上行功能组件，依次为，计量及量化功能，数据采集功能，通信传输功能，协议解析及转换功能，此外还包括了，时钟同步功能，监督控制功能；协议栈包括了计量协议，采集协议，通信传输协议。

本发明的有益效果：本发明可以在远端现场实时发现故障，既保证了冗余系统及时处理，也降低了冗余系统的开销，正常情况下可以关闭备用采集系统的远程通信，减少数据流量开销。异构的数据采集平面之间的数据处理通常要先建立解析关系的拟合曲线，再进行对比分析获得冗余系统之间的数值以及时间的误差值，从而实现监督冗余配置的对端。采用异构冗余的模型，异构AB双平面的设计思想，在A平面发生错误时，备份的异构B平面可以避免出现相同错误，提升整体系统的可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，电力营销现场数据采集设备类型结构示意图。

图2，物理设备数据采集平面与虚拟化的数据采集功能平面。

图3，计量终端冗余配置关系图。

图4，采集终端冗余配置图。

图5，双端传输通道切换协同关系图。

图6，时钟树示意图。

图7，时钟参考关系图。

图8，冗余物理设备拓扑配置图。

图9，可靠冗余功能平面拓扑配置图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种冗余数据采集系统，包括物理设备，物理设备包括位于现场侧的计量终端、采集终端以及通信终端，位于主站侧的通信路由器以及采集关口，所述冗余数据采集系统包括相互冗余的数据采集功能平面，相互冗余的数据采集功能平面之间是逐级进行备份。

如图2，所述物理设备包括了一系列从采集现场的下行物理设备到采集主站的上行物理设备，依次为，现场侧的计量终端，采集终端，通信终端，主站侧的通信路由器，采集关口；所述功能组件包括了一系列从采集现场的下行功能组件到采集主站的上行功能组件，依次为，计量及量化功能，数据采集功能，通信传输功能，协议解析及转换功能，此外还包括了，时钟同步功能，监督控制功能，网络管理功能；协议栈包括了计量协议，采集协议，通信传输协议。

本实施例以电力系统的营销现场数据采集系统为例，现场数据采集设备类型如图1所示。现场数据采集设备包括了采集终端和计量终端两类设备，计量终端设备包括：居民电能表、专变电能表，简称电能表；采集终端设备包括：高压计量终端、配变监测计量终端、集中器、采集器、配变监测计量终端、负荷管理终端。

电表直连时，计量终端设备或计量及量化功能组件提供一个或多个通信接口与上行的一个或多个采集终端连接，或提供一个或多个通信接口设备直接与上行的一个或多个通信终端连接。

信息如采样数据、时钟、设备状态等的跨系统或跨类型的直接交互，通过与现场通信总线上的信息对比分析，快速定位采集系统或其子系统故障，实现对现场数据和时间的监督、通信传输端口设备的冗余切换与负荷分担、采集业务协议的功能备份。

为防止故障模式的同质化，优选地，如图2，所述数据采集功能平面还包括功能组件以及协议栈；所述功能组件包括计量及量化功能组件、数据采集功能组件及通信传输功能组件；所述协议栈包括计量协议，采集协议及通信传输协议；所述相互冗余的数据采集功能平面中至少包含一个相互异构冗余的数据采集功能平面；所述相互异构的冗余的数据采集功能平面中采用了至少一种异构的物理设备，或异构的功能组件，或异构的协议栈；所述相互异构的冗余的数据采集功能平面之间建立有解析冗余关系，以实现冗余采集功能平面之间的数据值和数据时标的相互监督和重构。

具体地，如图3，所述相互异构冗余的数据采集功能平面冗余异构的现场数据采集设备是计量终端，功能组件是计量及量化功能组件；相互冗余异构的数据采集功能平面之间的计量终端或计量及量化功能组件设置有现场通信总线，通过现场通信总线相互校验数据，建立跨不同数据采集功能平面的计量数据相关性分析能力，计量数据相关性分析能力包括相互监督，动态解析重构计量数值以及动态解析重构计量时标；相互冗余的数据采集功能平面之间的采集终端与计量终端设置有现场通信总线；或数据采集功能组件与计量及量化功能组件之间设置有现场通信总线；通过现场通信总线建立跨不同数据采集功能平面的计量数据相关性分析能力，计量数据相关性分析能力包括相互监督，动态解析重构计量数值以及动态解析重构计量时标，控制主备计量终端之间的切换或主备计量及量化功能组件之间的切换。计量终端设备之间的相互监控则采用心跳方式。

如图8及图9，冗余的数据采集功能平面支持物理设备，功能组件和协议栈故障定位分析，系统扩容和升级实现，构建作为沙箱环境的冗余的数据采集功能平面；

步骤B1，在满足安全隔离度要求条件下，依据与主用状态的采集功能平面的相似度优先选择逻辑功能同构和物理设备异构，其次选择逻辑功能同构和协议栈异构，最后选择逻辑功能异构；

步骤B2，将拟测试的物理设备，或功能组件，或协议栈以替换，增加或减少作为沙箱环境的冗余的数据采集功能平面中的对应物理设备，或功能组件，或协议栈；

步骤B3，重新定义主用数据采集功能平面与作为沙箱环境的冗余的数据采集功能平面之间的现场通信总线的联系，将该现场通信总线配置为测试状态，即只接收主用数据采集功能平面的计量数值，采集数值，通信数据包，不接收控制信息，也不向主用数据采集功能平面发送数据和控制信息，防止触发主用平面的自动主备倒换；

步骤B4，在沙箱环境中根据与拟测试的物理设备，或功能组件，或协议栈所联系的上行或下行距离，依次选择测试用信号的注入点以及测试用信号的探针点，通过与对比主用数据采集功能平面对应的探针点所获得数据信息评判沙箱系统。

本实施例中，还提供本实施例还提供一种冗余数据采集系统的运行使用方法，方法包括：

步骤一，物理设备或功能组件自检和自评估，当自检结果和自评估结果不满足可靠性和可用度指标，则触发冗余物理设备或功能组件的主用倒换成备用或备用倒换为主用或主用备用负荷分担，倒换或负荷分担的过程采用主备之间互控逻辑实现或由上级设备控制实现；

步骤二，物理设备和功能组件实时监测和评估相互冗余中对端的冗余物理设备或功能组件，当判断冗余物理设备或功能组件不满足可靠性和可用度指标，则触发冗余物理设备或功能组件的主用倒换成备用或备用倒换为主用或主用备用负荷分担，倒换或负荷分担的过程采用主备之间互控逻辑实现或由上级设备控制实现；

步骤三，上级的物理设备或功能组件直接获取下级的物理设备或功能组件的状态信息，或是上级的物理设备或功能组件根据上级的物理设备或功能组件工作状态推断出下级的物理设备或功能组件的工作状态，上级的物理设备或功能组件直接控制下级的物理设备或功能组件的冗余倒换或负荷分担；

步骤四，根据冗余数据采集系统中的物理设备和功能组件的可靠性和可用度动态配置冗余数据采集平面的物理设备，功能组件和协议栈。

采用步骤四中配置出多个冗余数据采集系统的采集功能平面，步骤四包括为使用于测试目的沙箱进行封装的如下步骤：

步骤4.1：将数据采集功能平面的拓扑结构依照从数据采集主站到计量终端，逐级划分为n级功能层次，每级功能层次具有m个冗余的物理设备，n级功能层次自主确定其层次中的冗余功能平面拓扑配置，每级功能层次中m个冗余的物理设备相互协商确定其层次中的冗余功能平面拓扑配置，本实施例中假设从数据采集服务器开始到数据采集对象结束共有4级功能层次，即n＝4，每级功能层次具有4个冗余的物理设备，即m＝4；

步骤4.2：数据采集系统中的物理设备与相邻的功能层次以及与同相同功能层次的冗余物理设备之间建立通信连接，每个冗余物理设备向数据采集系统洪泛其与相邻的功能层次以及相同功能层次的冗余物理设备的端口连接拓扑，洪泛信息还包括了该物理设备的可靠性R和可用度A，每一设备的可靠性和可用性F(A,R)如表1所示：

