岳 林

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

聯(lián)合船機電系統(tǒng)的艦船自主控制模型研究

岳 林

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

船機電系統(tǒng)為艦船任務(wù)執(zhí)行提供必要的服務(wù)支持，如水、電、油以及機動性，是艦船其他系統(tǒng)以及整個艦船正常工作的基礎(chǔ)，而現(xiàn)今船機電系統(tǒng)大多依舊基于“人在回路”傳統(tǒng)方式進行控制及決策，增加了對人員配置的需求和運行成本。為此，結(jié)合大型水面艦艇船機電系統(tǒng)物理模型特征，提出了一種基于功能接口的分層建模仿真方法，建立了聯(lián)合船機電系統(tǒng)的自主控制模型，實現(xiàn)船機電系統(tǒng)作業(yè)模式與損害管制方式從傳統(tǒng)基于人員運行向自主運行轉(zhuǎn)變。仿真實驗表明，使用該模型可使船機電系統(tǒng)平臺具備正常、故障和損害情況下無人監(jiān)督時自適應(yīng)性重構(gòu)與自主執(zhí)行能力，有效提高艦船平臺自動化水平與整體生命力。

船機電系統(tǒng)；聯(lián)合模型；自主控制；分層建模

0 引 言

現(xiàn)今的常規(guī)艦船通常具有獨立的艦載推進和電力系統(tǒng)，以及與其他艦載武器和平臺設(shè)施關(guān)聯(lián)的集中式監(jiān)控系統(tǒng)。在這種體系框架下，幾乎所有的海軍常規(guī)艦船依舊使用“人在回路”通信及決策技術(shù)，增加了對人員配置的需求和運行成本。例如代表現(xiàn)役常規(guī)動力艦船最先進水平的美“阿利·伯克”級IIA型驅(qū)逐艦(DDG 85及其后續(xù))，雖然經(jīng)過了多輪技術(shù)升級與減員設(shè)計，仍需配置艦員276名[1]。

對此，美海軍提出綜合機電平臺(Integrated Engineering Plant, IEP)[2]概念，并在DDG 1000驅(qū)逐艦應(yīng)用實現(xiàn)。其利用遍布全艦的傳感器和執(zhí)行器，通過良好設(shè)計的自主控制集成平臺轉(zhuǎn)變艦船的運行模式——從基于人員的運行轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾骰蜃詣拥倪\行，從而大幅減少人力需求(全艦僅148人)，并極大地增強自動重構(gòu)和損害管制能力，相比傳統(tǒng)戰(zhàn)艦低效脆弱的基于人員的重構(gòu)工作和損害管制方式，明顯提升整個艦船的生命力和任務(wù)效能。

以1987年瀕海戰(zhàn)斗艦UUS Stark(FFG 31)被1架伊拉克Mirage戰(zhàn)斗機發(fā)射的“飛魚”導(dǎo)彈擊中事件為例，損害管制組花費了大約50 min的時間才部分恢復(fù)了破裂的消防水管，而此時火勢已快速蔓延。又過了大約1小時，所有發(fā)動機不得不關(guān)閉。大火持續(xù)了大約12 h，雷達室和戰(zhàn)斗信息中心已燒成灰燼，并造成了37名人員傷亡。事實上，代表當前美國海軍先進水平的“阿利·伯克”級驅(qū)逐艦(DDG 51)和“提康德羅加”級巡洋艦(CG 47)在損害管制方面與FFG 31一樣差[3]。

而DDG 1000中的IEP平臺進行了系統(tǒng)級聯(lián)災(zāi)難避免設(shè)計，并最大化艦船損害時的生命力?；谌藛T的損害管制策略通常人員反應(yīng)時間大約為小時級別，最快也要幾十分鐘，而自主控制平臺能夠立即提供隔離緊急故障如燃料管、電力線、冷卻系統(tǒng)、消防水管的破裂或損壞的反應(yīng)行動，并在極短時間內(nèi)完成系統(tǒng)自動重構(gòu)，持續(xù)為艦船關(guān)鍵系統(tǒng)運行提供所需資源。

