CN108986492A - 一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导方法与系统 - Google Patents

一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导方法与系统，该方法通过路侧设备实时采集快速路主线车流的实时行驶速度与实时位置及匝道车流的实时行驶速度与实时位置并反馈给监控中心；当有车辆进入匝道合流触发点时，监控中心找出主线合流间隔并对匝道车辆能否成功汇入主线进行条件计算，若满足合流成功的条件则根据计算结果引导匝道车辆汇入主线，并保持对车辆的监测直至驶离监测范围。本发明根据采集的实时数据，为匝道车辆汇入主线车流提供了足够的间隙，为驾驶员提供了汇入的具体时刻以及汇入时应达到的车速，从而快速且高效地实现了对匝道车辆汇入主线车流的引导；并且无需被采集车辆主动提供信息，提高了方法的可靠性与覆盖性。

Description

一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导方法与系统
技术领域
本发明属于智能交通安全控制领域，具体涉及快速路匝道车流汇入引导方法与系统。
背景技术
随着物质水平的提高与人们需求的发展，城市中汽车保有量呈现快速增长的趋势，从而引发了日益严重的交通拥堵和冲突现象，造成了快速路通行效率的日趋低下。在交通压力较大的早晚高峰，快速路合流区的拥堵现象尤其严重。合流区的拥堵不仅导致快速路主线交通流失效，而且会产生过饱和交通流，进一步影响地面交通系统的整体运行。由此可见，对匝道合流区进行合适的控制以预防拥堵的发生或加快拥堵的消散速度是实现快速路乃至地面路网高效运行的关键
匝道控制是目前在治理快速路拥堵中应用最广泛的一种动态控制方式，该方式通过调节从匝道进入快速路主线的车辆流率来应对可能发生的拥堵问题。但受限于现有技术手段和硬件条件的限制，上述控制方式难以获得实际的交通状况。并且，砸到合流区发生拥堵问题的原因并不仅仅在于交通需求超过了通行能力，更受到匝道车流变道行为与主线车流运行状态间的不协调的影响，加深了通行能力与交通需求间的不匹配程度。因此，单纯地通过调节从匝道进入快速路合流区的交通总量和时空分布已不能适应实际情况中的交通需求。为此，有必要从微观角度入手，通过合适的技术手段对有合流需求的车辆进行细致的引导与控制，从而实现对交通流及状态的变化的响应。随着传感器技术的革新以及无线通信技术的普及，通过建立信息交互网络来实现交通控制的技术日趋成熟，借助该种技术实现对匝道的微观而动态的控制已成为可能。
现有的一些针对快速路入口匝道的控制方法的核心普遍集中在确定匝道汇入率上，即控制单位时间内从匝道汇入主线的车辆数。当匝道车辆来到汇入口时，根据匝道信号灯的实时颜色判断停止还是继续前行：“红灯”意味着车辆必须停止并等候直到“绿灯“出现才能汇入主线。我国快速路系统很大一部分是以高架快速路的形式存在，若在这些快速路匝道口实施前述控制方法，会造成如下关键的问题：
1.车辆从匝道汇入主线前需停车，较大程度上降低了匝道的通行能力，增加了车辆的油耗和排放。
2.车辆在匝道处停车起步时，可能会出现溜坡、换道等现象，造成前后车的碰擦，降低了匝道的行车安全性。
此外，现有还有一些研究借助车联网系统来实现控制，这种实现方式完全依赖于健全、完备的车联网系统的建立。考虑到车联网在当今尚未得到普及，这类研究所提出的方法对实际问题的帮助仍旧十分有限。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供预防性强，高效可靠的，可提高快速路合流区行车安全与通行效率的一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导方法与系统。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导方法，该方法通过路侧设备实时采集快速路主线车流的实时行驶速度与实时位置及匝道车流的实时行驶速度与实时位置并反馈给监控中心；当有车辆进入匝道合流触发点时，监控中心对信息进行处理，找出主线合流间隔并对匝道车辆能否成功汇入主线进行条件计算，若满足合流成功的条件则根据计算结果引导匝道车辆汇入主线；其中合流成功的条件包括如下两个方面：
