CN112955832B - 用于自动化系统的模拟过程中计算机实现的确定传感器位置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于自动化系统的模拟过程(PR)中计算机实现的确定传感器位置(PO)的方法,其中模拟过程(PR)包括待由多个部件(1、2)执行的自动化任务(AT)的数字过程描述(PD),该过程描述(PD)包括描述多个部件(1、2)在执行自动化任务(AT)期间的移动的移动规范(MS),并且其中提供了数字感测描述(SD),该感测描述(SD)定义了在执行自动化任务(AT)期间待由传感器装置(3)执行的感测任务(ST)和传感器装置(3)的一个或多个感测约束(CO)以及传感器装置(3)的传感器体积(SV)。在本发明的方法中,基于移动规范(MS)确定放置体积(PV),其中在执行自动化任务(AT)期间放置体积(PV)不与多个部件(1、2)和任何其他物体(4)重叠。此外,确定定义传感器装置(3)的传感器位置(PO)的体积的传感器布置体积(SAV),其中传感器体积(SV)在传感器布置体积(SAV)内的每个传感器位置(PO)处完全位于放置体积(PV)内,并且其中在执行自动化任务(AT)期间,能够由传感器装置(3)在传感器布置体积(SAV)内的每个传感器位置(PO)处关于多个感测约束(CO)来执行感测任务(ST)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于自动化系统的模拟过程中计算机实现的确定传感器位置的方法。
背景技术
自动化系统(如制造工厂)中的传感器变得越来越复杂。特别地,通过采用相机系统或通过使用组合传感器以实现传感器融合,传感器的几何尺寸和感测限制都有所增加。因此,对于在计算机上模拟的自动化系统的过程,需要对那些过程进行分析,以便确定在相应过程内是否完全可以放置对应传感器用于执行预定的传感器任务。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种计算机实现的方法,其使得能够确定在自动化系统的模拟过程中用于执行感测任务的可能传感器位置。
在根据本发明的方法中,自动化系统的模拟过程包括待由自动化系统的多个部件执行的自动化任务的数字过程描述。在优选实施例中,多个部件包括至少一个机器人。该过程描述包括在执行自动化任务期间描述多个部件的移动的移动规范。该移动规范可以基于多个部件的运动学模型来提供。这些移动规范本身是从现有技术中已知的。本发明的方法还处理了数字感测描述,其中感测描述定义了待由传感器装置执行的感测任务(例如,在自动化单元内预定位置处检测具体物体),以及传感器装置的多个传感器参数。例如,传感器装置可以包括至少一个相机,用于检测由多个部件处置的一个或多个物体。多个传感器参数包括传感器装置的一个或多个感测约束。感测约束可以由必须满足以使得可以执行感测任务的条件来描述。在相机的情况下,感测约束可以指相机的焦距,其中相机必须放置在环绕待检测的物体的球形壳内,其中该球形壳包括相机的焦距作为半径。
在根据本发明的方法的步骤a)中,确定基于移动规范的放置体积,其中放置体积位于围绕多个部件的预定区域内。该区域例如可以是自动化系统的自动化单元的体积,其中在该自动化单元内执行模拟过程。此外,在执行自动化任务期间,该放置体积不与多个部件和任何其他物体(除传感器之外)重叠。
在根据本发明的方法的步骤b)中,确定传感器布置体积,其中传感器布置体积定义了传感器装置的传感器位置的体积。传感器位置可以例如基于传感器装置的重心来定义。传感器布置体积被定义成使得传感器装置的传感器体积在传感器布置体积内的每个传感器位置处完全位于放置体积内,并且在执行自动化任务期间,可由传感器装置在传感器布置体积内的每个传感器位置处关于多个感测约束来执行感测任务。
本发明的方法提供了一种直接的计算机实现的方法,用于通过计算自动化系统的部件未覆盖的体积来确定可能的传感器位置。因此,保证了传感器装置的体积不会干扰自动化系统的部件。此外,该方法考虑到为相应传感器装置给出的感测约束,以便确保感测任务确实可以在相应传感器位置处执行。优选地,在不能通过本发明的方法识别传感器布置体积的情况下,经由用户界面,并且特别是经由视觉用户界面输出警告。