與國外已基本實現(xiàn)大型艦艇自主控制平臺工程應(yīng)用相比，國內(nèi)尚僅限于無人機[4]、無人艇[5]等小型無人平臺研究，主要側(cè)重于無人平臺在突發(fā)事件中的路徑規(guī)劃/重規(guī)劃，工程應(yīng)用亦處于起步階段。如海事局主持的“水面無人智能測量平臺”參與了2013年第2次南海巡航，初步實現(xiàn)了遙控與遠距離自主導(dǎo)航航行、水面及水下障礙的自動避障避碰以及相關(guān)海洋多要素綜合測量應(yīng)用。雖然與大型艦艇相比，小型無人平臺的系統(tǒng)相對簡單，實現(xiàn)的任務(wù)相對單一，但是其相關(guān)成果可以借鑒參考。

而在大型艦艇方面，國內(nèi)主要集中在船舶機艙自動化、導(dǎo)航自動化、避碰避障等方面。如上海船舶運輸科學研究所研制基于現(xiàn)場總線的船舶自動化系統(tǒng)[6]，較好地解決了監(jiān)控實時性要求與多終端要求并存的需求。大連海事大學推出了綜合船橋模擬器[7]，研制成功了基于自抗擾控制技術(shù)的自動操舵儀[8]。然而，這些成果仍是基于以人為主的運行控制模式或是單項成果突破，尚無多系統(tǒng)協(xié)同與自主控制的應(yīng)用研究，大型水面艦艇自主控制平臺研究還是與國外存在顯著差距。

為此，本文針對綜合電力推進艦船應(yīng)用背景，結(jié)合大型艦艇船機電系統(tǒng)物理特征，提出了一種基于功能接口的分層建模仿真方法，建立了聯(lián)合船機電系統(tǒng)的自主控制模型，實現(xiàn)大型艦艇船機電系統(tǒng)作業(yè)模式與損害管制從傳統(tǒng)基于人員運行向自主運行設(shè)計轉(zhuǎn)變，使艦船在現(xiàn)代化海戰(zhàn)場環(huán)境中“整體上”呈現(xiàn)自適應(yīng)性與自主執(zhí)行能力，降低艦員的工作強度、減少艦員數(shù)量，提高艦船綜合任務(wù)效能。

1 船機電系統(tǒng)聯(lián)合物理模型分析

軍艦船機電系統(tǒng)為艦船平臺的正常運行提供必要的服務(wù)支持，如水、電、油以及機動性，是艦船其他系統(tǒng)以及整個艦船正常工作的基礎(chǔ)。

為此，船機電系統(tǒng)通常由多個不同領(lǐng)域的、相互依賴的、復(fù)雜的子系統(tǒng)組成，并且系統(tǒng)的部件、設(shè)備遍布全船，是一個大型分布式復(fù)雜系統(tǒng)，為實現(xiàn)船機電系統(tǒng)聯(lián)合自主控制，首先在需構(gòu)建船機電系統(tǒng)的集成工程模型，描述船機電系統(tǒng)運行過程中的動態(tài)行為以及控制對其動態(tài)行為的影響。而船機電系統(tǒng)中對于艦船生存性和可恢復(fù)性最關(guān)鍵的系統(tǒng)包括冷卻水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、區(qū)域配電、發(fā)電和推進以及有關(guān)傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

那么，整個船機電系統(tǒng)可描述為電力系統(tǒng)和流體系統(tǒng)2個物理系統(tǒng)模型以及IEP自主控制系統(tǒng)模型。綜合電力系統(tǒng)為艦船運行產(chǎn)生和分配電力，流體系統(tǒng)為電力系統(tǒng)設(shè)備制冷和安全運行提供支持，控制系統(tǒng)則負責實現(xiàn)與艦船操作相關(guān)的任務(wù)并保證任務(wù)效能、增加生存性和可重配置性。IEP可以概念化為一組相互依賴的資源分配網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)以不同的方式分配電力、流體和數(shù)據(jù)，如圖1所示。

這3個網(wǎng)絡(luò)模型以下面的形式協(xié)同工作：

電力網(wǎng)絡(luò)由綜合電力系統(tǒng)不同區(qū)域的供配電設(shè)備與電力負載組成。艦船會根據(jù)作戰(zhàn)使命和不同任務(wù)階段，動態(tài)地使用這些電力負載。

