CN117785430A - 基于主题的fmu模型混合仿真调度方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于主题的FMU模型混合仿真调度方法及装置，该方法包括：确定模板工程中包括的所有FMU模型以及连接关系，并生成循环调度模型队列；依次针对所述循环调度模型队列中的任一所述FMU模型，从主题池中提取与所述FMU模型的输入关联的各主题的主题数据；根据获取的各所述主题数据对所述FMU模型进行模型仿真调度，获取仿真调度结果并存储至主题池。通过上述方式，本发明实施例能够提高模型调度运行效率，显著增加连续系统与离散系统混合仿真的适配性。
Description
技术领域
本发明实施例涉及计算机仿真技术领域，具体涉及一种基于主题的FMU模型混合仿真调度方法及装置。
背景技术
在复杂装备仿真领域，专业的仿真模型一般由各领域专业的人员进行开发，最后由总体单位组织进行联合调试及仿真应用。不同的总体单位在集成时使用的模型开发和集成平台各异，不同应用场景使用的模型开发也经常不同。对装备研究单位来说，同一装备模型可能需要重复实现多次以应对不同仿真平台。对总体单位来说，采购、学习和使用不同的仿真平台也浪费了大量的财力、时间及精力。采用一个通用的标准模型开发规范是解决此类问题的重要途径。功能模型接口(Functional Mockup Interface，FMI)作为一个国际通用的仿真模型开发标准，标准理念先进、应用范围广泛，采用FMI标准的功能模型单元(Functional Mockup Unit，FMU)开发方法具有非常大前景和价值。
虽然FMU在一般的工程仿真中得到了广泛成功的应用，但在应用于复杂装备仿真时还存在一系列问题，突出表现在：
（1）在多个FMU模型互联时，FMI标准只支持基本数据类型的输入输出关系描述，但装备模型间的接口一般都比较复杂，涉及大量的结构体、数组、矩阵等。基于FMI标准去处理这些复杂的数据类型导致接口描述困难、系统实现繁琐、仿真运行速度变慢等问题。同时，基于FMI基本数据类型描述的FMU模块间的接口关系无法提现模块之间接口的语义，导致了用户对模型理解上的困难。
（2）FMI标准解决了基于步长的连续系统仿真开发与集成的接口问题，但是在复杂的装备仿真中，既存在基于步长的连续系统模型解算，也存在大量的离散事件需要处理，如指挥控制命令、开火事件、毁伤事件等，目前的FMI标准没有考虑连续系统模型和离散事件模型的融合问题。
上述问题在复杂装备仿真中广泛存在，但目前广泛应用的FMI2.0 标准均未考虑这些问题。为了充分发挥FMI标准的优势、复用大量基于FMI标准的仿真模型，迫切需要解决上述问题，以便通过在复杂装备仿真中引入FMI标准来实现在统一规范的仿真平台下实现联调联试的目标。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供了一种基于主题的FMU模型混合仿真调度方法及装置，克服了上述问题或者至少部分地解决了上述问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种基于主题的FMU模型混合仿真调度方法，所述方法包括：确定模板工程中包括的所有FMU模型以及连接关系，并生成循环调度模型队列；依次针对所述循环调度模型队列中的任一所述FMU模型，从主题池中提取与所述FMU模型的输入关联的各主题的主题数据；根据获取的各所述主题数据对所述FMU模型进行模型仿真调度，获取仿真调度结果并存储至主题池。
可选的，所述确定模板工程中包括的所有FMU模型以及连接关系，并生成循环调度模型队列，包括：确定模板工程中包括的所有FMU模型以及各所述FMU模型之间的连接关系；根据各所述FMU模型以及对应的连接关系确定各所述FMU模型所在的层级；根据各所述FMU模型所在的层级从小到大依次排序存入模型对象队列，得到循环调度模型队列。
可选的，所述主题池中存储有与所述模板工程相关的所有主题的主题数据，任一所述主题包括至少一个模型对象产生的主题数据，任一模型对象产生的所述主题数据至少包括一个数据，所述数据的存储格式为所述数据产生的FMU模型ID+数据产生时间。
可选的，所述从主题池中提取与所述FMU模型输入关联的各主题的主题数据之后，包括：根据提取的所有主题数据计算主题数据总和m；将单步时间分为多个第一时间参数，以第一时间参数的模型调度接口在一个单步时间内调度所述FMU模型运行m次。
