CN113343397A - 一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法及装置,通过本申请提供的地下顶管作业管缆障碍物规避方法,当遇到已敷设地下管缆障碍时,根据顶管与障碍物的相对位置关系,结合安全净距阈值,自动计算出规避路径,并根据该规避路径改变掘进方向以规避障碍物,解决了现有的顶管技术需要依靠施工人员调整前进路径,操作过程繁琐且安全隐患大的技术问题。
Description
技术领域
本申请涉及顶管施工技术领域,尤其涉及一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法及装置。
背景技术
顶管技术是一项用于市政施工的非开挖掘进式管道铺设施工技术。优点在于不影响周围环境或者影响较小,施工场地小,噪音小,而且能够深入地下作业,是目前最常使用的地下施工技术之一。
现有的顶管技术中当基于人工依靠经验手动调整顶管机掘进方向,当顶管过程中发现障碍时,需要依靠施工人员调整前进路径,操作过程繁琐,且错误调整掘进路线几率较高,存在很大的隐患。
发明内容
本申请提供了一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法及装置,用于解决现有的顶管技术需要依靠施工人员调整前进路径,操作过程繁琐且安全隐患大的技术问题。
首先,本申请第一方面提供了一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法,包括:
接收管缆障碍物规避信号,所述管缆障碍物规避信号为设置于顶管前端的探测探头在沿初始路径掘进的过程中检测到管缆障碍物,且所述探测探头与所述管缆障碍物之间的直线距离小于预置的安全净距阈值时发出的;
响应于所述管缆障碍物规避信号,控制所述顶管停止掘进,基于所述探测探头对应的第一空间坐标以及所述直线距离,计算第二空间坐标,所述第二空间坐标为所述第一空间坐标到所述管缆障碍物的切点坐标;
以所述第二空间坐标为球心,以所述安全净距阈值为半径,构建球面空间;
以所述初始路径所在的平面对所述球面空间进行截取,得到圆形截面,其中,所述平面不与所述管缆障碍物平行;
基于所述安全净距阈值以及电缆最大弯折角度,结合预置的回退距离计算公式,计算顶管的回退距离,以及所述顶管回退后,所述探测探头对应的第三空间坐标;
基于所述第三空间坐标以及所述圆形截面,确定第四空间坐标、第五空间坐标以及第六空间坐标,以基于所述第三空间坐标至所述第六空间坐标,以及所述第四空间坐标到所述第五空间坐标之间的弧线形成规避路径,其中,所述第四空间坐标为所述第三空间坐标到所述圆形截面的切点坐标,所述第五空间坐标与所述第六空间坐标分别为所述第四空间坐标与所述第三空间坐标关于基准直径对称的空间坐标,所述基准直径为所述圆形截面中与所述初始路径垂直的直径线段。
优选地,所述初始路径所在的平面具体为所述初始路径所在的铅垂面或水平面。
优选地,所述第四空间坐标的确定过程为:
计算所述第三空间坐标到所述圆形截面切点的切点距离,以最小切点距离对应的切点坐标为所述第四空间坐标。
优选地,所述回退距离计算公式具体为:
式中,m为所述回退距离,r为所述安全净距阈值,α为电缆最大弯折角度。
优选地,还包括:
根据得到的规避路径对所述初始路径进行调整,得到竣工路径,以根据所述竣工路径,结合初始三维管网线路图,更新所述初始三维管网线路图。
其次,本申请第二方面提供了一种地下顶管作业管缆障碍物规避装置,包括:
信号接收单元,用于接收管缆障碍物规避信号,所述管缆障碍物规避信号为设置于顶管前端的探测探头在沿初始路径掘进的过程中检测到管缆障碍物,且所述探测探头与所述管缆障碍物之间的直线距离小于预置的安全净距阈值时发出的;
第一坐标计算单元,用于响应于所述管缆障碍物规避信号,控制所述顶管停止掘进,基于所述探测探头对应的第一空间坐标以及所述直线距离,计算第二空间坐标,所述第二空间坐标为所述第一空间坐标到所述管缆障碍物的切点坐标;
球面空间构建单元,用于以所述第二空间坐标为球心,以所述安全净距阈值为半径,构建球面空间;
