一种广域工业控制网络的统一采集系统及其采集方法与流程

本发明涉及工业互联网领域的广域工业控制网络的数据采集，具体涉及一种广域工业控制网络的统一采集系统及其采集方法。

背景技术

工业互联网实现了广域工业控制，实现工业生产全流程、全区域的信息协调。例如在智慧水务和智能电网的信息化中，生产流程的各个环节之间实现信息共享，从而从传统的局域的内环自动控制向全流程、全区域的多目标优化的广域工业控制发展。这需要广域工业控制网络的统一信息采集系统支持，获得生产过程的运行状态、设备状况等生产现场信息，从而实时调整优化生产过程实现多目标优化。而传统的信息采集系统则是由各个生产环节的局部独立实现信息采集，再通过不同生产系统的业务主站之间实现信息交换。

传统的业务及采集系统从本质上是信息之间的“弱相关”，主要技术问题包括网络结构冗余、设备复杂、系统运维成本高，数据质量低，不能实现高实时性、高精度的数据采集。以能源互联网的电力实时交易系统为例：电力实时交易系统与电网调度系统之间分别采用物理装置独立并且信息逻辑独立的电力应用及采集系统。电力实时交易系统独立采集用电信息，根据需求与供应量的关系，实时调整供电价格引导用户改变用电量与用电时间，实现有效的需求侧管理；而电网调度系统则根据发电、输电、变电能力与负荷水平调整运行方式。因此，电力实时交易系统与电网调度系统之间的信息准确性、实时性将影响整个电网的“供需平衡”与“安全运行”。

为此，需要提供一种数据质量高、数据处理代价低、网络结构简单的广域工业控制网络的统一采集系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在数据处理代价大、网络结构复杂的技术问题。提供一种新的广域工业控制网络的统一采集系统，该统一采集系统具有数据处理代价低、结构简单的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种广域工业控制网络的统一采集系统，连接有多个业务主站，统一采集系统包括多个现场采集实体，所述广域工业控制网络的统一采集系统还包括连接在各个业务主站和现场采集实体之间的统一采集主站；所述统一采集主站用于通过通信传输获得现场采集实体的计量数据，根据计量数据进行数据融合计算获得统一的采集数据。

本发明的工作原理：统一采集主站实现信息采集过程的统一控制与协调，从而保证不同采集实体之间计量数据的“计量信息”关联、“设备信息”的关联，进而保障了不同业务应用系统应用数据之间信息的“强相关”。统一现场采集实体采用具有空间和时间维度的计量方法，采用业务采集与通信传输融合的通信方法，获得实时，可靠，强相关的工业现场计量数据。统一采集主站采用数据融合方法获得采集数据的数值，数值可信度，时间，时间可信度特征，根据业务主站的应用要求改变现场采集实体的参数配置。进一步地，还可以提供经过筛选和数学计算并满足业务主站的数值精度及时间精度要求的应用数据。

本发明中各个业务主站均可使用同一套采集系统，满足各个业务主站之间的不同业务应用对工业现场数据采集的需求。设置有实现工业现场数据处理过程的数据展示层，数据分析层和数据基础层；数据基础层由数据预处理子层、采样测量子层以及设备状态子层组成。在数据展示层建立各个业务主站所需的应用数据与统一采集系统的统一采集主站的采集数据之间的相关性，即统一的采集主站的采集数据解析为不同业务主站应用数据。在数据分析层建立统一采集系统内部的统一采集主站的采集数据与现场采集实体的计量数据之间的相关性，即：将时间和空间不一致的采集现场计量数据经过时间和空间解析变换成具备时间和空间一致性的统一采集主站的采集数据。

上述方案中，为优化，进一步地，所述现场采集实体包括计量终端，采集终端，终端适配单元以及通信终端；所述统一采集主站包括采集服务器、采集协调器、采集数据库、采集会话代理、采集通信代理以及采集通信前置机；所述统一采集主站可采用集中式部署和分布式部署，集中式部署时采集服务器实现采集服务器的功能以及采集协调器的功能，分布式部署采集协调器与采集服务器相互独立；所述采集服务器具有计算网络协议的数据平面功能；所述采集协调器具有计算机网络协议的控制平面功能。

数据平面功能包括数据平面的计量数据汇聚功能，将计量数据集中处理成为采集数据功能，进一步将采集数据处理成为应用数据功能。

控制平面功能包括控制平面的计量数据采集连接过程控制，配置所需计量数据的计量精度，采样频率，采样起始和终止时间，配置所需通信网络的传输通道，带宽，qos，tcp/ip连接参数，获取时钟同步系统的业务主站与采集主站之间的时钟误差，采集主站与通信主站之间的时钟误差，采集主站与计量终端之间的时钟误差，通信主站与通信终端之间的时钟误差。

进一步地，所述通信终端为单模通信终端或多模通信终端，所述采集会话代理和采集通信代理设置在统一采集主站侧，终端适配单元设置在现场采集实体侧；所述采集会话代理独立或与终端适配单元共同建立针对采集事务协商处理的会话层；所述会话层用于匹配确定的采集协议以及采集协议的执行过程，用于配合采集通信协议实现统一采集主站与现场采集实体之间建立采集会话协商以及采集会话过程控制；通信终端为多模通信终端，所述采集通信代理与终端适配单元建立有针对通信传输的连接控制，用于多模通信终端异网异构通信承载条件下的tcp/ip连接维护。

