曹小明

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

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接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)平臺及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹小明

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)

鐵路勘察設(shè)計(jì)電氣化接觸網(wǎng)專業(yè)在設(shè)計(jì)過程中，涉及專業(yè)、人員、數(shù)據(jù)量眾多。為提高不同專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)及具體區(qū)間輔助設(shè)計(jì)效率，確保項(xiàng)目流程的可追溯性，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)數(shù)據(jù)共享，特開發(fā)了接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)平臺及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。通過對電氣化接觸網(wǎng)專業(yè)業(yè)務(wù)流程的分析，設(shè)計(jì)項(xiàng)目管理流程，結(jié)合短信提醒與中心數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目流程的管理、監(jiān)控與數(shù)據(jù)共享。從接觸網(wǎng)輔助設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)獲取，中期數(shù)據(jù)處理、工程設(shè)計(jì)約束及工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)等方面進(jìn)行分析、歸納和簡化，采用參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，建立了對應(yīng)輔助設(shè)計(jì)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并采用“用戶-角色-權(quán)限”模式的訪問控制機(jī)制保證了應(yīng)用過程中數(shù)據(jù)的安全性。

電氣化鐵路；接觸網(wǎng)；協(xié)同設(shè)計(jì)；二次開發(fā)；參數(shù)化設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)共享

鐵路電氣化設(shè)計(jì)是鐵路工程設(shè)計(jì)的重要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一，主要包括電力機(jī)車、牽引變電所和接觸網(wǎng)三部分。接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)[1]部分，含平面設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程數(shù)量計(jì)算與匯總等內(nèi)容，需要在接收并處理線路、地質(zhì)、橋隧等專業(yè)提供的數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)、審核、審定的基礎(chǔ)上，為工經(jīng)、環(huán)設(shè)等相關(guān)專業(yè)提供平面圖紙、工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)。從項(xiàng)目整體管理而言，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人需要及時地了解各子項(xiàng)目的設(shè)計(jì)進(jìn)度，對不同專業(yè)間的項(xiàng)目、人員進(jìn)行協(xié)調(diào)與調(diào)度，其間涉及人員復(fù)雜、專業(yè)眾多、相關(guān)數(shù)據(jù)量大，同時，項(xiàng)目對不同專業(yè)及人員間數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)實(shí)時性及可追溯性要求較高。在輔助設(shè)計(jì)方面，相關(guān)子項(xiàng)目的專冊或者設(shè)計(jì)人員，在進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)的時候，需要對站前專業(yè)提供的DWG圖紙、Excel表格、文本文件等類型數(shù)據(jù)，進(jìn)行深入處理，獲取接觸網(wǎng)區(qū)間、車站、隧道等設(shè)計(jì)需要的小橋涵、信號機(jī)、橋墩、地質(zhì)條件等獨(dú)有數(shù)據(jù)[2]，同時結(jié)合項(xiàng)目通用的支柱跨距標(biāo)準(zhǔn)、接觸線拉出值標(biāo)準(zhǔn)、支柱側(cè)限標(biāo)準(zhǔn)、支柱類型標(biāo)準(zhǔn)、安裝圖號、附加導(dǎo)線安裝圖號等共用數(shù)據(jù)，使用接觸網(wǎng)專業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范及原則進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。