球面空间截取处理单元,用于以所述初始路径所在的平面对所述球面空间进行截取,得到圆形截面,其中,所述平面不与所述管缆障碍物平行;
顶管回退计算单元,用于基于所述安全净距阈值以及电缆最大弯折角度,结合预置的回退距离计算公式,计算顶管的回退距离,以及所述顶管回退后,所述探测探头对应的第三空间坐标;
规避路径生成单元,用于基于所述第三空间坐标以及所述圆形截面,确定第四空间坐标、第五空间坐标以及第六空间坐标,以基于所述第三空间坐标至所述第六空间坐标,以及所述第四空间坐标到所述第五空间坐标之间的弧线形成规避路径,其中,所述第四空间坐标为所述第三空间坐标到所述圆形截面的切点坐标,所述第五空间坐标与所述第六空间坐标分别为所述第四空间坐标与所述第三空间坐标关于基准直径对称的空间坐标,所述基准直径为所述圆形截面中与所述初始路径垂直的直径线段。
优选地,所述初始路径所在的平面具体为所述初始路径所在的铅垂面或水平面。
优选地,还包括:
第四空间坐标确定单元,用于计算所述第三空间坐标到所述圆形截面切点的切点距离,以最小切点距离对应的切点坐标为所述第四空间坐标。
优选地,所述回退距离计算公式具体为:
式中,m为所述回退距离,r为所述安全净距阈值,α为电缆最大弯折角度。
优选地,还包括:
管网路线图更新单元,用于根据得到的规避路径对所述初始路径进行调整,得到竣工路径,以根据所述竣工路径,结合初始三维管网线路图,更新所述初始三维管网线路图。
从以上技术方案可以看出,本申请具有以下优点:
通过本申请提供的地下顶管作业管缆障碍物规避方法,当遇到已敷设地下管缆障碍时,根据顶管与障碍物的相对位置关系,结合安全净距阈值,自动计算出规避路径,并根据该规避路径改变掘进方向以规避障碍物,解决了现有的顶管技术需要依靠施工人员调整前进路径,操作过程繁琐且安全隐患大的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请提供的一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法的第一个实施例的流程示意图;
图2为本申请提供的一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法的第二个实施例的流程示意图;
图3为本申请提供的一种地下顶管作业管缆障碍物规避装置的一个实施例的流程示意图;
图4为基于本申请地下顶管作业管缆障碍物规避方法计算计算过程中各点的空间坐标位置关系示意图。
具体实施方式
由于城市地下空间布置有大量市政燃气、供水、污水、光纤、电缆等管缆设施,在实际的施工环境中,在接近地下管网设施的地区进行施工时,由于存在规划偏差或操作偏差等原因,时常出现顶管掘进作业时遇到管缆障碍物的情形,此时则需要依据人工经验及手动调整顶管机掘进方向,操作繁琐且错误调整掘进路线几率较高,在实际生产运行过程中经常造成管缆设施被外力破坏的事故。
本申请实施例提供了一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法及装置,用于解决现有的顶管技术需要依靠施工人员调整前进路径,操作过程繁琐且安全隐患大的技术问题。
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而非全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本申请保护的范围。
请参阅图1和图4,本申请第一个实施例提供了一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法,包括:
步骤101、接收管缆障碍物规避信号,管缆障碍物规避信号为设置于顶管前端的探测探头在沿初始路径掘进的过程中检测到管缆障碍物,且探测探头与管缆障碍物之间的直线距离小于预置的安全净距阈值时发出的。
需要说明的是,在实际的顶管施工环境下,可顶管前端设置探测探头,如电磁信号探头、声纳探头等,用于探测顶管掘进方向附近的地下管缆障碍物,当探测探头在沿初始路径掘进的过程中检测到管缆障碍物,且探测探头与管缆障碍物之间的直线距离小于预置的安全净距阈值时,探测探头会向控制器发送管缆障碍物规避信号,以便触发控制器执行本申请提供的规避方法。