本发明中采集会话事务的过程执行以及采集业务报文的处理包括以下步骤：

步骤1，依据采集协议类型和采集会话事务状态机，直接配置通信网络设备或者通过采集通信代理间接配置通信网络设备的通信传输连接参数；

步骤2，根据采集协议类型和采集会话事务状态机的可靠性要求配置会话事务报文在时间域上的fec重传，包括确定和随机重传，arq反馈重传，时间序列交织参数，即在确定的采集数据事务时延范围，通过将具有计量数据时标时间序列的采集业务报文，随机化后封装到通信数据包序列中，以防止通信传输信道突发连续性丢包；

步骤3，匹配采集业务报文的通信协议类型以及会话事务类型，过滤事务id号和计量数据时标；

步骤4，依据通信协议类型和会话事务类型，匹配采集会话代理内部的会话状态控制模板，以确定会话过程的暂停，恢复和终止；

步骤5，依据事务id号和计量数据时标，对采集业务报文重新排序，防止因为采集业务报文的时间序列交织，或者因为通信传输路由时延差别所造成的采集业务报文乱序，从而保障采集过程的时序逻辑一致性。

步骤6，协助采集服务器和采集通信代理，匹配采集业务报文中的计量时标与通信数据包中的通信时标。

通信传输的连接控制包括以下步骤：

步骤1，匹配采集服务器所建立的tcp/ip或者udp/ip连接或者逻辑链路连接，配置物理承载信道参数，包括物理承载信道选择和路由策略选择以及qos保障策略；

步骤2，针对异网异构的多个物理承载信道条件，建立关联物理承载信道的多个异网tcp/ip连接，进一步建立采集服务器的tcp/ip连接与采集通信代理的多个异网tcp/ip连接对应关系；

步骤3，针对多个物理承载通道组合，采用空间分集发送通信数据包，即在确定的传输时延允许范围内将具有通信时标时间序列的通信数据包序列，随机化或者确定化交织重新排序后推送至异网异构的不同物理承载通道中，以防止通信承载信道突发连续性丢包，进一步匹配采集服务器的tcp/ip连接与异网异构物理承载信道的tcp/ip连接，实现通信数据包的tcp/ip端口地址的nat转化保障转换前后的端口地址正确，tcp报文序号转化保障转换前后的tcp序号连续；

步骤4，依据通信协议类型和tcp连接状态，匹配采集通信代理内部的tcp状态控制模板，确定tcp连接过程的暂停，恢复和终止；

步骤5，依据通信时标或者解析交织算法，对通信数据包重新排序，防止因为在异构物理传输空间分集发送通信数据包，或者因为通信传输路由时延差别所造成的乱序，从而解决统一采集系统的通信传输时序逻辑错误。

步骤6，协助采集服务器和采集会话代理，匹配采集业务报文中的计量时标与通信数据包中的通信时标。

进一步地，所述统一采集系统的时钟体系包括存在相关性的采集业务时钟体系与通信传输时钟体系，业务主站时钟体系与采集业务时钟体系，所述时钟体系包括时钟频率，时间以及时标；所述采集业务时钟体系包括采集业务内部的计量终端时钟和采集终端与采集主站时钟；所述通信传输时钟体系包括通信传输内部的通信终端时钟和接入网时钟与通信主站时钟；所述统一采集主站还用于依据采集主站时钟与通信主站时钟之间偏差解算采集业务时钟体系与通信时钟体系之间的关系，以及用于依据采集主站时钟与业务主站时钟之间的偏差解算采集业务时钟体系与业务应用时钟体系之间的关系。

本发明提供一种广域工业控制网络的统一采集系统的采集方法，所述采集方法基于前述的广域工业控制网络的统一采集系统，采集方法包括：

步骤1，统一采集主站建立现场计量数据之间的强相关性，获得采集数据；

步骤2，统一采集主站根据业务应用需求向业务主站提供所需的应用数据，包括应用数据值，数据置信空间。

进一步地，所述强相关性包括采集数据，由统一采集主站计算出的采集数据的数值以及数据置信空间；所述数据置信空间包括数值可靠性和时间可靠性，采集数据的数值可靠性由计量数值可靠性和通信传输可靠性融合计算得到；所述计量数值可靠性包括计量测量误差以及计量数据采样量化误差；所述通信传输可靠性包括传输过程中错包率及丢包率。

进一步地，所述采集数据的时间可靠性的计算包括：

步骤a1，由现场采集实体标识采集业务报文中计量数据的计量时标以及时标误差，通信数据包的通信时标以及时标误差；

步骤a2，统一采集主站建立采集主站时钟与通信主站时钟之间的关联性，统一采集主站或业务主站解算采集主站时钟与通信主站时钟之间的关联性，完成从计量数据的计量时标到采集数据时标之间的时标校正。

进一步地，所述步骤a2包括：

步骤a1，采集通信代理获取通信数据包的通信时标，采集服务器或采集会话代理从采集业务报文中提取计量数据的计量时标；所述通信时标表征通信数据包的开始组包时间，时间误差范围以及误差置信度；所述计量时标表征的当前计量数据开始计量时间，时间误差范围以及误差置信度；