在本发明的优选变体中,基于一个或多个优化标准在传感器布置体积内识别至少一个传感器位置。那些优化标准可以取决于状况而不同地定义。例如,优化标准可以是将传感器与插头连接的短电缆长度,或者优化标准可以指用于安装传感器装置的位置的良好可达性。根据该实施例,基于所期望标准确定传感器布置体积内的优选传感器位置。
在特别优选的实施例中,传感器布置体积和/或由优化标准识别的至少一个传感器位置经由用户界面输出。特别地,该信息被示出在视觉用户界面,例如显示器上。优选地,可视化的传感器布置体积和/或至少一个可视化的传感器位置在示出自动化系统的相关部件的图片内被突出显示。
在本发明的优选实施例中,基于上述步骤b)确定传感器布置体积包括以下子步骤:
-确定定义传感器装置的传感器位置的体积的中间体积,其中在中间体积内的每个传感器位置处,可由传感器装置在不考虑放置体积的情况下关于多个感测约束来执行感测任务;
-确定中间体积与放置体积之间的相交部;
-将相交部内的区域确定为传感器布置体积,在该区域中可由传感器装置在考虑放置体积的情况下关于多个感测约束来执行感测任务(例如,在感测期间传感器的检测区域中没有障碍物),并且在该区域中传感器体积完全位于放置体积内。
在另一个特别优选的实施例中,在步骤b)中不能识别传感器布置体积的情况下,执行附加步骤。那些步骤使得能够在传感器装置可移动的假设下确定传感器位置。该实施例包括以下步骤:
-将传感器装置与用于移动传感器装置的机械机构相关联,传感器装置和机械机构形成可移动传感器平台,其中为可移动传感器平台分配操作时间,该操作时间是用于将传感器装置从第一位置(例如空闲位置)移动到第二位置(其为感测位置)的时间,由传感器装置在感测位置执行感测任务,并将传感器装置移动回空闲位置;
-确定可移动传感器平台的移动体积,该移动体积为可移动传感器平台在可移动传感器的操作时间期间覆盖的体积;
-将自动化任务划分为多个后续子任务,每个子任务与执行该子任务所需的子任务时间相关联。
对于具有大于或等于可移动传感器平台的操作时间的子任务时间的每个子任务,执行以下子步骤:
-基于移动规范的描述在执行相应子任务期间多个部件的移动的该部分,为相应子任务确定子任务放置体积,其中子任务放置体积位于围绕多个部件的预定区域内,并且其中子任务放置体积在执行相应子任务期间不与多个部件和任何其他物体(除传感器平台之外)重叠;
-确定可移动传感器平台的一个或多个安装位置,其中在每个安装位置处,可移动传感器平台的移动体积完全位于相应子任务放置体积内,并且在执行相应子任务期间,可由传感器装置关于多个感测约束来执行感测任务。
通过考虑传感器装置借助机械装置的移动,并且通过将自动化任务划分为子任务,可以根据本实施例找到具有可移动传感器平台的安装位置形式的有效传感器位置。
在上述实施例的优选变体中,基于一个或多个优化标准,在确定的一个或多个安装位置内识别至少一个安装位置。优化标准可以是与上述相同的标准,例如,优化标准可以指短电缆长度或传感器平台的良好可达性。
在另一个优选实施例中,用于一个或多个子任务的一个或多个确定的安装位置和/或基于一个或多个优化标准确定的至少一个识别的安装位置经由用户界面输出。特别地,那些位置在视觉用户界面上被可视化。
本发明的方法可应用于不同自动化系统的模拟过程。特别地,自动化系统可以是用于生产或制造产品的生产系统,例如装配线。此外,自动化系统可以是包装厂或物流系统。
除了上述方法之外,本发明还涉及一种用于自动化系统的模拟过程中计算机实现的确定传感器位置的设备,其中该设备被配置为执行本发明的方法或本发明的一个或多个优选实施例的方法。换句话说,该设备包括用于执行本发明的方法或根据本发明的一个或多个优选实施例的方法的计算装置。
本发明还涉及一种具有程序代码的计算机程序产品,其存储在机器可读载体上,用于当程序代码在计算机上执行时,执行根据本发明的方法或根据本发明的一个或多个优选实施例的方法。
