紀(jì)仁超，晉文超，岳智君，李 威

(1. 華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 海軍裝備研究院，北京 100036；3. 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

旁靠補(bǔ)給系泊系統(tǒng)研究

紀(jì)仁超1，晉文超2，岳智君3，李 威1

(1. 華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 海軍裝備研究院，北京 100036；3. 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

本文建立一種旁靠補(bǔ)給系泊系統(tǒng)，目標(biāo)船舶和補(bǔ)給船通過(guò)纜繩連接，兩船之間設(shè)置有浮箱防止碰撞，浮箱兩面均設(shè)置有護(hù)舷起緩沖作用。本文重點(diǎn)研究旁靠系泊系統(tǒng)的動(dòng)力特性，并在頻域和時(shí)域進(jìn)行研究，頻域研究中得到船舶的幅值響應(yīng)算子RAO；時(shí)域研究得到兩船相對(duì)位移響應(yīng)和纜繩的張力最大值，通過(guò)設(shè)置不同的系泊系統(tǒng)組成參數(shù)等，研究各個(gè)參數(shù)對(duì)系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響。本文可為未來(lái)的旁靠補(bǔ)給方式研究提供一定的參考，有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

RAO；運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；旁靠補(bǔ)給系泊；時(shí)域及頻域；固有特性

0 引 言

隨著海洋資源開(kāi)發(fā)和國(guó)防事業(yè)的發(fā)展，各類(lèi)海上結(jié)構(gòu)物的需求越來(lái)越大，發(fā)展越來(lái)越迅速，已經(jīng)成為世界各國(guó)發(fā)展的新熱點(diǎn)。因此，對(duì)于海洋結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究就顯得十分必要。

理論研究方面，來(lái)自MIT的Johansson[1]建立了一種非線(xiàn)性的有限元模型，在僅有錨鏈的一端被迫運(yùn)動(dòng)情況下，對(duì)模型錨鏈的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，并在Newmark工作的基礎(chǔ)之上，提出一種新方法用于耦合運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值積分。史琪琪等[2]運(yùn)用波浪交互理論，在不同間距下，對(duì)一個(gè)箱型多浮體系統(tǒng)的水動(dòng)力問(wèn)題進(jìn)行求解。范菊等[3]應(yīng)用頻域方法，在由波頻運(yùn)動(dòng)引起低頻率慢蕩阻力的條件下，探究了錨泊線(xiàn)所引起的相關(guān)的力。劉應(yīng)中等[4]針對(duì)風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的海上系泊系統(tǒng)，應(yīng)用準(zhǔn)定常的時(shí)域方法，分析其運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力特征，應(yīng)用準(zhǔn)靜態(tài)方法得到每一時(shí)間步的系泊力。

數(shù)值仿真方面，冷述棟等[5]探究了浮筒單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的形態(tài)，結(jié)果表明錨鏈的結(jié)構(gòu)和布置方式有一定影響。李威等[6]針對(duì)單點(diǎn)系泊的FPSO船體模型，對(duì)系泊系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值仿真分析，得出性能更為優(yōu)良的系泊系統(tǒng)參數(shù)。童波等[7]對(duì)懸鏈?zhǔn)缴钏脚_(tái)進(jìn)行研究，考慮纜繩長(zhǎng)度、布置角度等因素對(duì)系泊系統(tǒng)的影響。劉建成等[8]利用設(shè)計(jì)譜理論和經(jīng)驗(yàn)公式等得到了各種外界載荷，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，并論證了系統(tǒng)在理論上的可行性和經(jīng)濟(jì)性。劉元丹等[9]研究了旁靠系統(tǒng)的水動(dòng)力響應(yīng)，計(jì)算兩旁靠船舶所受到的波浪載荷，與不考慮耦合作用的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并分析了不同旁靠間距對(duì)水動(dòng)力性能的影響。付強(qiáng)等[10]針對(duì)LNG運(yùn)輸船旁靠FLNG進(jìn)行卸載作業(yè)時(shí)的情況進(jìn)行研究，考慮連接纜和防碰墊受力情況及斜浪對(duì)系統(tǒng)的影響。徐喬威等[11]研究了FPSO旁靠系泊系統(tǒng)的屏蔽效應(yīng)，在頻域下研究了阻尼和船體響應(yīng)RAO的特性，以及兩船間距因素的影響。