步骤a2，采集服务器建立通信数据包中的通信时标与采集业务报文中的计量时标之间的相关群，统一采集主站采用数据融合算法解算采集数据时标；所述采集数据时标表征以采集主站时间为基准的采集数据产生时间、时间误差范围以及误差置信度。

进一步地，所述采集方法还包括统一采集主站计算业务主站所需应用数据的时间可靠性，包括：

步骤b1，统一采集主站获得业务主站的应用数据的时间以及时间误差精度的时间要求，计算出统一采集系统的采集数据时间与业务应用主站的应用数据时间之间的业务主站时间误差以及误差范围；

步骤b2，统一采集系统主站依据应用数据的时间可靠性要求和业务主站时间误差以及误差范围，采用数据融合方法修正提供给业务主站的应用数据的时间以及时间误差，完成业务主站所需应用数据时标的校正；所述应用数据时标表征以业务主站时间为基准的应用数据的标定时间、时间误差范围以及误差置信度。

进一步地，所述采集方法还包括计算业务主站所需应用数据的数值，以及计算应用数据的数值可靠性：

计算应用数据数值包括：统一采集主站或者由业务主站根据应用数据的标定时间要求，数值精度以，可靠性要求，以及采集数据的时间序列集合，采用数学插值计算方法计算出以应用主站时间为基准的应用数据的数值；

计算应用数据数值可靠性是由统一采集主站或者由业务主站根据采集数据的数值可靠性计算。

进一步地，所述采集方法还包括：

统计采集主站根据业务主站的应用数据的数值精度和时间精度要求，闭环控制现场采集实体的采集参数，用于调整所获取的采集数据的数值精度和时间精度。采集参数可以包括计量数据的采集频度和数值精度，通信传输信道选择，信道带宽和传输qos参数。

本发明的有益效果：本发明中通过设置统一采集主站，统一采集主站建立强相关性来实现了对于业务主站的统一数据提供，避免了现有采集机构的设备复杂冗余，避免了计量数据处理代价大的问题。多个业务主站根据各自不同的业务应用数据需求，从统一个采集系统的采集数据中获取应用数据，避免了应用数据的不同源和重复采集。

本发明由统一采集系统的数据基础层获取采集现场工业网络及设备的计量数据，即在采集现场的设备状态子层标识工业网络及设备的状态和参数，采样测量子层通过对现场状态和参数的采样获取基础的计量信息，再由数据预处理子层加工成为在时间和空间可度量的计量数据。

数据分析层实现对计量数据加工获得所需的采集数据，包括计量数据的完整性，进行相应补采，在统一采集主站建立计量数据相关性分析，即时间和空间不一致的采集现场计量数据经过时间和空间解析变换成具备时间和空间一致性的统一采集主站的采集数据。在数据展示层建立各个业务主站所需的应用数据与统一采集系统的统一采集主站的采集数据之间的相关性，即统一的采集主站的采集数据解析为不同业务主站应用数据。同时为了提供应用数据的可信度，统一采集主站利用采集数据通过插值计算方法向业务主站提供应用数据以及应用数据的置信空间，置信空间用于表征应用数据的可信度继承了采集数据置信空间，包括应用数据的数值可靠性以及时间可靠性。

采集通信代理与终端适配单元配合建立针对通信传输的连接控制，实现包括异网异构通信承载条件下的tcp/ip连接维护，保证承载通道变化条件下的tcp/udp端口号地址一致性和tcp报文序号连续性保证，保证现有承载通道中断条件下的包括异构网络的备用承载通道的实时调整以及ip地址一致性。

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，基于独立业务应用的传统采集及应用系统示意图。

图2，采集与业务应用分离的统一采集系统的结构示意图。

图3，统一采集系统集中式部署模式示意图。

图4，统一采集系统分布式部署模式示意图。

图5，统一采集系统的网络网元关系uml图。

图6，统一采集系统时钟关系uml图。

图7，统一采集系统数据处理层级关系uml图。

图8，统一采集系统框架示意图。

图9，统一采集系统的时标处理流程图。

图10，统一采集系统的采集、通信、时钟设备部署关系示意图。

图11，统一采集系统的通信可靠性评估流程图。

图12，统一采集系统的统一采集主站建立采集业务报文与通信数据包关联群示意图。

图13，统一采集系统的数据报文和通信数据包封装处理数据流图。

图14，统一采集系统的时钟校正的数学融合计算的状态决策算法示意图。

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

传统的是基于独立业务应用的传统采集及应用系统如图1，业务系统内部共有采集和应用服务器，采集和应用数据库，不严格区分采集和应用，而不同业务系统之间则通过主站之间的soa总线实现数据共享。传统的采集结构之间既没有不同采集数据的数值及时间精度校正，也没有提供数据的可信度信息。因此，传统结构下不同的业务及采集系统从本质上是交互“弱相关”信息。

本实施例提供一种如图2及图8所示的采集与业务应用分离的统一采集系统，满足广域工业控制网络不同应用系统之间交互“强相关”信息的需求。

统一采集系统包含由现场采集实体和统一采集主站，统一采集系统连接有业务主站。统一采集主站通过通信传输获得现场采集实体的计量数据，并通过对现场采集实体的计量数据的数据融合计算从而获得统一采集主站的采集数据。