步骤102、响应于管缆障碍物规避信号,控制顶管停止掘进,基于探测探头对应的第一空间坐标以及直线距离,计算第二空间坐标,第二空间坐标为第一空间坐标到管缆障碍物的切点坐标。
需要说明的是,经度、纬度、海拔高度赋值变量X,Y,Z,设探头与掘进路径上的电缆距离为L,探测探头定位坐标对应的第一空间坐标为(X1,Y1,Z1), 探测探头距离最近电缆的切点对应的第二空间坐标为(X2,Y2,Z2),可得,第一空间坐标和第二空间坐标之间的关系为:
步骤103、以第二空间坐标为球心,以安全净距阈值为半径,构建球面空间。
需要说明的是,假设初始路径方案对应掘进路径为直线SE,其中S为初始路径的起点,当地理探头与电缆距离l刚好为r时,停止钻探,此时电磁探头位于点K处,电磁探头距离最近电缆的切点设为O,以点O为球心,安全净距r为半径作球面Ω,标定球心O及球面Ω的空间坐标及球面方程。
步骤104、以初始路径所在的平面对球面空间进行截取,得到圆形截面,其中,平面不与管缆障碍物平行。
需要说明的是,利用顶管沿初始路径SE所在平面截取球面Ω,得到圆形截面O’。
步骤105、基于安全净距阈值以及电缆最大弯折角度,结合预置的回退距离计算公式,计算顶管的回退距离,以及顶管回退后,探测探头对应的第三空间坐标。
需要说明的是,基于安全净距阈值r以及电缆最大弯折角度α,结合预置的回退距离计算公式,计算顶管的回退距离m,将顶管沿路径SE回退距离m 至点A,可得到点A对应的第三空间坐标。
步骤106、基于第三空间坐标以及圆形截面,确定第四空间坐标、第五空间坐标以及第六空间坐标,以基于第三空间坐标至第六空间坐标,以及第四空间坐标到第五空间坐标之间的弧线形成规避路径,其中,第四空间坐标为第三空间坐标到圆形截面的切点坐标,第五空间坐标与第六空间坐标分别为第四空间坐标与第三空间坐标关于基准直径对称的空间坐标,基准直径为圆形截面中与初始路径垂直的直径线段。
需要说明的是,基于第三空间坐标A以及圆形截面O’,过点A作圆形截面O’的切线AB,其中,B为点A到O’边的切点,即点B对应的是第四空间坐标,在圆O’所在平面内作点A、点B关于基准直径对称的对称点:B’和A’,即第五空间坐标和第六空间坐标对应的点,基于第三空间坐标至第六空间坐标,得到规避路径为AB--B’A’。
通过本申请实施例提供的地下顶管作业管缆障碍物规避方法,当遇到已敷设地下管缆障碍时,根据顶管与障碍物的相对位置关系,结合安全净距阈值,自动计算出规避路径,并根据该规避路径改变掘进方向以规避障碍物,解决了现有的顶管技术需要依靠施工人员调整前进路径,操作过程繁琐且安全隐患大的技术问题。
以上为本申请提供的一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法的第一个实施例的详细说明,下面为本申请在上述第一个实施例的基础上,提供的一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法的第二个实施例的详细说明。
请参阅图2,本申请第二个实施例提供的一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法,包括:
进一步地,步骤104提及的用于截取球面空间的平面,其具体为:初始路径所在的铅垂面或水平面,由于平面不与管缆障碍物平行,可以理解为,根据延伸方向的不同,若管缆障碍物为水平方向延伸的,则根据初始路径所在的铅垂面进行截取,若管缆障碍物为竖直方向延伸的,则根据初始路径所在的水平进行截取。
进一步地,第四空间坐标的确定过程为:
计算第三空间坐标到圆形截面切点的切点距离,以最小切点距离对应的切点坐标为第四空间坐标。
需要说明的是,根据圆形和切点的关系,满足条件的切线有两条,具体可计算第三空间坐标A到圆形截面切点B的切点距离,以最小切点距离对应的切点坐标为第四空间坐标B,例如,若以铅垂面截取的圆形截面为例,当顶管路径SE位于球心O所在平面上方,即点A距离上方的切点更近,则以位于上方的切点为第四空间坐标对应的点B,规避路径向上方偏移,相反,若当顶管路径SE位于球心O所在平面下方,则如图4所示,以位于下方的切点为第四空间坐标对应的点B,规避路径向下方偏移。同理,若以铅垂面截取的圆形截面,可以按照同样的思路选择左侧切点与右侧切点中的最小值为第四空间坐标对应的点B。