此外,本发明涉及一种具有程序代码的计算机程序,其用于当程序代码在计算机上执行时,执行本发明的方法或根据本发明的一个或多个优选实施例的方法。
附图说明
在下文中,将关于附图详细描述本发明的实施例,在附图中:
图1是示出本发明的第一实施例的流程图;
图2至图6是示出由本发明第一实施例执行的步骤的示意图;
图7是示出本发明的第二实施例的流程图;以及。
图8至图10是示出由本发明第二实施例所执行的步骤的示意图。
具体实施方式
本发明的第一实施例将基于自动化系统中的模拟过程进行描述,其中模拟过程是指由机器人处置的自动化任务。自动化任务在图2中示出,该图示出了在传送带2末端处的机器人1。物体4被传送带从位置A传送到位置B,其中物体在位置B以虚线示出。机器人1应抓住在位置B的物体4并将该物体移动到另一个位置。
根据第一实施例,应确定相机形式的传感器3的合适位置,使得在位置B可以检测到物体4,并且传感器3不会干扰机器人1。为了确定此位置,在使用描述模拟过程的数字数据的计算机上执行计算机程序。
根据图1,模拟过程被指定为PR并且包括数字过程描述PD,其规定了上面关于图2解释的自动化任务AT。过程描述PD包括描述机器人1以及传送带2的移动的移动规范MS。计算机程序接收上述过程描述PD作为输入数据。此外,计算机程序接收数字感测描述SD作为输入数据,该数字感测描述定义了感测任务ST,该感测任务指如图2所示在位置B处检测物体4。此外,感测描述包括传感器3的传感器参数SP,其包括传感器3的感测约束CO以及传感器3的体积SV。在本文中所描述的实施例中,感测约束CO由环绕位置B中的物体4的球形壳给出,其中该球形壳包括对应于相机焦距的半径(即,到位置B中物体4的距离)。在传感器位置(例如传感器的重心)在球形壳内的情况下,在没有机器人1或传送带2的阻碍的情况下,可以检测到在位置B处的物体4。
基于上述输入数据,本发明的第一实施例执行图1的步骤S1。根据该步骤,基于移动规范MS计算出放置体积PV,其中放置体积位于包括图2的机器人1和传送带2的机器人单元内。放置体积PV被定义成使得其在执行自动化任务AT期间不与机器人1、传送带2和物体4重叠。
在图3和图4中示出放置体积PV的确定。根据图3,首先计算出中间体积PV',其是在物体4上具有自由视线的体积。此后,计算机器人1移动期间的扫掠体积,并从体积PV'中减去,从而得到图4所示的放置体积PV。扫掠体积的计算可以通过从现有技术中已知的方法执行。例如,机器人的移动零件的运动链可以通过具有分配给树节点的刚性体的有向图结构来描述。那些刚性体之间的铰接接合部由连接节点的边缘表示。节点包括描述相应接合部的参数。使用此种运动学模型,扫掠体积是由刚性体随时间的所有几何配置的联合来定义的。
在计算了放置体积PV之后,图1的方法执行步骤S2,其确定传感器布置体积SAV,该传感器布置体积定义了传感器3的传感器位置PO的体积,其中传感器3的传感器体积SV完全位于放置体积PV内的传感器布置体积SAV的每个传感器位置处,并且其中在执行自动化任务AT期间,可以由传感器3考虑感测约束CO在传感器布置体积SAV内的每个传感器位置处执行感测任务ST。
为了计算传感器布置体积SAV,确定中间体积IV。这在图5中示出。中间体积指的是上述的球形壳,其中在图5中,球形壳在放置体积PV内的部分由附图标号IS指示。在确定了中间体积IV之后,将该体积与放置体积PV相交,从而得到相交部IS。在相交部IS内的所有位置处,假设机器人1和传送带2不存在,就可以执行感测在位置B处的物体4的感测任务。在下一步中,包括位置PO的传感器布置体积SAV被确定为在区段IS内的那些位置,其中在自动化任务AT期间,考虑放置体积PV(即,在感测期间传感器的检测区域内没有障碍物),可以关于感测约束CO执行传感器3的感测任务ST,并且其中传感器体积SV完全位于放置体积PV内。那些位置可以在示出图5的场景的视觉或图形用户界面上被可视化,并且另外突出显示传感器体积SAV。