可选的，所述从主题池中提取与所述FMU模型输入关联的各主题的主题数据之后，还包括：从数据池中获取与所述FMU模型的输入依赖的直连数据，并赋值给对应的输入端口。
可选的，所述根据获取的各所述主题数据对所述FMU模型进行模型仿真调度，获取仿真调度结果并存储至主题池，包括：以所述FMU模型的模型调度接口调度所述FMU模型运行k次，其中k为所述模板工程的系统仿真步长与所述FMU模型的模型仿真步长的比值；将单步时间分为多个第二时间参数，以各所述第二时间参数的调度模型调度接口调度所述FMU模型运行m次；每次将处理主题数据的结果中的有效数据写入主题池。
可选的，所述获取仿真调度结果并存储至主题池之后，包括：清空数据池中数据，清除主题池中所有时间在当前步时间的上一步之前的数据。
基于同一发明构思，提供了一种基于主题的FMU模型混合仿真调度装置，包括：模型队列获取单元，用于确定模板工程中包括的所有FMU模型以及连接关系，并生成循环调度模型队列；数据提取单元，用于依次针对所述循环调度模型队列中的任一所述FMU模型，从主题池中提取与所述FMU模型的输入关联的各主题的主题数据；模型调度单元，用于根据获取的各所述主题数据对所述FMU模型进行模型仿真调度，获取仿真调度结果并存储至主题池。
基于同一发明构思，本发明实施例还提出了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现前述的方法。
基于同一发明构思，本发明实施例还提出了一种计算机存储介质，存储介质中存储有至少一可执行指令，所述可执行指令使处理器执行前述的方法。
本发明的有益效果是，本发明实施例通过确定模板工程中包括的所有FMU模型以及连接关系，并生成循环调度模型队列；依次针对所述循环调度模型队列中的任一所述FMU模型，从主题数据池中提取与所述FMU模型的输入关联的各主题的主题数据；根据获取的各所述主题数据对所述FMU模型进行模型仿真调度，获取仿真调度结果并存储至主题池，能够提高模型调度运行效率，显著增加连续系统与离散系统混合仿真的适配性。
上述说明仅是本发明实施例技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明实施例的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明实施例的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明实施例提供的基于主题的FMU模型混合仿真调度方法的流程示意图；
图2示出了本发明实施例的模板工程中各FMU模型的调度流程示意图；
图3示出了本发明实施例的模板工程的第一种表示形式示意图；
图4示出了本发明实施例的模板工程的第二种表示形式示意图；
图5示出了本发明实施例的模板工程的第三种表示形式示意图；
图6示出了本发明实施例的主题池示意图；
图7示出了本发明实施例的数据池示意图；
图8示出了本发明实施例提供的基于主题的FMU模型混合仿真调度装置的结构示意图；
图9示出了本发明实施例中的电子设备示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
图1示出了本发明实施例提供的基于主题的FMU模型混合仿真调度方法的流程示意图。如图1所示，该基于主题的FMU模型混合仿真调度方法应用于服务器，包括：
步骤S11：确定模板工程中包括的所有FMU模型以及连接关系，并生成循环调度模型队列。
在本发明实施例中，模板工程中各FMU模型的调度参见图2，在步骤S11之前，首先解析模板工程的场景及涉及各FMU模型的模型数据，并进行FMU模型加载；然后对模板工程中包括的所有FMU模型进行初始化。在步骤S11中，可选的，确定模板工程中包括的所有FMU模型以及各所述FMU模型之间的连接关系；根据各所述FMU模型以及对应的连接关系确定各所述FMU模型所在的层级；根据各所述FMU模型所在的层级即模型运行的顺序从小到大依次排序存入模型对象队列，得到循环调度模型队列，以便后续调度运行循环调度模型队列里的各模型。