为了提高业务主站获取的应用数据精确性，进一步可通过对统一采集主站的采集数据的数学计算从而向各个业务主站输出所需的应用数据。

本实施例首先分离了业务应用与数据采集，通过统一的数据采集系统保障了不同业务应用数据“同源”。其次，现场采集实体的计量数据汇聚到统一采集主站综合分析处理，采用数据融合手段保障采集数据在时间和空间维度上的准确性和可靠性。

具体布置上，图3为本实施例中的统一采集系统集中式部署模式示意图，在该模式下，集中式的采集服务器采集并集中汇聚所有计量终端的计量数据，并按照不同业务的需求直接向不同的业务主站提供“强关联”数据信息，实现了采集服务器的功能和采集协调器的功能。

图4为本实施例中的统一采集系统分布式部署模式示意图，分布式的采集服务器分别汇聚不同区域或不同类型的计量数据，统一的采集协调器与各个分布式采集服务器建立控制信息交互，统一协调分布式采集服务器的数据采集过程。业务主站的对应用数据信息的采集均通过采集协调器下发至各个分布式采集服务器，指示分布式采集服务器向业务主站提供“强关联”数据信息。

在数据处理逻辑上，如图7所示，本实施例提供的统一采集系统和业务主站由数据基础层、数据分析层、数据展示层组成。数据基础层又分为设备状态子层、采样测量子层、数据预处理子层。

数据基础层用于获取现场工业网络及设备的计量数据，其中：设备状态子层是指计量实体现场获得的基础数据，例如来源于计量传感器的模拟值。采样测量子层数据是指经过采样量化处理后得到的数值。设备状态子层和采样测量子层得到的数值都是工业网络及其设备的运行状态和参数等本征属性数据。数据预处理层是指将采样测量子层上传的基础数据值经过物理特征的数值计算得到了电力采集系统规定的采集数据项。例如有功功率、功率因数等。

在数据分析层的数据，一般汇聚在采集主站集中处理。采集主站服务器根据量化误差、时钟误差、传输通道的稳定性等因素综合处理后得出处理后的采集数据。这些采集数据值的来源依旧是现场计量数据，计量数据经过误差修正和清洗，具备更高的数值精度及数值可靠性、时间精度及时间可靠性。

数据展示层提供在业务主站所需的应用数据，是根据各个业务主站自身的业务需求，对统一采集主站提供的数据进行数学计算后得到的最终数据，直接运用于业务应用服务。可以由采集服务器开展数据展示层的数学插值计算，提供业务主站的最终的应用数据，也可选择由采集服务器提供原始的采集数据，再由业务主站数学计算获得其应用数据。

本实施例的采集方法包括：

步骤1，统一采集主站建立现场计量数据之间的强相关性，获得采集数据；

步骤2，统一采集主站根据业务应用需求向业务主站提供所需的应用数据。

其中，强相关性包括采集数据，由统一采集主站计算出的采集数据的数值以及数据置信空间；所述数据置信空间包括数值可靠性和时间可靠性，采集数据的数值可靠性由计量数值可靠性和通信传输可靠性融合计算得到；所述计量数值可靠性包括计量测量误差以及计量数据采样量化误差；所述通信传输可靠性包括传输过程中错包率以及丢包率。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，进一步优化，提供关于数据置信空间的参数。本实施例给出的是计算时间可靠性参数的系统结构和方法。具体是将通信时钟与业务时钟融合计算，根据时间可靠性的置信空间，选择合适的时钟矫正方案。在本实施中，由精度高的通信时钟校正精度低的业务时钟。反之，也可以由高精度的业务时钟校正低精度的通信时钟。

数据置信空间包括数值可靠性和时间可靠性，数值可靠性：数值，数值误差，误差的置信空间。时间可靠性：数据时间质量的时标、时延抖动值，及其误差，误差的置信空间。

本实施例的业务应用数据的时间质量的解算方法：首先是获得基础的时间信息，分别从采集业务层、传输通信层；从应用主站、采集主站、通信主站、采集终端、通信终端；其次是建立采集与传输通信之间、主站与终端之间的时间联系包括数值以及误差的换算关系。

为此，本实施例在时钟设置上，统一采集系统包括业务的计量终端时钟与通信终端时钟，业务的计量终端时钟继承业务主站时钟，通信终端时钟继承通信主站时钟。统一采集主站内对采集主站时钟源与通信主站时钟源进行独立解算。

上述设置是为了提供采集业务与通信时钟关联。业务时钟体系部署在不同业务主站，是提供业务应用的时钟基础。采集时钟体系，包括采集协调器(服务器)时钟，采集和计量终端时钟。通信时钟体系包括通信主站时钟，通信接入时钟，通信终端时钟。本实施例的统一采集系统时钟结构如图6所示：

统一采集主站：由统一采集主站时钟源与通信主站时钟源组成，两种独立且具备解算时钟误差以及误差范围能力；

现场采集实体内部现场：由计量终端时钟与通信终端时钟组成。两者分别继承采集主站时钟与通信主站时钟，独立分别对采集业务报文的计量数据标记计量时标和对通信传输的通信数据包标记通信时标。计量时标标识了的该计量数据开始计量时间，时间误差范围以及误差置信度；通信时标标识了通信数据包的开始组包时间，时间误差范围以及误差置信度；