可选地,可以执行图1所示的附加步骤S3。根据该步骤,基于一个或多个优化标准选择传感器布置体积SAV的位置PO中的位置PO'。图6中示出了步骤S3的变体。如其中所示,优化标准是指将连接器与插头连接的电缆6的长度。该优化标准使得电缆的长度在相应位置PO'处于预定阈值之下。类似于位置PO,位置PO'可以在图形用户界面上示出的图像中被可视化,例如通过突出显示图6的场景所示的位置PO'。
在通过图1的方法无法找到位置PO的情况下,经由用户界面输出指示没有此类位置的对应消息。然而,在关于图7描述的另一个实施例中,在无法找到位置PO的情况下,执行附加步骤。
图7所示的步骤被应用于图8至图10所示的场景。该场景与图2至图6的场景略有不同,这是由于两个机器人1被用于处置物体4。尽管如此,图7所示的步骤可以类似地应用于图2至图6的场景。
如图8至图10所示,假设传感器3可由机械机构7移动,该机械机构被安装在位于机器人1和传送带2上方的天花板8上。该机械机构包括附接到天花板的臂7a以及可枢转地安装到臂7a的臂7b,其中传感器3被附接到臂7b的自由端。传感器3可以被定位在缩回或空闲位置,其中臂7b平行于臂7a延伸,使得传感器邻近天花板8。从该缩回位置,传感器3可以通过旋转臂7b被移动到感测位置,该感测位置在图8至图10中的每个中示出。在图8至图10中,传感器3的移动由双箭头指示。传感器3和机械机构7形成在图7中被指定为SEP的可移动传感器平台。
在图7的步骤S4中,包括空闲位置和感测位置以及操作时间OT的传感器平台SEP的数字描述被用作输入数据。操作时间是用于将传感器3从空闲位置移动到感测位置、在感测位置由传感器3执行感测任务以及将传感器3移动回空闲位置的时间。
在图7的步骤S4中,确定可移动传感器平台SEP的移动体积MV,其中该移动体积是在可移动传感器平台的操作时间OT期间由可移动传感器平台SEP覆盖的体积。该移动体积MV在图8至图10中示出,并且是指包括在图8至图10中的双箭头所描述的圆环部段。移动体积MV由图7的步骤S5处理。在该步骤中,初始自动化任务AT被划分为多个后续子任务,这些后续子任务在图7中被指定为STi(i=1,...,N,其中N是描述自动化任务AT的子任务的总数)。每个子任务都与执行该子任务所需的子任务时间STTi相关联。
具有大于或等于操作时间OT的子任务时间STTi的那些子任务STi在步骤S6中被处理。在该步骤中,基于描述在执行相应子任务期间机器人1和传送带2的移动的移动规范MS的该部分,确定相应子任务的子任务放置体积SPVi。子任务放置体积是在执行相应子任务STi期间,不与机器人1和传送带2以及任何其他物体(除传感器平台之外)重叠的体积。
图8至图10示出了对于不同子任务的子任务放置体积的确定。在这些图中,体积VO是由两个机器人1在执行相应子任务的它们移动期间覆盖的扫掠体积。子任务体积是假设传感器平台7不存在的情况下,除体积VO之外并且除所有其他物体的体积之外的自由体积。因为所执行的子任务是不同的,所以体积VO对于图8至图10的子任务是不同的。
在确定了相应的子任务体积SPVi之后,在步骤S7中执行搜索机械机构7在天花板8处的安装位置MP。在相应安装位置,可移动传感器平台的移动体积MV完全位于相应子任务放置体积SPVi内,并且在由传感器3关于感测约束CO执行相应子任务STi期间,可以执行感测任务。可以通过分析不同的安装位置来执行对于安装位置的搜索,以便评估是否可以在相应安装位置处执行感测任务。分析相应安装位置的该步骤使用与关于第一实施例描述的确定传感器布置体积相同的方法。在执行了步骤S7之后找到的安装位置在图1中被指定为MP。那些位置MP可以在视觉或图形用户界面上被可视化,例如在其中相应安装位置MP被突出显示的图像中。在找不到安装位置的情况下,用户界面上将出现对应信息以便通知用户该感测任务根本无法执行。
图8至图10示出了关于可移动体积MV应完全位于子任务放置体积内的条件的一个安装位置的评估。显然,仅对图9的子任务而言,该条件得到了满足,使得仅该子任务中的安装位置是安装位置MP的候选。
如前所述的本发明具有多个优势。特别地,提供了强大的决策模型,其通过描述用于放置传感器的一般技术方法,以形式化的方式结合了专家的领域知识。本发明被实现为计算机程序,并使得非专家能够通过运行计算机程序为自动化系统内的感测任务识别可能的传感器位置。