表1

	设备1	设备2	设备3	设备4
					n＝0	F(0.99，0.2)
n＝1	F(0.45，0.2)	F(0.52，0.2)	F(0.01，0.25)	F(0.02，0.35)
					n＝2	F(0.45，0.2)	F(0.4，0.2)	F(0.05，0.3)	F(0.04，0.3)
n＝3	F(0.99，0.2)

步骤4.3：数据采集系统中的物理设备接收其他物理设备洪泛信息，每级功能层次中4冗余物理设备依据其可用度A的大小排序，4功能层级依据不同功能层级的可靠性R大小排序，设定采集功能平面的可靠性门限区间为δ[R_min,R_max]＝δ[0.82,0.84]，和最小可用度门限为A_min＝0.3；

步骤4：每个功能层级的物理设备依据洪泛信息所建立的数据采集系统设备拓扑图，在满足最小可用度门限条件下，计算从数据采集服务器到被计量对象之间的最大可靠性路径，每一层级中的物理设备的可靠性为并联关系，则第i级可靠性应为该层级中所有物理设备的可靠性之和：

R_i＝R_i1+R_i2+…+R_in

而层级之间的可靠性应为串联关系，即n级功能层次的路径最大可靠性计算公式为：

R＝R₁×R₂×…×R_i×…×R_n

在本实施例中4级功能层次的路径最大可靠性为：

A＝(0.99)×(0.45+0.52+0.01+0.02)+(0.45+0.4+0.05+0.04)+(0.99)＝0.921294

步骤4.5：用最大可靠性路径的可靠性R作初步判决，最大可靠性路径的可靠性R大于拓扑结构最小可靠性门限，证明该平面可以实现，当可靠性R大于最大参考可靠性门限时，则对每层的可靠性进行排序，从可靠性最低层级开始更新该层级的冗余物理设备，第2层的可靠性在4层中最低，所以选择从第二层开始跟新设备；

步骤4.6：在步骤5中的每个功能层级内部的每个冗余物理设备之间，依据不同冗余物理设备的可用度大小，首先选择满足最小可用度的冗余物理设备，在第二层中，设备4的可用度为0.4最高，将设备4去除，则此时的可靠性为：

A＝(0.99)×(0.45+0.52+0.01+0.02)+(0.45+0.4+0.05)+(0.99)＝0.88209

此时的可靠性仍大于最大可靠性门限，再对其进行优化，根据满足最小可用度的原则，选出设备3，此时的可靠性为：

A＝(0.99)×(0.45+0.52+0.01+0.02)+(0.45+0.4)+(0.99)＝0.833085

此时的可靠性A在可靠性区间δ[R_min,R_max]＝δ[0.82,0.84]中且可用度也接近最小可用度A_min＝0.3，此时该路径为最优路径；

步骤4.7：重复步骤4，步骤5和步骤6获得多条满足最小可靠性门限和最小可用度门限的冗余的次优路径，每个路径对应一个冗余数据采集功能平面，并根据上述步骤所选择最优路径和次优路径选配物理设备、功能组件和协议栈；

步骤4.8，根据沙箱环境要求，重新定义主用数据采集功能平面与作为沙箱环境的冗余的数据采集功能平面之间的现场通信总线的联系，将该现场通信总线配置为测试状态，测试状态只接收主用数据采集功能平面的计量数值，采集数值，通信数据包，不接收控制信息，也不向主用数据采集功能平面发送数据和控制信息，防止触发主用平面的自动主备倒换。

其中，冗余的物理设备之间或冗余的功能组件之间采用解析冗余获得数据之间的解析相关性；冗余的同异物理设备之间或冗余的同构的功能组件之间采用有限长度数值序列对比方法相互校验数据；冗余的异构的物理设备之间或冗余的异构的功能组件之间采用解析冗余的拟合曲线对比方法相互校验数据。采用拟合曲线方法重构数据的解析描述，再进行对比分析主备用系统的解析式，从而获得冗余系统之间的数值以及时间的误差值，实现监督冗余配置的对端。

冗余的计量终端设备或计量及量化功能组件之间相互校验数据，采用有限长度数值序列对比方法。通过对比本端与对端的冗余的计量数值序列，在有限的时间窗口范围内匹配获得计量数值序列之间的最小误差序列，将该最小误差序列之间的数值差作为计量数值误差，将该最小误差序列之间的时间差作为计量时标误差，具体步骤：

将本端有限的时间窗口范围内的数值序列去匹配冗余的计量数值序列的有限窗口范围内的数值序列，使得本端时间窗口范围ΔT₁内的数值序列可以在冗余的计量数值序列中查询到一个有限窗口范围ΔT₁内的数值序列，时间窗口范围ΔT₁内的每一数值X_i在窗口范围ΔT₁中都能搜索到最为接近的数值X_j，其中X_i和X_j代表两个向量，x_i1…x_in和x_j1…x_jn分别为这两个向量中匹配到数值元素，根据欧式距离的定义：

当欧式距离最小时，X_i和X_j向量最为相似，即在有限的时间窗口范围内匹配获得计量数值序列之间的最小误差序列，T_i,T_j为X_i和X_j序列对应的时间。

将该最小误差序列之间的数值差作为计量数值误差W：

W(X_i,X_j)＝|X_i-X_j|

将该最小误差序列之间的时间差作为计量时标误差E：

E(T_i,T_j)＝|T_i-T_j|

滑动本端有限时间窗口选取新的数值序列，借助计量时标误差在对端的冗余的计量数值序列匹配有最小误差序列，设下一次本端有限时间窗口中选取的第一个数值为x_k1，所对应的时间为T_k1，则冗余序列中匹配最接近的数值的时间应在时间范围T_l1中搜索：

T_l1＝T_k1+E±ΔT

其中，ΔT为允许的最小时间误差值，若干次滑动本端有限时间窗口选取新的数值序列构成若干个新的向量，按照如上搜索和匹配方法查询到这些有最小误差值的序列并去分析数值和时间差。

冗余的异构计量终端设备或计量及量化功能组件之间相互校验，采用解析冗余的拟合曲线对比方法，对比本端与对端的冗余的计量数值序列的拟合曲线，首先将原始计量数值序列经过函数拟合加工成计量数值与计量时间之间解析关系的拟合曲线，再计算在有限的时间窗口范围内冗余的拟合曲线之间的最小误差值，再确定拟合曲线的时间轴条件下获得计量数值误差，再确定拟合曲线的数值轴条件下获得计量时标误差，具体步骤：

首先将有限的时间窗口范围内的本端与对端的冗余的计量数值序列拟合多项式，根据最小二乘法原理，设拟合多项式为：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+…a_kx^k

有限的时间窗口范围内的各点到这条曲线的距离之和，即偏差平方和为：

为了求得符合的系数值，对等式右边求aⁱ的偏导数：

将解的a_i值代入，可以得到有限的时间窗口范围内的拟合多项式y＝a₀+a₁x+a₂x²+…a_kx^k。

逐阶次比较本端和冗余有限时间窗口内的多项式，算出每一阶次中数值之间的误差，其误差可以用标准差表示，设y_a,y_b为本端和冗余的t₁～t₂时间范围的同阶次函数，则f(x)＝y_a-y_b，其标准差d为：

按照阶次由低阶至高阶，权重值p由大到小的原则，在冗余序列的有限时间窗口内找出与本端有限的时间窗口范围内拟合曲线有最小误差值的拟合多项式，最小误差值公式为：

W＝d₀p₀+d₁p₁+…+d_kp_k；

找出本端和冗余序列在有限时间窗口内有最小误差值的拟合曲线，在确定拟合曲线的时间轴条件下获得计量数值误差，即是最小误差值公式：

W＝d₀p₀+d₁p₁+…+d_kp_k

确定拟合曲线的数值轴条件下获得计量时标误差：

E(T)＝|T_i-T_j|

其中T_i,T_j分别为本端和冗余拟合曲线的起始时间。

电能表在有限的时间窗口拟合连续时标的用电能计量值序列则可以获得电能计量函数，从而可以用于对比分析不同时标序列间隔的不同电能表之间的数据。

步骤1：不同的电能表按照自身的采集频率采集电能值数据，并记录下每一采集的电能值数据所对应的时间。

步骤2：由于不同的电能表采集频率可能不同，时标序列间隔也可能不同，在有限的时间窗口中，将这些离散的电能计量值序列拟合成连续函数，如采用最小二乘法拟合成多项式，从而可以获得电能计量函数，给定一个时标就可以得到一个电能计量值。

