徐永龍，李 斌，郭海朋，張像源，陳文杰，李曉亮

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081；3.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191)

數(shù)據(jù)字典驅(qū)動(dòng)的地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

徐永龍1，李 斌1，郭海朋2，張像源3，陳文杰3，李曉亮1

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081；3.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191)

地質(zhì)環(huán)境信息化中，地質(zhì)數(shù)據(jù)采集入庫系統(tǒng)需良好的可擴(kuò)展性和復(fù)用性。設(shè)計(jì)開發(fā)一種由數(shù)據(jù)字典定制和驅(qū)動(dòng)的地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)字典序列化與反序列化，解決系統(tǒng)錄入界面的自動(dòng)生成和數(shù)據(jù)庫查詢功能的動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)問題，并在汾渭盆地和華北平原等地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。數(shù)據(jù)字典驅(qū)動(dòng)的地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)周期短，易于維護(hù)，具有良好的可擴(kuò)展性和通用性。

數(shù)據(jù)字典；地質(zhì)環(huán)境信息化；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將野外采集的地質(zhì)環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化入庫的工具，是側(cè)重于地質(zhì)專題屬性數(shù)據(jù)錄入的一種管理信息系統(tǒng)(MIS系統(tǒng))。隨著我國地質(zhì)環(huán)境信息化工作的不斷推進(jìn)，許多地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)部門開始使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將所獲取的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)采集入庫，在提高工作效率的同時(shí)提升數(shù)據(jù)管理水平。但現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)延續(xù)了傳統(tǒng)MIS系統(tǒng)的構(gòu)建模式[1]，將程序功能、用戶界面與數(shù)據(jù)庫表緊密耦合，導(dǎo)致其開發(fā)過程繁瑣，可擴(kuò)展性不強(qiáng)。在面對(duì)種類繁多、數(shù)據(jù)量大，且隨著數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)不斷更新和擴(kuò)充的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)，這種設(shè)計(jì)模式的缺陷和弊端更為突出，具體表現(xiàn)為：在系統(tǒng)開發(fā)過程中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為數(shù)據(jù)庫中的每一張表格設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的錄入界面，錄入界面與特定的表結(jié)構(gòu)、字段一一綁定，并且將所有的查詢語句靜態(tài)地封裝在程序中，給開發(fā)人員帶來大量重復(fù)、繁瑣的工作，延長軟件的開發(fā)周期；在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，當(dāng)用戶的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)發(fā)生改變或者需要新增數(shù)據(jù)表時(shí)，由于程序與數(shù)據(jù)庫緊密耦合的構(gòu)建模式導(dǎo)致系統(tǒng)不具備可擴(kuò)展性，原有的系統(tǒng)無法復(fù)用，必須進(jìn)行源碼級(jí)的修改或重寫，增加了系統(tǒng)應(yīng)用和維護(hù)的成本。

由此可見，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)迫切地需要引入新的開發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序與底層數(shù)據(jù)的分離，以從根本上解決其擴(kuò)展性問題，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)采集錄入軟件的復(fù)用。本文針對(duì)這一實(shí)際問題，在分析現(xiàn)有地質(zhì)數(shù)據(jù)采集入庫系統(tǒng)的局限與不足的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)可擴(kuò)展且可復(fù)用的數(shù)據(jù)字典驅(qū)動(dòng)的地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)其開發(fā)實(shí)現(xiàn)的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

1 數(shù)據(jù)字典驅(qū)動(dòng)的地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)字典驅(qū)動(dòng)的地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序與數(shù)據(jù)層緊密綁定不同，它將數(shù)據(jù)字典從數(shù)據(jù)層抽象出來單獨(dú)作為一層，位于底層的用戶數(shù)據(jù)庫之上，把系統(tǒng)的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫分離開來[2-3]。應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)字典驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)程序與數(shù)據(jù)字典的通信，向程序提供數(shù)據(jù)字典中的數(shù)據(jù)庫及表結(jié)構(gòu)等信息，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶界面(錄入界面和查詢界面)的自動(dòng)生成及系統(tǒng)功能模塊中查詢語句(對(duì)數(shù)據(jù)庫的增、刪、改、查等操作)的動(dòng)態(tài)構(gòu)建，這就從底層根本性地解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)過分依賴數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)的問題。同時(shí)，數(shù)據(jù)字典位于應(yīng)用程序外部字典庫，處于開放的環(huán)境中，當(dāng)用戶的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)發(fā)生改變或者需要新增數(shù)據(jù)表時(shí)，可由系統(tǒng)管理人員對(duì)數(shù)據(jù)字典作相應(yīng)的修改或擴(kuò)充，應(yīng)用程序本身則無需變動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展，進(jìn)而達(dá)到系統(tǒng)復(fù)用的目的。