进一步地,回退距离计算公式具体为:
式中,m为回退距离,r为安全净距阈值,α为电缆最大弯折角度。
进一步地,还包括:
步骤107、根据得到的规避路径对初始路径进行调整,得到竣工路径,以根据竣工路径,结合初始三维管网线路图,更新初始三维管网线路图。
需要说明的是,顶管过程中,基于探测探头实时记录有障碍电缆的空间坐标(包括经度、纬度、海拔),拟合出电缆所在区域以及实际顶管路径,并与第二步中3D管网图纸合并,得到3D坐标的竣工管网线路图纸。
以上为本申请提供的一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法的第二个实施例的详细说明,下面为本申请提供的一种地下顶管作业管缆障碍物规避装置的一个实施例的详细说明。
请参阅图3,本申请第三个实施例提供了一种地下顶管作业管缆障碍物规避装置,包括:
信号接收单元201,用于接收管缆障碍物规避信号,管缆障碍物规避信号为设置于顶管前端的探测探头在沿初始路径掘进的过程中检测到管缆障碍物,且探测探头与管缆障碍物之间的直线距离小于预置的安全净距阈值时发出的;
第一坐标计算单元202,用于响应于管缆障碍物规避信号,控制顶管停止掘进,基于探测探头对应的第一空间坐标以及直线距离,计算第二空间坐标,第二空间坐标为第一空间坐标到管缆障碍物的切点坐标;
球面空间构建单元203,用于以第二空间坐标为球心,以安全净距阈值为半径,构建球面空间;
球面空间截取处理单元204,用于以初始路径所在的平面对球面空间进行截取,得到圆形截面,其中,平面不与管缆障碍物平行;
顶管回退计算单元205,用于基于安全净距阈值以及电缆最大弯折角度,结合预置的回退距离计算公式,计算顶管的回退距离,以及顶管回退后,探测探头对应的第三空间坐标;
规避路径生成单元206,用于基于第三空间坐标以及圆形截面,确定第四空间坐标、第五空间坐标以及第六空间坐标,以基于第三空间坐标至第六空间坐标,以及第四空间坐标到第五空间坐标之间的弧线形成规避路径,其中,第四空间坐标为第三空间坐标到圆形截面的切点坐标,第五空间坐标与第六空间坐标分别为第四空间坐标与第三空间坐标关于基准直径对称的空间坐标,基准直径为圆形截面中与初始路径垂直的直径线段。
进一步地,初始路径所在的平面具体为初始路径所在的铅垂面或水平面。
进一步地,还包括:
第四空间坐标确定单元200,用于计算第三空间坐标到圆形截面切点的切点距离,以最小切点距离对应的切点坐标为第四空间坐标。
进一步地,回退距离计算公式具体为:
式中,m为回退距离,r为安全净距阈值,α为电缆最大弯折角度,其中,如图4所示,本实施例的回退距离m是在当初始路径刚好通过球心情形下算取的,此种情形下回退距离计算公式可取得最大值,除此之外任何情形回退距离皆以m作为回退距离,可以保障弯折角度小于α,有利于电缆安全稳定运行。
进一步地,还包括:
管网路线图更新单元207,用于根据得到的规避路径对初始路径进行调整,得到竣工路径,以根据竣工路径,结合初始三维管网线路图,更新初始三维管网线路图。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,上述描述的装置和单元的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的装置和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
在本申请的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述,以上实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法,其特征在于,包括:
接收管缆障碍物规避信号,所述管缆障碍物规避信号为设置于顶管前端的探测探头在沿初始路径掘进的过程中检测到管缆障碍物,且所述探测探头与所述管缆障碍物之间的直线距离小于预置的安全净距阈值时发出的;