步骤3：在不同电能表中相互匹配搜索具有最小误差的两个拟合曲线，从而可以对比分析时标序列间隔差的不同电能表之间的数据。分析相同电能值时时标的误差或相同时标时电能值的误差。

所述解析重构则是以解析冗余为基础，利用异构设备或异构功能组件之间的拟合曲线之间的解析关系，计算获得所需数据的数值和时标。例如：电能表利用从远程传输通信模块所获得的时间，可以在电能表的时钟故障条件下，采用电能表的电能计量值除以从通信模块获得的时间片长度从而获得准确的电能需量值。

步骤1：通过咨询设备制造厂商或说明书获得设备执行一次采集指令所需要的周期数n。

步骤2：利用所获得的通信模块的时钟频率f，计算出一个周期的时间长度然后可以算出执行一个采集指令所需要的时间长度为n·T。

步骤3：在电能表故障这段期间内采集到的电能量值为S，则可以通过来求得准确的电能需量值。

本实施例中，远端现场冗余系统之间的监督结果需要及时通报给采集系统主站端，为此现场监督者采用三种方式向主站汇报：(a)监督者采用与被监督者物理隔离的通信传输通道向主站汇报；(b)监督者共享被监督者的通信传输物理通道向主站汇报，但需要独立的逻辑通道，例如独立的(TCP/IP)，并对该独立的逻辑通道加密，例如IPsec；(c)监督者共享被监督者的物理及逻辑通道向主站汇报，但需要将监督者的数字签名返回被监督者，并由被监督者将监督者的数字签名信息附着在被监督者的数据报文中。

实现对现场通信终端与采集主站之间的远程通信传输通道的监督，并在主用的远程通信传输通道中断时，实时启动备用的远程通信传输通道。远程传输通道的故障由通道的两端点自主监测：由发送端发送数据报文，包括数据承载报文以及监测专用报文，接收端采用概率假设检验规则判断未接收到的数据报文总数。采集系统的主站端与现场端之间采用双工通信模式，首先发现故障的端点启动通道切换，并在已经切换的通信传输通道向对端通告对端其切换决策信息，最终实时实现双端自主切换。

判断时标的单调递增性，包括：

步骤1：在一个连续有限的时间段内，通过电表采集数据，采集到的数据包括电能计量值和采集时标。假设采集的时间段为[T_A,T_B]，在该段时间间隔内依次采了n次数据，分别为(t₁,s₁)、(t₂,s₂)、(t₃,s₃)······(t_n,s_n)，其中t_i(i＝1,2,······n)为依次采集的时标，s_i(i＝1,2,······,n)是对应的电能计量值。

步骤2：对于时标t_i，有任意的t_i+1-t_i＞0(i+1＜n)，则证明时标序列是单调递增的。

判断电能计量值的单调递增性：

对于采集到的数值序列(t₁,s₁)、(t₂,s₂)、(t₃,s₃)······(t_n,s_n)，t_b∈[T_A,T_B]，并且t_a＜t_b，如果对应的电能计量值s_a≤s_b，则可以判断电能计量值是单调递增的。

通信终端设备或通信传输功能组件单独配置或是冗余配置在一个采集终端设备内或与一个采集终端接口绑定，通信终端设备上行接入通信传输网络构成与主站侧的通信路由器之间通信传输通道，从而承载采集终端设备或计量终端设备的上行业务连接。

通信终端设备或通信传输功能组件自主测量其与主站侧和通信路由器之间的通信传输通道质量和通信终端设备状态，包括并不限于通信传输通道协议的物理层，数据链路层，TCP/IP层逻辑通道状态，通过被动监听或主动发送探测数据包方法，从而评估通信传输通道的服务质量和可用度，具体包括：

首先，通过发送主动数据包来检测通道状态，如果发送端发送N个包，接收端收到了M(M≤N)个数据包，则定义该时间段内信道可信度为：

根据事先设定的阈值P来进行判决是否通道故障。阈值是根据假设检验法，并且判决准则是纽曼-皮尔逊准则情况下设定的阈值。

来进行判决是否信道故障。阈值是通过假设检验法计算出理论上平均需要发送的探测包以及以往的先验概率，假设收到的探测包服从正态分布，则选定一个阈值P，根据以往经验，满足这个阈值的情况下信道不影响传输，视为正常，否则视为故障。

假设检验法计算所需要发送的探测报文数量，具体如下：

首先，做出两种假设：H₀：x＝0表示无检测信号(业务报文或数据包)，为“断”状态；H₁：x≠0表示有检测信号，为“通”状态。

其次，选择进行判决需要遵循的准则，这里我们选择纽曼-皮尔逊准则。

因为对于通道状态的检测，若虚警的概率很大，也就是把原本“断”的状态判断为“通”，对系统可靠性造成的后果更为严重，因此要使虚警概率尽可能小。相对来说，漏警的概率可以有一定的容许值，造成的后果最多是在原本通道正常的情况下多执行了几次切换。

因为所选的判断准则为纽曼-皮尔逊准则，无需知道先验概率和代价函数。但需要准备事先在各种假设下接收样本的概率分布P(y_N|H₀)和P(y_N|H₁)，其中y_N＝[y₁,y₂,...y_N]是N次观测矢量，设P(D₀|H₁)和P(D₁|H₀)分别表示漏警和虚警，β为漏警的概率，α为虚警的概率。其中，β根据系统的可靠性标准允许范围内设定的常数，在此情况下做到α最小，也就是达到P(D₀|H₀)的概率最大。P(D₀|H₁)＝β＝常数；P(D₁|H₀)＝α_min，利用Lagrange乘数法计算：

目标函数：L＝P(D₁|H₀)+λ[P(D₀|H₁)-β]

通过求解偏导得到：

可得到似然函数比：是以Lagrange乘数λ作为判决门限。

①如果Λ(y_N)＞λ，则接受假设H₀为真；

②如果Λ(y_N)＜λ，则接受假设H₁为真；

③如果Λ(y_N)＝λ，则需要再次观测后，根据Λ(y_N+1)进行判断。

假设两个概率分布P(y_N|H₀)和P(y_N|H₁)都是服从正态分布，均值为θ₀和θ₁，方差为σ²。可得到多次独立采样的联合概率分布的似然函数：

则由给定的β值可求出服从正态分布在纽曼-皮尔逊准则下的判决门限λ_t：

则有似然函数比：

此时α达到最小，也就是检测概率P_d＝P(D₁|H₁)达到最大：

其中为样本容量，为样本方差，从中可知P_d的概率由信噪比决定。是与采样次数N有关，采样次数越多，信噪比越高，检测概率P_d也越大。

现在通过序列概率比检验确定要达到纽曼-皮尔逊准则下，β已知的该最大检验概率P_d，至少需要的观测次数。

设η₁、η₀(η₁＞η₀)为似然检验的两个门限，由序列概率比检验可知假设H₀为真的条件下，能够做出判决所必须的平均观测次数为E[N|H₀]，假设H₁为真的条件下，能够做出判决所必须的平均观测次数为E[N|H₁]，其中N是达到性能指标而终止观测的次数，是一个随机量。

在假设H₀成立时，所需的平均观测次数为：

在假设H₁下所需的平均观测次数为：

通过以上公式以及业务对可靠性的要求，可求出H₀和H₁下的平均观测次数，主站和终端把平均观测次数转化为应发送监测业务的报文个数。根据判决门限λ，可以设定一个可靠性阈值P＝P(y_{i∈(λ，∞)}|H₁)，当测到的可信度p＜P时，可认为通道状态为“断”，需要执行切换。在通道容量固定的情况下，可靠性p与通道可用度之间存在换算关系。根据香农公式，当信噪比达到能够满足阈值C的可靠性时，有效通道