条件一：匝道车辆与主线合流间隔位置同时抵达合流区内某一位置，且匝道车辆速度与主线合流间隔速度相等：其中：LM为主线合流间隔中点到合流区入口之间的距离，VM为主线合流间隔两端的车辆速度的均值，VR为匝道车辆实时速度，LR为合流触发点与合流区入口之间的距离，a为匝道车辆期望合流加速度，t为加速时间；根据约束条件一，监控中心计算匝道车辆期望合流加速度与加速时间：其中，amax为最大安全加速度，当a>amax时，匝道车辆无法成功汇入主线合流间隔；
条件二：匝道车辆的加速距离受到匝道硬件条件限制：其中，LB为合流区的长度；根据约束条件二，监控中心计算匝道车辆的加速距离L，当L>Lmax时，匝道车辆无法成功汇入主线合流间隔。
进一步地，所述主线合流间隔确定的方法为：依次将主线车辆间隔与安全合流距离比较，对于所有大于安全合流距离的主线车辆间隔，利用匝道车辆位置数据与主线车辆位置数据，计算各主线车辆间隔与匝道车辆的距离；取与匝道车辆之间距离最小的主线车辆间隔为主线合流间隔。
一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导系统，包括路侧设备和监控中心以及车载设备，所述路侧设备按一定距离安装在快速路沿线，该距离为一预设值；所述路侧设备分为安装在匝道处的匝道路侧设备和安装在快速路沿线的沿线路侧设备，分别用于获取匝道车流及主线车流的实时行驶速度与实时位置，匝道路侧设备和沿线路侧设备均与监控中心和车载设备通信；所述车载设备用于接受并显示控制指令；所述监控中心用于进行匝道车流汇入主线的相关参数计算与决策并存储车流汇入任务的相关信息，包括车辆实时运行速度，车辆实时位置，汇合成功与否以及汇合时间。
进一步地，所述匝道路侧设备包括主线车流监测模块、匝道车辆监测模块以及无线通信模块；所述主线车流监测模块以及匝道车辆监测模块均与无线通信模块相连接；所述主线车流监测模块用于获取主线车流的实时行驶速度与实时位置；所述匝道车辆监测模块用于获取匝道车流的实时行驶速度与实时位置；所述无线通信模块，用于与监控中心和车载设备之间的通信。
进一步地，所述沿线路侧设备分包含主线车流监测模块及无线通信模块；所述主线车流监测模块与无线通信模块相连接；所述主线车流监测模块用于获取主线车流的实时行驶速度与实时位置；所述无线通信模块用于与监控中心和车载设备之间的通信。
进一步地，所述车载设备包括车载主控模块和车载提示模块以及与所述车载主控模块相连接的无线通信模块；所述车载主控模块用于接收来自匝道路侧设备的信息并控制其显示；所述车载提示模块用于向驾驶员显示来自匝道路侧设备的指令；所述无线通信模块用于与匝道路侧设备的通信。
进一步地，所述监控中心包括：
中央决策模块，用于进行匝道车流汇入主线的相关参数计算与决策，具体方法为：当有车辆进入匝道合流触发点时，监控中心对信息进行处理，找出主线合流间隔并对匝道车辆能否成功汇入主线进行条件计算，若满足合流成功的条件则根据计算结果引导匝道车辆汇入主线；
存储模块，用于存储车流汇入任务的相关信息，包括车辆实时运行速度，车辆实时位置，汇合成功与否以及汇合时间；
以及无线通信模块，用于与路侧设备之间的通信。
所述基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导系统的汇入引导方法包括以下步骤：
(1)匝道路侧设备实时监测匝道的车辆行驶状况，当有车辆进入匝道合流触发点时，匝道路侧设备与监控中心之间进行信息交互；
