CN110959271B - 用于从电力监控器通过无线系统提供波形的系统和方法 - Google Patents

用于从电力监控器通过无线系统提供波形的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种通过无线网络协议监控电力系统的方法。所述方法包括：接收包含电力事件的输入波形数据；捕获接近所述电力事件的所述波形数据的成对窗口，确定所述波形数据的各所述成对窗口的散列；将各确定的各所述成对窗口的散列、与先前遇到的事件的散列库进行比较；以及基于各确定的各成对窗口的散列的比较，通过所述无线网络协议将所述成对窗口中至少一个的原始波形传输到事件检测系统。

Description

用于从电力监控器通过无线系统提供波形的系统和方法
背景技术
技术领域
本公开涉及电力系统，并且更具体地，涉及用于波形在诸如长期演进(Long TermEvolution,LTE)的无线系统上的传输的系统和方法。
相关技术
在相关技术的实现中，智能电表记录电能的消耗，并正在迅速代替诸如间隔或按时计价(time-of-use)电表的传统机电表。智能电表对各种客户类别(住宅、商业和工业)都具有吸引力，因为它们可以提供传统电表无法提供的特征，例如自动电表读取、实时或近实时传感器、断电通知、远程报告和电力质量监控。此外，智能电表可以以双向无线通信的方式在电表与电力公司之间通信有关能耗的信息，从而便于监控和计费(billing)。然而，典型的智能电表的受限之处在于，它被设计为仅计算整个结构的功耗(瓦特数)。
在相关技术的实施方式中，智能电表生成电压和功率读数，该电压和功率读数被记录为要流传输到数据处理系统的波形。这样的波形还可携带关于事件的信息，这些事件可以向数据处理系统警告被监控的电力系统的异常或其他问题。
发明内容
随着诸如LTE之类的无线传输系统的最新发展，智能电表已经可以无线传输数据。然而，这样的无线系统的带宽成本相比于其有线的对应成本(couterparts)是更加高昂的。特别地，由智能电表记录的波形可能成本较高而无法通过诸如LTE的系统进行无线传输。
本文描述的示例性实施方式针对波形处理和传输系统，该波形处理和传输系统以有效的方式利用无线传输，使得由智能电表记录的波形能够以成本有效的方式传输至数据处理系统。
附图说明
图1示出了根据示例性实施方式的智能仪表的示例图。
图2示出了根据示例性实施方式的用于波形字典(waveform dictionary)的管理信息的实施例。
图3示出了根据示例性实施方式的流程图。
图4示出了可以在其上应用示例性实施方式的示例性系统。
图5示出了具有适用于一些示例性实施方式的示例性计算机设备的示例性计算环境。
具体实施方式
以下详细描述提供了本申请的附图和示例性实施方式的更多细节。为了清楚起见，省略了附图之间冗余元件的附图标记和描述。整个说明书中使用的术语作为示例提供，且不旨在进行限制。例如，术语“自动”的使用可以包含全自动或半自动的实施方式，该全自动或半自动的实施方式涉及用户或管理员对实施方式的某些方面的控制，这取决于实践本申请的实施方式的本领域普通技术人员之一所期望的实施方式。选择可以由用户通过用户界面或其他输入手段来进行，或者可以通过所期望的算法来实现。可以单独或组合使用如本文描述的示例性实施方式，并且示例性实施方式的功能可以通过根据所期望的实施方式的任何手段来实现。
图1示出了根据示例性实施方式的能量监控器。该能量监控器可以具有方形形状因数(form factor)，并且可包括通信/数字层100，该通信/数字层包含CPU 101、传感器阵列102、基带处理器103和存储器104。来自能量监控器的第二级120的数据以数字信号的形式被送至传感器阵列102，该信号流传输(streamed)至存储器104并由CPU 101处理，以被制备成供诸如电力监控系统的接收装置使用的格式。然后，处理过的数据通过基带处理器103传输至接收装置，该处理过的数据可以实现为诸如LTE的无线协议上的流传输数据或批数据(batch data)。从传感器阵列102接收的数据可以包括以例如60赫兹(Hz)的固定采样率报告的频率、电压和功率数据。在一些实施方式中，可选地，可以报告电流数据、并基于接收到的电压和电流数据来计算功率数据。数据可以是历史数据、流传输数据、或这两者。