优选地，通信终端设备或通信传输功能组件之间相互监测和对比冗余通信传输通道的服务质量和可用度，自主实现主备通信传输通道切换，且与通信路由器之间，即终端侧与主站侧之间，实现协调互控，从而提高通信传输通道切换控制的成功率。具体步骤：

发送端漏桶根据假设检验的所要求的虚警率和漏检率门限计算漏桶的最少数据报文注入速率，用数据承载报文的速率来控制漏桶的出口速率且发送端将该注入速率作为正确判断通信传输通道故障所需要发送的数据报文的最小速率。

根据上面算可信度阈值C的假设检验法公式以及业务对可靠性的要求，可求得平均观测次数，将其转化为在监测时间窗口W内往漏桶中注入承载报文的平均速度v，且发送端的漏桶在监测时间窗口结束时测量漏桶所剩余高度，并发送数量等于漏桶剩余高度的专用监测报文，主站和终端把平均观测次数转化为应发送的报文个数。

平均观测次数＝报文个数＝v·W

在双工通信的下行，终端侧与主站侧各设置一个容量大小相同，能够容纳v·W个承载报文的漏桶，时间窗口W是由随机函数给出的一个随机量，两侧的桶都以平均速度为v的速度往漏桶中注入承载报文，从主站发来的报文经过主站侧的漏桶，拿到承载报文后才能向终端侧传输。到达终端侧的漏桶后，同样需要拿到终端侧漏桶中的承载报文才可以继续下发。

在主站侧和终端侧的传输过程中，假设X表示漏桶中前一时刻数据承载报文数目,X'表示漏桶中当前时刻数据承载报文的数目，即数据报文k在t₁时刻到达时桶内所剩的数据承载报文数目。则：

X'＝X-(X_t1-X_t2)

其中X_t1为t₁时刻接收端漏桶所收到的数据报文总数，X_t2为间隔T时间，在t₂时刻收到的数据报文数。

如果X'＝0或X'≤L时，表明漏桶中无数据承载报文或无溢出现象，传输信道正常；

如果X'＜0，则强迫X'＝0，因为漏桶高度为负数无意义；

如果X'＞L，L为漏桶的高度，则表明漏桶溢出，通信传输通道发生故障。

漏桶的高度L与数据报文平均注入速率v₁和T时间内在满足传输可靠性条件的允许下的最小数据报文注入速率v₂，假设一个随机的时间窗口W中，信道传输了n·T的时间，则在此随机时间窗口中漏桶的高度L为：

L＝n·T·(v₁-v₂)

在上行传输通道中，也是类似于下行传输通道设置两个高度相同的漏桶。为了防止通道两端同时发现故障且做出互斥的通道切换决策，双工通道之间的监测时间窗口需要进行随机化，从而使得上行与下行的漏桶高度不同。漏桶高度小，则监测发现故障的时间短，具备更好的实时性，例如：可以将上行漏桶高度以较大概率小于下行漏桶，以方便主站端优先于现场终端发现故障。

本实施例中，优选地，如图6及图7，现场侧的物理设备或功能组件之间通过现场通信总线相互对比时间值和时钟值，实现时钟系统的控制与管理。物理设备或功能组件之间的构成时钟同步关系树，位于时钟同步关系树下级的设备或功能组件同步于上级的设备或功能组件，位于时钟同步关系树同层级的设备或功能组件之间互同步，位于同一通信总线且没有时钟关系树继承关系的设备或功能组件之间互同步。

计量终端融合冗余的计量终端，以及上行采集终端和通信终端的时间值和时钟值作为外基准，计量终端实时对比外基准的时间值和时钟值，记录超过时间值和时钟值误差门限的事件。

采集终端融合冗余的采集终端以及所绑定的通信终端的时间值和时钟值作为外基准，采集终端实时对比外基准的时间值和时钟值，修正采集终端的时间值或时钟值，或记录超过时间值和时钟值误差门限的事件。

通信终端也可以将冗余的通信终端或所绑定的采集终端作为外基准，该通信终端实时对比外基准的时间值和时钟值，修正通信终端的时间值或时钟值。

时钟融合计算方法：

不同的时钟在本地权值的大小取决于自身时钟特性参数以及自己的最高主时钟，时钟方差是最重要的时钟本身特性参数之一，根据改进的Allan公式可以求得时钟方差：

其中N为采样数目，x_k+2,x_k+1,x_k为t_k+2,t_k+1,t_k时刻测量的时间残差，时钟方差越小，表明时钟性能越好。

同样最高主时钟精度越高，稳定性越好，受该时钟时间同步的其他本地时钟也越精确越稳定，最高主时钟性性能β受多种因素影响，包括时钟级别，时钟方差，时钟的MAC地址等，β越大，性能越好。

本地每一台时钟都根据它的频率稳定度和受最高主时钟的影响来给定它的权重。因此，一台时钟的权重反比于它的时钟方差，正比于β，第i台时钟的权重为：

为了保证时间尺度既最好的时钟，又要避免一个时钟占据支配地位，对时钟的权重做了上限规定：

当w_i(t)≥w_max时，w_i(t)＝w_max

本地N台时钟进行时钟融合的加权公式为：

其中，w_j为本地区域内不同时钟所对应的权重系数，t_j为不同时钟的时标值。

本实施例，实现了以异构计量终端或对应的功能组件为方案的冗余数据采集系统及其对应的运行使用方法。可以在远端现场实时发现故障，既保证了冗余系统及时处理，也降低了冗余系统的开销，正常情况下可以关闭备用采集系统的远程通信，减少数据流量开销。异构的数据采集平面之间的数据处理通常要先建立解析关系的拟合曲线，再进行对比分析获得冗余系统之间的数值以及时间的误差值，从而实现监督冗余配置的对端。采用异构冗余的模型，异构AB平面的设计思想，在A平面发生错误时，备份B平面可以避免出现相同错误，提升整体系统的可靠性。本实施例支持沙箱环境仿真测试。

本实施例冗余终端或功能组件的监督校验机制可以有效降低现场数据采集设备因故障或被人为攻击控制而上报错误数据或虚

数据的可能性，从而大大提高上报采集数据的真实可靠性。

为保证上述监督校验机制的安全有效，作为监督校验数据上报的监督者(采集终端或冗余计量终端)对于采集主站来说必须是可以信任的：1)采集主站可通过监督者内置的可信性功能模块周期性地对监督设备进行身份的确认及系统软件的完整性验证(确保监督设备没有被攻击控制)来保证监督设备的可信性与有效性；2)监督设备上报数据时可利用基于监管者身份的数字签名来保证主站收到的监督校验数据来自于合法的监督设备、并通过校验数据的完整性，确保监督校验数据在传送过程中没有被篡改。3)必要时监督校验数据在上传过程中可以进行加密，来确保上传数据的机密性。

为保证采集主站对监督者的信任关系，采集主站可以考虑为归属于它的监督者设备发放基于PKI的数字证书，也可以考虑基于监督设备的身份标识(例如：设备的硬件序列号、位置信息、系统软件序列号等)采用IBC(Identity-based Cryptograph)密码技术来实现监督检验数据上传过程中的监督者身份签名及数据完整性验证，必要时也可以支持上传数据的加密。鉴于采集主站需要监督的用户计量设备终端众多，需要配置的监督者设备的规模也会比较大。因此，在构建采集主站与监督者设备之间的信任关系及保证上传监督校验数据的安全、可信性时，本实施例可优先采用易于部署且密钥管理相对简单的IBC密码技术。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上，将冗余异构的部分采用采集终端设备或数据采集功能组件冗余配置，如图4，每个采集终端设备或数据采集功能组件与一个或多个计量终端设备或计量及量化功能组件连接，配置一个或多个通信终端设备或通信传输功能组件。