例如，图3-图5为同一个模板工程的不同表示形式，该模板工程中包括6个FMU模型，分别为2个红方飞机、1个蓝方雷达、1个蓝方飞机以及2个蓝方导弹，其中1个蓝方导弹挂载在蓝方飞机上。基于该模板工程生成的循环调度模型队列可以为：红方飞机1、红方飞机2、蓝方雷达1、蓝方导弹1和蓝方导弹2。
步骤S12：依次针对所述循环调度模型队列中的任一所述FMU模型，从主题池中提取与所述FMU模型的输入关联的各主题的主题数据。
在本发明实施例中，主题池中存储有与所述模板工程相关的所有主题的主题数据，任一所述主题包括至少一个模型对象产生的主题数据，任一模型对象产生的所述主题数据至少包括一个数据，所述数据的存储格式为数据产生的FMU模型ID+数据产生时间。一个主题是与FMU模型的输入关联的一个输入数据分类，例如，x、y、z表示FMU模型的位置，可以统一作为与FMU模型的输入关联的位置主题。一个FMU模型的输入可以关联多个主题，也可以输出多个主题的数据。所有主题的数据以对应的主题队列存储在主题池中。如图6所示，主题池中有A、B两个主题队列，A主题队列中包括ID为10001的模型A产生的数据10001_T1和10001_T2，ID为21001的模型B产生的数据21001_T1等。B主题队列中包括ID为22001的模型C产生的数据22001_T1_1、22001_T1_2及22001_T1_3，ID为11002的模型D产生的数据11002_T1等。其中，T1、T2为数据产生的时间。而数据池中存储任一FMU模型的输入依赖的直连模型数据，数据池中的数据格式为模型ID+端口名称。如图7所示，数据池中存储有ID为10001的模型A产生的数据10001_port1、10001_port2、10001_port3及10001_port4，以及ID为21001的模型B产生的数据21001_ port1、21001_ port2、21001_ port3及21001_ port4。
由图3-图5中的模板工程可知，主题池中包括3个主题，分别为：红方位置主题redPos、蓝方探测主题blueDetect、蓝方损坏主题blueDamage。redPos主题包括两个模型对象（红方飞机1和红方飞机2）产生的主题数据，blueDetect主题包括1个模型对象（蓝方雷达1）产生的主题数据，blueDamage主题包括包括两个模型对象（蓝方导弹1和蓝方导弹2）产生的主题数据。图3中的两个blueDemage表示的是同一个主题，两个blueDemage图形是方便用户进行数据连接操作，同时不会出现闭环现象影响用户理解。模型的连接关系只与主题名称有关。红方飞机1和红方飞机2接收blueDamage主题，输出redPos主题。蓝方雷达1接收redPos主题，输出blueDetect主题。蓝方导弹1接收blueDetect主题，输出blueDamege主题。蓝方机载导弹1的输入xyz与蓝方飞机1的输出xyz直连，可以模拟蓝方机载导弹1挂载在蓝方飞机1上，同时接收blueDetect主题，输出blueDamege主题。
在步骤S12中，继续参见图2，依次对所述循环调度模型队列中的所述FMU模型进行调度。对循环调度模型队列中的任一FMU模型进行调度进行调度时，从主题池和/或数据池中输入数据。可选的，根据所述FMU模型的输入关联的主题名称从主题池中提取与所述主题名称对应的所有主题数据，其中，任一所述FMU模型的输入关联多个主题或单个主题的多个主题数据。之后，根据提取的所有主题数据计算主题数据总和m；将单步时间分为多个第一时间参数，以第一时间参数的模型调度接口在一个单步时间内调度所述FMU模型运行m次。其中第一时间参数为T*0.0001，其中T为模型仿真步长。在一个单步时间内完成所有主题数据的输入。如果FMU模型还存在直连数据，则从数据池中获取与所述FMU模型的输入依赖的直连数据，并赋值给对应的输入端口。
步骤S13：根据获取的各所述主题数据对所述FMU模型进行模型仿真调度，获取仿真调度结果并存储至主题池。
在本发明实施例中，继续参见图2，完成所有数据的输入处理后，进行单步推进，即对所述FMU模型进行模型仿真调度。可选的，以所述FMU模型的模型调度接口调度所述FMU模型运行k次，其中k=Ts/T，为所述模板工程的系统仿真步长Ts与所述FMU模型的模型仿真步长T的比值。FMU模型运行k次之后，对于主题数据，将单步时间分为多个第二时间参数，以各所述第二时间参数的调度模型调度接口调度所述FMU模型运行m次；每次将处理主题数据的结果中的有效数据写入主题池。第二时间参数为T*（-0.0001）。对于直连数据，将第k次运行的输出数据以模型ID+端口名称的格式写入数据池。
