CN113551654A - 基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法,包括以下步骤:S1、在水下沙坝处的河口处修建双导堤,并开挖有航道;S2、构建出航道以及航道辐射范围底部的地貌三维模型,定量分析出航道以及航道辐射范围底部中悬沙浓度、泥沙的高度以及潮流流速;S3、不同季节与悬沙同步观测的潮流和波浪数据并结合前后15年风场和海场浪的资料,解析不同季节悬沙所处动力环境的时空分布特征;S4、将地貌三维模型整合到平面二维潮流、波浪泥沙并耦合数学模型,通过模拟不同动力因子对悬沙分布,以现场观测和数值模拟相结合的研究手段,分析并预测出一段时间内航道辐射范围处的潮流大小、流速以及航道内的水深,进而预测出航道窗口期。
Description
技术领域
本发明涉及船舶交通技术领域,尤其涉及基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法。
背景技术
辐射沙脊群海域受河流和海洋共同影响,易在河口位置形成水下沙坝,不利于航运发展。为了解决这一问题,在河口修建双导堤,并开挖航道。该措施一方面将原本南北向沿岸流转为平行于航道的潮流走向,解决了横流过大导致船舶难以进港的问题;另一方面,开挖的航道满足更大吨位船舶进港的水深条件。
双导堤虽然解决了船舶进港问题,但依然存在问题:1、堤头处易形成强烈回流区,横流导致船舶无法进港,需等待潮流流速较小时进港。2、虽然大部分时间开挖航道满足船舶进港水深,但低潮位时,船舶依然需要等候涨潮,满足进港水深才能进港。3、双导堤改变了潮流走向,同样降低了潮动力,水流挟沙力减弱,水体泥沙淤积在航道内,造成航道淤积,需要定期清淤。
为了进一步解决以上问题,需要对航道窗口期进行预测分析,更加全面、直观的反映出水域未来变化趋势,为船舶交通提供切实可用的参考数据。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足,提供基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案为:基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、航道的建立:在河流和海洋共同影响下形成的水下沙坝处,且在河口处修建双导堤,并在双导堤内部开挖有航道;
S2、地貌三维模型建立:使用若干探测装置通过点线面结合的探测方式并构建出航道以及航道辐射范围底部的地貌三维模型,定量分析出航道以及航道辐射范围底部中悬沙浓度、泥沙的高度以及潮流流速;
S3、结合不同季节航道以及航道辐射范围内与悬沙同步观测的潮流和波浪数据,并结合前后15年风场和海场浪的资料,宏观上解析航道以及航道辐射范围内不同季节悬沙所处动力环境的时空分布特征;
S4、将地貌三维模型整合到平面二维潮流、波浪泥沙并耦合数学模型,分析大小潮流和波浪以及季节的综合作用下悬沙的时空分布;分析并预测出一段时间内航道辐射范围处的潮流大小、流速以及航道内的水深,进而预测出航道窗口期。
本发明一个较佳实施例中,在所述S1中,构建所述航道的划归方式,将航道划分割形成有若干航带宽相等的虚拟航带。
本发明一个较佳实施例中,所述地貌三维模型的建立包括:每个探测装置自身形成点源探测,在航道内每个所述虚拟航带上形成线源探测,或在所述航道内形成面源探测,点线面结合探测整个航道;通过探测网的结构覆盖式探测所述航道辐射范围。
本发明一个较佳实施例中,所述航道辐射范围包括的区域包括所述双导堤两侧以及所述双导堤堤头处;若干所述探测装置分别设置在所述双导堤的两侧、所述双导堤的堤头处以及所述双导堤内侧的航道内,所述探测装置沿所述航道方向间隔排布。
本发明一个较佳实施例中,每个所述探测装置包括依次连接的浮子、集成传感器以及配重块,所述浮子设置在水中,所述配重块嵌入至所述航道中的泥沙中,所述探测装置的密度大于水,所述浮子和所述配重块能够使得所述集成传感器贴近泥沙表面。
本发明一个较佳实施例中,在所述航道内部,沿所述航道方向相邻所述探测装置之间通过牵引绳连接;或相邻所述探测装置之间通过牵引绳连接;在所述航道外部,相邻所述探测装置之间通过牵引绳连接。
本发明一个较佳实施例中,所述探测装置布置在以极限最小半径长度和极限最大半径长度中任一长度为半径确定形成的扇形合围空间中,所述极限最小半径长度和所述极限最大半径长度分别等于和大于所述航道长度;或所述探测装置以矩形阵列方式布置,且阵列长度和宽度分别大于所述航道长度和航道宽度。
