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(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二六研究所,上海 201108)
艦艇火災(zāi)發(fā)展初期階段是艦艇火災(zāi)防治的關(guān)鍵時(shí)期,其火災(zāi)探測(cè)性能對(duì)后續(xù)火災(zāi)撲救具有重大影響。為獲得良好的艦艇消防安全保障,需要在火災(zāi)發(fā)生的初始階段,即在異常故障或熱解階段及時(shí)進(jìn)行有效的預(yù)警、報(bào)警,以及必要的滅火聯(lián)動(dòng),以求在發(fā)生損失前消滅火險(xiǎn)。
國內(nèi)專門針對(duì)艦艇火災(zāi)特征及應(yīng)用的研究開展較少,對(duì)于艦艇火災(zāi)超早期探測(cè)技術(shù)的研究尚屬起步。文中提出了一種基于熱成像分析原理的火災(zāi)超早期探測(cè)方法,以提高對(duì)艦艇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的保護(hù),為實(shí)現(xiàn)智能化異常預(yù)警、早期報(bào)警以及快速滅火聯(lián)動(dòng)的目標(biāo)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。首次提出基于模型設(shè)計(jì)的紅外系統(tǒng)硬件在環(huán)(hardware-in-loop, HIL)[1-2]設(shè)計(jì)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)[3]及基于模型的設(shè)計(jì)(MBD)[4]的系統(tǒng)開發(fā)方案。通過焦平面紅外系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)過程,可以大幅提高艦艇火災(zāi)超早期探測(cè)系統(tǒng)的研究和開發(fā)能力。
艦艇火災(zāi)的發(fā)展分為4個(gè)階段:初始階段、可見煙階段、明火階段和劇烈燃燒階段[5]。根據(jù)每個(gè)階段的燃燒特性及防護(hù)要求,分別選用不同類型的火災(zāi)探測(cè)器?;鹧嫣綔y(cè)器適用于探測(cè)明火階段和劇烈燃燒階段火情,紅外光束感煙探測(cè)器用于探測(cè)可見煙階段后期和明火階段的火情,點(diǎn)型感煙、感溫探測(cè)器探測(cè)的是初始階段后期和可見煙階段的火情。見圖1。
圖1 各類探測(cè)器性能比較
火災(zāi)探測(cè)方式由于工作機(jī)理的限制,都依賴于火災(zāi)煙氣羽流擴(kuò)散,只能對(duì)火災(zāi)中后期(可見煙、陰燃火)、早期階段(可燃分子相變)的現(xiàn)象產(chǎn)生響應(yīng),適用于一般場(chǎng)所的應(yīng)用需求。在艦艇環(huán)境下,火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)多、發(fā)展快,火災(zāi)形式可能會(huì)表現(xiàn)為瞬間突變,即在潛伏期(初始階段)過后突然發(fā)生明火或爆炸,若未能在早期發(fā)現(xiàn)異常,在后期普通探測(cè)設(shè)備即使發(fā)生報(bào)警,損失也已形成。
艦艇火災(zāi)紅外超早期探測(cè)技術(shù)是一種比較好的技術(shù)途徑,可以大幅度突破傳統(tǒng)探測(cè)設(shè)備的限制,在很大程度上滿足艦艇消防的需求。通過監(jiān)測(cè)目標(biāo)物體內(nèi)能(溫度)的分布及變化,特別是針對(duì)處在工作狀態(tài)的重要設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)設(shè)備異常狀態(tài)(不正常的內(nèi)能聚集、溫度上升及擴(kuò)散過程)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和判別,在事故醞釀階段即能夠察覺。
目前,軍用艦艇超早期探測(cè)技術(shù)只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家在進(jìn)行研究開發(fā),研究方向如下。
1)注重從系統(tǒng)層面將多種功能進(jìn)行集成的研究思路。將熱圖像、通訊、定位、火場(chǎng)分析等艦艇火災(zāi)探測(cè)所需的功能進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),采用系統(tǒng)工程學(xué)理念,在實(shí)現(xiàn)多種功能的同時(shí)充分考慮實(shí)際使用的特殊要求。
2)注重設(shè)備性能參數(shù)的場(chǎng)景優(yōu)化。由于消防探測(cè)設(shè)備的特殊使用環(huán)境,要求其具有高穩(wěn)定性和可靠性,國外對(duì)于消防探測(cè)設(shè)備的研究通常以最終應(yīng)用環(huán)境為研究出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo),對(duì)所研制設(shè)備的功能模塊及整機(jī)性能進(jìn)行優(yōu)化。