(2)匝道路侧设备采集匝道车辆运行信息，包括匝道车辆实时速度与实时位置坐标，并将其返回给监控中心；同时，匝道路侧设备与沿线路侧设备采集主线车流运行信息，包括主线车流实时速度及各车实时位置坐标，并将其返回给监控中心；
(3)监控中心对步骤(2)中收到的数据进行处理，具体处理过程是：对主线车队进行编号，并利用各车实时位置坐标计算实时车辆间隔；依次将主线车辆间隔与安全合流距离比较；对于所有大于安全合流距离的主线车辆间隔，利用采集的匝道车辆位置数据与主线车辆位置数据，计算各主线车辆间隔与匝道车辆的距离；取与匝道车辆之间距离最小的主线车辆间隔为主线合流间隔；当主线车辆间隔中不存在大于安全合流距离的间隔时，返回步骤(2)；
(4)根据步骤(2)中得到的数据处理结果，监控中心计算合流成功的条件，条件满足时进入步骤(5)，条件未得到满足时，返回步骤(2)；
(5)根据步骤(4)中计算得出的结果，监控中心向主线合流间隔前后两端的车辆所在监测区域的路侧设备发送一组指令，路侧设备将该指令发送给主线合流间隔前后两端的车辆，指令包括保持匀速行驶和预计合流时间，主线合流间隔前后两端的车辆按照指令继续行驶；同时，监控中心向匝道路侧设备发送一组指令，匝道路侧设备将该指令发送给匝道车辆，指令包含匝道车辆应采取的加速度大小，加速时间以及合流点与当前位置的距离，匝道车辆按照指令继续行驶；
(6)根据步骤(5)中的得到的指令，主线合流间隔前后两端的车辆与匝道车辆进行合流，当匝道车辆进入主线合流间隔后，匝道路侧设备和沿线路侧设备保持对它们的监测，直至三者驶出监测范围。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明在车辆进入合流区之前便可进行对车辆运动信息的采集，只需安装简单的路侧设备，无需被采集车辆主动提供信息，提高了方法的可靠性与覆盖性。
(2)本发明借由路侧设备实现对主线车流以及匝道车辆的监测与数据采集，根据采集得到的实时数据，针对情况的差异，为匝道车辆汇入主线车流提供了足够的间隙，为驾驶员提供了汇入的具体时刻以及汇入时应达到的车速，从而快速且高效地实现了对匝道车辆汇入主线车流的引导。借助提供具体的汇入速度与行车距离，极大程度上减少了匝道车辆驾驶员在合流区的频繁变速与换向行为，降低了匝道车流汇入的难度与不稳定性，提高了合流区的行车安全性与通行效率。
(3)本发明可以实现多任务的工作模式，即同时为多辆匝道车辆提供汇入主线车流的引导，从而充分挖掘并利用了主线车流中存在的间隙，提高了合流的效率，促进了合流区交通的有序进行。
(4)本发明可以与城市交通职能部门实现无缝的对接，本发明中的监控中心通过接受、处理并存储来自路侧设备的数据，使得管理部门可以实时获取匝道处合流的具体信息，为交通政策的制定提供了可靠的参考，从而实现了监测、控制、反馈及改进于一体。
(5)本发明可以实现匝道车辆不停车汇入主线，保证了车辆从匝道汇入主线时无需重新起步，在减轻油耗与排放的同时，减少了溜坡与冒险性换道行为的发生，从而提高了匝道的通行能力与合流的安全性。
附图说明
图1为本发明实施例的场景示意图。
图2为本发明实施例的系统结构示意图。
图3为本发明实施例的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导方法，该方法通过路侧设备实时采集快速路主线车流的实时行驶速度与实时位置及匝道车流的实时行驶速度与实时位置并反馈给监控中心；当有车辆进入匝道合流触发点时，监控中心对信息进行处理，找出主线合流间隔并对匝道车辆能否成功汇入主线进行条件计算，若满足合流成功的条件则根据计算结果引导匝道车辆汇入主线。其中对于匝道车流是否能够成功汇入主线进行计算的条件包括如下两个方面：