就現(xiàn)實(shí)情況[4]而言，接觸網(wǎng)專業(yè)CAD技術(shù)應(yīng)用，大部分作業(yè)還停留在利用AutoCAD基本命令，進(jìn)行交互式繪圖，或者使用針對電氣化專業(yè)具體設(shè)計(jì)內(nèi)容的軟件進(jìn)行單個專業(yè)、單個區(qū)段的輔助設(shè)計(jì)的初級階段，設(shè)計(jì)效率低、制圖工作量大，設(shè)計(jì)圖標(biāo)準(zhǔn)無法統(tǒng)一。而且真正意義上的不同專業(yè)、同一項(xiàng)目中的協(xié)同設(shè)計(jì)，不同區(qū)段、車站、隧道間的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)共享的應(yīng)用并不多見。因此，鐵路電氣化接觸網(wǎng)工程設(shè)計(jì)在CAD二次開發(fā)方面，應(yīng)用深度不夠。而近年來，隨著我國鐵路大規(guī)模建設(shè)，電氣化專業(yè)，特別是接觸網(wǎng)國鐵、地鐵設(shè)計(jì)任務(wù)量很大，加之接觸網(wǎng)工程設(shè)計(jì)內(nèi)容繁多，工程各部位各工序設(shè)計(jì)前后關(guān)聯(lián)、計(jì)算量大、繪圖繁雜、工程數(shù)量匯總難等自身特點(diǎn)，對電氣化接觸網(wǎng)協(xié)同管理與設(shè)計(jì)效率的要求大大提高。因而，研發(fā)接觸網(wǎng)專業(yè)協(xié)同管理與輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對同一項(xiàng)目，不同單元，不同專業(yè)間人員的管理監(jiān)控，數(shù)據(jù)傳遞、處理及共享的迫切性和重要性不言而喻。

項(xiàng)目以提高接觸網(wǎng)協(xié)同與輔助設(shè)計(jì)效率、實(shí)現(xiàn)多專業(yè)間數(shù)據(jù)共享為總體目標(biāo)，以順應(yīng)和滿足接觸網(wǎng)專業(yè)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，進(jìn)行系統(tǒng)的總體規(guī)劃與實(shí)施，最大限度地發(fā)揮計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，以縮短接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)周期，實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目進(jìn)度的監(jiān)控與責(zé)任追溯，減輕專業(yè)設(shè)計(jì)人員的部分勞動強(qiáng)度。

1　接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)平臺及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)邏輯模型分析

1.1數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，數(shù)據(jù)在邏輯上可劃分為項(xiàng)目信息、專業(yè)信息、設(shè)計(jì)單元信息和數(shù)據(jù)類4層。

圖1　接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)平臺及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)

其中，項(xiàng)目信息層包含電化處參與的所有設(shè)計(jì)項(xiàng)目；專業(yè)信息層包含項(xiàng)目涉及的所有設(shè)計(jì)專業(yè)；設(shè)計(jì)單元信息層包含具體專業(yè)的所有區(qū)間。區(qū)間可以按照車站、道岔、隧道等類型劃分，也可根據(jù)里程劃分；數(shù)據(jù)類層，包含每一設(shè)計(jì)單元的原始資料、中間結(jié)果、設(shè)計(jì)成果等獨(dú)有數(shù)據(jù)和項(xiàng)目中各個單元所使用的流程管理信息、項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)范信息等共用數(shù)據(jù)。一個項(xiàng)目可以涉及多個專業(yè)，一個專業(yè)可以包括一個或多個設(shè)計(jì)區(qū)間。所有的資源分類存放在圖2中所示的SQL中心數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)一保存，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理與共享。

1.2數(shù)據(jù)流程(圖2)

圖2　接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)平臺及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

1.3系統(tǒng)功能

接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)平臺及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個規(guī)模較大的軟件研發(fā)工程，它涵蓋到了線路、地質(zhì)、橋梁、電力、接觸網(wǎng)、工經(jīng)等專業(yè)的協(xié)調(diào)管理與接觸網(wǎng)專業(yè)輔助設(shè)計(jì)等內(nèi)容，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)平臺及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由4部分組成[5]：系統(tǒng)管理、項(xiàng)目管理、審核處理和輔助設(shè)計(jì)。主要涉及專業(yè)間協(xié)調(diào)管理及接觸網(wǎng)專業(yè)輔助設(shè)計(jì)。