通信/数字层100连接至印刷电路板(Printed circuit board,PCB)，该印刷电路板还包含LED光环111，该LED光环配置为根据所接收的不同信号和从该通信/数字层100获取的状态来激活LED。
第二级120可包含模拟信号系统，该模拟信号系统配置为通过模拟/数字转换器121将数字信号提供给通信/数字层100。第二级120包括高压隔离(high voltageisolation)122，该高压隔离将高压与能量监控器的其余部分隔离；电力管理单元123，该电力管理单元123配置为接收来自电力线/电力网/电力系统的电压测量和其他测量。连接器124为用于连接至电力线/电力网/电力系统的传感器阵列的连接器端口，该连接器端口可以采用HDMI连接器端口的形式。
示例性实施方式利用智能电表的操作环境，因为大多数记录的波形趋于落入预期操作参数的变化内。这样，就有可能基于波形的某些参数(例如平均值、方差等)以字典形式表现出预期波形。示例性实施方式可以利用线性求解器(linear solver)以将波形和字典比较，随后通过LTE以流传输的方式将字典条目(dictionary entry)发送至数据处理系统。
图2示出了根据示例性实施方式的用于波形字典的管理信息的示例。在示例性实施方式中，预期通过能量监控器接收的各种波形与散列(hash)相关联。图2的信息可以存储在能量监控器的存储器104中。
图3示出了根据示例性实施方式的流程图。在301处，能量监控器以波形(例如功率、频率、电压)的形式接收来自传感器阵列102的输入。例如，该输入可以是8千赫兹原始ADC输出。在302处，用滑动窗口捕获事件的波形。该事件可以代表ADC输出的操作行为的统计变化。滑动窗口的长度可以根据所期望的实施方式来调整。
在303处，从各滑动窗口提取特征(例如平均值、方差等)。换句话说，在303处，滑动窗口的特征类型被确定为使得该滑动窗口可以被比较。在304处，对于能量监控器的各心跳(heartbeat)，滑动窗口由线性求解器处理，以基于图2的管理信息确定对于波形适当的散列。换句话说，随着过程转换至304，当事件被确认为已经发生时添加心跳。这些心跳将用于生成直到该事件之前已捕获的全部波形的折叠统计样本，并将该波形样本打包为一个波形模型描述，该波形模型描述为给定波形的平均标准偏差。
滑动窗口基本上为捕获波形的两个窗口，这些波形被某个空间隔开并将自己的统计模型折叠(例如，事件的前导窗口和尾随窗口(leading and trailing window))。该前导窗口和尾随窗口彼此略微比较，并且当这两个比较在设定量的时间(例如，延长的持续时间)内不匹配，那么现在发生的和不久之前发生的之间的统计差异是在304处触发该波形生成的事件检测。
该过程描述了压缩的第一阶段，该阶段可以将数据减少10000到1左右。第二阶段将其另外减小100到1个量级，这更多是波形缓存。因此，在第一模型产生心跳波形之后，将心跳波形提供给求解器并提炼为特定特征。在一些示例性实施方式中，可以使用波形形状作为特征，或者也可以使用傅里叶变换(FourierTransform)频率峰值。也可以使用其他特征或主成分分析过程。可以使用与唯一识别该波形有关的任何特征提炼，并且可以比较所产生的波形以确定这些特征与我们过去发送或捕获的波形库的缓存有多接近。
在305处，确定关于该散列是否为有效散列。如果对于全部这些特征存在足够接近的匹配，则该过程可以在305处确定散列基本上是有效的(是)。如果与带有我们过去发送的存储库中的某些内容的所有那些特征足够接近匹配，则过程300将转到框306，并发送散列、以及过去发送的或基本上将我们通常要发送到云的大多数数据保存的特征描述符(descriptor of the characteristics)。因此，过程进行至306以通过例如LTE的无线协议将散列与波形的特征一同传输。
相反地，如果与库中的任何一个都没有足够接近的匹配，那么新波形被提交至库，并在307处将该波形发送至服务器。换句话说，如果305为否，则过程300进行至307以传输对应滑动窗口的原始波形。