本发明一个较佳实施例中,基于所述S4中的数学模型,还联合WRF大气模型,实现台风和寒潮对水动力和悬沙分布作用过程的定量化研究,并进一步分析冬、夏季典型大风事件对悬沙浓度分布的差异性影响。
本发明一个较佳实施例中,在所述S4中,通过所述S2中对所述航道垂向悬沙浓度以及所述航道底部泥沙高度的探测,定量化分析泥沙沉降-再悬浮及其动力机制,结合近底悬沙浓度变化,探明潮流和波浪对泥沙再悬浮过程的影响,为水体定期清淤提供依据。
本发明一个较佳实施例中,考虑到多次同一方向潮流流速下探测装置发生的位置偏移,在分析时通过依次减计的方式减少误差。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷,本发明具备以下有益效果:
(1)本发明提供了一种航道窗口期分析方法,该分析方法基于体素结构和Mike模型,通过模拟不同动力因子对悬沙分布,并现场观测、以及数值模拟相结合的研究手段,分析并预测出一段时间内航道辐射范围处的潮流大小、流速以及航道内的水深,进而预测出满足船舶在港内停泊、进行装卸作业和出入航行要求的航道窗口期。
(2)本发明探测装置通过浮子和配重块的作用,使得集成传感器贴近泥沙表面,提高了探测高度的精准度。地貌三维模型的建立通过点源、线源以及面源结合的方式,得到航道以及航道辐射范围底部泥沙的三维坐标。
(3)本发明集成传感器能够实现对自定位、悬沙浓度和潮流流速的探测。每个集成传感器作为一个点源探测,实现对所处位置泥沙深度的探测,解决了传统技术中点源探测难以对地形和潮波系统复杂进行表达的问题。
(4)本发明通过对航道垂向悬沙浓度以及航道底部泥沙高度的探测,定量化分析泥沙沉降-再悬浮及其动力机制,结合近底悬沙浓度变化,探明潮流和波浪对泥沙再悬浮过程的影响,为水体定期清淤提供依据。
(5)本发明通过现场观测、以及数值模拟相结合的研究手段,这种研究手段解决了单一的现场观测可能难以避免现场观测位置偏移等不可控因素带来的误差,从而导致分析预测结果的局限性。
(6)本发明提出的探测装置相比较于现有技术中的遥感技术,虽然遥感技术属于面源探测,但本发明中对地形和潮波具有更强的针对性,并且具有探测周期短、成本低、数据失效性强等特点,一定程度上弥补了常规调查手段中的不足。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图;
图1是本发明的实施例一的航道建立的结构示意图;
图2是本发明的实施例一的探测装置的立体结构示意图;
图3是本发明的实施例二的线源探测的结构示意图;
图4是本发明的实施例二的面源探测的结构示意图;
图中:1、导流堤;2、航道;3、探测装置;31、浮子;32、集成传感器;33、配重块;34、锁链;35、连接突耳;4、牵引绳;5、探测网。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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他实施例,都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施,因此,本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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保护范围的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
首先对本发明中航道窗口期、航道辐射范围以及双导堤做出限定。本发明中航道窗口期是指在一段时间内能够满足船舶在港内停泊、进行装卸作业和出入航行的时间的集合。航道辐射范围是指受到双导堤防御作用影响,潮流走向和潮动力受到影响的一定范围。本发明中导流堤1用以平顺引导水流或约束水流的建筑物。在水下沙坝的河口两侧分别设置一导流堤1,两侧导流堤1形成双导堤并形成一个掩蔽水域所需要的水工建筑物,能够防御波浪入侵到航道2。双导堤位于港口水域的外围,兼防漂沙和冰凌的入侵,赖以保证港内具有足够的水深和平稳的水面,以满足船舶在港内停泊、进行装卸作业和出入航行的要求。
实施例一
