鄭向平,滕云萬(wàn)里,高　亮,周志惠

(酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉　732750)

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利用Unity3D引擎實(shí)現(xiàn)某飛行器攻防對(duì)抗仿真

鄭向平,滕云萬(wàn)里,高亮,周志惠

(酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉732750)

為了實(shí)現(xiàn)某飛行器攻防對(duì)抗的可視化仿真,利用可視化模型數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建技術(shù),構(gòu)建了全尺寸、高沉浸感、多視角的可視化仿真環(huán)境。利用Unity3D引擎的腳本技術(shù),實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈尾焰、大氣云層、爆炸沖擊波、視點(diǎn)跟隨等特效與功能。該平臺(tái)使用C#和Unity3D引擎進(jìn)行開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)了攻防雙方參數(shù)設(shè)置、計(jì)算數(shù)據(jù)和圖表輸出、仿真畫(huà)面輸出等功能,并能在多次仿真后,對(duì)不同的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。該平臺(tái)具有較好的擴(kuò)展性,能夠逼真再現(xiàn)飛行器的攻防對(duì)抗過(guò)程。結(jié)果表明,對(duì)于需要不斷修正數(shù)學(xué)模型以逼近真實(shí)的攻防對(duì)抗過(guò)程,每次修正都能立即通過(guò)可視化平臺(tái)查看、驗(yàn)證模型修改對(duì)攻防對(duì)抗過(guò)程帶來(lái)的影響,對(duì)飛行器的設(shè)計(jì)、作戰(zhàn)使用具有一定的參考價(jià)值。

Unity3D;飛行器;攻防對(duì)抗;可視化仿真

武器系統(tǒng)的攻防對(duì)抗是個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程,是指我方導(dǎo)彈從發(fā)射、巡航飛行到擊中目標(biāo)的全過(guò)程以及敵方反導(dǎo)防御系統(tǒng)從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、攔截決策到攔截毀傷來(lái)襲導(dǎo)彈的全過(guò)程。研究該飛行器的攻防對(duì)抗過(guò)程對(duì)于科學(xué)合理地確定其作戰(zhàn)方式、最大程度的發(fā)揮其作戰(zhàn)效能、驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性和正確性具有不可替代的作用。

可視化仿真技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要組成部分,是社會(huì)各領(lǐng)域發(fā)展中不可缺少的高科技手段。在武器系統(tǒng)先期概念演示、虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證、攻防對(duì)抗仿真和作戰(zhàn)效能評(píng)估中被廣泛應(yīng)用[1]。

由于游戲引擎具有底層封裝好、代碼效率高、效果逼真、開(kāi)發(fā)應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),所以武器系統(tǒng)的可視化仿真,目前趨向與采用一些主流的游戲引擎來(lái)實(shí)現(xiàn),包括Cryengine、Unreal、Unity3D等。

1　Unity3D

Unity3D是由丹麥Unity Technology公司開(kāi)發(fā)的多平臺(tái)游戲開(kāi)發(fā)工具,是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。其中包括了圖形、音頻、物理、網(wǎng)絡(luò)等多方面的引擎支持,并且有一個(gè)非常強(qiáng)大的編輯器來(lái)整合這一切,如圖1所示。Unity 使用Mono作為腳本引擎的虛擬機(jī),支持使用C#、JavaScript、Boo等作為腳本開(kāi)發(fā)語(yǔ)言[2]。

圖1　Unity編輯器界面

1.1Unity3D可視化流程

利用Unity3D引擎進(jìn)行可視化仿真開(kāi)發(fā)應(yīng)用,通常經(jīng)過(guò)素材拍攝或收集、貼圖制作、模型制作、三維場(chǎng)景搭建、光照烘焙、碰撞檢測(cè)設(shè)置、交互界面制作、交互腳本編寫(xiě)、成品發(fā)布等步驟。如圖2所示,在Unity中實(shí)現(xiàn)攻防對(duì)抗可視化仿真,主要有三個(gè)步驟:1)在建模軟件(Maya、3DMax、CAD等)中構(gòu)建三維模型;2)將模型導(dǎo)入在Unity編輯器中,并進(jìn)行場(chǎng)景搭建、視點(diǎn)設(shè)計(jì)、腳本設(shè)計(jì)等;3)在Unity引擎中實(shí)現(xiàn)交互、特效和碰撞檢測(cè)等,最終實(shí)現(xiàn)可視化仿真。

圖2　Unity中可視化實(shí)現(xiàn)的步驟

1.2Unity3D可視化的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1模型構(gòu)建技術(shù)