通过图3的流程的使用，基于与散列字典比较的波形处理，也可以便于事件检测。当检测的波形与字典中的波形不匹配时，则可以将该波形考虑为需要由数据处理系统的操作员评估的事件。因此，在示例性实施方式中，当需要传输滑动窗口的原始波形时，来自先前波形的历史特征可以与原始波形信息以及波形特征一起，被转递至数据处理系统。
以这种方式，原始波形不必持续传输至数据处理系统，反而可以基于对应的散列进行压缩。由于通过诸如LTE的协议的无线传输在很长的一段事件内可能相当昂贵，因此图3的压缩方案可以通过减少需要由能量监控器传输的数据而极大地减少成本。在无线协议的可用带宽有限的情况下，此类方案也可以提供帮助。很少有现有技术尝试以这种方式保存原始波形。
此外，通过该流程，如果波形没有变化，则能量监控器也可以省略波形散列以便为下一个周期节省传输带宽。在示例性实施方式中，如果后继窗口中检测到的波形与先前发送的散列没有变化，则反而可以将能量监控器配置为计算统计数字(例如平均值、方差、距先前波形的增值)、并将统计数字(waveform statistics)发送到数据处理中心。
一些相关技术可能会尝试向分钟时间戳(minutelytime stamp)一样聚合电力。然而，这些相关技术仅仅提取所期望的一个准确日期点(例如，分钟功率)并传输。在这些相关技术中没有有效的缓存。
本申请的示例性实施方式通过将可能需要的特征保存在云中用以机器学习来提供数据的根本不同的定义。因此，示例性实施方式可以提供更深级的数据。通过提供具有不同级别灵敏度的两个压缩阶段，可以保留数据的统计特征，并仍然获得由压缩提供的传输效率。
例如，在第一阶段期间，示例性实施方式可以捕获真实统计样本。在该阶段期间，重点是在事件边缘和系统对事件灵敏度如何之间划清界限。在一些实施方式中，可能需要较低级的灵敏度，因为如果错过事件，则能量仍然会被折叠到下一个事件中，并且不会存在能量信号的丢失。因此，在该阶段期间，3到5％的相似度可能是阈值。在该阶段中，平均10000个波形样本可以被收缩为单个缓存样本。
在第二阶段期间，可以使用高灵敏度的缓存，因为如果波形匹配缓存，则波形将被丢弃。在这种情况下，灵敏度可以为0.5-1％。在本申请的系统的示例性实施方式中，命中在缓存中的波形数量可以是98％，而未命中的为2％。
在附加的示例性实施方式中，即使波形对应于字典中的散列之一，也可以在波形的特征(例如平均值、方差)超过阈值参数时处理事件检测。由于该特征可以伴随窗口转递，因此数据处理系统可以确定波形是否在参数内。
此外，各能量监控器可能需要经历校准过程，使得波形得以精确记录并与字典中的正确波形散列相匹配。这样，存储器104还可以存储校准偏移，CPU 101利用该校准偏移，以提供由传感器阵列102提供的测量的偏移。该校准偏移可以在制造时被预编程在存储器104中。
在附加的示例性实施方式中，可以以最近最少使用(Least Recently Used,LRU)缓存的形式实现该存储器104，该最近最少使用缓存将波形与线性求解器保持并比较，以根据散列字典压缩波形。用这种方式，可以缓存波形、并以流传输过程实时处理波形。
图4示出了可以在其上应用示例性实施方式的示例性系统。该系统可以包括沿建筑物或区域的电力线施加的能量监控器、以及电气总线(指定为B)。事件检测系统是装置，该装置可以是根据期望的实施方式的任何系统形式(例如，计算机、数据中心等)。该事件检测系统可以配置为管理电力系统中的多个能量监控器，并可以包括物理中央处理单元(central processing unit,CPU)400、数据库401、输出接口(I/F)402、通信处理器403、输入I/F404和短期存储器405(例如缓存)。数据库401可以是一种或多种存储设备的形式，该存储设备配置为管理由能量监控器提供的数据测量。输出I/F402将诸如波形、和事件等的外部输出提供至事件检测系统的操作员。通信处理器403可以用作用于通过网络410接收来自能量监控器的数据并进行初步处理的接口。输入I/F 404提供用于来自操作员的输入的接口，包括键盘、触摸屏、和鼠标等。短期存储器405可以用作用于从能量监控器流传输的数据短期存储的缓存。