前述的各項(xiàng)理論研究及仿真研究中，主要對(duì)簡(jiǎn)易的系泊系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的研究，對(duì)實(shí)際應(yīng)用的旁靠系泊系統(tǒng)研究較少，且缺乏完整性和系統(tǒng)性。旁靠補(bǔ)給方式是一種相對(duì)較新穎的補(bǔ)給方式。尤其對(duì)于軍船，常規(guī)的補(bǔ)給方式只能進(jìn)行小型物資的補(bǔ)給，大型物資的補(bǔ)給必須返回港口碼頭進(jìn)行，旁靠補(bǔ)給對(duì)于軍船的大型物資補(bǔ)給方面有很大的優(yōu)勢(shì)。

本文建立了相對(duì)完整的旁靠補(bǔ)給系泊系統(tǒng)，包含作業(yè)船舶、浮箱、各類(lèi)纜索和護(hù)舷等部件，考慮結(jié)構(gòu)間相互耦合作用，可以施加任意大小和方向的風(fēng)浪流載荷。針對(duì)旁靠補(bǔ)給系泊系統(tǒng)，在頻域和時(shí)域的特性進(jìn)行較深入的研究，在頻域重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性，在時(shí)域重點(diǎn)關(guān)注目標(biāo)船與補(bǔ)給船間的相對(duì)位移響應(yīng)及纜索張力最大值，以驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 系泊系統(tǒng)設(shè)置

1.1 不同系泊方式的比較

本文建立了旁靠補(bǔ)給系泊系統(tǒng)，目標(biāo)船通過(guò)1根纜繩系泊到海底，補(bǔ)給船與目標(biāo)船平行排列，兩船通過(guò)纜繩連接；兩船間設(shè)置2個(gè)浮箱防止兩船相撞，且浮箱兩面均布置有護(hù)舷緩沖碰撞力。船體具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

整體系泊系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1，兩船之間共設(shè)置8條纜繩，自船首至船尾依次編號(hào)為1～8號(hào)，目標(biāo)船與海底之間纜繩編號(hào)為9號(hào)。

1.2 環(huán)境條件

在計(jì)算程序中，設(shè)定X軸正方向?yàn)?°，沿X軸逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為正。水深為100 m，風(fēng)速為10.7 m/s，方向?yàn)?90°；流速為1.8 m/s，方向?yàn)?70°；波高為2.5 m，波周期為10 s，波浪方向?yàn)?80°。

表 1 船體參數(shù)Tab. 1 Parameters of ships

圖 1 系泊系統(tǒng)模型Fig. 1 Model of mooring system

2 計(jì)算分析

本節(jié)分別在頻域和時(shí)域內(nèi)，對(duì)系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析計(jì)算，以得到系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性，并得到更加優(yōu)化的系泊系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。由于本系統(tǒng)屬于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，最終系統(tǒng)都會(huì)處于迎浪狀態(tài)，此時(shí)的浪向?yàn)?80°。

2.1 頻域分析

在對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力特性進(jìn)行頻域分析時(shí)，需要引入RAO（幅值響應(yīng)算子）的概念。RAO相當(dāng)于將波浪載荷轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的傳遞函數(shù)，它描述了結(jié)構(gòu)物在6個(gè)自由度下的運(yùn)動(dòng)特性。在180°浪向下，目標(biāo)船和補(bǔ)給船的六自由度RAO曲線(xiàn)如圖2和圖3所示。

由圖可知，對(duì)于目標(biāo)船，縱蕩、垂蕩和縱搖的量級(jí)遠(yuǎn)大于其他3個(gè)自由度，說(shuō)明180°的波浪主要影響船體的縱蕩、垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)；縱蕩和垂蕩RAO隨著頻率的增大逐漸減小，而其他4個(gè)自由度RAO都有峰值出現(xiàn)，峰值出現(xiàn)的范圍在0.4～0.6 rad/s，之后RAO值會(huì)隨著頻率的增大逐漸減小。

芥川龍之介“蘇州游記”的文人話(huà)語(yǔ)與文化心理 …………………………………………………… 劉克華（6.100）

對(duì)于補(bǔ)給船，縱蕩、垂蕩和縱搖的量級(jí)遠(yuǎn)大于其他3個(gè)自由度，說(shuō)明180°的波浪主要影響船體的縱蕩、垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)；縱蕩和垂蕩RAO隨著頻率的增大逐漸減小，而其他4個(gè)自由度RAO在0.4 rad/s之后都有峰值出現(xiàn)。