Unity3D中模型構(gòu)建主要有兩種方法：一種是在3DMax、Maya等三維軟件中構(gòu)建好模型,將其直接導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中使用[3];另一種是利用Unity3D自身的建模功能,搭建簡(jiǎn)單的模型。在實(shí)際開(kāi)發(fā)使用中,通常采用第一種方法,模型導(dǎo)入后,附帶了模型的空間位置、軸心點(diǎn)、材質(zhì)、貼圖、發(fā)線及UV設(shè)置、動(dòng)畫(huà)等信息,因此,外部建模時(shí),模型應(yīng)該放置在世界坐標(biāo)系的原點(diǎn),同時(shí)貼圖與模型的命名盡量保持一致,方便項(xiàng)目管理與維護(hù),避免采用中文,以防在Unity3D中顯示為亂碼[4]。

1.2.2腳本技術(shù)

Unity3D中的腳本技術(shù)較好地為可視化仿真應(yīng)用,解決了程序邏輯、交互設(shè)計(jì)、視點(diǎn)控制、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、碰撞響應(yīng)等問(wèn)題。當(dāng)下面的腳本附加到帶有碰撞器的剛體上時(shí),將銷(xiāo)毀它自己并實(shí)例化一個(gè)爆炸物。

var expl: Transform;

function OnCollisionEnter()

{Destroy (gameObject);

var ClonedEx: Transform;

ClonedEx=Instantiate(expl,transform.position,

transform.rotation);}

1.2.3碰撞檢測(cè)技術(shù)

在可視化仿真應(yīng)用中,高實(shí)時(shí)交互條件下復(fù)雜模型的碰撞檢測(cè),至關(guān)重要。碰撞檢測(cè)的任務(wù)是檢測(cè)碰撞的發(fā)生,并計(jì)算出碰撞點(diǎn)位置。在Unity3D中,該部分內(nèi)容交由內(nèi)置的物理引擎PhysX來(lái)完成。PhysX能夠快速、準(zhǔn)確、高性能地完成碰撞檢測(cè)需求,通過(guò)合理的腳本技術(shù),實(shí)現(xiàn)逼真的碰撞響應(yīng)。

2　攻防對(duì)抗雙方的數(shù)學(xué)模型

攻防對(duì)抗雙方的數(shù)學(xué)模型主要是進(jìn)攻方和防御方的相關(guān)模型。進(jìn)攻方的模型主要有某飛行器的理想彈道模型、突防概率計(jì)算模型和殺傷概率計(jì)算模型等;防御方的模型主要有預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)的探測(cè)概率和雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)概率計(jì)算模型、攔截武器系統(tǒng)的攔截概率計(jì)算模型和攔截決策模型等。下面介紹兩種主要的數(shù)學(xué)模型。

2.1進(jìn)攻方突防概率計(jì)算模型

導(dǎo)彈的突防能力,一般由突防概率指標(biāo)來(lái)衡量,在計(jì)算過(guò)程中,主要考慮該飛行器突防預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)、地面預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)、地空導(dǎo)彈攔截、動(dòng)能攔截彈和機(jī)載激光武器(ABL)攔截的情況。所以該飛行器的突防概率計(jì)算公式為[5]

Ptf=1-PDSP·PSBIRS·Pyjld·Pdkdd·Pdnlj·PABL

(1)

其中,PDSP為DSP預(yù)警衛(wèi)星的探測(cè)概率,PSBIRS為天基紅外預(yù)警衛(wèi)星的探測(cè)概率,Pyjld為地面預(yù)警雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)概率,Pdkdd為地空導(dǎo)彈的攔截概率,Pdnlj為動(dòng)能攔截器的攔截概率,PABL為機(jī)載激光攔截武器的攔截概率。實(shí)際應(yīng)用中,如果PDSP、PSBIRS、Pyjld、Pdkdd、Pdnlj、PABL中有等于零的項(xiàng),其意義在于防御方無(wú)法發(fā)現(xiàn)或者攔截進(jìn)攻方導(dǎo)彈,因此進(jìn)攻方的突防只取決于防御方的其他設(shè)備,所以該項(xiàng)在計(jì)算時(shí)不予考慮,應(yīng)在公式(1)中取消該項(xiàng)。

2.2防御方動(dòng)能攔截概率計(jì)算模型

動(dòng)能攔截彈簡(jiǎn)稱kkv。動(dòng)能攔截彈的攔截概率由下式計(jì)算[3]:

(2)