本实施例中研究分析对象针对辐射沙脊群,辐射沙脊群海域南起长江口以北,北至废黄河口海域,复杂的潮波系统形成了独特的辐射状地貌形态。本实施例中优选为射阳河口,如图1所示,射阳河口位于废黄河水下三角洲和辐射沙脊群中部,是河流与海洋交汇的场所,该地水体含沙量较大,受河流和海洋共同影响下,大量的陆源物质以泥沙为载体,在复杂的动力条件下由河口向海洋传输,河口易形成水下沙坝,难以满足足够的水深条件以适应船舶进港。在河口处修建垂直于南北向沿岸流的平行航道2。
需要说明的是,图1中虚线显示为水深,粗实线显示为导流堤1,细实线显示为航道2,河口两侧修建的导流堤1形成有双导堤结构。
本实施例构建航道2的划归方式,包括将航道2划分割形成有若干航带宽相等的虚拟航带,虚拟航带中至少分为进港虚拟航带和出港虚拟航带。虚拟航带是对航道2宽度上的划分,在分析过程中划分越细致,得到的分析结果更加精确。但是划分的前提是在保证船舶正常在港内停泊、装卸作业和出入航行的要求下。
本实施例通过探测装置3建立航道2以及航道辐射范围底部的地貌三维模型。本实施例中航道辐射范围包括的区域包括双导堤两侧以及双导堤堤头处;若干探测装置3分别设置在双导堤的两侧、双导堤的堤头处以及双导堤内侧的航道2内。本实施例中由于双导堤的建立,在堤头处易形成强烈回流区,横流导致船舶无法进港,需等待潮流流速较小时进港,因此有必要对双导堤堤头处的潮流流速进行探测和预测,为航道2的窗口期预测提供理论基础。
地貌三维模型的建立通过点源方式,得到航道2以及航道辐射范围底部泥沙的三维坐标,三维坐标的建立以开挖时航道2的高度作为基准。本实施例中每个探测装置3自身形成点源探测整个航道2,通过构建的地貌三维模型能够直观地观察到航道2底部泥沙的厚度,便于探测出航道2的水深。
如图2所示,示出了一种探测装置3的立体结构图。探测装置3包括依次连接的浮子31、集成传感器32以及配重块33,浮子31和配重块33分别通过锁链34连接,探测装置3的密度大于水,使得浮子31能够沉在水中,配重块33嵌入至航道2中的泥沙中,浮子31和配重块33两者作用能够使得集成传感器32贴近泥沙表面。本实施例中浮子31的周向设置有若干连接突耳35,用于连接牵引绳4,防止探测装置3由于潮流的影响移动或散开。
集成传感器32中至少集成有包括悬浮泥沙浓度监测传感器、自定位芯片以及流速传感器。集成传感器32能够实现对自定位、悬沙浓度和潮流流速的探测。每个集成传感器32作为一个点源探测,实现对所处位置泥沙深度的探测,解决了传统技术中点源探测难以对地形和潮波系统复杂进行表达的问题。
本实施例探测装置3布置在以极限最小半径长度和极限最大半径长度中任一长度为半径确定形成的扇形合围空间中,极限最小半径长度和极限最大半径长度分别等于和大于航道2长度;或探测装置3以矩形阵列方式布置,且阵列长度和宽度分别大于航道2长度和航道2宽度。本实施例优选使用扇形合围的方式,扇形相对于矩形,具有更大的合围范围,能够实时探测到更大的海域,更加均匀且精准。
本实施例的探测装置3采用现场实时探测的方式,探测装置3体积较小,测量方便,由于探测装置3沉在水下且贴近泥沙,不会对船舶的进港和出港产生阻碍。
本实施例还将基于实测和ECMWF历年再分析资料,分析不同季节航道2以及航道辐射范围内动力环境的时空差异。根据本实施例中探测装置3与悬沙同步观测的潮流和波浪实时数据,近15年ECMWF的风场及海浪场再分析资料,宏观上解析航道2以及航道辐射范围内不同季节悬沙所处动力环境的时空分布特征。
本实施例通过将地貌三维模型整合到平面二维潮流、波浪泥沙并耦合形成数学模型,研究不同潮流(大、小潮)和波浪(波高、波向、波周期、持续时间)以及冬、夏季年均各波浪要素综合作用下悬沙的时空分布特征,进而分析并预测出一段时间内航道辐射范围处的潮流大小、流速以及航道2内的水深,进而预测出航道窗口期。
本实施例还联合WRF大气模型,实现台风和寒潮对水动力和悬沙分布作用过程的定量化研究,并进一步分析冬、夏季典型大风事件对悬沙浓度分布的差异性影响。
本实施例中的数字模型基于Mike模型,并输入Mike模型水动力学、环境以及泥沙输送的数据,提供潮流、风暴潮预警,进一步提高航道窗口期预测准确度。
本实施例中,原本在修建双导堤前,可以通过落潮时潮流的径流下泄,使得淤泥能够被潮流裹挟并带走;双导堤的修建,改变了潮流走向,同样降低了潮动力,水流挟沙力减弱,使得航道2内的悬沙长时间容易沉降。从而在航道2的底部形成淤积。通过对航道2垂向悬沙浓度以及航道2底部泥沙高度的探测,定量化分析泥沙沉降-再悬浮及其动力机制,结合近底悬沙浓度变化,探明潮流和波浪对泥沙再悬浮过程的影响,为水体定期清淤提供依据。