采集终端设备或数据采集功能组件通过现场通信总线从计量终端获得采集数值并标识采集时标，管理计量终端设备。采集终端从计量终端获得的数值，可以是计量数值，也可以是其他数值，包括且不限于监督计量终端的计量数值和计量时标，动态配置主用和备用计量终端，在有限时间内保存从其所管理的所有计量终端设备或计量及量化组件所获得的采样数值和采集时标以综合校验并实时数据分析。

冗余配置的采集终端设备或数据采集功能组件之间通过现场通信总线相互校验数据发现并记录采集终端设备或数据采集功能组件错误，包括且不限于监督采集数值和采集时标，也可以动态解析重构采集数据与采集时标。在同构的冗余条件下，可以直接使用数值序列对比方法；而在异构冗余条件下，则需要解析冗余的拟合曲线对比方法。进一步可以控制主备采集终端设备或数据采集功能组件之间的切换。

冗余的采集终端设备或数据采集功能组件之间相互校验数据，采用了有限长度数值序列对比方法。通过对比从对端获得的冗余的采集数值序列，在有限的时间窗口内匹配获得采样数值序列之间的最小误差序列，将该最小误差序列之间的数值差作为采样数值误差，将该最小误差序列之间的时间差作为采样时标误差，具体步骤如实施例1。

冗余的异构采集终端设备或数据采集功能组件之间，或采集终端设备与计量终端设备之间，或采集功能组件与计量及量化功能组件之间相互校验数据发现采集数值误差和采集时标误差，采用解析冗余的拟合曲线对比方法，对比本端与对端的冗余的采集数值序列或计量数值序列的拟合曲线，首先将原始采集数值序列或计量数值序列经过函数拟合加工成采样数值与采集时间之间解析关系的拟合曲线，或计量数值与计量时间之间解析关系的拟合曲线，再计算在有限的时间窗口范围内冗余的拟合曲线之间的最小误差值，在确定拟合曲线的时间轴条件下获得采集数值误差或计量数值误差，在确定拟合曲线的数值轴条件下获得采集时标误差或计量时标误差。具体步骤如实施例1。

采集终端设备或数据采集功能组件通过其所内置或外置通信终端设备或通信传输功能组件与主站侧的通信路由器和采集关口实现通信传输功能和协议解析及转换功能，采集终端配置一个或多个通信终端，监督通信终端运行状态。

采集终端设备或数据采集功能组件评估通信终端状态，首先自主监测其通信终端或通信传输功能组件的传输通道质量参数，其次分析采集终端所获得的与被监控通信终端绑定的采集关口下行采集数据质量，最后对比冗余配置的通信终端之间的性能参数，从而最终判定通信终端性能，进一步调整上行的采集数据的频度和精度以及通信终端参数，包括且不限于控制冗余通信终端之间的主用和备用切换。

实施例3

本实施例中，本实施例在实施例2的基础上，具体阐述对采集终端设备或数据采集功能组件提供的采集数据之间相互校验，通过对比本端与对端的冗余的采集数值数列，计算在有限时间窗口范围内的数值序列之间的误差值并记录超过误差门限的采集数值以便取证分析。

在一定的采样间隔下，需要采集得到的固定点的电量数据，由于在系统中会有考虑不到的多种因素交互作用产生边缘效应，采集的对比数据可能会出现某时刻数据丢失或时间不一致现象，通过数学方法，如插值计算等，可得出要求数据的数值并且可根据两个采集终端设备的起始时间差去进行时间校正。序列比较有两种方式，一是匹配最小误差值的序列，直接的数值对比，二是利用线性拟合法确定计算模型，采用最小二乘法来减小误差，匹配最小误差值的多项式，将数值拟合成多项式进行对比。

本实施例以线性插值法为例：

线性插值法是指使用连接两个已知量的直线来确定在这两个已知量之间的一个未知量的值的方法。已知二维直角坐标系中的两点A(x0,y0)与B(x1,y1)，要得到[x0,x1]区间内某一位置x在直线上的值。

令则有：

y＝y₀+a(y₁-y₀)。

线性拟合：

假设某项业务，在某时间段内采集数值个数为N，将业务数据Xi拟合成多项式，拟合时采用最小二乘法使误差水平最小。首先将有限的时间窗口范围内的本端与对端的冗余的计量数值序列拟合曲线，根据最小二乘法原理，设拟合多项式为：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+…a_kx^k

限的时间窗口范围内的各点到这条曲线的距离之和，即偏差平方和为：

为了求得符合的系数值，对等式右边求a_i的偏导数：

将解的a_i值代入，可以得到有限的时间窗口范围内的拟合多项式：y＝a₀+a₁x+a₂x²+…a_kx^k。

本实施例中采取直接数值对比法，假设本端数值序列如表2：

表2

假设冗余的计量数值序列如表3：

表3

有限时间窗口的时间范围为4s，即本端开始的有限时间窗口数值序列为t₁₁～t₁₃，构成向量，在冗余的序列中同样也用4s的有限时间窗口选取数值序列，选取t₂₁～t₂₅范围内和本端窗口中数值最为匹配的数值构成向量，则这两个向量的距离为：

冗余序列中窗口往右滑动，选取t₂₂～t₂₆范围内，则距离为：

选取t₂₃～t₂₇范围内，则距离为：

可见在t₂₃～t₂₇范围内，两个向量是一致的，其距离为0，即最小误差为0，通过对比从对端获得的冗余的采集数值序列，在有限的时间窗口内匹配获得采样数值序列之间的最小误差序列，最小误差序列之间的数值差为0，最小误差序列之间的时间差为：

t＝8:00:02-8:00:00＝0:00:02

滑动本端有限时间窗口，选取t₁₂～t₁₄，按此同样方法在冗余序列中查询到有最小误差的序列，直至有限时间窗口在本端滑动结束。

实施例4

本实施例中，在采集关口与被测对象之间进行最短路径的筛选，除去重复的，再查看各物理设备是否可以逻辑功能分割，将资源虚拟化，由单一的物理资源变成多个逻辑表示从而产生新的路径。根据采集网络中的物理设备和功能组件的可靠性和可用度动态配置冗余数据采集平面的物理设备，功能组件和协议栈。

本实施例具体步骤如下：

步骤1：将数据采集功能平面的拓扑结构依照从数据采集主站到计量终端，逐级划分为n级功能层次，每级功能层次具有m个冗余的物理设备，n级功能层次自主确定其层次中的冗余功能平面拓扑配置，每级功能层次中m个冗余的物理设备相互协商确定其层次中的冗余功能平面拓扑配置，本实施例中假设从数据采集服务器开始到数据采集对象结束共有4级功能层次，即n＝4，每级功能层次具有4个冗余的物理设备，即m＝4；

步骤2：数据采集系统中的物理设备与相邻的功能层次以及与同相同功能层次的冗余物理设备之间建立通信连接，每个冗余物理设备向数据采集系统洪泛其与相邻的功能层次以及相同功能层次的冗余物理设备的端口连接拓扑，洪泛信息还包括了该物理设备的可靠性R和可用度A，每一设备的可靠性和可用性函数F(A,R)如表4所示：

表4

	设备1	设备2	设备3	设备4
					n＝0	F(0.99，0.2)
n＝1	F(0.45，0.2)	F(0.52，0.2)	F(0.01，0.25)	F(0.02，0.35)
					n＝2	F(0.45，0.2)	F(0.4，0.2)	F(0.05，0.3)	F(0.04，0.3)
n＝3	F(0.99，0.2)

步骤3：数据采集系统中的物理设备接收其他物理设备洪泛信息，每级功能层次中4个冗余物理设备依据其可用度A的大小排序，4级功能层级依据不同功能层级的可靠性R大小排序，设定采集功能平面的可靠性门限区间为δ[R_min,R_max]＝δ[0.82,0.84]，和最小可用度门限为A_min＝0.3；

步骤4：每个功能层级的物理设备依据洪泛信息所建立的数据采集系统设备拓扑图，在满足最小可用度门限条件下，计算从数据采集服务器到被计量对象之间的最大可靠性路径，每一层级中的物理设备的可靠性为并联关系，则第i级可靠性应为该层级中所有物理设备的可靠性之和：