流體網(wǎng)絡(luò)由熱能變換器、泵、閥和相應(yīng)的管道組成。熱能變換器吸收由電力系統(tǒng)負載產(chǎn)生的熱能，熱流體被引入管道系統(tǒng)，管道系統(tǒng)將流體送入到海水冷卻器中進行制冷。通常流體是通過泵和閥引入到管道系統(tǒng)中，閥需保證對每個發(fā)熱負載熱能變換器的合理資源需求分配。

圖1 IEP網(wǎng)絡(luò)Fig.1 IEP networks

控制網(wǎng)絡(luò)由控制電力開關(guān)和閥的控制器組成。電力開關(guān)控制器必須保證根據(jù)任務(wù)需求可為任務(wù)所有的關(guān)鍵負載提供足夠的電力資源，而閥控制器則必須保證發(fā)熱負載具備足夠的冷卻水供應(yīng)，特別是在電力網(wǎng)絡(luò)或流體網(wǎng)絡(luò)損傷的情況下資源分配必須依然有效。例如艦船戰(zhàn)損后，流體系統(tǒng)部分破損，控制器必須保證破損被隔離(防止冷卻液體泄漏)，同時剩下的系統(tǒng)必須保障關(guān)鍵發(fā)熱負載的冷卻需求。這種相互依賴關(guān)系如圖2所示。

圖2 熱能/電力系統(tǒng)相互關(guān)系映射Fig.2 Correlation mapping of thermal/power system

而由于電力和流體模型基于2個完全不同的領(lǐng)域，幾乎完全隔離。但如果2個模型完全獨立，則假設(shè)所有來自其他模型的輸入不變，這顯然與實際相違背。因此聯(lián)合物理建模需考慮流體與電力系統(tǒng)之間的交互反饋，對整個船機電系統(tǒng)的狀態(tài)變化與控制過程進行建模。系統(tǒng)的物理學模型描述示意如圖3所示。

圖3 物理學模型描述Fig.3 Description of physics model

2 基于功能接口的分層建模方法

結(jié)合上節(jié)闡述的網(wǎng)絡(luò)模型，本節(jié)采用分層的仿真建模方法，將每個子系統(tǒng)表示在一個獨立層中，并描述該層與其他層相連的輸入輸出接口。艦船IEP分層建模如圖4所示，不同層包含系統(tǒng)整體行為的不同方面，包括空間層、控制層、流體層和熱能層。此方法具備足夠的靈活性，隨著對象行為模型的增加，可以加入新的層。

圖4 分層建模方法Fig.4 Layered modeling approach

空間層：描述了IEP每個部件的地理位置，這種描述和信息主要用于在武器擊中事件確定哪些部件能在事件中生存。

控制層：描述管理IEP部件運行的監(jiān)視控制器的模型，該層結(jié)合從其他層獲得的信息決定一個特定的設(shè)備何時可以運行，也包括檢查設(shè)備是否在武器事件中生存。

電力層：描述電力系統(tǒng)中2個交流網(wǎng)絡(luò)和直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)的模型，確定功率分配。

流體層：對流體網(wǎng)絡(luò)建模，確定流體網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點和支路的壓力和流量。

熱能層：對通過熱交換器和淡水冷卻環(huán)的熱流量進行建模。

事實上，一個艦船系統(tǒng)部件經(jīng)常同時存在于多個層中，每層具備部件行為的不同方面。以直流區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)中的一個變換器為例，其傳統(tǒng)的電力模型位于電力層，但是其物理位置表示成為在空間層的一個長方體，變換器控制器模型存在于控制層，變換器電子設(shè)備由處于熱能層的淡水冷卻環(huán)冷卻。

可見，分層建模方法分割了一個獨立部件的行為邏輯上的界限。這種分割有助于處理包含在這樣相互依賴系統(tǒng)的建模和仿真中的復(fù)雜性問題。此外，還能夠通過允許松耦合層采用不同集成算法和時間步仿真來提高效率，例如對較快的電力動態(tài)特性與較慢的熱能動態(tài)行為分別進行仿真。