管理部分，以項(xiàng)目為主體，將站前專業(yè)設(shè)計(jì)人員納入管理體系，實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目的設(shè)計(jì)周期、進(jìn)度、設(shè)計(jì)人員分工、權(quán)限設(shè)置，設(shè)計(jì)前期數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、設(shè)計(jì)成果等資料的共享與管理；輔助設(shè)計(jì)部分，以區(qū)間、站場、隧道等單元為主體，將輔助設(shè)計(jì)劃分為站前圖紙數(shù)據(jù)讀取、接觸網(wǎng)相關(guān)表格數(shù)據(jù)批量讀取、區(qū)間輔助設(shè)計(jì)、地鐵輔助設(shè)計(jì)、車站輔助設(shè)計(jì)、平面出圖及數(shù)據(jù)瀏覽等模塊[6]。該平臺具有可擴(kuò)充性，可以把電氣化其他專業(yè)的輔助設(shè)計(jì)功能納入管理，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和CAD二次開發(fā)技術(shù)，可以有效提高設(shè)計(jì)效率、實(shí)現(xiàn)資源共享。

總之，系統(tǒng)開發(fā)目標(biāo)和功能要層層分解，整體規(guī)劃。各子系統(tǒng)需高內(nèi)聚、低耦合[7]，最終架構(gòu)一個結(jié)構(gòu)層次清晰、易于維護(hù)、易于適應(yīng)變更的系統(tǒng)。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)開發(fā)平臺與開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)采用AutoCAD2014+ObjectARX 2014+VC.Net2010組合的開發(fā)平臺與環(huán)境，應(yīng)用平臺為AutoCAD2014，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用SQL Server2008，部分輔助設(shè)計(jì)模塊，采用AutoCAD.Net技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。

2.2項(xiàng)目協(xié)同管理及數(shù)據(jù)共享

協(xié)同管理部分，設(shè)定以項(xiàng)目與單元為主體，完成對接觸網(wǎng)項(xiàng)目與單元相關(guān)的專業(yè)、部門、人員、權(quán)限、流程、進(jìn)度控制等的管理。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人可以對所負(fù)責(zé)項(xiàng)目進(jìn)行單元劃分，設(shè)置項(xiàng)目流程運(yùn)轉(zhuǎn)中相應(yīng)處理人及處理期限，可以根據(jù)項(xiàng)目初始化時設(shè)置的計(jì)劃完成日期，統(tǒng)計(jì)與監(jiān)控項(xiàng)目進(jìn)度。系統(tǒng)設(shè)定短信提示功能，以及時的提醒相關(guān)人員進(jìn)行文件處理，盡可能地避免文件處理的延誤，設(shè)計(jì)用戶意見批注與用戶日志功能，可以對項(xiàng)目的數(shù)據(jù)來源及設(shè)計(jì)進(jìn)度進(jìn)行責(zé)任追溯。

創(chuàng)建共享中心數(shù)據(jù)庫。根據(jù)預(yù)定設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)可以劃分為DWG文件數(shù)據(jù)、Excel表格或者文本文件數(shù)據(jù)以及CAD數(shù)據(jù)庫與SQL數(shù)據(jù)庫中新數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)4部分，它們之間的相互關(guān)系如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)定義

其中站前專業(yè)的DWG圖紙，主要為線路數(shù)據(jù)，通過輔助設(shè)計(jì)的圖紙數(shù)據(jù)自動讀取功能錄入SQL中心數(shù)據(jù)庫；Excel表格與文本文件數(shù)據(jù)主要為地質(zhì)、隧道、橋梁、信號機(jī)、小橋涵等與區(qū)間設(shè)計(jì)緊密相關(guān)數(shù)據(jù)，可以通過輔助設(shè)計(jì)的表格自動讀取、文本文件解析功能錄入中心數(shù)據(jù)庫；這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)由站前專業(yè)相關(guān)設(shè)計(jì)人員錄入。而項(xiàng)目流轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的各種監(jiān)控、短信、批注、日志、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，與項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要的項(xiàng)目共用數(shù)據(jù)，直接保存在SQL中心數(shù)據(jù)庫中。輔助設(shè)計(jì)時，各模塊設(shè)計(jì)工具直接調(diào)用中心數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，在本地進(jìn)行CAD二次設(shè)計(jì)，并將結(jié)果保存在中心數(shù)據(jù)庫中，用戶還可以根據(jù)需要，將由輔助設(shè)計(jì)處理過的數(shù)據(jù)，由中心數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出為表格或者文本文件，以提高后續(xù)用戶對數(shù)據(jù)的復(fù)用率。