R_i＝R_i1+R_i2+…+R_in

而层级之间的可靠性应为串联关系，即n级功能层次的路径最大可靠性计算公式为：

R＝R₁×R₂×…×R_i×…×R_n

在本实施例中4级功能层次的路径最大可靠性为：

A＝(0.99)×(0.45+0.52+0.01+0.02)+(0.45+0.4+0.05+0.04)+(0.99)＝0.921294

步骤5：用最大可靠性路径的可靠性R作初步判决，最大可靠性路径的可靠性R大于拓扑结构最小可靠性门限，证明该平面可以实现，当可靠性R大于最大参考可靠性门限时，则对每层的可靠性进行排序，从可靠性最低层级开始更新该层级的冗余物理设备，第2层的可靠性在4层中最低，所以选择从第二层开始跟新设备；

步骤6：在步骤5中的每个功能层级内部的每个冗余物理设备之间，依据不同冗余物理设备的可用度大小，首先选择满足最小可用度的冗余物理设备，在第二层中，设备4的可用度为0.4最高，将设备4去除，则此时的可靠性为：

A＝(0.99)×(0.45+0.52+0.01+0.02)+(0.45+0.4+0.05)+(0.99)＝0.88209

此时的可靠性仍大于最大可靠性门限，在对其进行优化，根据满足最小可用度的原则，选出设备3，此时的可靠性为：

A＝(0.99)×(0.45+0.52+0.01+0.02)+(0.45+0.4)+(0.99)＝0.833085

此时的可靠性A在可靠性区间δ[R_min,R_max]＝δ[0.82,0.84]中且可用度也接近最小可用度A_min＝0.3，此时该路径为最优路径；

步骤7：重复步骤4，步骤5和步骤6获得多条满足最小可靠性门限和最小可用度门限的冗余的次优路径，每个路径对应一个冗余数据采集功能平面，并根据上述步骤所选择最优路径和次优路径选配物理设备、功能组件和协议栈；

实施例5

鉴于分布在电力系统中各发电厂、变电站、调度中心的自动化设备和系统需要统一的时间进行数据采集，响应时间，分析计算。数据时间不一致将无法真实反映电力系统的运行状态。电网内大多是通过自假设GPS接收设备的方法获取全站基准时钟，并以主从方式对站内其他各装置进行统一对时，站控层设备和过程层合并单元多使用IEEE1588的网络对时方式或简单网络对时方法SNTP，间隔层设备多采用基于GPS的IRIG-B。而在此同步时间的方式中，由于GPS信号是无线电波传送的，不可避免地会受到各种干扰，甚至可能由于其他目的人为地使GPS信号中断，所以该同步方式存在随机性的时间不精确问题。

本实施例中现场侧的物理设备或功能组件之间通过现场通信总线相互对比时间和时钟，实现时钟系统的控制与管理。物理设备或功能组件之间的构成时钟关系树，位于时钟关系树下级的设备或功能组件同步于上级的设备或功能组件，位于时钟关系树同层级的设备或功能组件之间互同步，位于同一通信总线且没有时钟关系树继承关系的设备或功能组件之间互同步。终端的时钟主要来源于自身的静态精度和动态精度，如主站时钟源对时，时钟接收机的时钟精度以及本地的确定性时延抖动，像民用GPS接收机接收到的GPS时钟因星历误差、电离层误差等因素的影响，精度和稳定性难以得到保证且GPS接收机的秒时钟误差服从正态分布，GARMIN GPS25型接收机的时钟误差达几十甚至上百微妙。在本地区域内，将每一个终端时钟根据静态和动态精度相结合的评定方法给以权重值，将本地区域内的所有终端时钟加权平均得到一个参考的标签时间值，在终端处附上得到的标签时间上传给主站。假如本地区域内存在计量终端时钟A，时间为8:00:00，时钟方差为1，计量终端时钟B，时间为8:00:01，时钟方差为2，采集终端时钟C，时间为8:00:02，时钟方差为2，路由器时钟D，时间为8:00:01，时钟方差为1和通信终端时钟E，时间为8:00:00，时钟方差为0.5。根据静态精度和动态精度相结合的标准，给定计量终端时钟A的最高主时钟影响因素为1，给定计量终端时钟B的最高主时钟影响因素为2，给定采集终端时钟C的最高主时钟影响因素为1，给定路由器时钟D的最高主时钟影响因素为0.5，给定通信终端时钟E的最高主时钟影响因素为0.5。则各时钟的权值系数为：

给定的时钟权值上限为0.4，本地时钟都没有超过此上限所以不需要修正。则本地5台时钟进行时钟融合得出的时间为：

＝8:00:00×0.2+8:00:01×0.4+8:00:02×0.3+8:00:01×0.15+8:00:00×0.15≈8:00:01

将加权平均算出的标记时间值在每个终端的数据包报文中打上标签传送给主站。

实施例6

传统的数据采集功能平面是只有一个系统平面，如图5下行为计量终端设备或计量及量化功能组件，上行包括采集终端设备或数据采集功能组件，还有通信终端设备或通信传输功能设备组件，通过通信路由器连接采集关口。

本实施例提供如图5所示的冗余数据采集功能平面方法，与传统的采集功能平面相比，多了一层冗余的功能平面。其中的β平面为冗余数据采集功能平面，物理设备上可能与主用平面α不完全一样，但在功能方面与α平面是完全一致的。可以同时进行采集以及数据上的比对，及时发现α平面的故障，然后通过调用β平面的部分或全部功能，通过备用系统逐级逐段备份子系统关联，快速而有效的解决问题。同时，在β平面中还可以附加一个具备数据采集，通信传输的子功能平面γ，它并不是一个类似于α、β的完整平面，只具备部分功能，以防止α、β同时不能正常工作，更好的提高了整个采集系统的可靠性和容错率。这个采集功能平面有效解决了一般的冗余数据采集功能平面存在的问题：就是由于物理设备上的相同，两个平面发生故障时无法及时发现并且可能同时发生错误，效率大打折扣。本实施例的方法保证了功能方面是两平面一致，减小了同时发生错误的概率，提高了异构可靠性。

对于异构可靠性的计算，在集体的分析上，假设α平面上，采集关口机的可靠性和可用性为F(A11,R11)，通信路由器的可靠性和可用性为F(A21,R21)，通信终端设备或通信传输功能设备组件的为F(A31,R31)，采集终端设备或数据采集功能组件的为F(A41,R41)，计量终端设备或计量及量化功能组件的是F(A51,R51)(R11、R21、R31、R41、R51都是根据设备性能自身决定的)；同理，假设主用平面的相应功能设备可靠性和可用性为F(A12,R12)、F(A22,R22)、F(A33,R33)、F(A42,R42)、F(A53,R53)。其中在两个功能平面之间，通信终端和计量终端分别又多添加了一部设备，可用性和可靠性关系分别为F(A32,R32)和F(A52,R52)，如图上标出的结果。

对于整个平面的可靠性，就是结合设备的可靠性，再运用逻辑关系进行计算。一个数据包从一端发射到另一端，根据所走的路径不同，则异构系统的可靠性也不一样，因为同一总线的和跨平面运输的逻辑方式是不一样的。

如果报文或数据包，在一根总线上进行端到端的传输，就是不跨平面传输。拿α平面为例，在一根总线上是串联结构，则该异构的逻辑全为“与”。即异构可靠性计算方式如下：

P＝R11×R21×R31×R41×R51

若是没有限制在一根总线上进行传输，它可以走平面β或α平面，两个选择，是并联的结构，逻辑上是“或”的关系，每个阶段都是“或”的选择，此时需要将每层的物理设备单独拿出来分析其可靠性，拿计量终端这一层来说，它的可靠性为：

P₅＝1-(1-R51)×(1-R52)×(1-R53)

因为两平面中这一层只要有一个能走通就可以保证整个系统的可靠性了。

同样的逻辑思考方式，可以求出另外各层的可靠性计算：

采集终端或数据采集功能组件P₄＝1-(1-R41)×(1-R42)