美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究中心(NIST),自2005年以來進(jìn)行了一系列研究實(shí)驗(yàn),分別通過小尺寸模擬臺(tái)和實(shí)景模擬的方法,對(duì)不同火源、場(chǎng)景,以及不同滅火方式下民用消防探測(cè)熱像設(shè)備的性能進(jìn)行分析和評(píng)定,以建立符合實(shí)際應(yīng)用要求的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并在2010年形成ANSI/NFPA 1801-2010標(biāo)準(zhǔn)。
國內(nèi)對(duì)于早期探測(cè)報(bào)警技術(shù)的研究,大部分著眼于煙氣產(chǎn)生早期。具有較高集成度以及火場(chǎng)環(huán)境適用性的早期探測(cè)技術(shù)在國內(nèi)還沒有相關(guān)研究,使得現(xiàn)有技術(shù)在面臨火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)時(shí),產(chǎn)生功能失靈等嚴(yán)重故障,導(dǎo)致戰(zhàn)機(jī)延誤而造成嚴(yán)重?fù)p失。
紅外熱像技術(shù)從上世紀(jì)末誕生以來,其應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)擴(kuò)展,從起初的國防、電力領(lǐng)域,正逐步擴(kuò)大到醫(yī)療、安防、化工、電子等行業(yè)[6]。隨著其應(yīng)用范圍的不斷拓展,使得新領(lǐng)域的未知問題不斷涌現(xiàn),問題的復(fù)雜程度不斷升級(jí),應(yīng)用的智能化要求不斷提高,對(duì)熱像設(shè)備的特殊需求和特性約束不斷增加。針對(duì)特定問題的具體解決方案?jìng)€(gè)性化明顯,無法大批量生產(chǎn),使得研發(fā)機(jī)構(gòu)越來越難以平衡研發(fā)成本和市場(chǎng)價(jià)格競(jìng)爭之間的矛盾。紅外熱像技術(shù)作為可見光譜范圍外一種視覺化感知周圍世界的方式,其面向未來智能制造和智慧城市的應(yīng)用需求很大,正如所有面向未來發(fā)展的技術(shù)所面臨的現(xiàn)實(shí)問題一樣,現(xiàn)代紅外熱像系統(tǒng)正變得越來越復(fù)雜,研發(fā)難度也越來越大。因此,怎樣才能適應(yīng)未來智能化、模塊化、小批量的發(fā)展要求,構(gòu)建一種快速、高效、質(zhì)量可靠的產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng),就成了必須要解決的核心問題。
未來的紅外熱像設(shè)備將變得更復(fù)雜、更智能,意味著紅外熱像設(shè)備需要更加精確的功能定義,更靈活的系統(tǒng)架構(gòu)以及更復(fù)雜的軟件算法。如果采用傳統(tǒng)的開發(fā)模式,應(yīng)用需求與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)之間將會(huì)存在著巨大的鴻溝。產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題越晚發(fā)現(xiàn),則進(jìn)行修正的成本就會(huì)越高(甚至呈指數(shù)上升)。目前紅外焦平面設(shè)備的開發(fā)模式無法擺脫硬件對(duì)軟件開發(fā)的束縛,設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的軟件實(shí)現(xiàn)(算法代碼等)都需要在實(shí)際硬件中運(yùn)行才能完成最終調(diào)試和測(cè)試,使得研發(fā)工作呈先硬后軟的串行模式,導(dǎo)致很多設(shè)計(jì)問題只有在硬件基本形成后,進(jìn)行子系統(tǒng)級(jí)(系統(tǒng)-子系統(tǒng)-部件-組件-零件)調(diào)試時(shí)才被發(fā)現(xiàn)(甚至更后期才能發(fā)現(xiàn)),對(duì)產(chǎn)品的研發(fā)成本、交付時(shí)間產(chǎn)生極為不利的影響。在對(duì)設(shè)備功能進(jìn)行擴(kuò)展或需求變更時(shí),傳統(tǒng)開發(fā)方法一般是修改數(shù)據(jù)類型,提取接口,直接對(duì)代碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,需要手工編碼和調(diào)試。這就使得開發(fā)效率受開發(fā)人員能力的限制,在開發(fā)過程中很可能產(chǎn)生引入版本混亂的問題,甚至是潛在的軟件缺陷,造成嚴(yán)重的質(zhì)量問題[7-8]。
目前,基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)和基于模型設(shè)計(jì)(MBD)的開發(fā)技術(shù),有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型快速搭建、自動(dòng)代碼生成、算法仿真與自動(dòng)化測(cè)試以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)交付等功能[9],能夠大幅降低研發(fā)工作量與開發(fā)風(fēng)險(xiǎn),并且使產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品使用及維護(hù)等整個(gè)產(chǎn)品生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)銜接,可以在一定程度上解決紅外熱像設(shè)備開發(fā)遇到的現(xiàn)實(shí)問題。