本实施例平行于航道2的潮流对探测装置3进行冲击,探测装置3沿航道2方向会产生一定距离的偏移或丢失,考虑到多次同一方向潮流流速下探测装置3发生的位置偏移,在分析时通过依次减计的方式减少误差;并可在实际探测过程中,定期补充探测装置3,以补偿缺失的探测装置3。
因此,本发明实施例一提供了一种基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法,包括以下步骤:
S1、航道2的建立:在河流和海洋共同影响下形成的水下沙坝处,且在河口处修建双导堤,并在双导堤内部开挖有航道2;
S2、地貌三维模型建立:使用若干探测装置3通过点源探测方式并构建出航道2以及航道辐射范围底部的地貌三维模型,定量分析出航道2以及航道辐射范围底部中悬沙浓度、泥沙的高度以及潮流流速;
S3、结合不同季节航道2以及航道辐射范围内与悬沙同步观测的潮流和波浪数据,并结合前后15年风场和海场浪的资料,宏观上解析航道2以及航道辐射范围内不同季节悬沙所处动力环境的时空分布特征;
S4、将地貌三维模型整合到平面二维潮流、波浪泥沙并耦合数学模型,分析大小潮流和波浪以及季节的综合作用下悬沙的时空分布;分析并预测出一段时间内航道辐射范围处的潮流大小、流速以及航道2内的水深,进而预测出航道窗口期。
实施例二
如图3和图4所示,本实施例在实施例一的基础上做出改进,地貌三维模型的建立通过点源、线源以及面源结合的方式,得到航道2以及航道辐射范围底部泥沙的三维坐标。在航道2内每个虚拟航带上形成线源探测,或在航道2内形成面源探测,点线面结合探测整个航道2;通过探测网5的结构覆盖式探测航道辐射范围。
本实施例在浮子31的周向增设有若干连接突耳35,用于连接牵引绳4,防止探测装置3由于潮流的影响移动或散开。本实施例中不限于使用牵引绳4,还可以使用固定连接的方式连接相邻探测装置3,其主要目的是形成线源探测和面源探测。本实施例中优选使用牵引绳4作为连接相邻探测装置3而非选用固定连接的结构,牵引绳4的连接方式在自由度上更少,对于航道2中不同高度的泥沙,牵引绳4连接结构更具灵活性,固定连接的结构在理论上可以使得线源探测和面源探测更加稳定,但是航道2底部的高低变化且探测装置3体积较小,固定连接的方式不具有实用性。
本实施例中地貌三维模型线源探测具体表现在沿航道2方向上泥沙深度的探测,如图3所示,通过探测装置3沿航道2方向间隔排布,在航道2内部,沿航道2方向相邻探测装置3之间通过牵引绳4连接。航道2内由于双导堤的防御作用影响,航道2内原本南北向沿岸流转为平行于航道2的潮流走向,基本上只有平行于航道2的潮流对探测装置3产生外力作用影响较大。得到沿航道2方向的航道2底部地貌,并可以直观地观察到靠近河口以及远离河口位置航道2的泥沙深度。
本实施例中地貌三维模型面源探测具体表现在对航道2以及航道辐射范围底部地貌的全覆盖式探测,如图4所示,本实施例中在航道2内部,相邻探测装置3之间通过牵引绳4连接,航道辐射范围内相邻探测装置3之间也通过牵引绳4连接。这种结构使得探测装置3在航道2和航道辐射范围底部构建出探测网5,探测网5形成对航道2和航道辐射范围底部的面源探测。
需要说明的是,本实施例中对于航道辐射范围均采用相邻探测装置3通过牵引绳4连接的结构,并且航道辐射范围形成的探测网可以固定连接在双导堤上,减少潮流对探测网的冲击。
本实例通过现场观测、以及数值模拟相结合的研究手段,这种研究手段解决了单一的现场观测可能难以避免现场观测位置偏移等不可控因素带来的误差,从而导致分析预测结果的局限性。
本实施例中提出的探测装置3相比较于现有技术中的遥感技术,虽然遥感技术属于面源探测,但本实施例中对地形和潮波具有更强的针对性,并且具有探测周期短、成本低、数据失效性强等特点,一定程度上弥补了常规调查手段中的不足。
实施例三
本实施例在实施例一和实施例二的基础上做出改进,潮流的变化与农历日期有关,考虑到每月初一、十五前后两天的潮流状况。每月农历初一前后各两天和十五前后各两天,江河入海口会出现潮汐自然现象,并且初一十五前后各有一次大潮,大潮时的潮水水深、潮水流速度以及潮水流方向都可能发生改变。结合农历日期形成的天文大潮可以作为典例,提供航道窗口期提前分析预测,并提供预警。
以上依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (10)