统一采集主站与业务应用主站之间，提供主站时钟源与业务系统时钟源之间的解算时钟误差以及误差范围能力及时间格式转换能力。

不同的业务主站有各自不同的业务时钟，统一采集主站时钟可以是根据某个业务时钟体系校准确定的，也可以是与业务主站一样，由统一时钟源校准。但是，各个业务主站的时钟信息必须跟采集主站的时钟具有明确的可解算的关联。各采集终端的时钟信息，根据统一采集时钟信息校准，通信主站及通信终端的时钟则根据通信基站或通信gps时钟校准。

在上述时钟体系下，由于计量数据对通信传输不透明，在现场采集实体侧不能直接开展通信时钟与采集时钟之间的换算，如图13所示的统一采集系统的数据业务报文和通信数据包封装处理数据流图，本实施例主要是通过将采集业务报文中计量数据打计量时标，将业务报文对应的通信数据包中带有的通信时钟封装为通信时钟报文，并在通信时钟报文上打相应的标记；将通信时钟报文和业务报文传输到统一采集主站，，并在统一采集主站比对标记从而匹配通信时钟报文和业务报文，解算通信时标和计量时标最后完成由计量数据时标到采集数据时标之间的时钟校正。为了完成计算时间可靠性的上述方案，如图10统一采集系统的采集、通信、时钟设备部署关系示意图所示。

数据采集流程如图13所示：计量终端现场得到的计量值与计量时标经过采集终端加密后上传至终端适配单元，终端适配单元在该业务报文上打上通信时标上传至多模通信终端。经过公网传输至采集主站端的采集前置通信机，经过采集通信前置机，将公网通信数据包转化为内网通信数据包，上传至采集通信代理。采集通信代理解析通信数据包得到通信时标，业务报文再经采集加密机解密后上传至采集主站解析出计量值及计量时标。需要注意的是，图13中所示的采集会话代理在采集加密机之前，即业务报文先经过采集会话代理后再交由采集加密机做解密处理。由于业务报文未解密，采集会话代理并不能解析得到业务报文内容，因此，采集会话代理仅能根据业务报文的类型做相应的会话协商。若业务报文先经过采集加密机解密后，再由采集会话代理处理，则采集会话代理能够根据不同的会话指令与终端适配单元作出不同的会话协商，更好的适应采集主站的采集需求。

而在信息传输过程中，上层的业务报文与通信数据包传输并非一对一的关系，可能多个业务报文打包在一个数据包中，也可能一个业务报文被切分成多个通信数据包进行传输。如图12所示，为业务报文与通信数据包的对应关系。

本实施例建立一个时钟传输群，设置相应的标记。经过采集通信代理解析通信数据包头部，得出了通信数据包准确的通信时钟，需要在该数据包携带的所有业务报文上打上相应的标记，并将解析得到通信时钟信息打上对应的标记，建立业务报文中的事务id与通信报文中的ip标记(或mac标记)的对应关系。解析出的通信时钟将以通信时钟报文的形式上传至主站。主站根据标记，匹配业务报文与通信时钟报文，解算得出正确的时间对应关系。

多个业务报文打包在一个通信数据包中时，对比通信数据包中第一个业务报文时钟与统一通信时钟的偏差，修正第一个业务报文中数据的时钟准确度，按照业务报文的排列顺序，在统一的通信时钟基础上加上偏插值(n-1)ε(n为业务报文的排列顺序，ε为业务报文之间固定的时间差)，以获得该业务报文对应的通信时钟，再比对业务时钟与通信时钟的偏差，修正业务报文中数据的时钟准确度。对于一个业务报文切分成多个通信数据包传输，则仅需找出该业务报文的头部，得到相应的业务时钟，即可修正该业务报文的时钟准确度。