圖1 數(shù)據(jù)字典驅(qū)動(dòng)的地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)字典設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)字典是地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，是連接系統(tǒng)應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫的紐帶。數(shù)據(jù)字典由多個(gè)數(shù)據(jù)表(字典表)組成，這些表記錄了數(shù)據(jù)庫表的全部信息[4-5]，包括表、字段及表間約束等信息。字典表以二維表的形式獨(dú)立存儲(chǔ)于系統(tǒng)外部的數(shù)據(jù)字典庫中，其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)較為靈活，根據(jù)特定的需求而定。數(shù)據(jù)字典在系統(tǒng)中起到為系統(tǒng)運(yùn)行提供支撐信息的作用，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)字典表內(nèi)容創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫表、動(dòng)態(tài)生成錄入界面并創(chuàng)建查詢語句，這是數(shù)據(jù)字典設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和依據(jù)。為便于更新和維護(hù)，本文將滿足地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的最基本信息匯總在一張字典表中，其表結(jié)構(gòu)如表1所示，該數(shù)據(jù)字典表結(jié)構(gòu)由22個(gè)字段組成，主要反映3方面的內(nèi)容：①表的基本信息，如表名、表代碼、表所屬專業(yè)類型等；②表的約束信息，如表的主鍵、外鍵、父表名稱等；③表的字段信息，如字段名稱、數(shù)據(jù)類型、字段長度、重要程度、取值范圍等。

表1 地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

需要說明的是，盡管數(shù)據(jù)字典表的表結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)的，可以根據(jù)具體情況進(jìn)行修改，但其具體內(nèi)容的填寫應(yīng)該遵循地質(zhì)環(huán)境信息化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[6-7]，以保證地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)管理的標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)據(jù)字典表結(jié)構(gòu)建立后，用戶只需按照其結(jié)構(gòu)填寫要采集錄入的數(shù)據(jù)表的相關(guān)信息，即使在使用過程中表結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，也只需在數(shù)據(jù)字典表中作相應(yīng)的修改即可。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面和功能都與數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)靜態(tài)綁定的實(shí)現(xiàn)方式不同，數(shù)據(jù)字典驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的用戶界面和程序功能都是根據(jù)數(shù)據(jù)字典動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)的，以保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和通用性。通過深入研究，本文解決其動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)過程中的3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.1 數(shù)據(jù)字典表序列化與反序列化

序列化是將程序中的對(duì)象轉(zhuǎn)化為字節(jié)序列存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)文件的過程，反序列化是序列化的逆向過程。由于程序在運(yùn)行過程中需要實(shí)時(shí)查詢數(shù)據(jù)字典庫，獲取其中字典表的信息，而這樣頻繁的實(shí)時(shí)查詢會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率的降低和性能的下降。出于系統(tǒng)效率和性能考慮，在系統(tǒng)首次運(yùn)行時(shí)，將數(shù)據(jù)字典表中的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)信息一次性查詢出來，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的表結(jié)構(gòu)對(duì)象，再序列化為用戶計(jì)算機(jī)中的一系列XML文檔。每個(gè)XML文檔分別存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)表的相關(guān)信息，包括表名稱、代碼、主鍵，以及該表所有字段的信息；系統(tǒng)在隨后的運(yùn)行中，通過反序列化指定的XML文檔獲取其中的表結(jié)構(gòu)對(duì)象，不必再查詢數(shù)據(jù)字典庫。實(shí)踐表明，應(yīng)用程序反序列化本地XML文檔來獲取數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)對(duì)象的效率要優(yōu)于實(shí)時(shí)查詢數(shù)據(jù)字典表的效率。