2.3數(shù)據(jù)采集自動化

數(shù)據(jù)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要的信號、地質(zhì)、站場、線路、路基和橋隧等各個專業(yè)提供的前期數(shù)據(jù)，以及項(xiàng)目各單元需要的支柱跨距標(biāo)準(zhǔn)、接觸線拉出值標(biāo)準(zhǔn)、支柱側(cè)限標(biāo)準(zhǔn)、支柱類型標(biāo)準(zhǔn)等共用數(shù)據(jù)的錄入。

數(shù)據(jù)采集方法設(shè)定為3種，如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)采集方式

在這3種數(shù)據(jù)采集方式中，標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)采集模塊是為了實(shí)現(xiàn)對站前專業(yè)提供的各種標(biāo)準(zhǔn)格式的Excel文件的錄入工作，該數(shù)據(jù)采集模式需相關(guān)專業(yè)提供符合要求的Excel或文本文件；人工錄入數(shù)據(jù)采集模塊是為了解決在相關(guān)專業(yè)無法提供標(biāo)準(zhǔn)格式文件與DWG圖紙的情況下，直接對照設(shè)計(jì)藍(lán)圖進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入的問題，該模式是對其他數(shù)據(jù)錄入模式的補(bǔ)充；自動獲取數(shù)據(jù)采集模塊是基于站前專業(yè)提供的標(biāo)準(zhǔn)DWG設(shè)計(jì)圖紙的數(shù)據(jù)錄入方式，可以區(qū)間里程界限為約束，自動批量讀取區(qū)間內(nèi)正線、長短鏈、里程變換、百米標(biāo)、千米標(biāo)等數(shù)據(jù)。

2.4輔助設(shè)計(jì)參數(shù)化

輔助設(shè)計(jì)部分，依據(jù)接觸網(wǎng)項(xiàng)目不同路線的幾何約束和工程約束，結(jié)合專業(yè)設(shè)計(jì)的作業(yè)工序、設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)人員習(xí)慣等，參考相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)[8]，將設(shè)計(jì)元素對象化，實(shí)現(xiàn)把大量的一般常規(guī)計(jì)算設(shè)計(jì)、繪圖工作計(jì)算機(jī)程序化。各設(shè)計(jì)元素采用參數(shù)化[9]設(shè)計(jì)方法，后臺與數(shù)據(jù)庫動態(tài)交互，構(gòu)造參數(shù)化圖形庫。實(shí)體模型參數(shù)化的建立及其實(shí)體間幾何約束關(guān)系的確立，其主導(dǎo)思想是通過修改設(shè)計(jì)參數(shù)，按確定的約束關(guān)系，自動完成對圖形中支柱、拉出值、錨段關(guān)節(jié)[10]、中心錨結(jié)、附加導(dǎo)線錨結(jié)、技術(shù)參數(shù)、工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)等的同步改動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對圖形的驅(qū)動。

下面以區(qū)間輔助設(shè)計(jì)中支柱批量調(diào)整計(jì)算為例，說明實(shí)體對象參數(shù)的確定(圖6、表1)。

圖6　支柱批量調(diào)整界面

表1　支柱布置及調(diào)整參數(shù)

系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型利用尺寸約束和工程約束，建立以符合要求的特征點(diǎn)為變量的非線性方程組，通過對方程組的解析，得出所有特征點(diǎn)(控制點(diǎn))的坐標(biāo)值，從而快速地設(shè)計(jì)出在形狀或功能上符合接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)方案。