1.基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、航道的建立:在河流和海洋共同影响下形成的水下沙坝处,且在河口处修建双导堤,并在双导堤内部开挖有航道;
S2、地貌三维模型建立:使用若干探测装置通过点线面结合的探测方式并构建出航道以及航道辐射范围底部的地貌三维模型,定量分析出航道以及航道辐射范围底部中悬沙浓度、泥沙的高度以及潮流流速;
S3、结合不同季节航道以及航道辐射范围内与悬沙同步观测的潮流和波浪数据,并结合前后15年风场和海场浪的资料,宏观上解析航道以及航道辐射范围内不同季节悬沙所处动力环境的时空分布特征;
S4、将地貌三维模型整合到平面二维潮流、波浪泥沙并耦合数学模型,分析大小潮流和波浪以及季节的综合作用下悬沙的时空分布;分析并预测出一段时间内航道辐射范围处的潮流大小、流速以及航道内的水深,进而预测出航道窗口期。
2.根据权利要求1所述的基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法,其特征在于:在所述S1中,构建所述航道的划归方式,将航道划分割形成有若干航带宽相等的虚拟航带。
3.根据权利要求2所述的基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法,其特征在于:所述地貌三维模型的建立包括:每个探测装置自身形成点源探测,在航道内每个所述虚拟航带上形成线源探测,或在所述航道内形成面源探测,点线面结合探测整个航道;通过探测网的结构覆盖式探测所述航道辐射范围。
4.根据权利要求1所述的基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法,其特征在于:所述航道辐射范围包括的区域包括所述双导堤两侧以及所述双导堤堤头处;若干所述探测装置分别设置在所述双导堤的两侧、所述双导堤的堤头处以及所述双导堤内侧的航道内,所述探测装置沿所述航道方向间隔排布。
5.根据权利要求1所述的基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法,其特征在于:每个所述探测装置包括依次连接的浮子、集成传感器以及配重块,所述浮子设置在水中,所述配重块嵌入至所述航道中的泥沙中,所述探测装置的密度大于水,所述浮子和所述配重块能够使得所述集成传感器贴近泥沙表面。
6.根据权利要求5所述的基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法,其特征在于:在所述航道内部,沿所述航道方向相邻所述探测装置之间通过牵引绳连接;或相邻所述探测装置之间通过牵引绳连接;
在所述航道外部,相邻所述探测装置之间通过牵引绳连接。
7.根据权利要求5所述的基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法,其特征在于:所述探测装置布置在以极限最小半径长度和极限最大半径长度中任一长度为半径确定形成的扇形合围空间中,所述极限最小半径长度和所述极限最大半径长度分别等于和大于所述航道长度;
或所述探测装置以矩形阵列方式布置,且阵列长度和宽度分别大于所述航道长度和航道宽度。
8.根据权利要求1所述的基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法,其特征在于:基于所述S4中的数学模型,还联合WRF大气模型,实现台风和寒潮对水动力和悬沙分布作用过程的定量化研究,并进一步分析冬、夏季典型大风事件对悬沙浓度分布的差异性影响。
9.根据权利要求1所述的基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法,其特征在于:在所述S4中,通过所述S2中对所述航道垂向悬沙浓度以及所述航道底部泥沙高度的探测,定量化分析泥沙沉降-再悬浮及其动力机制,结合近底悬沙浓度变化,探明潮流和波浪对泥沙再悬浮过程的影响,为水体定期清淤提供依据。
10.根据权利要求1所述的基于体素结构和Mike模型的航道窗口期分析方法,其特征在于:考虑到多次同一方向潮流流速下探测装置发生的位置偏移,在分析时通过依次减计的方式减少误差。
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