传感器位置的形式化确定产生了用于执行感测任务的可重复、精确和正确的解决方案。所提出的形式化包括技术特征,如自动化系统的可观察状态和传感器本身的明确参数,如相机的焦距或采集视野。此外,通过确定由自动化系统的部件覆盖的扫掠体积来考虑该部件的动态行为。本发明的方法难以通过人工工程在此准确度下重新产生。此外,在优选实施例中,在无法找到用于感测任务的那些静态传感器位置的情况下,还可以考虑可移动传感器平台的场景。
Claims (13)
1.一种用于自动化系统的模拟过程(PR)中计算机实现的确定传感器位置(PO)的方法,其特征在于,所述模拟过程(PR)包括待由所述自动化系统的多个部件(1、2)执行的自动化任务(AT)的数字过程描述(PD),所述数字过程描述(PD)包括描述所述多个部件(1、2)在执行所述自动化任务(AT)期间的移动的移动规范(MS),并且其中提供了数字感测描述(SD),所述数字感测描述(SD)定义了在执行所述自动化任务(AT)期间待由传感器装置(3)执行的感测任务(ST)和所述传感器装置(3)的多个传感器参数(SP),所述多个传感器参数(SP)包括所述传感器装置(3)的一个或多个感测约束(CO)和所述传感器装置(3)的传感器体积(SV),所述方法包括以下步骤:
a)基于所述移动规范(MS)确定放置体积(PV),其中所述放置体积(PV)位于围绕所述多个部件(1、2)的预定区域内,并且其中在执行所述自动化任务(AT)期间所述放置体积(PV)不与所述多个部件(1、2)和任何其他物体(4)重叠;
b)确定传感器布置体积(SAV),所述传感器布置体积定义了所述传感器装置(3)的传感器位置(PO)的体积,其中所述传感器装置(3)的所述传感器体积(SV)在所述传感器布置体积(SAV)内的每个传感器位置(PO)处完全位于所述放置体积(PV)内,并且其中在执行所述自动化任务(AT)期间,能够由所述传感器装置(3)在所述传感器布置体积(SAV)内的每个传感器位置(PO)处关于所述多个感测约束(CO)来执行所述感测任务(ST)。
2.根据权利要求1所述的方法,其中基于一个或多个优化标准在所述传感器布置体积(SAV)内识别至少一个传感器位置(PO')。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述传感器布置体积(SAV)和/或至少一个传感器位置(PO')经由用户界面输出。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述多个部件(1、2)包括至少一个机器人(1)和/或所述传感器装置(3)包括至少一个光学传感器,用于检测由所述多个部件(1、2)处置的一个或多个物体(4)。
5.根据权利要求4所述的方法,其中所述光学传感器为相机。
6.根据权利要求1或2所述的方法,其中基于步骤b)确定所述传感器布置体积(SAV)包括以下子步骤:
-确定定义所述传感器装置(3)的传感器位置的体积的中间体积(IV),其中在所述中间体积(IV)内的每个传感器位置处,所述传感器装置(3)能够在不考虑所述放置体积(PV)的情况下关于所述多个感测约束(CO)来执行所述感测任务(ST);
-确定所述中间体积(IV)与所述放置体积(PV)之间的相交部(IS);
-将所述相交部(IS)内的能够由所述传感器装置(3)在考虑所述放置体积(PV)的情况下关于所述多个感测约束(CO)来执行感测任务(ST)并且所述传感器体积(SV)完全位于所述放置体积(PV)内的区域确定为所述传感器布置体积(SAV)。
7.根据权利要求1或2所述的方法,其中在步骤b)中不能识别传感器布置体积(SAV)的情况下,执行以下步骤:
-将所述传感器装置(3)与用于移动所述传感器装置(3)的机械机构(7)相关联,所述传感器装置(3)和所述机械机构(7)形成可移动传感器平台(SEP),其中为所述可移动传感器平台(SEP)分配操作时间(OT),所述操作时间(OT)是用于将所述传感器装置(3)从第一位置移动到作为感测位置的第二位置的时间,由所述传感器装置(3)在所述感测位置执行所述感测任务(ST),并将所述传感器装置(3)移动回至空闲位置;