条件一：匝道车辆与主线合流间隔位置同时抵达合流区内某一位置，且匝道车辆速度与主线合流间隔速度相等，即：其中：LM为主线合流间隔Dmin中点Smin到合流区入口之间的距离，通过前后车辆实时位置坐标S(i)与S(i+1)进行计算，VM为主线合流间隔两端的车辆速度的均值，VR为匝道车辆实时速度，LR为合流触发点与合流区入口之间的距离，取决于实际道路情况，本方法中暂定为250m，a为匝道车辆期望合流加速度，t为加速时间，根据以上约束条件，监控中心计算匝道车辆期望合流加速度与加速时间：其中，amax为最大安全加速度，根据以上条件，监控中心计算匝道车辆的期望加速度a，当a>amax时，匝道车辆无法成功汇入当前主线合流间隔，即无法成功与主线车流合流；
条件二：匝道车辆的加速距离受到匝道硬件条件限制:其中，LB为合流区的长度；根据以上条件，监控中心计算匝道车辆的加速距离L，当L>Lmax时，匝道车辆无法成功汇入当前主线合流间隔，即无法成功与主线车流合流。
如图2所示，本发明实施例公开的一种实现上述引导方法的基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导系统，包括路侧设备和车载设备以及监控中心；路侧设备、监控中心和车载设备之间通过无线网络进行信息传递；其中路侧设备分为安装在匝道处的匝道路侧设备和安装在快速路沿线的沿线路侧设备。
匝道路侧设备由主线车流监测模块、匝道车辆监测模块和无线通信模块组成；主线车流监测模块与匝道车辆监测模块均与无线通信模块相连；匝道路侧设备的主线车流监测模块与匝道车流监测模块均包括车辆速度测量模块与车辆位置测量模块；速度的测量可以使用基于gps的速度测量仪、激光测速仪和雷达测速仪等，位置的测量可以使用小型的雷达或者是利用红外测距等手段结合设备自身安装位置进行计算。
匝道路侧设备的工作方式是：利用主线车流监测模块和匝道车辆监测模块采集主线车流和匝道车辆的速度与位置信息，并返回给监控中心；
沿线路侧设备由主线车流监测模块和无线通信模块组成；主线车流监测模块与无线通信模块相连；沿线路侧设备的主线车流监测模块包括车辆速度测量模块与车辆位置测量模块；
沿线路侧设备的工作方式是：利用主线车流监测模块采集主线车流的速度与位置信息，并返回给监控中心。
监控中心由无线通信模块、存储模块以及中央决策模块组成；存储模块以及中央决策模块均与无线通信模块相连接；
监控中心的工作方式是：接受来自匝道路侧设备和沿线路侧设备的数据，中央决策模块对数据进行处理，将处理结果返回给对应的匝道路侧设备和沿线路侧设备；
车载设备由车载主控模块、无线通信模块以及车载提示模块组成；车载主控模块与无线通信模块相连接，车载提示模块与车载主控模块相连接；车载提示模块包括显示模块和语音模块，显示模块和语音模块均与车载主控模块相连接，车载显示屏与显示模块相连接；扬声器与语音模块相连接。
车载设备的工作方式是：接收来自匝道路侧设备或沿线路侧设备的指令，车载主控模块通过车载提示模块显示指令，包括加速度、加速时间以及加速距离。
如图3所示，上述基于路侧设备的快速路匝道车辆汇入引导系统的汇入引导方法，包括以下步骤：
步骤一：匝道路侧设备实时监测匝道的车辆行驶状况，当有车辆进入匝道合流触发点时，匝道路侧设备与监控中心之间进行信息交互；
步骤二：根据步骤一，匝道路侧设备采集匝道车辆运行信息，包括匝道车辆实时速度与实时位置坐标，并将其返回给监控中心。同时，匝道路侧设备与沿线路侧设备采集主线车流运行信息，包括主线车流实时速度及各车实时位置坐标，并将其返回给监控中心；
步骤三：监控中心对步骤二中收到的数据进行处理，具体处理过程是：对主线车队进行编号，并利用各车实时位置坐标计算实时车辆间隔。依次将主线车辆间隔与安全合流距离比较。对于所有大于安全合流距离的主线车辆间隔，利用采集的匝道车辆位置数据与主线车辆位置数据，计算各主线车辆间隔与匝道车辆的距离。取与匝道车辆之间距离最小的主线车辆间隔为主线合流间隔。取主线合流间隔两端的车辆速度的均值为主线合流间隔的移动速度，取主线合流间隔两端车辆位置的中点为主线合流间隔位置，然后进入步骤四。当主线车辆间隔中不存在大于安全合流距离的间隔时，返回步骤二；