由此可知，應(yīng)盡量避免頻率范圍在0.4～0.6 rad/s的波浪。

圖 2 目標(biāo)船RAO曲線(xiàn)Fig. 2 Rao curves in of target ship

圖 3 補(bǔ)給船六自度RAO曲線(xiàn)Fig. 3 Rao curves in of supply ship

為了研究不同角度的波浪對(duì)與船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，選取120°、135°和150°的波浪進(jìn)行研究，考察其對(duì)橫蕩運(yùn)動(dòng)的影響，如圖4和圖5所示。

由圖可知，對(duì)于目標(biāo)船和補(bǔ)給船，不同角度的波浪對(duì)與船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有不同的影響，在本例中，對(duì)于橫蕩運(yùn)動(dòng)，頻率小于0.6 rad/s時(shí)，120°波浪對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響要大于135°和150°波浪。擴(kuò)展到所有的浪向，以及其對(duì)全部6個(gè)不同自由度的研究，就可以得出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性。

2.2 時(shí)域分析

在旁靠補(bǔ)給系泊系統(tǒng)中，在目標(biāo)船上設(shè)置有起重機(jī)，貨物由起重機(jī)從補(bǔ)給船運(yùn)送到目標(biāo)船上，由于兩船在外界載荷的作用下具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)貨物的安全起吊產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為了消除這種影響，起重機(jī)上安裝波浪補(bǔ)償裝置，可以對(duì)兩船之間的相對(duì)線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，包括相對(duì)位移補(bǔ)償和相對(duì)速度補(bǔ)償。

圖 4 目標(biāo)船不同角度下橫蕩RAO比較曲線(xiàn)Fig. 4 Rao curves in different angles of target ship

圖 5 補(bǔ)給船不同角度下橫蕩RAO比較曲線(xiàn)Fig. 5 Rao curves in different angles of supply ship

本文的旁靠補(bǔ)給系統(tǒng)中，貨物的起吊點(diǎn)B位于補(bǔ)給船甲板的中部，起重機(jī)的工作點(diǎn)A位于起吊點(diǎn)的正上方，工作示意圖如圖6所示。

圖 6 旁靠補(bǔ)給系泊系統(tǒng)工作示意圖Fig. 6 Diagram of supply mooring system

在時(shí)域計(jì)算中，可以得到系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和纜繩的張力最大值，為了更真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)中作業(yè)情況，本文中的位移響應(yīng)和張力最大值均取自系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的階段。對(duì)于旁靠補(bǔ)給方式，最重要的是保證其實(shí)施的可靠性，即要使兩船之間的相對(duì)位移和相對(duì)速度盡可能小，才可以保障補(bǔ)給的安全進(jìn)行。其次，為使系泊系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)，纜繩的張力最大值應(yīng)盡量小且分布均勻。

不同類(lèi)型和材質(zhì)的纜繩具有不同的剛度（EA），選取不同的兩船間纜繩剛度（Line1～8），時(shí)域仿真的結(jié)果如表2和表3所示（表格中，Lx為縱向相對(duì)位移，Ly為橫向位移，Lz為垂向位移，Vx為縱向相對(duì)速度，Vy為橫向相對(duì)速度，Vz為垂向相對(duì)速度）。

表 2 不同剛度下相對(duì)位移Tab. 2 Relative displacement in different stiffness

表 3 不同剛度下纜繩張力最大值Tab. 3 Max tension of cables in different stiffness

由表4可知，纜繩剛度為4×106時(shí)，兩船相對(duì)位移明顯大于其他2種剛度的情況，3種剛度下兩船相對(duì)速度相差不大；由表5可知，纜繩剛度為1.6×107時(shí)，纜繩的張力最大值較大幅度的高于剛度為8×106時(shí)；綜合位移和張力最大值數(shù)據(jù)，兩船間纜繩剛度為8×106時(shí)為最優(yōu)情況。

表 4 不同剛度下相對(duì)位移Tab. 4 Relative displacement in different stiffness

表 5 不同剛度下纜繩張力最大值Tab. 5 Max tension of cables in different stiffness

2.2.2 海底錨鏈剛度設(shè)置

不同類(lèi)型錨鏈具有不同的剛度（EA），選取不同的海底錨鏈剛度（Line9），時(shí)域仿真的結(jié)果如表6和表7所示（表格中，Lx為縱向相對(duì)位移，Ly為橫向位移，Lz為垂向位移，Vx為縱向相對(duì)速度，Vy為橫向相對(duì)速度，Vz為垂向相對(duì)速度）。