-确定所述可移动传感器平台(SEP)的移动体积(MV),所述移动体积(MV)为由所述可移动传感器平台(SEP)在所述可移动传感器平台(SEP)的操作时间(OT)期间覆盖的体积;
-将所述自动化任务(AT)划分为多个后续子任务(STi),每个子任务(STi)与执行所述子任务(STi)所需的子任务时间(STTi)相关联,其中对于具有大于或等于所述可移动传感器平台(SEP)的所述操作时间(OT)的子任务时间(STTi)的每个子任务(STi),执行以下步骤:
-基于描述在执行相应子任务(STi)期间所述多个部件(1、2)的移动的所述移动规范(MS)的部分,为所述相应子任务(STi)确定子任务放置体积(SPVi),其中所述子任务放置体积(SPVi)位于围绕所述多个部件(1、2)的预定区域内,并且其中所述子任务放置体积(SPVi)在执行所述相应子任务(STi)期间不与所述多个部件(1、2)和任何其他物体(4)重叠;
-确定所述可移动传感器平台(SEP)的一个或多个安装位置(MP),其中在每个所述安装位置(MP)处,所述可移动传感器平台(SEP)的移动体积(MV)完全位于相应子任务放置体积(SPVi)内,并且在执行所述相应子任务(STi)期间,能够由所述传感器装置(3)关于所述多个感测约束(CO)来执行所述感测任务(ST)。
8.根据权利要求7所述的方法,其中基于一个或多个优化标准在确定的一个或多个安装位置(MP)内识别至少一个安装位置(MP)。
9.根据权利要求7所述的方法,其中用于一个或多个子任务(STi)的一个或多个确定的安装位置(MP)和/或至少一个识别的安装位置(MP)经由用户界面输出。
10.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述自动化系统是生产系统或包装厂或物流系统。
11.一种用于自动化系统的模拟过程(PR)中计算机实现的确定传感器位置(PO)的设备,其特征在于,所述模拟过程(PR)包括待由所述自动化系统的多个部件(1、2)执行的自动化任务(AT)的数字过程描述(PD),所述数字过程描述(PD)包括描述所述多个部件(1、2)在执行所述自动化任务(AT)期间的移动的移动规范(MS),并且其中提供了数字感测描述(SD),所述数字感测描述(SD)定义了在执行所述自动化任务(AT)期间待由传感器装置(3)执行的感测任务(ST)和所述传感器装置(3)的多个传感器参数(SP),所述多个传感器参数(SP)包括所述传感器装置(3)的一个或多个感测约束(CO)和所述传感器装置(3)的传感器体积(SV),其中所述设备被配置为执行包括以下步骤的方法:
a)基于所述移动规范(MS)确定放置体积(PV),其中所述放置体积(PV)位于围绕所述多个部件(1、2)的预定区域内,并且其中在执行所述自动化任务(AT)期间所述放置体积(PV)不与所述多个部件(1、2)和任何其他物体(4)重叠;
b)确定传感器布置体积(SAV),所述传感器布置体积定义了所述传感器装置(3)的传感器位置(PO)的体积,其中所述传感器装置(3)的所述传感器体积(SV)在所述传感器布置体积(SAV)内的每个传感器位置(PO)处完全位于所述放置体积(PV)内,并且其中在执行所述自动化任务(AT)期间,能够由所述传感器装置(3)在所述传感器布置体积(SAV)内的每个传感器位置(PO)处关于所述多个感测约束(CO)来执行所述感测任务(ST)。
12.根据权利要求11所述的设备,其中所述设备被配置为执行根据权利要求2至10中任一项所述的方法。
13.一种具有程序代码的计算机可读载体,用于当所述程序代码在计算机上执行时,执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
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