步骤四：根据步骤三中得到的数据处理结果，监控中心计算合流成功的条件，条件满足时进入步骤五，条件未得到满足时，返回步骤二；
步骤五：根据步骤四中计算得出的结果，监控中心向主线合流间隔前后两端的车辆所在监测区域的路侧设备发送一组指令，路侧设备将该指令发送给主线合流间隔前后两端的车辆。指令包括保持匀速行驶和预计合流时间。主线合流间隔前后两端的车辆按照指令继续行驶。同时，监控中心向匝道路侧设备发送一组指令，匝道路侧设备将该指令发送给匝道车辆。指令包含匝道车辆应采取的加速度大小，加速时间以及合流点与当前位置的距离。匝道车辆按照指令继续行驶；
步骤六：根据步骤五中的得到的指令，主线合流间隔前后两端的车辆与匝道车辆进行合流。当匝道车辆进入主线合流间隔后，匝道路侧设备和沿线路侧设备保持对它们的监测，根据实时位置坐标监测匝道车辆与主线合流间隔前后的车辆是否保持相对静止，直至三者驶出监测范围后，确认该次匝道车辆汇入主线引导任务成功，结束本次引导。

Claims (8)

1.一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导方法，其特征在于：通过路侧设备实时采集快速路主线车流的实时行驶速度与实时位置及匝道车流的实时行驶速度与实时位置并反馈给监控中心；当有车辆进入匝道合流触发点时，监控中心对信息进行处理，找出主线合流间隔并对匝道车辆能否成功汇入主线进行条件计算，若满足合流成功的条件则根据计算结果引导匝道车辆汇入主线；其中合流成功的条件包括如下两个方面：
条件一：匝道车辆与主线合流间隔位置同时抵达合流区内某一位置，且匝道车辆速度与主线合流间隔速度相等：其中：LM为主线合流间隔中点到合流区入口之间的距离，VM为主线合流间隔两端的车辆速度的均值，VR为匝道车辆实时速度，LR为合流触发点与合流区入口之间的距离，a为匝道车辆期望合流加速度，t为加速时间；根据约束条件一，监控中心计算匝道车辆期望合流加速度与加速时间：其中，amax为最大安全加速度，当a>amax时，匝道车辆无法成功汇入主线合流间隔；
条件二：匝道车辆的加速距离受到匝道硬件条件限制：其中，LB为合流区的长度；根据约束条件二，监控中心计算匝道车辆的加速距离L，当L>Lmax时，匝道车辆无法成功汇入主线合流间隔。
2.根据权利要求1所述的一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导方法，其特征在于：所述主线合流间隔确定的方法为：依次将主线车辆间隔与安全合流距离比较，对于所有大于安全合流距离的主线车辆间隔，利用匝道车辆位置数据与主线车辆位置数据，计算各主线车辆间隔与匝道车辆的距离；取与匝道车辆之间距离最小的主线车辆间隔为主线合流间隔。
3.实现根据权利要求1或2所述的一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导方法的一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导系统，其特征在于：包括路侧设备和监控中心以及车载设备，所述路侧设备按一定距离安装在快速路沿线，该距离为一预设值；所述路侧设备分为安装在匝道处的匝道路侧设备和安装在快速路沿线的沿线路侧设备，分别用于获取匝道车流及主线车流的实时行驶速度与实时位置，匝道路侧设备和沿线路侧设备均与监控中心和车载设备通信；所述车载设备用于接受并显示控制指令；所述监控中心用于进行匝道车流汇入主线的相关参数计算与决策并存储车流汇入任务的相关信息，包括车辆实时运行速度，车辆实时位置，汇合成功与否以及汇合时间。