數(shù)據(jù)字典序列化與反序列化在數(shù)據(jù)字典驅(qū)動(dòng)模塊中實(shí)現(xiàn)，其中較為關(guān)鍵的一步是組織好表結(jié)構(gòu)對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。合理地組織該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便于數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)相關(guān)信息的提取，從而有利于程序界面和功能的實(shí)現(xiàn)。本文給出數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)對(duì)象(TableInfo)及其中包含的字段信息(FieldInfo)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其類圖如圖2所示。在.NET平臺(tái)中，將對(duì)象序列化為XML文檔及其反序列化可利用XmlSerializer類中的相關(guān)功能來實(shí)現(xiàn)，其他編程平臺(tái)也提供類似的方法，具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)在此不作詳述。

圖2 數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)TableInfo對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.2 錄入界面的自動(dòng)生成

錄入界面的自動(dòng)生成是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)字典驅(qū)動(dòng)模塊提供的數(shù)據(jù)表字段信息，自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的錄入控件來搭建錄入表單界面。自動(dòng)生成錄入界面不僅免除了在界面設(shè)計(jì)階段為所有數(shù)據(jù)表逐一設(shè)計(jì)錄入表單界面的大量繁瑣工作[8]，也使系統(tǒng)具備了可擴(kuò)展和復(fù)用的條件。

自動(dòng)生成錄入界面的技術(shù)流程如圖3所示。通過反序列化XML文檔獲取指定數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)信息TableInfo對(duì)象(其結(jié)構(gòu)見圖2)；再遍歷TableInfo對(duì)象中的包含該表所有字段信息的FieldInfos屬性，獲取每個(gè)字段信息FieldInfo對(duì)象的數(shù)據(jù)類型DataType屬性；根據(jù)字段的數(shù)據(jù)類型實(shí)例化對(duì)應(yīng)的錄入控件(例如，文本型字段使用文本框輸入控件，數(shù)值型字段使用整數(shù)或小數(shù)輸入控件)，并將錄入控件加載到錄入界面容器中進(jìn)行顯示，直到加載完所有字段對(duì)應(yīng)的錄入控件為止。從該實(shí)現(xiàn)流程可以看出，錄入界面中數(shù)據(jù)項(xiàng)的順序和FieldInfos中字段信息FieldInfo對(duì)象的順序是對(duì)應(yīng)的，因此，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可以調(diào)整FieldInfo的順序以改變錄入界面中數(shù)據(jù)項(xiàng)的順序，實(shí)現(xiàn)錄入界面數(shù)據(jù)項(xiàng)順序的定制。

圖3 自動(dòng)生成錄入界面的流程

2.3 查詢語句的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作，如查詢、新增、修改、刪除等，都是通過標(biāo)準(zhǔn)的查詢語句(即SQL語句)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無法擴(kuò)展的一個(gè)重要原因就在于，它的查詢語句都是與特定的表結(jié)構(gòu)、字段綁定，靜態(tài)地寫入程序中[9]。動(dòng)態(tài)創(chuàng)建查詢語句的基本思路是：在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，根據(jù)用戶要執(zhí)行的操作，通過序列化獲取操作對(duì)象表的字段信息，動(dòng)態(tài)地組合出查詢語句并執(zhí)行該語句的操作[10-13]。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，最常用操作是在數(shù)據(jù)庫中新增一條數(shù)據(jù)的INSERT操作。相比刪(DELETE)、改(UPDATE)、查(SELECT)等操作語句的構(gòu)建，INSERT操作語句的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建較為復(fù)雜。本文以INSERT操作語句的創(chuàng)建過程為例對(duì)查詢語句的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建進(jìn)行說明。

如式(1)所示，一條標(biāo)準(zhǔn)的INSERT操作的SQL語句由4部分組成，包括INSERT INTO關(guān)鍵字、表名(table_name)、字段名(field1，field2，…)以及與字段名對(duì)應(yīng)的字段值(value1，value2，…)。

INSERT INTO table_name (field1, field2, …) VALUES ( value1, value2, …)

(1)

動(dòng)態(tài)創(chuàng)建查詢語句，就是要?jiǎng)討B(tài)地獲取式(1)中各組成部分的實(shí)際取值過程，具體步驟如下：

1)根據(jù)用戶要操作的數(shù)據(jù)表獲取表名，替代式(1)中的table_name；

2)根據(jù)表名反序列化相應(yīng)的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)XML文檔，獲取表結(jié)構(gòu)對(duì)象TableInfo，通過其FieldInfos屬性獲取該表的所有字段名稱，替代式(1)中的field1，field2，…；