其中，D表示攔截彈發(fā)射點(diǎn)與來(lái)襲彈之間的距離,tyj表示預(yù)警時(shí)間,vlj為攔截彈速度,vlx為來(lái)襲彈速度,Pmz為攔截彈命中概率,Ppz為攔截彈與來(lái)襲彈的碰撞概率。

3　攻防對(duì)抗可視化仿真實(shí)現(xiàn)

3.1可視化仿真平臺(tái)的模塊組成

實(shí)現(xiàn)攻防對(duì)抗過(guò)程的可視化,可以將進(jìn)攻方發(fā)射某飛行器進(jìn)行攻擊、防御方探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)過(guò)程、防御方攔截彈的發(fā)射及攔截命中過(guò)程等形象直觀地呈現(xiàn)在用戶面前。現(xiàn)實(shí)中很難進(jìn)行次數(shù)眾多的攻防對(duì)抗試驗(yàn),建立可視化仿真平臺(tái)后,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限次的重復(fù)仿真試驗(yàn),而且可以不斷修正數(shù)學(xué)模型以逼近真實(shí)的攻防對(duì)抗過(guò)程,對(duì)于每次修改都能立即通過(guò)可視化平臺(tái)查看、驗(yàn)證模型修改對(duì)攻防對(duì)抗過(guò)程帶來(lái)的影響。攻防對(duì)抗可視化仿真平臺(tái)包括作戰(zhàn)想定模塊、交戰(zhàn)模塊、參數(shù)輸入模塊、可視化模型數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、特效模塊、分析評(píng)估模塊等,模塊框圖如圖3所示。

圖3　攻防對(duì)抗仿真可視化平臺(tái)模塊組成

3.2可視化仿真模型的建立

對(duì)于可視化仿真應(yīng)用而言,關(guān)鍵是所創(chuàng)建的三維模型對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的有效程度。因?yàn)槟Ｐ蛿?shù)據(jù)最終要通過(guò)實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用和檢驗(yàn),實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)可能會(huì)以每秒幾十次的頻率對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行各種遍歷、計(jì)算和渲染,在對(duì)虛擬場(chǎng)景中所有的物體進(jìn)行準(zhǔn)確重繪的同時(shí)還要實(shí)時(shí)響應(yīng)各種外部輸入信息,要提高三維模型在特定實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中的運(yùn)行速度和流暢性,獲得更高的仿真運(yùn)行效率,就必須對(duì)所構(gòu)建的三維模型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。在攻防對(duì)抗可視化仿真中涉及了大地形、動(dòng)能攔截器、PAC-II系統(tǒng)、某飛行器等模型,模型多邊形數(shù)量龐大,如何進(jìn)行優(yōu)化以及優(yōu)化的程度對(duì)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行效率至關(guān)重要。

3.2.1模型優(yōu)化原則

實(shí)時(shí)可視化仿真應(yīng)用中模型多邊形數(shù)量和用戶視覺(jué)要求是一對(duì)矛盾。對(duì)模型而言,多邊形數(shù)量越多,模型的精細(xì)度也越好,用戶的視覺(jué)體驗(yàn)越佳,但是實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行壓力越大;反之,模型越簡(jiǎn)陋,用戶體驗(yàn)越差,但是實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行壓力越小。在攻防對(duì)抗可視化仿真系統(tǒng)建模過(guò)程中,以滿足可視化仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)繪制的需要、模型多邊形數(shù)量盡可能少同時(shí)滿足視覺(jué)要求、最快的系統(tǒng)響應(yīng)、與客觀規(guī)律盡可能一致為優(yōu)化原則[6]。

3.2.2模型優(yōu)化方法

本文采用紋理取代模型、實(shí)例化模型、刪除冗余多邊形、LOD技術(shù)、布告板、燈光烘焙等方法對(duì)仿真中使用的三維模型進(jìn)行了建模與優(yōu)化[7]。圖4、圖5是利用上述原則和方法建立的可視化仿真模型。

圖4　動(dòng)能攔截器KKV

圖5　愛(ài)國(guó)者Ⅱ?qū)棓r截系統(tǒng)

3.2.3地形構(gòu)建技術(shù)