2.5數(shù)據(jù)庫安全性設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為C/S軟件結(jié)構(gòu)模式，SQL Server作遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器端與客戶端安全性方面，通過網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、軟件口令解決[11]。而由于系統(tǒng)管理與輔助設(shè)計(jì)的多用戶、多任務(wù)性，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中由于誤操作、誤刪除或者修改而產(chǎn)生的安全隱患，則通過建立“用戶/角色/權(quán)限”模型解決[12]。

權(quán)限部分，主要劃分為系統(tǒng)管理、單元管理、短信發(fā)送、項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)處理幾個模塊；角色部分，劃分為系統(tǒng)管理員、項(xiàng)目管理員、設(shè)計(jì)人員、一般用戶四類。用戶首先要成為項(xiàng)目組成員，然后由系統(tǒng)管理員或者項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，根據(jù)具體流程及設(shè)計(jì)需要，對項(xiàng)目組成員進(jìn)行任務(wù)、角色與權(quán)限的分配，以保證數(shù)據(jù)操作安全性，減小權(quán)限管理的負(fù)擔(dān)和代價，有利于系統(tǒng)的后期維護(hù)和擴(kuò)充。

表2列出了接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)平臺及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中用戶角色、相應(yīng)職責(zé)和操作權(quán)限。

表2　用戶角色權(quán)限分配

3　結(jié)語

以接觸網(wǎng)專業(yè)管理與設(shè)計(jì)實(shí)際情況為基礎(chǔ)，分析了目前接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)過程中項(xiàng)目協(xié)同管理、數(shù)據(jù)讀取及單元設(shè)計(jì)等存在的問題及現(xiàn)有輔助設(shè)計(jì)軟件的不足，探討了接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)平臺及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法，實(shí)現(xiàn)了以項(xiàng)目及單元為主體，多專業(yè)間的協(xié)同管理及責(zé)任追溯；采用基于標(biāo)準(zhǔn)圖紙的自動化讀取、標(biāo)準(zhǔn)表格的自動錄入等方式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)多模式錄入；以接觸網(wǎng)專業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范、工程約束、用戶習(xí)慣為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了輔助設(shè)計(jì)參數(shù)化，最后使用基于角色的安全管理模式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的安全防護(hù)。該系統(tǒng)為接觸網(wǎng)專業(yè)項(xiàng)目管理、設(shè)計(jì)審核以及區(qū)間輔助設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)共享建立了紐帶，使設(shè)計(jì)資料在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)擺脫了傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，提高了生產(chǎn)效率。系統(tǒng)自使用以來，先后在蘭州至西寧增建二線、蘭新二線等項(xiàng)目設(shè)計(jì)中得到全面應(yīng)用。在生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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The Design and Implementation of OCS Design Platform and Basic Database System

CAO Xiao-ming

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi’an 710043, China)

A large amount of specialties，personnel and data are involved in the survey and design of electrification overhead contact system (OCS).To improve the collaborative design among different specialties and aided design efficiency in specific sections，to ensure the traceability of project process and to realize data sharing among multiple specialties，an OCS design platform and a basic database system are specifically developed.On the basis of the analysis of business process of electrification OCS specialty，project management process is designed and the management，monitoring and data sharing of project processes are realized in combination of SMS notification and management technology of center database.Moreover，analysis，summary and simplification are performed in perspective of data acquisition of OCS aided design，interim data processing，engineering design constraint and engineering quantity statistics.The parameterized design method is employed to establish a mathematical model corresponding to aided design subsystem，and data security is ensured in application by adopting access control mechanism of “user-character-privilege” model.

Electrified railway; OCS; Collaborative design; Secondary development; Parametric design; Data Sharing

2016-04-20；

2016-04-27

曹小明(1979—)，男，工程師，2003年畢業(yè)于西南交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，主要從事CAD輔助設(shè)計(jì)二次開發(fā)及辦公自動化的研究工作，E-mail：xxcxm@fsdi.com.cn。

1004-2954(2016)10-0113-05

U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.025