3)根據(jù)字段名稱，獲取錄入界面中對(duì)應(yīng)的錄入控件中的值，賦給式(1)中的value1, value2, …即可。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

數(shù)據(jù)字典驅(qū)動(dòng)的地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)已被應(yīng)用于全國地面沉降數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)是在.NET平臺(tái)中采用CJHJ語言開發(fā)完成，其界面如圖4所示。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典涵蓋了地面沉降災(zāi)害相關(guān)的多種專業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)表信息，具有數(shù)據(jù)錄入與修改、查詢顯示、導(dǎo)入導(dǎo)出、數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)以及用戶界面定制等數(shù)據(jù)采集入庫相關(guān)的實(shí)用功能。經(jīng)測(cè)試和試用表明，數(shù)據(jù)字典驅(qū)動(dòng)的全國地面沉降數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有便于擴(kuò)展、簡潔易用等特點(diǎn)。目前，系統(tǒng)作為地面沉降相關(guān)調(diào)查與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化入庫和規(guī)范化管理的實(shí)用工具，已在我國地面沉降災(zāi)害較為嚴(yán)重的汾渭盆地、華北平原等地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)業(yè)務(wù)單位推廣使用。

圖4 全國地面沉降數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主界面

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)字典驅(qū)動(dòng)式的設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序開發(fā)與數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)分離的開發(fā)方式，提升軟件開發(fā)的效率，縮短軟件的開發(fā)周期，同時(shí)實(shí)現(xiàn)軟件的復(fù)用。實(shí)際應(yīng)用表明，較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)字典驅(qū)動(dòng)的地質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1) 以數(shù)據(jù)字典為核心，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)表由系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)字典自動(dòng)生成，數(shù)據(jù)表及表間關(guān)系的維護(hù)由系統(tǒng)自動(dòng)完成，無需人為干預(yù)；

2) 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錄入界面根據(jù)數(shù)據(jù)字典動(dòng)態(tài)生成，不受數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)變化的限制，并可按照用戶使用習(xí)慣進(jìn)行界面定制；

3) 系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和通用性。數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，只需在數(shù)據(jù)字典中作相應(yīng)的更新，系統(tǒng)程序無需修改，便于維護(hù)和通用。

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[6]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 9649.20-2009 地質(zhì)礦產(chǎn)術(shù)語分類代碼表—水文地質(zhì)學(xué)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[7]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 9649.21-2009 地質(zhì)礦產(chǎn)術(shù)語分類代碼表—工程地質(zhì)學(xué)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[8]梁偉晟，李磊. 基于表單的業(yè)務(wù)系統(tǒng)界面邏輯模型獲取的研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程，2007, 33(5): 56-58.

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[10]張像源，曾青石，陳輝. 地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007(5): 98-101.

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[責(zé)任編輯：張德福]

Design and development of data-dictionary-driven geo-environment data acquisition system

XU Yong-long1, LI Bin1, GUO Hai-peng2, ZHANG Xiang-yuan3, CHEN Wen-jie3, LI Xiao-liang1

(1.College of Geological Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xian 710054, China; 2.China Institute of Geo-Environment Monitoring, Beijing 100081, China; 3.Tianjin Institute of Geological Survey, Tianjin 300191, China)

Aiming at the extensibility and reuse problems in current geo-environment data acquisition systems, it designs and develops a data dictionary driven geo-environment data acquisition system with the data-dictionary serialization and deserialization used to generate the user interface automatically and implement the function dynamically. The system is verified through its application to Fen-wei Basin and North China Plain areas. The data-dictionary driven geo-environment data acquisition system decreases the development cycle, which is easy to maintain with good extensibility and universality.

data dictionary; geo-environment informatization; data acquisition system; system design and development

2013-11-06

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41130753); 全國地面沉降監(jiān)測(cè)與防治綜合研究與信息系統(tǒng)建設(shè)工作項(xiàng)目(12120113011700); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(CHD2011TD019)

徐永龍(1985-)，男，博士研究生.

TP311

：A

：1006-7949(2014)10-0041-04