依次对循环调度模型队列中的各FMU模型进行循环调度。继续参见图2，在各FMU模型的循环调度过程中，如果调度线程暂停，则各FMU模型进行空闲等待，如果调度线程结束，即各FMU模型完成调度，则可以卸载各FMU模型。当循环调度模型队列中的FMU模型都调度完一轮后，清空数据池中数据，清除主题池中所有时间在当前步时间T0的上一步T0-Ts之前的数据。然后根据设定的结束条件，判断是否进行下一轮模型调度。
例如参见图3-图5，在进行模型调度过程中进行数据池交互时，调度红蓝方的飞机模型，红蓝方的飞机模型运行一个系统步长后把自身的输出端口数据写入数据池，数据格式为 “模型ID_端口名称：数据” 即数据名称和数据的键值对。雷达模型从所有这些键值对中找到与自身匹配的数据作为输入，每个雷达的每个输入端口都能从数据池中找到跟自身匹配的唯一的键值对数据。
进行主题池交互时，如果调度红蓝方的飞机模型，红蓝方的飞机模型运行一个系统步长后把自身数据写到对应的红方属性主题队列/蓝方属性主题队列，此时红方属性主题有N个数据，蓝方属性主题都有M个数据，N对应红方飞机模型的数量，M对应蓝方飞机模型的数量。然后红方的K个雷达，每个雷达都可以取蓝方属性主题里的M个主题数据进行计算，蓝方雷达同理。
蓝方/红方所有的飞机都可以从主题队列里取蓝方毁伤主题/红方毁伤主题（取什么主题通过模型的输入端口连接的主题确定）的所有数据然后筛选出跟自己匹配的数据用于计算毁伤，同时所有蓝方/红方飞机都可以将自己的位置数据输出到蓝方属性主题/红方属性主题（输出什么主题通过模型的输出端口连接的主题确定），即主题队列里的蓝方毁伤主题、红方毁伤主题、蓝方属性主题、红方属性主题都有0-N个数据。
本发明实施例的基于主题的FMU模型混合仿真调度方法对模型的驱动采用时间同步点和特殊时间点参数驱动模式，在处理时间驱动的数据交互时通过数据流次序确定模型的运行次序，模型依次从数据池中读取数据和写入数据，即当前数据池中只可能存在当前时间点的数据。在处理事件驱动的数据交互时通过主题将所有产生该主题和接收该主题的模型进行绑定，当模型产生该主题时，在主题队列存入标注了产生者标识和时间标签的主题数据，接收该主题的模型在当前驱动步中读取时间标签在当前时间到当前时间简单仿真步时间内主题数据，当该主题存在当前时间即上一仿真步时间且为同一产生源即同一主题产生者标识时移除上一仿真步的该主题。
综上所述，本发明实施例的基于主题的FMU模型混合仿真调度方法通过确定模板工程中包括的所有FMU模型以及连接关系，并生成循环调度模型队列；依次针对所述循环调度模型队列中的任一所述FMU模型，从主题数据池中提取与所述FMU模型的输入关联的各主题的主题数据；根据获取的各所述主题数据对所述FMU模型进行模型仿真调度，获取仿真调度结果并存储至主题池，能够提高模型调度运行效率，显著增加连续系统与离散系统混合仿真的适配性。
上述对本发明特定实施例进行了描述。在一些情况下，在本发明实施例中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
基于同一个构思，本发明实施例还提供了一种基于主题的FMU模型混合仿真调度装置。应用于服务器。附图8所示，基于主题的FMU模型混合仿真调度装置包括：模型队列获取单元、数据提取单元以及模型调度单元。其中，
模型队列获取单元，用于确定模板工程中包括的所有FMU模型以及连接关系，并生成循环调度模型队列；
数据提取单元，用于依次针对所述循环调度模型队列中的任一所述FMU模型，从主题池中提取与所述FMU模型的输入关联的各主题的主题数据；
模型调度单元，用于根据获取的各所述主题数据对所述FMU模型进行模型仿真调度，获取仿真调度结果并存储至主题池。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本发明实施例时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
上述实施例的装置应用于前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种电子设备，该电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上任意一实施例所述的方法。