实现时钟校正的具体的流程如图9：

第一步，采集服务器以采集主站时钟基准配置采集终端采样时间及频度；

第二步，采集终端以本地时钟及频度采集业务报文，并添加本地业务计量时标；

第三步，通信终端“实时”转发业务报文，并在通信数据包中添加通信时标；

第四步，采集通信代理从通信终端上传的通信数据包中提取通信时标；

第五步，将提取的通信时标打包为通信时钟报文，与相应的业务报文打上相同的标记，将业务报文与通信时钟报文上传至采集主站；

第六步，在采集主站比对标记，匹配通信时钟报文与业务报文，通过数据融合方法修正业务时钟信息。得到基础采样数据值及时钟偏差范围及偏差概率。

优选地，本实施例优选地提供了层级时钟的转换。

本实施例设采集主站时钟为tc0，采集终端时钟为tc，通信主站时钟为tx0，通信终端时钟为tx，业务主站时钟为ty。

其中，业务主站和采集主站的时钟由统一的主时钟源校准，统一主时钟源与通信主站接受卫星授时以确定时钟。设标准时间为t0，卫星系统的选择、时钟接收机的性能、空间电离层等传输通道等因素，将影响主站接收的时钟精度，假设通信主站与标准时钟的误差δ1，假设电力业务统一时钟源与标准时钟的误差δ2，电力业务统一时钟源与采集主站与业务主站的时钟误差分别为δ3和δ4。采集终端的时钟信息由采集主站校准确定，由于链路的传输时延、主从时钟频率漂移等因素。采集终端与采集主站之间的时钟误差设为δ5，通信终端的时钟信息由通信主站校准确定，设通信主站与通信终端之间时钟误差为δ6。则有通信主站时钟为tx0＝t0+δ1，电力业务统一时钟源的时钟为t0+δ2，在采集主站时钟根据电力业务统一时钟源校准时，有采集主站时钟tc0＝t0+δ2+δ3，业务主站时钟为：ty＝t0+δ2+δ4。若采集主站(采集协调器)的时钟是根据某个业务时钟体系校准的，则tc0＝t0+δ2+δ4+δ3，δ3为采集主站与该业务时钟体系的时钟误差。采集终端时钟：tc＝t0+δ2+δ3+δ5，通信终端时钟：tx＝t0+δ1+δ6。

本实施例定义采集主站与采集终端之间的误差δ5，通信主站与通信终端之间的误差δ6。

在电力系统中，精确时钟同步协议(ieee1588)将分散在系统内的各分离节点上独立运行的时钟进行同步对视，根据系统中各节点上的时钟精度、级别和时间的可追溯性等特性，由最佳时钟算法(bmc：bestmasterclockalgorithm)来自动选择各子域内的主时钟。

以网络系统中主时钟为基准，根据报文传送所获得的时间戳计算出网络系统中各个设备与主时钟的时间差，按时间差调整自己的时间，是网络系统中各个设备与主时钟的时钟偏差保持在允许的误差范围之内，实现与主时钟同步。

无论是在延时请求响应机制下对路径延时和时钟偏移的测量，还是对等延时机制下对透明时钟间的链路延时测量，前提条件是网络是对称的。且对于计量/采集终端，频繁的对时会扰乱本地业务时钟及采集时间。

目前，营销采集系统对时标准为12h对时一次或24h对时一次。δ5的主要来源，来自于不确定的网络时延抖动以及本地业务时钟的偏移累计值。

通信终端的时钟主要来源通信主站时钟源对时，时钟接收机的时钟精度以及本地的确定性时延抖动，以通信终端由gps时钟定时为例。

通信主站的类型有多种，即通信终端的时钟来源可以有多个。在本实施例中，选取最合适的主时钟使得δ6最小，使得δ6远小于δ5。因此，以通信终端确定的通信时钟修正业务时钟。

本实施例采用bmc算法进行通信时钟融合，作为给通信终端提供的时钟最优的依据。bmc算法由数据集比较算法和状态决策算法2个部分组成。

数据集比较算法比较的信息有时钟的自身信息和时钟的超主时钟信息，因此时钟必须算出本地时钟特性的相关参数，时钟方差是其中最重要的一个，时钟方差是基于相对参考时钟测得的时间差统计计量

其中，xk、xk+1、xk+2是tk、tk+1、tk+2时刻被测时钟和本地参考时间测得的时间之间的时间残差，取样周期必须是同步间隔。

在数据比较算法过程：

第1步，对参与比较的2个数据超主时钟进行比较，如果两个超主时钟是同一时钟，则转到第2步，若不是同一超主时钟，则通过比较超主时钟的时钟特性来确定较好数据集。时钟特性包括时钟级别、时钟标识符、时钟方差以及超主时钟的mac地址。

第2步，若参与比较的数据集的超主时钟是相同的或等效的。则对数据集中超主时钟到本地时钟的通路长度进行比较。通路长度最短的时钟或能更近地按收超主时钟消息的时钟是较好时钟。

第3步，若以上2步比较结果都相同，则对数据集的接收端口号进行比较，端口号小的是较好数据集。

若按收端口号仍相同，则比较超主时钟的sequenceid值，值大的是较好数据集。

状态决策算法是在数据集比较算法的基础上来决定本地时钟端口的状态，因此状态决策算法实际上是通过多次运行数据集比较算法，算法的流程如图14所示:

首先判断本地时钟的默认数据集d0的超主时钟级别，如果d0的超主时钟是1级或2级时钟，则用数据集比较算法比较d0和时钟端口接收到的同步报文中的最好值erbest，如果ebest性能优于d0，则本地时钟为被动状态，并将更新状态码设为p1，若d0优于erbest，则本地时钟为主时钟，同时将更新状态码设为m1。如果d0的超主时钟不是1级、2级时钟，则用数据集比较算法比较数据集d0和时钟的所有端口收到的同步报文中的最佳者ebest，若d0优于ebest，则设本地时钟为主时钟，同时将更新状态码设为m2，若同步报文ebest性能优于d0，则再用数据集比较算法比较erbest与ebest，若两者相同，则设本地时钟为从时钟。并将更新状态码设为s1。

时钟端口在通过运行状态决策算法后，会得出本地时钟端口的状态。同时也会得到一个更新状态码，根据更新状态码，时钟的数据集管理系统会对时钟的当前数据集、父数据集和全球时间数据集进行修正，修正的信息来源会根据不同的更新状态码而有所不同。

更新状态码为m1、m2系统将根据本地时钟默认数据集的相关参数对当前数据集、父数据集和端口数据集进行更新。如果更新状态码是p1、p2，则更新数据源是时钟端口接收到的同步报文中的最好值erbest，若更新状态码是m3，则更新数据源是时钟的所有端口收到的同步报文中的最佳者ebest。