在紅外超早期火災(zāi)探測(cè)方法研究中,應(yīng)用紅外熱像等前沿技術(shù),滿足艦艇火災(zāi)安全超早期預(yù)警和報(bào)警的需求;采用非制冷紅外成像及熱檢測(cè)技術(shù)作為技術(shù)途徑,監(jiān)測(cè)船舶環(huán)境中容易引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)源,如電氣柜、輪機(jī)、各類管線等。對(duì)于故障導(dǎo)致的突然發(fā)熱,或者熱分布的異常變化等故障的前期表征,可以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和判別,實(shí)現(xiàn)超早期火災(zāi)預(yù)警和報(bào)警的功能。
非制冷紅外熱像系統(tǒng)由光學(xué)鏡頭模塊、紅外傳感模塊、偏置電源、控制模塊,以及信號(hào)處理模塊構(gòu)成,見圖2。光學(xué)鏡頭模塊用于過濾光譜以及構(gòu)造光路,將視場(chǎng)范圍內(nèi)的屬于特定光譜范圍內(nèi)的紅外光線聚焦于紅外傳感模塊;紅外傳感模塊用來實(shí)現(xiàn)從紅外光信號(hào)到電信號(hào)的變換,并根據(jù)特定的時(shí)序關(guān)系將電信號(hào)傳輸?shù)娇刂颇K和信號(hào)處理模塊;控制模塊和信號(hào)處理模塊進(jìn)行系統(tǒng)的時(shí)序控制以及信號(hào)算法的運(yùn)行,并通過控制和數(shù)據(jù)接口與其他設(shè)備連接,是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分;電源模塊將電源輸入進(jìn)行變壓、穩(wěn)壓后送至各電子模塊,以提供其正常工作所必需的偏置電壓。
圖2 非制冷紅外成像及熱檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成
非制冷紅外成像及熱檢測(cè)技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成相對(duì)固定,對(duì)于不同的應(yīng)用環(huán)境、目標(biāo)任務(wù)以及使用場(chǎng)景,具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)會(huì)有較大的差異,需要根據(jù)系統(tǒng)的具體要求,開發(fā)符合其特點(diǎn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法和系統(tǒng)架構(gòu)。
在以研究艦艇火災(zāi)紅外超早期探測(cè)方法技術(shù)的基礎(chǔ)上,還需要在開發(fā)過程中引入新方法、新技術(shù),應(yīng)對(duì)目前紅外系統(tǒng)研發(fā)中,軟硬件開發(fā)過程相互制約,研發(fā)周期長的問題。需要保證系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展性,以應(yīng)對(duì)紅外系統(tǒng)行業(yè)內(nèi)硬件同質(zhì)化嚴(yán)重,競(jìng)爭力日趨體現(xiàn)在軟件和算法的趨勢(shì)要求。
為解決以上問題,進(jìn)一步提高研發(fā)競(jìng)爭力,引入了比較前沿的基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)和基于模型的設(shè)計(jì)(MBD)研發(fā)理念,采用螺旋增量開發(fā)模型(迭代V模型),建立一種可以覆蓋“設(shè)計(jì)-仿真-實(shí)現(xiàn)-測(cè)試”全開發(fā)周期的紅外熱像系統(tǒng)半實(shí)物硬件在環(huán)(HIL)系統(tǒng)作為原理樣機(jī),作為后續(xù)技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)的研發(fā)及測(cè)試平臺(tái)。該系統(tǒng)平臺(tái)完全滿足項(xiàng)目任務(wù)書中內(nèi)容和指標(biāo)的要求,有利于紅外系統(tǒng)算法的設(shè)計(jì)能力和系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)能力,大幅提高研發(fā)效率。