在攻防對(duì)抗可視化仿真中,三維地形地貌是攻防對(duì)抗環(huán)境不可或缺的部分,隨著對(duì)抗仿真要求的提高,對(duì)對(duì)抗地域、精度、真實(shí)性等要求也越來(lái)越高。在普通可視化應(yīng)用中,利用免費(fèi)的低精度DEM數(shù)據(jù)能夠滿足使用要求。在該飛行器可視化仿真時(shí),利用Google Earth獲取DEM數(shù)據(jù),生成包含高度信息的asc文件,導(dǎo)入MicroDem軟件中生成黑白GEDTIFF格式文件,導(dǎo)入WorldMachine中,通過(guò)形態(tài)修飾節(jié)點(diǎn)、蒙板節(jié)點(diǎn)、融合節(jié)點(diǎn)對(duì)地形進(jìn)一步修飾美化,最后輸出帶高度信息的格式為“RAW16”的文件和地表紋理圖,在Unity3D中直接導(dǎo)入使用,然后進(jìn)行細(xì)部地形的構(gòu)建,比如進(jìn)攻方和防御方陣地模型。采用場(chǎng)景分割、多分辨率地形模型、多分辨率紋理貼圖等技術(shù),對(duì)生成的2000km×2000km大地形進(jìn)行了優(yōu)化。

3.3腳本實(shí)現(xiàn)

本文利用C#和Unity3D進(jìn)行可視化仿真開(kāi)發(fā),可以充分把C#簡(jiǎn)單易用和Unity3D強(qiáng)大的可視化功能有機(jī)的結(jié)合起來(lái),相互之間的通訊接口采用txt格式。下面的代碼片段為讀取外部txt文件并移動(dòng)模型的腳本,實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)的功能。

void Update (){//讀取外部txt文件

if ((line=smRead.ReadLine())!=null){

string[] arrStr=line.Split('|');

X=arrStr[0].ToString();

Y=arrStr[1].ToString();

Z=arrStr[2].ToString();}}

function Update (){//移動(dòng)模型

transform.Translate(X,0,0);

transform.Translate(0,Y,0);

transform.Translate(0,0,Z);

}

3.4特效實(shí)現(xiàn)

本文利用Maya進(jìn)行建模以及材質(zhì)貼圖的設(shè)置,以C#為開(kāi)發(fā)平臺(tái),以txt格式作為數(shù)據(jù)通訊接口,通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)的方式,實(shí)現(xiàn)了攻防對(duì)抗仿真的可視化。其中,圖6為紅藍(lán)對(duì)抗雙方的導(dǎo)彈參數(shù)、紅外探測(cè)器參數(shù)、雷達(dá)參數(shù)、保護(hù)目標(biāo)參數(shù)等參數(shù)設(shè)置界面。圖7為防御方愛(ài)國(guó)者攔截彈發(fā)射以及攔截命中來(lái)襲導(dǎo)彈后起爆瞬間。

圖6　部分參數(shù)設(shè)置界面

圖7　愛(ài)國(guó)者攔截彈發(fā)射與攔截命中瞬間

4　應(yīng)用實(shí)例

假定紅方在1200km外發(fā)射某飛行器對(duì)藍(lán)方進(jìn)行攻擊,由B-52H轟炸機(jī)運(yùn)送至10km高空后發(fā)射,到達(dá)30km后以6Ma速度巡航飛行,距目標(biāo)20km后開(kāi)始俯沖攻擊,其RCS等于0.1m,CEP等于5m,紅外輻射強(qiáng)度等于1250W/sr,戰(zhàn)斗部TNT當(dāng)量120kg,殼體厚度29mm。

攻擊目標(biāo)為地面堅(jiān)固目標(biāo),介質(zhì)為鋼筋混凝土,相對(duì)TNT的破碎系數(shù)為0.5,目標(biāo)等效圓半徑5m。

藍(lán)方采用PAC-II導(dǎo)彈進(jìn)行一對(duì)一攔截,其攔截導(dǎo)彈的有效破片數(shù)為700,破片質(zhì)量為45g,破片初速1000m/s,戰(zhàn)斗部毀傷半徑為20m;藍(lán)方探測(cè)雷達(dá)為“鋪路爪”遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá),其平均頻率1300MHz,掃描角速率10r/min,最大探測(cè)距離4800km,虛警率10-6,目標(biāo)落入概率1,識(shí)別概率0.9,接觸頻率0.1,噪聲系數(shù)3,損耗因子7,平均水平通視距離8km;紅外探測(cè)器面積2.5×10-5cm2,光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率0.8,大氣平均透過(guò)系數(shù)0.98,平均波段探測(cè)率4×1010cmHz1/2W-1,虛警率10-6。

多次模擬仿真結(jié)果表明,該飛行器的突防概率為0.778,突防后對(duì)藍(lán)方目標(biāo)的殺傷概率為0.9958。圖8是不同巡航速度、不同巡航高度和不同雷達(dá)反射面積時(shí),該飛行器對(duì)雷達(dá)突防概率的變化曲線圖。