表 6 不同位置下相對(duì)位移Tab. 6 Relative displacement in different stiffness

表 7 不同位置下纜繩張力最大值Tab. 7 Max tension of cables in different stiffness

由表6可知，海底纜繩剛度為8×108時(shí)，大部分相對(duì)位移明顯小于其他2種剛度的情況；由表7可知，纜繩剛度越小，纜繩的張力最大值越?。痪C合位移和張力最大值情況，海底纜繩剛度為8×108時(shí)為最優(yōu)情況。

2.2.3 海底系泊點(diǎn)位置設(shè)置

對(duì)于系泊系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，海底系泊點(diǎn)位置的選擇是一個(gè)重要的因素，不同系泊點(diǎn)位置決定了海底錨鏈（Line9）的長(zhǎng)度，不同的錨鏈長(zhǎng)度決定了不同的系統(tǒng)平衡位置。本文中選擇了4種不同的系泊點(diǎn)位置，研究其影響。字母L代表海底錨鏈（Line9）兩端之間的水平距離，具體結(jié)果如表8和表9所示（表中Lx為縱向相對(duì)位移，Ly為橫向位移，Lz為垂向位移，Vx為縱向相對(duì)速度，Vy為橫向相對(duì)速度，Vz為垂向相對(duì)速度）。

表 8 不同纜繩長(zhǎng)度下相對(duì)位移Tab. 8 Relative displacement in different stiffness

表 9 不同纜繩長(zhǎng)度下纜繩張力最大值Tab. 9 Max tension of cables in different stiffness

由表8可知，當(dāng)L等于500 m時(shí)，兩船相對(duì)位移值均小于其他3種情況，對(duì)于兩船的相對(duì)速度，4種情況的差別很??；由表9可知，4種情況下兩船間纜繩張力最大值差別較小，而對(duì)于海底錨鏈，L越大時(shí)，錨鏈的張力最大值越小，但是L為500 m和800 m時(shí)，張力最大值的差別不大；因此綜合位移和張力最大值情況，當(dāng)L為500 m時(shí)為最優(yōu)情況。

2.2.4 兩船間纜繩長(zhǎng)度設(shè)置

分析上述算例（方案1）中兩船纜繩的張力最大值分布，可以發(fā)現(xiàn)纜繩中的張力分布較不均勻，Line1，Line2，Line5和Line6承受了大部分的張力，為了探究使兩船間纜繩中張力分布更加均勻的方法，改變纜繩的長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體的方式是適當(dāng)?shù)脑黾覮ine1、Line2、Line5和Line6這4根纜繩的長(zhǎng)度，適當(dāng)?shù)臏p小其他4根纜繩的長(zhǎng)度，纜繩長(zhǎng)度的改變量均小于纜繩原長(zhǎng)的5%。通過(guò)不斷地改變各條纜繩的長(zhǎng)度，并根據(jù)纜繩張力最大值的分布情況反復(fù)的進(jìn)行調(diào)整，得出1套比較理想的纜繩長(zhǎng)度數(shù)據(jù)（方案2），具體的計(jì)算結(jié)果如表10和表11所示（表格中，Lx為縱向相對(duì)位移，Ly為橫向位移，Lz為垂向位移，Vx為縱向相對(duì)速度，Vy為橫向相對(duì)速度，Vz為垂向相對(duì)速度）。

由表中數(shù)據(jù)可知，通過(guò)不斷地調(diào)節(jié)纜繩長(zhǎng)度，可以使兩船間纜繩張力最大值分布變得更加均勻；對(duì)于兩船的相對(duì)位移和相對(duì)速度，方案1和方案2相差極小，說(shuō)明纜繩長(zhǎng)度的調(diào)整可以使纜繩張力最大值分布更加合理，但對(duì)相對(duì)位移和相對(duì)速度的影響較小。

2.2.5 兩船間纜繩布置

為了探究?jī)纱g纜繩的布置方式對(duì)系泊系統(tǒng)性能的影響，且考慮到原先的布置方案中張力最大值的分布不均勻的特征（方案1），改變Line3，Line4，Line7和Line8的布置位置，即把這4根纜繩在目標(biāo)船上的系泊點(diǎn)位置向船首方向移動(dòng)一段距離（方案2），使纜繩的方向更加平行于浪向（180°）。而目前可用的波浪補(bǔ)償起重機(jī)，相對(duì)位移補(bǔ)償能力大致為1.2 m，相對(duì)速度補(bǔ)償能力大致為1 m/s。具體的計(jì)算結(jié)果如表10和表11所示（表中Lx為縱向相對(duì)位移，Ly為橫向位移，Lz為垂向位移，Vx為縱向相對(duì)速度，Vy為橫向相對(duì)速度，Vz為垂向相對(duì)速度）。