4.根据权利要求3所述的一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导系统，其特征在于：所述匝道路侧设备包括主线车流监测模块、匝道车辆监测模块以及无线通信模块；所述主线车流监测模块以及匝道车辆监测模块均与无线通信模块相连接；所述主线车流监测模块用于获取主线车流的实时行驶速度与实时位置；所述匝道车辆监测模块用于获取匝道车流的实时行驶速度与实时位置；所述无线通信模块，用于与监控中心和车载设备之间的通信。
5.根据权利要求3所述的一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导系统，其特征在于：所述沿线路侧设备分包含主线车流监测模块及无线通信模块；所述主线车流监测模块与无线通信模块相连接；所述主线车流监测模块用于获取主线车流的实时行驶速度与实时位置；所述无线通信模块用于与监控中心和车载设备之间的通信。
6.根据权利要求3所述的一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导系统，其特征在于：所述车载设备包括车载主控模块和车载提示模块以及与所述车载主控模块相连接的无线通信模块；所述车载主控模块用于接收来自匝道路侧设备的信息并控制其显示；所述车载提示模块用于向驾驶员显示来自匝道路侧设备的指令；所述无线通信模块用于与匝道路侧设备的通信。
7.根据权利要求3所述的一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导系统，其特征在于：所述监控中心包括：
中央决策模块，用于进行匝道车流汇入主线的相关参数计算与决策，具体方法为：当有车辆进入匝道合流触发点时，监控中心对信息进行处理，找出主线合流间隔并对匝道车辆能否成功汇入主线进行条件计算，若满足合流成功的条件则根据计算结果引导匝道车辆汇入主线；
存储模块，用于存储车流汇入任务的相关信息，包括车辆实时运行速度，车辆实时位置，汇合成功与否以及汇合时间；
以及无线通信模块，用于与路侧设备之间的通信。
8.根据权利要求3所述的一种基于路侧设备的快速路匝道车流汇入引导系统，其特征在于，所述汇入引导系统的汇入引导方法包括以下步骤：
(1)匝道路侧设备实时监测匝道的车辆行驶状况，当有车辆进入匝道合流触发点时，匝道路侧设备与监控中心之间进行信息交互；
(2)匝道路侧设备采集匝道车辆运行信息，包括匝道车辆实时速度与实时位置坐标，并将其返回给监控中心；同时，匝道路侧设备与沿线路侧设备采集主线车流运行信息，包括主线车流实时速度及各车实时位置坐标，并将其返回给监控中心；
(3)监控中心对步骤(2)中收到的数据进行处理，具体处理过程是：对主线车队进行编号，并利用各车实时位置坐标计算实时车辆间隔；依次将主线车辆间隔与安全合流距离比较；对于所有大于安全合流距离的主线车辆间隔，利用采集的匝道车辆位置数据与主线车辆位置数据，计算各主线车辆间隔与匝道车辆的距离；取与匝道车辆之间距离最小的主线车辆间隔为主线合流间隔；当主线车辆间隔中不存在大于安全合流距离的间隔时，返回步骤(2)；
(4)根据步骤(2)中得到的数据处理结果，监控中心计算合流成功的条件，条件满足时进入步骤(5)，条件未得到满足时，返回步骤(2)；
(5)根据步骤(4)中计算得出的结果，监控中心向主线合流间隔前后两端的车辆所在监测区域的路侧设备发送一组指令，路侧设备将该指令发送给主线合流间隔前后两端的车辆，指令包括保持匀速行驶和预计合流时间，主线合流间隔前后两端的车辆按照指令继续行驶；同时，监控中心向匝道路侧设备发送一组指令，匝道路侧设备将该指令发送给匝道车辆，指令包含匝道车辆应采取的加速度大小，加速时间以及合流点与当前位置的距离，匝道车辆按照指令继续行驶；
(6)根据步骤(5)中的得到的指令，主线合流间隔前后两端的车辆与匝道车辆进行合流，当匝道车辆进入主线合流间隔后，匝道路侧设备和沿线路侧设备保持对它们的监测，直至三者驶出监测范围。
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