1)空間層建模

空間層建模將艦船部件表示成幾何物體，從而確定一個空間上的事件(如局部爆炸)對于整個IEP性能的影響。尤其是可以確定在一個事件(如反艦導(dǎo)彈爆炸)中哪個部件會損壞。

以局部爆炸事件為例，可定義如圖5的笛卡兒坐標系。原點位于艦船的基線和首垂線的交叉處。X軸正方向朝著船尾，Y軸正方向為右舷，Z軸正方向朝上。爆炸表示成一個球心為d=(xd,yd,zd)、 半徑為rd的球形。任何在空間層用幾何物體表示的部件與球形交叉，則認為該部件被導(dǎo)彈擊中損壞?？臻g層模型的主要功能就是確定部件的擊中狀態(tài)。

圖5 空間層模型坐標系Fig.5 Cartesian coordinate of space model

空間層可采用點、多邊路徑、長方體來表示系統(tǒng)閥門開關(guān)、電纜及管道、設(shè)備。

① 閥門開關(guān)建模

相對于爆炸半徑rd非常小的部件表示為點，如各類閥?？捎嬎銖狞cc=(xc,yc,zc)到爆炸中心d的距離，比較該距離與爆炸半徑rd確定擊中狀態(tài)。

h=(‖c-d‖≤rd)。

(1)

② 電纜及管道建模

艦船平臺中信號、電線以及流體管道，都可建模表示成一組有限數(shù)目的線段,通過判斷ns條線段的每一條路徑與爆炸是否有交集而確定是否被擊中。第s條線段的終點為cs=(xc,s,yc,s,zc,s)和cs+1=(xc,s+1,yc,s+1,zc,s+1)。

通常情況下cs+cs+1，那么在點cs和cs+1的連接線上的任意一點可以表示成為c=αcs+(1-α)cs+1。 如果α∈[0,1]，那么該點c在這條線段上。為確定該線段上與爆炸中心最近的點，需要使與α相關(guān)的F=‖c-d‖2最小。

(2)

將α投影到[0, 1]上產(chǎn)生線段上距離爆炸中心最近的點c, 即可用式(1)確定該段是否被損毀。

③ 設(shè)備建模

大多數(shù)的艦載設(shè)備都可以表示成為一個三維空間中的長方體，例如推進驅(qū)動器。長方體表示成中心為c=(xc,yc,zc)，長、寬、高為Δ=(Δx,Δy,Δz)。 可將爆炸中心p投影到長方體中，判斷距離d最近的點e距離，采用式(1)確定交叉情況，從而確定該長方體是否被擊中。

e=‖p-d‖。

(3)

2)控制層建模

控制層包含系統(tǒng)中所有監(jiān)視控制器的模型，確定相關(guān)部件的運行狀態(tài)O，主要包括部件的擊中狀態(tài)，輸入和輸出功率以及設(shè)備溫度。

每個控制器決定它可能啟動相關(guān)設(shè)備以及有必要停止相關(guān)設(shè)備的時間，其構(gòu)造一個啟動和一個停止信號，分別為α和β。那么基于α或者β的任何改變，設(shè)備的運行狀態(tài)如下式：

(4)

以發(fā)電機控制器為例，發(fā)電機控制器確定發(fā)電機運行需滿足已啟動、沒有被擊中、其輸出功率在其最小和最大瞬時功率容量之間并且沒有過熱。

3)電力層建模

IEEEstd1709-2010提供了一個艦船中壓直流電力系統(tǒng)的理論拓撲結(jié)構(gòu)，其由2個36MW的主燃氣輪機發(fā)電機組和2個4MW的輔燃汽輪機發(fā)電機組提供80MW的電力。本文參考其拓撲結(jié)構(gòu)，從功率的角度構(gòu)建電力系統(tǒng)模型，令一主一輔發(fā)電機組(G1，G2)與每條縱向總線相連，每條總線上連接一個推進電機驅(qū)動逆變器(PD1)，采用直流區(qū)域配電，并忽略負載類型，將所有電力系統(tǒng)部件構(gòu)建為功率模塊，并將全艦負載(L3-L5)、 儲能裝置(ES3-ES5)分為首中尾3個區(qū)域接入，由左舷和右舷直流總線供電，得到綜合電力系統(tǒng)的簡化網(wǎng)絡(luò)模型如圖6所示。