响应于所述管缆障碍物规避信号,控制所述顶管停止掘进,基于所述探测探头对应的第一空间坐标以及所述直线距离,计算第二空间坐标,所述第二空间坐标为所述第一空间坐标到所述管缆障碍物的切点坐标;
以所述第二空间坐标为球心,以所述安全净距阈值为半径,构建球面空间;
以所述初始路径所在的平面对所述球面空间进行截取,得到圆形截面,其中,所述平面不与所述管缆障碍物平行;
基于所述安全净距阈值以及电缆最大弯折角度,结合预置的回退距离计算公式,计算顶管的回退距离,以及所述顶管回退后,所述探测探头对应的第三空间坐标;
基于所述第三空间坐标以及所述圆形截面,确定第四空间坐标、第五空间坐标以及第六空间坐标,以基于所述第三空间坐标至所述第六空间坐标,以及所述第四空间坐标到所述第五空间坐标之间的弧线形成规避路径,其中,所述第四空间坐标为所述第三空间坐标到所述圆形截面的切点坐标,所述第五空间坐标与所述第六空间坐标分别为所述第四空间坐标与所述第三空间坐标关于基准直径对称的空间坐标,所述基准直径为所述圆形截面中与所述初始路径垂直的直径线段。
2.根据权利要求1所述的一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法,其特征在于,所述初始路径所在的平面具体为所述初始路径所在的铅垂面或水平面。
3.根据权利要求2所述的一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法,其特征在于,所述第四空间坐标的确定过程为:
计算所述第三空间坐标到所述圆形截面切点的切点距离,以最小切点距离对应的切点坐标为所述第四空间坐标。
5.根据权利要求1所述的一种地下顶管作业管缆障碍物规避方法,其特征在于,还包括:
根据得到的规避路径对所述初始路径进行调整,得到竣工路径,以根据所述竣工路径,结合初始三维管网线路图,更新所述初始三维管网线路图。
6.一种地下顶管作业管缆障碍物规避装置,其特征在于,包括:
信号接收单元,用于接收管缆障碍物规避信号,所述管缆障碍物规避信号为设置于顶管前端的探测探头在沿初始路径掘进的过程中检测到管缆障碍物,且所述探测探头与所述管缆障碍物之间的直线距离小于预置的安全净距阈值时发出的;
第一坐标计算单元,用于响应于所述管缆障碍物规避信号,控制所述顶管停止掘进,基于所述探测探头对应的第一空间坐标以及所述直线距离,计算第二空间坐标,所述第二空间坐标为所述第一空间坐标到所述管缆障碍物的切点坐标;
球面空间构建单元,用于以所述第二空间坐标为球心,以所述安全净距阈值为半径,构建球面空间;
球面空间截取处理单元,用于以所述初始路径所在的平面对所述球面空间进行截取,得到圆形截面,其中,所述平面不与所述管缆障碍物平行;
顶管回退计算单元,用于基于所述安全净距阈值以及电缆最大弯折角度,结合预置的回退距离计算公式,计算顶管的回退距离,以及所述顶管回退后,所述探测探头对应的第三空间坐标;
规避路径生成单元,用于基于所述第三空间坐标以及所述圆形截面,确定第四空间坐标、第五空间坐标以及第六空间坐标,以基于所述第三空间坐标至所述第六空间坐标,以及所述第四空间坐标到所述第五空间坐标之间的弧线形成规避路径,其中,所述第四空间坐标为所述第三空间坐标到所述圆形截面的切点坐标,所述第五空间坐标与所述第六空间坐标分别为所述第四空间坐标与所述第三空间坐标关于基准直径对称的空间坐标,所述基准直径为所述圆形截面中与所述初始路径垂直的直径线段。
7.根据权利要求6所述的一种地下顶管作业管缆障碍物规避装置,其特征在于,所述初始路径所在的平面具体为所述初始路径所在的铅垂面或水平面。
8.根据权利要求7所述的一种地下顶管作业管缆障碍物规避装置,其特征在于,还包括:
第四空间坐标确定单元,用于计算所述第三空间坐标到所述圆形截面切点的切点距离,以最小切点距离对应的切点坐标为所述第四空间坐标。
10.根据权利要求6所述的一种地下顶管作业管缆障碍物规避装置,其特征在于,还包括:
管网路线图更新单元,用于根据得到的规避路径对所述初始路径进行调整,得到竣工路径,以根据所述竣工路径,结合初始三维管网线路图,更新所述初始三维管网线路图。
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