紅外系統(tǒng)HIL平臺(tái)能夠基于一定的硬件資源,為UFPA提供必要的偏置電壓和工作時(shí)序,實(shí)現(xiàn)對(duì)非制冷焦平面陣列器件(UFPA)的驅(qū)動(dòng),獲得紅外視頻信號(hào)數(shù)據(jù),并在監(jiān)視器上進(jìn)行顯示,將信號(hào)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路與開發(fā)終端的工作環(huán)境進(jìn)行連接,以支持開發(fā)人員開展基于模型的開發(fā)(MBD)過程,實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)算法、溫度測(cè)量算法以及故障檢測(cè)及報(bào)警算法的設(shè)計(jì)和仿真工作,當(dāng)算法設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求后,算法設(shè)計(jì)可以進(jìn)行自動(dòng)代碼生成并與手工代碼進(jìn)行集成,再通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路或USB Blaster串行連接將算法加載到目標(biāo)硬件,通過硬件資源的運(yùn)行來測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì),完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。
系統(tǒng)平臺(tái)的硬件資源,包括紅外鏡頭、紅外器件(UFPA)、紅外目標(biāo)(用于標(biāo)定及測(cè)試)以及硬件開發(fā)目標(biāo)板等部分。
硬件開發(fā)目標(biāo)板采用SoC架構(gòu),通過單片SoC器件提供的ARM多核微處理器(HPS)及FPGA可編程資源的作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心,運(yùn)行操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)資源管理和過程控制。同時(shí),目標(biāo)板還包含高速存儲(chǔ)器、通用IO以及必要的數(shù)字信號(hào)處理資源,共同構(gòu)成比較完整的在線可配置硬件資源[10-11],見圖3。
圖3 在線可配置硬件資源
基于以上硬件資源的支持,典型的硬件資源配置,見圖4。系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用HPS多核微處理器作為控制端,在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)配置FPGA資源,通過對(duì)FPGA資源的配置,產(chǎn)生UFPA Controller模塊,Data RW Controller模塊,Onchip RAM模塊,以及FPGA DDR3橋接模塊。UFPA 控制模塊通過GPIO接口與外部資源連接,負(fù)責(zé)配置UFPA工作電壓,提供UFPA工作時(shí)序,并根據(jù)時(shí)序關(guān)系采集相應(yīng)的傳感數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的各種算法。Data RW Controller數(shù)據(jù)讀寫控制模塊,負(fù)責(zé)兩部分工作:①通過DDR3橋接器讀寫算法運(yùn)算所需圖像數(shù)據(jù);②控制數(shù)據(jù)按照奇偶幀的乒乓順序分別存入Onchip RAM片上存儲(chǔ)模塊1或片上存儲(chǔ)模塊2。HPS控制端內(nèi)嵌ARM Cortex-A9 雙核微處理器,系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)加載嵌入式Linux操作系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)程序,運(yùn)行系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用程序后,由Core 2 內(nèi)核2運(yùn)行程序,通過Lightweight HPS to FPGA Bridge橋接器讀寫FPGA端的Data RW Controller模塊以及UFPA Controller模塊中的控制寄存器,實(shí)現(xiàn)對(duì)其行為的控制,通過HPS to FPGA Bridge 高速橋接器按照乒乓時(shí)序?qū)?shù)據(jù)寫入DDR3存儲(chǔ)器。Core 1 內(nèi)核1上運(yùn)行程序,監(jiān)聽特定IP地址的以太網(wǎng)端口,當(dāng)開發(fā)終端發(fā)起會(huì)話請(qǐng)求時(shí),與開發(fā)終端建立連接,并通過TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)經(jīng)千兆以太網(wǎng)傳輸至開發(fā)終端。
圖4 硬件資源典型配置
紅外系統(tǒng)硬件在環(huán)HIL開發(fā)和測(cè)試平臺(tái)模型的開發(fā)過程見圖5。
圖5 系統(tǒng)HIL平臺(tái)開發(fā)過程