表 10 不同纜繩布置方式下相對(duì)位移Tab. 10 Relative displacement in different stiffness

表 11 不同纜繩布置方式下纜繩張力最大值Tab. 11 Max tension of cables in different stiffness

由上面表格數(shù)據(jù)可知，改變纜繩的布置方式后，張力最大值在纜繩中的分布變得更加均勻，說(shuō)明當(dāng)纜繩的方向越接近浪向，承受的張力最大值會(huì)越大；方案2與方案1相比兩船的相對(duì)位移和相對(duì)速度略微變大，但差別較小，在垂向位移和垂向速度上還略有減小，且2種方案都在補(bǔ)償能力范圍之內(nèi)。因此，在實(shí)際操作中，要綜合考慮纜繩的布置方式對(duì)張力和相對(duì)位移響應(yīng)的影響，選取最合適的布置方式。

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)上面的分析結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

1）對(duì)于目標(biāo)船和補(bǔ)給船，180°的波浪主要影響船體的縱蕩、垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)，對(duì)其他3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)影響較小；

2）縱蕩和垂蕩RAO隨著頻率的增大而減小，而橫蕩、橫搖、縱搖和首搖RAO都有峰值出現(xiàn)，對(duì)其中受影響最大的縱搖運(yùn)動(dòng)，峰值出現(xiàn)在0.4～0.6 rad/s，因此系泊系統(tǒng)應(yīng)該盡量避免這個(gè)頻率范圍的外界載荷，包括環(huán)境載荷和船用機(jī)械產(chǎn)生的載荷等；

3）兩船間纜繩剛度、海底錨鏈剛度和海底系泊點(diǎn)位置都對(duì)系泊系統(tǒng)性能有較大的影響，在旁靠補(bǔ)給的目的下，兩船間的相對(duì)位移和相對(duì)速度是主要的考察指標(biāo)，兼顧纜繩的張力最大值分布，通過(guò)比較分析，可以得出最優(yōu)的參數(shù)值；

4）調(diào)節(jié)兩船間的纜繩長(zhǎng)度，可以使兩船間纜繩張力最大值分布變得更加均勻，但對(duì)兩船的相對(duì)位移和相對(duì)速度無(wú)明顯改善；改變纜繩的布置方式，使小張力的纜繩方向越接近浪向，承受的張力最大值會(huì)越大，因此可以使張力最大值在纜繩中的分布變得更加均勻，同時(shí)兩船的相對(duì)位移和相對(duì)速度會(huì)略有增加，因此在工程實(shí)踐中，需要根據(jù)補(bǔ)償能力進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩帷?/p>

本文對(duì)旁靠補(bǔ)給方式進(jìn)行了較深入的研究，通過(guò)對(duì)系泊系統(tǒng)的各種參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出一個(gè)較為優(yōu)良的旁靠系泊方案，保障旁靠補(bǔ)給的安全進(jìn)行。本文研究可以為工程實(shí)踐提供一定的指導(dǎo)意義，在實(shí)踐中根據(jù)具體情況選擇恰當(dāng)?shù)膮?shù)確定系泊方案，可以最大程度地提高系統(tǒng)的作業(yè)性能。

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Study of side-by-side supply mooring system

JI Ren-chao1, JIN Wen-chao2, YUE Zhi-jun3, LI Wei1
(1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China; 2. Naval Academy of Armament, Beijing 100036, China;3. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

This paper sets up a side-by-side supply mooring system, in which the target ship and the supply ship are connected by some cables, and to prevent the collision, there are two floating boxes between the two ships, and there are fenders on both sides of floating boxes to buffer the collisions. And the aim of this study is to analyze the dynamic characteristics of the side-by-side supply mooring system, which is studied in both frequency domain and frequency domain. In the frequency domain, the response amplitude operator (RAO) are calculated, and in the time domain, the relative motion of the two ships and the max tension of cables can be obtained. Through the calculation with different parameters, the influence of different parameters can be studied. And the result may provide some helpful experience for the study of side-by-side supply mooring system in the future, and owns a high value for the practical engineering.

RAO；motion response；side-by-side supply mooring system；frequency and time domain；natural characteristic

U667

A

1672-7649(2017)11-0146-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.028

2016-11-15；

2017-02-06

紀(jì)仁超(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橄挡从?jì)算。