通信终端或通信传输功能设备组件P₃＝1-(1-R31)×(1-R32)×(1-R33)

通信路由器P₂＝1-(1-R21)×(1-R22)

采集关口机P₁＝1-(1-R11)×(1-R12)

整个系统是必须每一环都通才可行，所以系统中每一环逻辑上是“与”的关系，类似一开始只走一根总线的情况，这时异构可靠性计算为：

P＝P₁×P₂×P₃×P₄×P₅

展开式为：

P＝(1-(1-R11)×(1-R12))×(1-(1-R21)×(1-R22))×(1-(1-R31)×(1-R32)

×(1-R33))×(1-(1-R41)×(1-R42))×(1-(1-R51)×(1-R52)×(1-R53))

如果有一层其中一个平面的功能出现了故障，数据包只能从另一个平面进行传输，这个时候某一层就没有选择了，总体可靠性会降低，这里假设主用平面β的采集终端或数据采集功能组件出现了故障，具体的异构可靠性计算方式为：

P＝(1-(1-R11)×(1-R12))×(1-(1-R21)×(1-R22))×(1-(1-R31)×(1-R32)

×(1-R33))×R41×(1-(1-R51)×(1-R52)×(1-R53))

所以，如果其他任何一个环节有故障可靠性的计算方式也是类似的。本实例针对冗余数据采集功能平面的可靠性计算做了详细解释，不同的系统其逻辑结构也是不一样的，但分析方式类似。

实施例7

本实施例中，冗余的通信终端设备或通信传输功能组件配置在一个采集终端设备内部，冗余配置通信终端之间可以现场通信总线连接，借助GCRA算法和漏桶算法思想对通信终端设备或通信传输功能组件之间相互监测和对比冗余通信传输信道的服务质量和可用度。

传统漏桶算法是通用信元速率算法GCRA的等效算法，用来确定信元k是否遵守合同。漏桶相当于缓存器，无论信元进来的速率有多快，都将以同一个按照流量合同约定的速率输出，设漏桶以每单位时间一个单位容量的连续速率输出，则时间和容量的单位可以归一化，当信元k在t₁到达时，漏桶的容量对每个遵守合同的信元增加一个增量I，这里增量I表示一个信元间隔时间内增加的信元，允许增量极限L表示漏桶的容积。当一个信元到达时，如果漏桶的容量小于或等于漏桶的容积L，则该信元遵守合同，否则该信元不遵守合同。漏桶的能力(信元计数的上限)应为L+I，漏桶算法的目的是为了对于网络流量进行限速。

而在本实施例中的关注点并不是数据流量，而是关注漏桶的容积L，发送端漏桶根据假设检验的所要求的虚警率和漏检率门限，在纽曼-皮尔逊准则下计算漏桶的最少数据报文数目为1500，而监测的时间窗口应具有随机化功能，防止通道两端同时发现故障且做出互斥的通道切换决策。本实施例中采用随机化函数random来实现，假设函数中物理帧的有效最小间隔min＝5ms，满足业务实时性需求的最大时间max＝10s，随机化函数的步长X为两者相除，监测的时间窗口借助函数random(X)，在函数中随机取值且根据退避原则避免重复，此处下行信道中在random(X)中随机取值为1000，在上行信道中随机取值为500，则：

T_下＝min·random＝5ms·random(2000)＝5s

T_上＝min·random＝5ms·random(2000)＝2.5s

根据最少数据报文数目和监测时间窗口时间，我们可以求得最少数据报文注入的速率

漏桶的总高度L与数据报文注入速率v₁＝300和T时间内在满足传输可靠性条件的允许下的最小数据报文注入速率v₂＝290相关，

L＝T·(v₁-v₂)＝5×10＝50

在源漏桶端，当前漏桶高度L'为监测时间窗口内最少数据报文注入数目总数减去数据承载报文数目，在监测时间窗口5s内，注入内1400个数据报文，则当前漏桶高度L'为，即需要发送专用监测报文数：

L'＝1500-1400＝100

于是我们在监测时间结束时发送数量等于漏桶剩余高度的专用监测报文，即发送了100个专用监测报文来保证根据假设检验的所要求的虚警率和漏检率门限计算漏桶的最少数据报文数。

在目的漏桶端，漏桶复制源漏桶参数，目的端的漏桶出口速率由接收到的数据报文控制，假设在时间窗口5s内，目的漏桶接收到的数据报文数为X(k)，k为不同的时刻，X表示当前桶内剩余容量，I为当前时刻相比前一时刻的增量，若漏桶溢出，则表明通信传输通道故障，反之正常。

1)首先，赋初值：X(k)＝[280,580,870,1160,1440]

2)当k＝1时，X(1)＝280，X＝300-280＝20＜L,I＝20，漏桶无溢出，传输正常；

3)当k＝2时X(2)＝580，X'＝300-(580-280)+20＝20＜L,I＝0，漏桶无溢出，传输正常；

4)当k＝3时X(3)＝870，X”＝300-(870-580)+20＝30＜L,I＝10，漏桶无溢出，传输正常；

5)当k＝4时X(4)＝1160，X”'＝300-(1160-870)+30＝40＜L,I＝10，漏桶无溢出，传输正常；

6)当k＝5时X(5)＝1440，X””＝300-(1440-1160)+40＝60＞L,I＝20，漏桶溢出，下行传输通道发生故障；

由于上行通信通道的监测时间为2.5s，在判决传输通道是否故障时所需时间较之下行短，在上行通道监测时间窗口结束时判定传输通道正常，则在下行通道监测发生故障后做出通道切换的决策。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种冗余数据采集系统，包括物理设备，物理设备包括位于现场侧的计量终端、采集终端以及通信终端，位于主站侧的通信路由器以及采集关口，其特征在于：所述冗余数据采集系统包括相互冗余的数据采集功能平面，相互冗余的数据采集功能平面之间是逐级进行备份。

2.根据权利要求1所述的冗余数据采集系统，其特征在于：所述数据采集功能平面还包括功能组件以及协议栈；所述功能组件包括计量及量化功能组件、数据采集功能组件及通信传输功能组件；所述协议栈包括计量协议，采集协议及通信传输协议；

所述冗余数据采集系统中至少包含一个具备完整数据采集功能的数据采集功能平面以及至少包含一个与具备完整数据采集功能的数据采集功能平面相互异构的冗余的数据采集功能平面；

所述相互异构的冗余的数据采集功能平面中采用了至少一种异构的物理设备，或异构的功能组件，或异构的协议栈；

所述相互异构的冗余的数据采集功能平面之间建立有解析冗余关系，冗余采集功能平面之间具备了数据值和数据时标的相互监督和重构的功能。

3.根据权利要求2所述的冗余数据采集系统，其特征在于：所述冗余的数据采集功能平面的现场数据采集设备是计量终端或采集终端，功能组件是计量及量化功能组件或数据采集功能组件；

相互冗余的数据采集功能平面之间的计量终端或计量及量化功能组件设置有现场通信总线，通过现场通信总线相互校验数据，建立跨不同数据采集功能平面的计量数据相关性分析能力，计量数据相关性分析能力包括相互监督，动态解析重构计量数值以及动态解析重构计量时标；

相互冗余的数据采集功能平面之间的采集终端或数据采集功能组件设置有现场通信总线通过现场通信总线相互校验数据发现并记录采集终端或数据采集功能组件错误，监督采集数值和采集时标，动态解析重构采集数据与采集时标，以及控制主备采集终端之间的切换或主备数据采集功能组件之间的切换；

相互冗余的数据采集功能平面之间的采集终端与计量终端之间设置有现场通信总线；或数据采集功能组件与计量及量化功能组件之间设置有现场通信总线；通过现场通信总线建立跨不同数据采集功能平面的计量数据相关性分析能力，计量数据相关性分析能力包括相互监督，动态解析重构计量数值以及动态解析重构计量时标，控制主用与备用计量终端之间的切换或主用与备用计量及量化功能组件之间的切换。