在示例性实施方式中，CPU 400将通过接收对应波形的散列和对应于该波形的统计数字，来处理来自各管理的能量监控器的测量。以这种方式，CPU 400不需要接收可能消耗无线带宽并变得过分昂贵的对应于能量监控器的所有原始波形。相反，CPU 400可以接收指定时间段的波形散列，以及波形统计数字(例如平均值、方差)，以确定波形的特征(例如能量监控器随着时间t检测波形x，该波形x具有平均值y和方差+/-z％)。因此，当在预期参数下操作时、或当检测预期波形时，CPU 400可以接收压缩的汇总(condensed summary)，这允许能量监控器通过诸如LTE的无线协议进行传输。
CPU 400可以配置为通过所接收的波形散列和统计数字与预期基线的统计比较来进行事件检测。当波形不在基线参数内时，则可以为操作员标记事件。
在一些示例性实施方式中，事件检测系统的一些组件可以远离其他组件定位。此外，一些组件可以通过与其他组件不同的实体来管理。例如，服务提供商可以管理一些组件，而客户可以管理其他组件。
根据计算机内操作的算法和符号表示来呈现详细描述的一些部分。图5示出了具有适用于一些示例性实施方式的示例性计算机设备505的示例性计算环境500。这些算法描述和符号表示是数据处理领域的技术人员所使用的、以将其创新的实质传达给该领域的其他技术人员的手段。算法是导致所期望的最终状态或结果的一系列定义的步骤。在示例性实施方式中，执行的步骤需要对有形数量进行物理处理，以获得有形结果。
计算环境500中的计算设备505可以包括一个或多个处理单元、核芯、或处理器510、存储器515(例如RAM、和/或ROM等)、内部存储520(例如磁性的、光学的、固态存储和/或有机存储)、和/或I/O接口525、任何这些都能够耦合到通信机构或用于传递信息的总线530上、或嵌入到计算设备505中。
计算设备505可以通信地耦合至输入/接口535和输出设备/接口540。输入/接口535和输出设备/接口540中的一者或两者可以为有线接口或无线接口，并且为可拆分的。输入/接口535可以包括物理的或虚拟的任何设备、组件、传感器或接口，其可以用于提供输入(例如按钮、触摸屏界面、键盘、指向/光标控制、麦克风、相机、盲文(braille)、运动传感器、和/或光学阅读器等)。
输出设备/接口540可以包括显示器、电视机、监控器、打印机、扬声器、或盲文等)。在一些示例性实施方式中，输入/接口535(例如用户界面)和输出设备/接口540可以嵌有计算设备505、或物理耦合至计算设备505。在其他示例性实施方式中，其他计算设备可以用作用于计算设备505的输入/接口535和输出设备/接口540，或提供用于计算设备505的输入/接口535和输出设备/接口540的功能。这些元件可包括但不限于已知的AR硬件输入，以便允许用户与AR环境进行交互。
计算设备505的实施例可包括但不限于高速移动设备(例如智能手机、车辆和其他机器中的设备、和由人类或动物携带的设备等)、移动设备(例如平板电脑、笔记本电脑、便携式电脑、个人计算机、便携式电视机、和收音机等)、以及不是为移动性而设计的设备(例如台式计算机、服务器设备、其他计算机、信息亭、嵌入和/或耦合有一个或多个处理器的电视机、和收音机等)。
计算设备505可以通信耦合(例如通过I/O接口525)至外部存储545和用于与任何数量的网络化组件、设备和系统通信的网络550，其包括一个或多个相同或不同配置的计算设备。计算设备505或任何连接的计算设备可以用作、或提供以下服务、或被称为：服务器、客户端、瘦服务器(thin server)、通用机器、专用机器或另一标签。
I/O接口525可以包括但不限于，使用任何通信或I/O协议或标准的有线和/或无线接口(例如以太网、802.11xs、通用系统总线、全球微波接入互操作性(WiMAX)、以及蜂窝网络协议等)，该通信或I/O协议或标准用于向和/或从计算环境500中至少所有连接的组件、设备和网络传递信息。网络550可以为任何网络或网络组合(例如因特网、局域网、广域网、电话网络、蜂窝网络、和卫星网络等)。
计算设备505可以使用计算机可用或计算机可读介质、和/或使用计算机可用或计算机可读介质来通信，计算机可用或计算机可读介质包括暂时性介质和非暂时性介质。暂时性介质包括传输介质(例如金属电缆、光纤)、信号、和载波等。非暂时性介质包括磁介质(例如磁盘和磁带)、光介质(例如CD、ROM、数字影碟、蓝光光盘)、固态介质(例如RAM、ROM、闪速存储器、固态存储)和其他非易失性存储或存储器。