在開發(fā)終端包含了開展本地開發(fā)所需要的所有工具,開發(fā)人員可以進(jìn)行本地配置管理、模型設(shè)計(jì)、算法仿真、代碼生成等工作。通過與數(shù)據(jù)庫的交互,開發(fā)終端可以從數(shù)據(jù)庫中獲取開發(fā)所需的輸入文件(設(shè)計(jì)需求、模型模板、算法模板等),指導(dǎo)和幫助設(shè)計(jì)工作高效開展。當(dāng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品組件完成、仿真、調(diào)試、測(cè)試等工作后,可以將設(shè)計(jì)輸出文件(算法模型、設(shè)計(jì)文檔、測(cè)試報(bào)告等)提交至數(shù)據(jù)庫單元,作為一下階段設(shè)計(jì)開發(fā)的輸入文件或項(xiàng)目數(shù)據(jù)歸檔使用。通過建立遠(yuǎn)程開發(fā)會(huì)話,開發(fā)終端可以將硬件配置文件分發(fā)到目標(biāo)硬件資源,完成存儲(chǔ)器初始化和接口驅(qū)動(dòng),部署系統(tǒng)算法代碼到可用資源,啟動(dòng)仿真測(cè)試過程,控制相應(yīng)的硬件資源以完成測(cè)試過程(圖像算法測(cè)試、溫度標(biāo)定、NETD測(cè)試等)。同時(shí),整個(gè)測(cè)試調(diào)試過程中,開發(fā)終端可以觀察、保存在線回傳的數(shù)據(jù),對(duì)測(cè)試過程中重要參數(shù)(偏置電壓等)進(jìn)行調(diào)整。
系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)基于分層架構(gòu),采用螺旋增量開發(fā)模型,見圖6。
圖6 系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)模型
系統(tǒng)平臺(tái)根據(jù)實(shí)現(xiàn)的抽象層次劃分為4個(gè)層次,分別為器件、邏輯及IO層,數(shù)據(jù)通訊層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用程序?qū)?。系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)分為4個(gè)原型階段:數(shù)據(jù)采集原型、數(shù)據(jù)顯示原型、算法測(cè)試原型、故障報(bào)警原型。在不同的原型階段逐步添加和細(xì)化系統(tǒng)功能,在每個(gè)原型階段的開發(fā)中都完整包含4個(gè)抽象層次的實(shí)現(xiàn)內(nèi)容,隨著開發(fā)過程的推進(jìn)逐步完善功能,完成研究的任務(wù)要求。這種開發(fā)模型的優(yōu)點(diǎn)在于,在設(shè)計(jì)開發(fā)的初期,能最大限度地對(duì)各個(gè)抽象層面可能面對(duì)的問題進(jìn)行嘗試和解決,對(duì)開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)比較有把握,使得后期的功能迭代比較順利,減少傳統(tǒng)開發(fā)過程中在系統(tǒng)功能集成階段暴露出接口沖突或參數(shù)不匹配等問題,減少變更和返工,提高研發(fā)效率。
提出一種基于熱成像分析原理的火災(zāi)超早期探測(cè)方法。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)探測(cè)器對(duì)于火災(zāi)煙氣羽流擴(kuò)散激勵(lì)的依賴,并可以克服視頻及光譜探測(cè)器早期探測(cè)能力的缺陷,實(shí)現(xiàn)對(duì)艦艇火災(zāi)的超早期探測(cè),滿足艦艇消防安全對(duì)于異常預(yù)警、早期報(bào)警技術(shù)的迫切需求,為實(shí)現(xiàn)智能化異常預(yù)警、早期報(bào)警以及快速滅火聯(lián)動(dòng)的目標(biāo)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。并且于國內(nèi)首次提出了基于模型設(shè)計(jì)的紅外系統(tǒng)硬件在環(huán)(HIL)設(shè)計(jì)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)一種應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)及基于模型設(shè)計(jì)(MBD)的系統(tǒng)開發(fā)方案。該開發(fā)方案可以實(shí)現(xiàn)焦平面紅外系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)過程,可以大幅提高艦艇火災(zāi)超早期探測(cè)系統(tǒng)的研究和開發(fā)能力。
通過研究的技術(shù)基礎(chǔ),可以進(jìn)一步深化研究,以艦艇火災(zāi)紅外超早期探測(cè)方法為基礎(chǔ),優(yōu)化火災(zāi)及故障熱圖像判定技術(shù)研究,結(jié)合超光譜氣體成像技術(shù)、以及分布組網(wǎng)技術(shù)等方面,對(duì)艦艇典型熱故障的紅外熱像判定算法進(jìn)行更加細(xì)致的研究,并為實(shí)現(xiàn)對(duì)艦艇火災(zāi)熱目標(biāo)捕捉提供新思路,為實(shí)現(xiàn)智能化艦艇火災(zāi)異常預(yù)警和超早期報(bào)警方法提供可行性,形成在艦艇半封閉、高設(shè)備密度的環(huán)境下的超早期火災(zāi)探測(cè)預(yù)警裝備。將紅外火場(chǎng)圖像、氣體組分濃度的獲取與傳輸通訊等功能集成一體,為進(jìn)一步研制潛艇火災(zāi)超早期探測(cè)裝備奠定技術(shù)基礎(chǔ)。