圖6 電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.6 Electric system network model

4)流體層及熱能層建模

艦船電力部件主要通過流體網(wǎng)絡(luò)基于淡水冷卻、海水冷卻和冷凍水冷卻3種方式冷卻。淡水冷卻主要用于電力變換模塊冷卻或者電子設(shè)備冷卻；海水冷卻通過海水冷卻系統(tǒng)直接冷卻設(shè)備，主要用于發(fā)電模塊、配電模塊、空調(diào)和蒸汽冷凝器；而冷凍水冷卻主要用于艙室和設(shè)備的冷卻。

本文選擇海水作為二級冷卻劑的淡水冷卻方法，結(jié)合上節(jié)提出的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型，將流體網(wǎng)絡(luò)劃分為海水網(wǎng)絡(luò)和淡水環(huán)系統(tǒng)2個部分(3個區(qū)域)，如圖7和圖8所示。

如圖7所示，海水網(wǎng)絡(luò)包括節(jié)點(SeawaterNodes,SWNs)、閥(SeawaterValves,SWVs)、支路(SeawaterBranches,SWBs)、泵(SeawaterPumps,SWPs)、部件熱交換器(ComponentHeatExchagers,CHXs)及淡水環(huán)(FreshwaterLoops,FWLs)。在艦船的每個區(qū)域，由SWPs向海水網(wǎng)絡(luò)提供壓力，CHXs通過海水網(wǎng)絡(luò)直接冷卻較大負載(尤其是發(fā)電機和推進驅(qū)動器)，而FWLs冷卻較小的負載。

圖8 淡水環(huán)系統(tǒng)模型Fig.8 Freshwater loop system model

如圖8所示，淡水冷卻環(huán)系統(tǒng)(FreshwaterLoopSystem,FWLS)每一個組件由一個FWL冷卻，F(xiàn)WLs匯聚到一起由一個流體熱交換器(FluidHeatExchanger,FHX)冷卻，而FHX由海水網(wǎng)絡(luò)冷卻。

5)艦總體布局建模

結(jié)合上述劃分的3個區(qū)域電力、流體網(wǎng)絡(luò)模型，即可針對電力系統(tǒng)設(shè)備、流體網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電纜及管路、控制器部件開展艦總體布局建模。自主控制平臺部件位置模型如圖9所示。

圖9 自主控制模型布局Fig.9 Layout of autonomous control model

3 自主控制模型仿真驗證

為證明該分層建模方法的有效性，本文采用Simulink搭建上述模型，進行時域仿真驗證。自主控制模型仿真框圖如圖10所示。

設(shè)定各部件依次啟動，待部件進入穩(wěn)定狀態(tài)后，在t=300 s時引入一個爆炸事件，該爆炸事件在空間層表示成為一個球體，該球體半徑為rd=2.0m，球心位于(xd,yd,zd)=(50.0,0.0,4.0)。 根據(jù)式(1)可以確定該爆炸事件損壞了發(fā)電機G1、泵SWP1、SWP1的電線以及海水網(wǎng)絡(luò)的支路SWB7和SWB12。

圖10 Simulink環(huán)境下IEP模型仿真框圖Fig.10 Simulating plot of IEP model in simulink

爆炸事件后，IEP系統(tǒng)發(fā)生級聯(lián)故障，由于SWP1損壞，負責冷卻淡水環(huán)的流體熱交換器FHX1停止工作，無法再冷卻區(qū)域1的部件，區(qū)域1直流部件溫度一直升高到365K(過熱點)。為此，C3和C4在大約t≈352 s時關(guān)閉，不能再向直流區(qū)域1的負載L3提供服務(wù)。然后，區(qū)域1能量存儲單元ES3能夠為L3提供服務(wù)直到t≈510 s時，L3由于過熱關(guān)閉。而在C3和C4由于過熱關(guān)閉而離線后，C1繼續(xù)運行直到t≈404 s時過熱關(guān)閉。由于泵SWP1損壞，為G1和G2提供冷卻的熱交換器CHX1不能夠被冷卻了，而G2依然運行并持續(xù)產(chǎn)生熱量，直至t≈1 960 s時，G2由于過熱關(guān)閉離線。