计算设备505可以用于在一些示例性计算环境中实现的技术、方法、应用、过程、或计算机可执行指令。可以从暂时性介质检索计算机可执行指令，并将其存储在非暂时性介质中并从中检索。可执行指令可以源自一种或多种任意编程、脚本和机器语言(例如C、C++、C#、Java、视觉化Basic程式语言(Visual Basic)、Python、Perl、JavaScript及其他)。
处理器510可以在本地或虚拟环境中的任何操作系统(OS)(未示出)下执行。可以部署一个或多个应用，包括逻辑单元555、应用程序接口(application programminginterface,API)单元560、输入单元565、输出单元570、窗口捕获单元575、散列单元580和散列比较单元585、以及单元间通信机构(inter-unit communication mechanism)595，该单元间通信机构595用于不同单元彼此通信、与OS通信、以及与其他应用(未示出)通信。
例如，窗口捕获单元575、散列单元580和散列比较单元585可以实现图3中所示的一个或多个过程，并用作图1和图4的系统的一部分。所描述的单元和元件可以在设计、功能、配置、或实施上改变，且不限于所提供的描述。
在一些示例性实施方式中，当API单元560接收到信息或执行指令时，该API单元560可以与一个或多个其他单元(例如窗口捕获单元575、散列单元580和散列比较单元585)通信。例如，窗口捕获单元575可以将接收到的波形数据解析成围绕事件的一对或多对窗口。这些成对窗口可以提供至散列单元580以生成各窗口的散列。此外，各窗口的散列可以提供至散列比较单元585，该散列比较单元585将生成的散列与存储在字典库中先前遇到的事件的散列进行比较。此外，散列比较单元585也可以将各对中的每个窗口的散列相互比较。基于该比较，输出单元570可以通过无线传输协议传输数据和/或散列。
在一些实例中，逻辑单元555可以配置为控制单元之间的信息流，并定向由以上描述的一些示例性实施方式中的API单元560、输入单元565、窗口捕获单元575、散列单元580和散列比较单元585提供的服务。例如，一个或多个过程或实施方式的流程可以通过逻辑单元555单独或与API单元560结合来控制。
虽然示出了和描述了一些示例性实施方式，但是提供这些示例性实施方式是为了将本文描述的主题传达给熟悉该领域的人员。应当理解的是，本文描述的主题可以以各种形式实现，而不限制于示例性实施方式所描述的示例性实施方式。可以在那些没有具体定义或描述的主题的情况下、或者在没有描述的其他或不同元件或主题的情况下，实践本文所描述的主题。熟悉本领域的人员将理解的是，可以在不脱离如所附权利要求及其等同物所定义的本文所述主题的情况下，在这些示例性实施方式中进行变化。
除非另有特别说明，否则从讨论中可以明显看出，应当理解的是，在整个描述中，利用诸如“处理”、“计算(computing)”、“运算(calculating)”、“确定”、或“显示”等术语的讨论可以包括计算机系统或其他信息处理设备的行为和过程，其他信息处理设备将表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据操纵并转换为类似地表示为计算机系统的存储器或寄存器或其他信息存储、传输、或显示设备内的物理量的其他数据。
示例性实施方式还可以涉及用于执行本文中的操作的装置。该装置可以为所需目的专门构造，或者该装置可以包括由一个或多个计算机程序选择性激活或重新配置的一个或多个通用计算机。这样的计算机程序可以存储在计算机可读介质中，例如计算机可读存储介质或计算机可读信号介质。计算机可读存储介质可以包含有形介质，例如但不限于光盘、磁盘、只读存储器、随机存取存储器、固态设备和驱动、或适用于存储电子信息的任何其他类型的有形或无形介质。计算机可读信号介质可以包括例如载波的介质。本文提出的算法和显示与任何特定计算机或其他装置没有固有的关联。计算机程序可以包含纯软件的实施方式，该纯软件的实施方式包含执行所期望的实施方式的操作的指令。