设最佳主时钟为时钟1的概率为p1，误差为σt1。为时钟2的概率为p2，误差为σt2。为时钟3的概率为p3，误差为σt3。设三个主时钟接收机均服从正态分布，σ值分别为σ1、σ2、σ3。

则δ6在σ1范围内的概率为：p(σ1)＝p1p{|x-μ|<σ1}

则δ6在σ2范围内的概率为：p(σ2)＝p2p{|x-μ|<σ2}

则δ6在σ3范围内的概率为：p(σ3)＝p3p{|x-μ|<σ3}。

实施例3

本实施例在采集主站端设置“采集会话代理”，和“采集通信代理”，在现场采集终端设置“终端适配单元”。由采集会话代理负责保持会话连接，建立事务id。采集通信代理选择通信连接的方式，比如长连接和短连接，调整连接参数。本实施例实现了通信维持和闭环控制。

闭环控制主要指统计采集主站根据业务主站的业务应用数据的数值精度和时间精度要求，闭环控制现场采集实体的采集参数以调整所获取的采集数据的数值精度和时间精度，采集参数包括计量数据的采集频度和数值精度，通信传输信道选择，信道带宽和传输qos参数。

采集会话代理可独立或与终端适配单元组合，发起/终结采集会话、控制会话事务过程，从而保证采集双方资源协商、采集过程可控，例如：会话暂停、恢复、终止。采集应用的指令直接“映射”为会话连接指令，而采集应用的心跳报文等控制指令则转换为采集会话连接的维护。采集会话自身无状态，其状态由采集业务触发。采集会话过程标识采集会话事务id。对于无会话/事务的应用业务，则直接穿透采集会话代理。

本实施例中的通信信道可采用一种或多种信道。采集通信代理/多模通信终端配合，维护采集过程的tcp/ip连接，并通过信道资源的切换、组合，采集/计量数据的分发/分集。对于非tcp/ip，例如iec870-5-101协议中，直接使用链路层mac以太网，则直接穿透采集通信代理层，仅保留信道选择、组合功能。依赖采集会话代理维护采集事务连接。

以电力业务中开关控制操作过程为例，采集主站下发开关控制需求后，由采集会话代理与终端适配单元建立会话连接，该会话链接包含“开关状态获取，开关参数替代，开关动作执行，开关执行结果上报”等多项事务，应按时间顺序建立相应的事务连接，并按顺序打上相应的事务id。具体步骤如下：

步骤1，依据采集协议类型、采集会话事务状态机，直接配置通信网络设备或者通过采集通信代理间接配置通信网络设备的通信传输连接参数；

步骤2，根据采集协议类型、采集会话事务状态机的可靠性要求配置会话事务报文在时间域上的fec重传(包括确定和随机重传)、arq反馈重传、时间序列交织参数；

步骤3，匹配采集业务报文的通信协议类型以及会话事务类型，过滤开关状态获取事务id号和数据计量时标；

步骤4，依据通信协议类型、会话事务类型，匹配会话代理内部的会话状态控制模板，确定会话过程持续；

步骤5，依据事务id号和计量数据时标，对采集业务报文重新排序；

步骤6，匹配采集业务报文中的计量时标与通信数据包中的通信时标。获取开关实时状态量，替代开关参数，执行开关动作，之后上报开关当前状态。

步骤7，根据会话事务类型，完成上述操作后，确定会话过程终止。

会话层建立的模式有两种，双端会话模式：通过采集会话代理与终端适配器建立针对采集事务协商处理的会话层，在采集主站与采集终端之间建立会话协商，动态调整业务需求，同时，在长连接是，tcp连接中断，通信网络传输中止，但业务会话依旧保持，可由业务会话代理回答主站心跳包，确定tcp/ip端口号依旧保持不变，同一事务连接仍然保持。当通信连接重新建立时，可从事务记录断点开始传输，能够保证通信中断但是业务不中断，解决业务同时终端的重复采集传输问题，提高了传输效率。单边会话模式：由在采集会话代理监控发起的polling采集过程(暂停，恢复或终止)，或从终端适配单元监控终端侧发起的，该会话连接对数据包传输起监控作用。

本实施例由于增加了业务主站与采集系统的闭环协商过程，各个业务主站可根据自身的业务需求向采集系统下发采集需求，采集终端也可将采集限制因素和现场采集状态上等采集状态信息传至业务主站服务器。实现业务主站与采集系统之间的互相控制影响。

如图5，业务主站与采集主站，采集主站与采集/计量终端之间，采用现有的协议，如：dlt645-2007协议，iec870-5-101协议，iec870-5-104协议。

实施例4

本实施例中，数据展示层对统一采集主站提供的采集数据的时间序列进行数学插值计算或线性拟合获得主站业务所需要的应用数据及数据的数值误差及置信空间。

以营销计费业务为例，在一定的采样间隔下，需要采集得到固定点的电量数据，由于传输过程的时钟误差，正好采集到所需数据的可能性非常低，通过数学方法，例如插值计算等，可得出要求数据的数值及误差范围以及置信空间。误差来源于，数学方法的计算误差、采样量化精度的误差以及时钟精度误差之和。本实施例利用线性插值法或线性拟合方法确定数学计算模型，采用最小二乘法确定最小误差范围。