圖11直觀地表現(xiàn)了系統(tǒng)的故障級聯(lián)行為，黑色的長方體和線表示相關(guān)部件在爆炸中損壞或在爆炸后因系統(tǒng)故障級聯(lián)而停止運行。

圖11 系統(tǒng)故障級聯(lián)行為Fig.11 Cascaded action of system failure

G1在爆炸事件發(fā)生后立即停止運行并離線，G2在t≈1 960 s時離線，而其他發(fā)電機繼續(xù)運行，圖12給出了發(fā)電機G3和G4的相關(guān)功率情況。

圖12 G3，G4發(fā)電機功率仿真結(jié)果Fig.12 Simulating result for dynamo power G3-G4

如圖13所示，盡管在爆炸事件后，G1因損壞停止運行，但自主控制模型能夠重構(gòu)自動為系統(tǒng)負載提供持續(xù)的電力服務(wù)。唯一例外的是L3，因為一條海水支路由于爆炸損壞不能再為L3所在的區(qū)域的流體熱交換器FHX1提供冷卻海水，從而L3在t≈510 s時過熱關(guān)閉。

圖13 負載輸入功率仿真結(jié)果Fig.13 Simulating result for load input power

圖14 能量存儲單元仿真結(jié)果Fig.14 Simulating result for energy storage

圖14表示的是能量存儲單元的能量，可以看到能量存儲單元在發(fā)電機以及相應(yīng)的變換器啟動后充電，當充滿電后停止充電。位于區(qū)域1的ES3在C3和C4停止工作后放電為負載L3供電，直到t≈510 s時L3因過熱關(guān)閉。

熱能層部件溫度如圖15所示。在爆炸事件發(fā)生后，由于泵SWP1損壞不能為CHX1和區(qū)域1的FHX1的正常工作提供冷卻用水，因此溫度上升直到過熱點，其對應(yīng)冷卻的部件也因此停止工作。這與前面分析的各部件的工作情況相符。

由以上仿真結(jié)果及分析可以看到，IEP自主模型能夠在正常、故障、損傷情況下能夠通過自動重構(gòu)盡可能保障優(yōu)先級高的用電負載的需求，這也正是自主控制平臺將區(qū)域配電方式與自主控制技術(shù)結(jié)合提高艦船生命力的重要技術(shù)途徑。

圖15 熱能層部件溫度Fig.15 Temperature for thermal layer parts

4 結(jié) 語

綜上所述，采用艦船自主控制模型可聯(lián)合船機電系統(tǒng)，使具備在正常、故障和損害情況下無人監(jiān)督時自感知、自評估、自決策和自反應(yīng)的能力，從而使艦船在現(xiàn)代化海戰(zhàn)場這種復(fù)雜環(huán)境中“整體上”呈現(xiàn)自適應(yīng)性與自主執(zhí)行能力，可降低艦員的工作強度、減少艦員數(shù)量，提高艦船的任務(wù)效能。

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Research on autonomous control model for federation of HM&E system

YUE Lin

(China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China)

Hull mechanical & electrical (HM&E) System provide services to the ships which are vital to completing its mission, such as water, electric power, oil and mobility.Because mostly based on ‘human in loop’ tradition mode to control and decide, it need more personnel requirement and run cost.Therefore, combined with the feature of surface warship HM&E system physical model, a layered modeling and simulating method based on function interface is proposed, and then a autonomous control model for federation of HM&E system is established to change operation mode and damage control mode from traditional human based running to autonomous running.The simulation results have shown that using this model could make HM&E System have adaptive reconstruction and autonomous execution ability in unmanned condition of normal, fault and damage, effectively improve automation level and the overall vitality for ship platform.

hull mechanical & electrical (HM&E) system；joint model；autonomous control；layered modeling

2015-04-14；

2015-05-15

國家自然科學基金資助項目(61303238)

岳林(1982-)，男，博士，工程師，研究方向為艦船信息化與智能控制。

TP393.03

A

1672-7649(2015)12-0072-07

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.12.015