4.根据权利要求3所述的冗余数据采集系统，其特征在于：冗余的物理设备之间或冗余的功能组件之间采用解析冗余获得数据之间的解析相关性；

冗余的同构物理设备之间或冗余的同构的功能组件之间采用有限长度数值序列对比方法相互校验数据；

冗余的异构的物理设备之间或冗余的异构的功能组件之间采用解析冗余的拟合曲线对比方法相互校验数据。

5.根据权利要求2所述的冗余数据采集系统，其特征在于：所述相互冗余的数据采集功能平面冗余的是通信终端或通信传输功能组件，实现数据采集现场与数据采集主站之间的通信连接；

冗余配置通信终端之间连接有现场通信总线，通信终端之间或通信传输功能组件之间相互监测，对比相互冗余通信传输通道的服务质量和可用度，实现主备通信传输通道切换。

6.根据权利要求3-5任一所述的冗余数据采集系统，其特征在于：现场侧的物理设备之间或功能组件之间通过现场通信总线相互对比时间值和时钟值来实现时钟系统的控制与管理；

物理设备之间或功能组件之间的构成时钟同步关系树，位于时钟同步关系树下级的物理设备或功能组件同步于上级的物理设备或功能组件，位于时钟同步关系树同层级的物理设备或功能组件之间互同步，位于同一现场通信总线且没有时钟关系数继承关系的物理设备或功能组件之间互同步。

7.一种冗余数据采集系统的运行使用方法，其特征在于：冗余数据采集系统的使用方法基于权利要求1-6任一所述的冗余数据采集系统，方法包括：

步骤一，物理设备或功能组件自检和自评估，当自检结果和自评估结果不满足可靠性和可用度指标，则触发冗余物理设备或功能组件的主用倒换成备用或主用与备用之间负荷分担，倒换或负荷分担的过程采用主用与备用之间的互控逻辑实现或由上级设备的统一控制逻辑实现；

步骤二，物理设备和功能组件实时监测和评估相互冗余中对端的冗余物理设备或功能组件，当判断冗余物理设备或功能组件不满足可靠性和可用度指标，则触发冗余物理设备或功能组件的备用倒换为主用或主用备用负荷分担，倒换或负荷分担的过程采用主用与备用之间互控逻辑实现或由上级设备的统一控制逻辑实现；

步骤三，上级的物理设备或功能组件直接获取下级的物理设备或功能组件的状态信息，或是上级的物理设备或功能组件根据本级的物理设备或功能组件工作状态推断出下级的物理设备或功能组件的工作状态，上级的物理设备或功能组件直接控制下级的物理设备或功能组件的主备冗余倒换或负荷分担；

步骤四，根据冗余数据采集系统中的物理设备和功能组件的可靠性和可用度动态配置冗余数据采集平面的物理设备，功能组件和协议栈。

8.根据权利要求7所述的冗余数据采集系统的运行使用方法，其特征在于：采用步骤四中配置出多个冗余数据采集系统的采集功能平面，步骤四包括为使用于测试目的沙箱进行封装的如下步骤：

步骤4.1，将数据采集功能平面的拓扑结构依照从数据采集主站到计量终端，逐级划分为n级功能层次，每级功能层次具有m个冗余的物理设备，n级功能层次自主确定其层次中的冗余功能平面拓扑配置，每级功能层次中m个冗余的物理设备相互协商确定其层次中的冗余功能平面拓扑配置；

步骤4.2，数据采集系统中的物理设备与相邻的功能层次以及与同相同功能层次的冗余物理设备之间建立通信连接，每个冗余物理设备向数据采集系统洪泛其与相邻的功能层次以及相同功能层次的冗余物理设备的端口连接拓扑，洪泛信息还包括了该物理设备的可靠性和可用度；

步骤4.3，数据采集系统中的物理设备接收其他物理设备洪泛信息，每级功能层次中m个冗余物理设备依据其可用度大小排序，n个功能层级依据不同功能层级的可靠性大小排序，设定采集功能平面的最小可靠性门限，最大参考可靠性门限，最小可用度门限；

步骤4.4，每个功能层级的物理设备依据洪泛信息所建立的数据采集系统设备拓扑图，在满足最小可用度门限条件下，计算从数据采集服务器到被计量对象之间的物理设备或功能组件所组成的最大可靠性路径；

步骤4.5，当最大可靠性路径的可靠性大于最大参考可靠性门限，则依据n个功能层级的可靠性大小顺序，从可靠性最低层级开始更新该层级的冗余物理设备，降低可靠性直至到达最大参考可靠性门限与最小可靠性门限之内，或者完成该层级所有冗余物理设备的匹配，从而获得从数据采集服务器到被计量对象之间的数据设备所组成的最优路径，如果没有最优路径，则将最大可靠路径设定为最优路径；

步骤4.6，在步骤4.5中的每个功能层级内部的每个冗余物理设备之间，依据不同冗余物理设备的可用度大小，首先选择满足最小可用度门限且可用度最小的冗余物理设备；

步骤4.7，重复步骤4.4，步骤4.5和步骤4.6获得从数据采集服务器到被计量对象之间的数据设备所组成的多条满足最小可靠性门限和最小可用度门限的冗余的次优路径，最优路径与每个次优路径分别对应一个冗余数据采集功能平面，并根据上述步骤所选择最优路径和次优路径选配物理设备、功能组件和协议栈；

步骤4.8，根据沙箱环境要求，重新定义主用数据采集功能平面与作为沙箱环境的冗余的数据采集功能平面之间的现场通信总线的联系，将该现场通信总线配置为测试状态，测试状态只接收主用数据采集功能平面的计量数值，采集数值，通信数据包，不接收控制信息，也不向主用数据采集功能平面发送数据和控制信息，防止触发主用平面的自动主备倒换；

其中，n和m为正整数。

9.根据权利要求8所述的冗余数据采集系统的运行使用方法，其特征在于：所述运行使用方法还包括实现数据采集主站与数据采集现场之间通信传输通道的状态获取，连续监测，以及冗余传输通道的实时切换；

通信传输通道的发送端发送数据报文，数据报文包括数据承载报文以及监测报文，接收端采用概率假设检验规则判断未接收到的数据报文总数；

通信传输通道的发送端按照虚警率和漏检率门限在有效时间窗口发送报文序列，当接收端未接收大于故障判决门限数量的数据报文序列则判断通信传输通道故障；

通信传输通道采用双工通信模式，首先发现故障端启动通道切换，并在已切换的通信传输通道向对端通告对端其切换决策信息，实时实现双端自主切换；

采用通信传输通道所承载的数据业务报文与用于通道状态主动探测为目的监测报文结合，通过双端随机双漏桶算法实现通信传输通道状态连续监测，以及防止双端自主切换冲突；

发送端漏桶根据假设检验的所预设的虚警率和漏检率门限计算漏桶的平均注入速率，所述平均注入速率作为正确判断通信传输通道故障所需要的最小的发送报文序列速率；

发送端漏桶的高度为监测时间窗口内最少报文数目总数减去最小数据承载报文数，监测时间窗口随机化；

发送端漏桶的出口速率由数据承载报文控制，漏桶的出口速率不超过最小数据承载报文速率；

发送端在监测时间窗口结束时，以发送漏桶所剩余高度为基准发送不少于满足故障判决门限的数据报文总数减去漏桶出口数据承载报文总数的监测报文；

接收端漏桶复制发送端漏桶参数，当监测时间窗口结束时，如果漏桶溢出则判断通信传输通道故障，漏桶不溢出则判断通信传输通道正常。

10.根据权利要求9所述的冗余数据采集系统的运行使用方法，其特征在于：所述使用方法还包括：

采集现场冗余的物理设备之间，或解析冗余的功能组件之间相互监督现场获取数据，且将不可篡改的监督校验结果实时上报采集主站设备；

监督校验结果实时上报时，监督者采用监督者所在的与被监督者物理独立的通道向主站汇报，或共享被监督者的物理通道且独立的加密逻辑通道向主站汇报，或将带有监督者的数字签名的监督信息附加在被监督者的物理通道及逻辑通道向主站汇报；

监督校验结果包括时标和数值两个维度信息，采用数字签名保障数值和时标的不可篡改。