线性插值法: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+α(y1-y0)。

实际上，即使x不在x0到x1之间并且α也不是介于0到1之间，这个公式也是成立的。在这种情况下，这种方法叫作线性外插。已知y求x的过程与以上过程相同，只是x与y要进行交换。

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拟合成一条直线(即采用最简单的线性化模型)，即xi＝a+bi(i＝1，2，...，n)。a和b为待求的系数。拟合直线时采用最小二乘法使误差水平最小。设实际值与拟合直线上对应的值有误差ri,即：

ri＝a+bi-xi

将n个值的误差平方相加，即为最小二乘法的目标函数j。

令j对a和b的偏导数为0，即可求得线性模型的系数a和b为

将a和b代入原式xi＝a+bi即可得到业务需求的各数据xi及误插值ri。可以认为误插值ri正态分布，误差概率分布函数：

实施例5

本实施例在实施例4的基础上，计算出了通信可靠性。本实施例定义每个通信数据包的容量固定为n，网络业务量与通信数据包数成正比，即通信数据包的数量可等效于网络业务量。

假设存在相邻的三个点t1、t2、t3，t1时刻采集数据为x1，t2时刻采集数据为x2，t3时刻采集数据为x3，通过插值计算的方法，求t1、t2之间某点tc的拟合值时，最大误差(x2-x1)为插值误差。若t2时刻业务数据包丢失，此时所得拟合数据的最大误差应为(x3-x1)。由于函数的单调性唯一，(x3-x1)的绝对值一定大于(x2-x1)的绝对值。由此可知，传输网络的丢包率会对插值误差产生影响，从而影响业务数据的准确性。因此，传输网络业务量阈值应该根据业务需求的插值误差范围来确定。

因此，通过设定阈值(th)可以区分网络状态。当网络业务量低于阈值为“失效”状态，高于阈值为“工作”状态。本实施例把网络业务量高于给定阈值的概率定义为网络业务的可靠性。网络可靠性的概率表达式为：a＝p(c≥th)。网络无效的表达式为：c＝1-a(c≤th)。

在统一的采集系统中，由于电力业务需求的各不相同，各类业务对采集数据包的要求不同，通信传输的方式也应不同。通信传输网络的可靠性决定了采集系统电力业务数据的可信度。

以采集数据模型单调性唯一的业务，或在某时间段内单调性唯一的业务为例。在单位时间内，采集得到业务数据为m个，则两个相邻的数据包之间的时间间隔△t＝1/m，及采集频率fc为m。

由此可知，传输网络的数据包丢失概率会对插值误差产生影响，从而影响业务数据的准确性。因此，传输网络业务量阈值应该根据业务需求的插值误差范围来确定。

如图11，通信业务网络的可靠性分析流程如下：

第一步，根据电力业务需求，结合计量设备自身系数，确定数据采集频率，给定业务量阈值；

第二步，结合各个网络单元的带宽和可靠性，对采集业务数据的通信网络路径进行分类；

第三步，根据网络状态和业务量阈值为业务选择合适的通信通道；

第四步，确定业务通道的逻辑表达式，合并表达式相同的业务，减少业务数量，确定最小路径集；

第五步，对最小路径集运算，得到业务数据的通信可靠性。

根据所选路径的逻辑表达式，及每个网络单元的通信可靠性。计算每条业务路径li的通信可靠性。

在路径选择时，根据网络单元的带宽及网络可靠性选择合适的业务数据传输通道。各个网络单元的可靠性，即各个网络单元的丢包概率。丢包概率可分为单个丢包概率和连续丢包概率，计算插值误差关键是防止连续丢包。防止连续丢包的方法：第一，根据业务需求的插值范围确定传输网络业务量阈值。第二，在网络带宽富余，但网络可靠性不足时，可适当减小相邻数据包的采样时间间隔，提高采样频度。第三，选择异构的通信通道，分集发送。

假设通信网络是由v个节点和e条边组成的，运行s种业务，m条业务路径。网络可以表示成为网络单元的集合g＝(v，e)。其中v＝(v1、v2、v3……vv)表示节点集合；e＝(e1、e2、e3……ee)表示边集合。定义通信网络业务有效性分析模型为：m＝(g(v，e)，l，s，f，c)。其中，g(v，e)表示网络中单元的集合，l＝(l1，l2，l3…..lm)表示业务路径集合；s＝(s1,、s2、s3……ss)表示业务类型。f表示路径与网络单元的映射关系fj(li)＝{gi(j)},gi(j)表示第j个网络单元(节点或边)，c为业务阈值。在给定的阈值条件下，对于业务si，最小路径集合为lmin，lmin＝{li}；该项业务的通信可靠性：通信网络业务有效性的表达式为：

在统一的采集系统中，由于电力业务需求的各不相同，各类业务对采集数据包的要求不同，通信传输的方式也应不同。通信传输网络的可靠性决定了采集系统电力业务数据的可信度(误差，丢包率)。以采集数据模型单调性唯一(单调递增或单调递减)的业务，或在某时间段内单调性唯一的业务为例。在单位时间内，采集得到业务数据为m个，则两个相邻的数据包之间的时间间隔△t＝1/m，及采集频率fc为m。

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。