由圖8(a)可以看出,隨著RCS值的減小,突防概率增加。因?yàn)镽CS的減小使得雷達(dá)的最大探測(cè)距離顯著降低,藍(lán)方防御半徑縮小,所以紅方某飛行器的突防概率增加。

由圖8(b)可以看出,隨著巡航高度的減小,突防概率有所增加,這是因?yàn)檠埠礁叨冉档褪沟美走_(dá)的通視概率降低,從而使得累積發(fā)現(xiàn)概率降低,所以藍(lán)方的探測(cè)概率降低,而紅方的突防概率增加,不過(guò)效果不明顯。

由圖8(c)可以看出,隨著巡航速度的增加,突防概率有明顯增大。這是因?yàn)檠埠剿俣仍黾?使得防御方的防御近界擴(kuò)大,有效防御厚度變薄,防御時(shí)間縮短,所以突防更容易。

從巡航速度、巡航高度和雷達(dá)反射面積對(duì)某飛行器突防概率的影響曲線可以看出,在設(shè)計(jì)該飛行器時(shí),必須提高巡航速度,減小雷達(dá)反射面積,這樣才能有效提高飛行器的突防能力。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立攻防對(duì)抗雙方的數(shù)學(xué)模型以及可視化模型數(shù)據(jù)庫(kù),利用先進(jìn)的Unity3D引擎可視化仿真技術(shù),建立某飛行器攻防對(duì)抗的可視化仿真平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的攻防對(duì)抗仿真。該仿真平臺(tái)擴(kuò)展性較好,通過(guò)不斷完善所建立的數(shù)學(xué)模型,可以更逼近真實(shí)的對(duì)抗過(guò)程,而且仿真畫(huà)面美觀,模型逼真。利用該平臺(tái)能夠仿真不同RCS值、巡航速度、巡航高度對(duì)突防概率的影響,能夠仿真攔截彈不同速度、不同戰(zhàn)斗部威力對(duì)攔截概率的影響。對(duì)該飛行器的設(shè)計(jì)、使用和作戰(zhàn)決策具有一定的參考價(jià)值。后續(xù)將考慮更多的防御和攔截突防手段,比如增加隱真示假等對(duì)抗手段,逐步完善該平臺(tái)的功能,進(jìn)一步逼近真實(shí)的攻防對(duì)抗過(guò)程。

圖8　不同條件下某飛行器對(duì)雷達(dá)的突防概率

[1]王文廣,雷永林,趙雯.NMD系統(tǒng)對(duì)抗過(guò)程三維可視化關(guān)鍵技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2005,17(10)：2406-2409.

[2]Unity Inc.Unity參考手冊(cè)[Z].Danmark:Unity Inc.2010.

[3]朱慧娟.基于Unity3D的虛擬漫游系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2012,21(10)：36-39.

[4]歐陽(yáng)攀.高射速武器彈道解算與視景仿真研究[D].太原：中北大學(xué),2013.

[5]羅小明.彈道導(dǎo)彈攻防對(duì)抗的建模與仿真[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[6]鄭向平,顧文彬,唐勇.基于Creator和Vega的某防護(hù)系統(tǒng)可視化仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20(15)4082-4084.

[7]張建.Creator三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真技術(shù),2010,6(2):164-168.

Simulating the Aircraft Attack-defence Confrontation Based on Unity3D

ZHENG Xiang-ping,TENG Yun-wan-li,GAO Liang,ZHOU Zhi-hui

(Jiuquan Satellite Launch Center,Jiuquan 732750,China)

In order to visually simulate the attack-defence confrontation of some aircraft,the visual model database construction technology has be used to build a full-size,high immersive,multi-angle visual simulation environment.In this environment the script technology of Unity3D has used to realize the effects and functions of missile tail fire,atmospheric clouds,explosion wave,viewpoints tracking.The platform developed by C# and Unity3D has realized the functions of parameter setting of attack-defence,calculation data and chart outputting,simulation graphics outputting.And the platform can repeated the simulations of different parameters for statistical analysis.It has better scalability to clearly reproduce the aircraft attack-defence confrontation processes.Conclusively,the mathematic model amendments of the attack-defence confrontation processes can be verified by the visual platform,which is of value to the aircraft design and combat.

Unity3D; aircraft; attack-defense confrontation; visual simulation

1673-3819(2016)05-0102-05

2016-05-23

2016-06-14

鄭向平(1975-)，男，浙江義烏人，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)可視化仿真。

滕云萬(wàn)里(1990-)，男，工程師。

高亮(1972-)，男，工程師。

周志惠(1979-)，男，工程師。

V221；TP391.9

ADOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.05.022