各种通用系统可以与根据本文的实施例的程序和模块一起使用，或者它可以证明构造更专门的装置类执行所期望的方法步骤是方便的。另外，没有参考任何特定编程语言来描述示例性实施方式。应理解的是，可以使用各种编程语言以事实如本文所描述的示例性实施方式的教导。该编程语言的指令可以通过例如中央处理单元(CPU)、处理器或控制器的一个或多个处理设备来执行。
如本领域已知的，以上描述的操作可以通过硬件、软件或者硬件及软件的一些组合来执行。示例性实施方式的各个方面可以使用电路和逻辑设备(硬件)来实现，而其他方面可以使用存储在机器可读介质(软件)上的指令来实现，如果通过处理器执行，则这将会使处理器执行实施本申请实施方式的方法。此外，本申请的一些示例性实施方式可以仅在硬件中执行，而其他示例性实施方式可以仅在软件中执行。而且，所描述的各种功能可以在单个单元中执行，或者可以以多种方式分布在多个组件中。当通过软件执行时，该方法可以通过例如通用计算机的处理器、基于存储在计算机可读介质上的指令来执行。如果需要，则指令可以以压缩和/或加密的格式存储在介质上。
而且，通过考虑本申请的说明书并实践本申请的教导，本申请的其他实施方式对于本领域的技术人员来说是显而易见的。所描述的示例性实施方式的各种方面和/或组件可以单独使用，或者以任何组合使用。其旨在将说明书和示例性实施方式仅视为实施例，本申请的真实范围和精神由所附权利要求指示。

Claims (8)

1.一种通过无线网络协议监控电力系统的方法，所述方法包括：
接收输入波形数据，所述输入波形数据包含基于所述波形数据中的统计变化检测到的电力事件；
捕获接近所述电力事件的所述波形数据的至少一对成对窗口；
确定所述波形数据的各所述成对窗口的散列；
将各确定的各所述成对窗口的散列、与先前遇到的事件的散列库进行比较；以及
基于各确定的各所述成对窗口的散列的比较，通过所述无线网络协议将所述成对窗口中的至少一对成对窗口的原始波形传输到事件检测系统。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述捕获成对窗口包括：
捕获所述事件之前的波形数据的第一窗口；以及
捕获所述事件之前的波形数据的第二窗口。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述捕获接近所述电力事件的所述波形数据的所述成对窗口包括：检测各所述成对窗口中的所述波形数据的统计特征。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述捕获接近所述电力事件的所述波形数据的所述成对窗口包括：产生在各成对窗口期间捕获的全部波形的折叠统计样本，各折叠统计样本提供“心跳”信号，所述“心跳”信号代表所述成对窗口的各窗口的所述波形数据。
5.一种能量监控系统，其包括：
与电力系统耦合的传感器阵列；和
处理器，其配置为：
从所述传感器阵列接收输入波形数据，所述输入波形数据包含基于所述波形数据中的统计变化检测到的电力事件；
捕获接近所述电力事件的所述波形数据的成对窗口；
确定所述波形数据的各所述成对窗口的散列；
将各确定的各所述成对窗口的散列、与先前遇到的事件的散列库进行比较；以及
基于各确定的各所述成对窗口的散列的比较，通过无线网络协议将所述成对窗口中的至少一对成对窗口的原始波形传输到事件检测系统。
6.根据权利要求5所述的能量监控系统，其中，所述捕获成对窗口包括：
捕获所述事件之前的波形数据的第一窗口；以及
捕获所述事件之前的波形数据的第二窗口。
7.根据权利要求5所述的能量监控系统，其中，所述捕获接近所述电力事件的所述波形数据的所述成对窗口包括：检测各所述成对窗口中的所述波形数据的统计特征。
8.根据权利要求7所述的能量监控系统，其中，所述捕获接近所述电力事件的所述波形数据的所述成对窗口包括：产生在各成对窗口期间捕获的全部波形的折叠统计样本，各折叠统计样本提供“心跳”信号，所述“心跳”信号代表所述成对窗口的各窗口的所述波形数据。
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