本发明实施例提供了一种非易失性计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有至少一可执行指令，该计算机可执行指令可执行如上任意一实施例中所述的方法。
图9示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器901、存储器902、输入/输出接口903、通信接口904和总线905。其中处理器901、存储器902、输入/输出接口903和通信接口904通过总线905实现彼此之间在设备内部的通信连接。
处理器901可以采用通用的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本发明方法实施例所提供的技术方案。
存储器902可以采用ROM(Read Only Memory，只读存储器)、RAM(RandomAccessMemory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器902可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本发明方法实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器902中，并由处理器901来调用执行。
输入/输出接口903用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。
通信接口904用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如USB、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、WIFI、蓝牙等)实现通信。
总线905包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器901、存储器902、输入/输出接口903和通信接口904)之间传输信息。
需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器901、存储器902、输入/输出接口903、通信接口904以及总线905，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本发明实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本申请旨在涵盖落入所有实施例的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于主题的FMU模型混合仿真调度方法，其特征在于，所述方法包括：
确定模板工程中包括的所有FMU模型以及连接关系，并生成循环调度模型队列；
依次针对所述循环调度模型队列中的任一所述FMU模型，从主题池中提取与所述FMU模型的输入关联的各主题的主题数据；
根据获取的各所述主题数据对所述FMU模型进行模型仿真调度，获取仿真调度结果并存储至主题池；
所述从主题池中提取与所述FMU模型输入关联的各主题的主题数据之后，包括：根据提取的所有主题数据计算主题数据总和m；将单步时间分为多个第一时间参数，以第一时间参数的模型调度接口在一个单步时间内调度所述FMU模型运行m次；
所述根据获取的各所述主题数据对所述FMU模型进行模型仿真调度，获取仿真调度结果并存储至主题池，包括：以所述FMU模型的模型调度接口调度所述FMU模型运行k次，其中k为所述模板工程的系统仿真步长与所述FMU模型的模型仿真步长的比值；将单步时间分为多个第二时间参数，以各所述第二时间参数的调度模型调度接口调度所述FMU模型运行m次；每次将处理主题数据的结果中的有效数据写入主题池。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定模板工程中包括的所有FMU模型以及连接关系，并生成循环调度模型队列，包括：
确定模板工程中包括的所有FMU模型以及各所述FMU模型之间的连接关系；
根据各所述FMU模型以及对应的连接关系确定各所述FMU模型所在的层级；
根据各所述FMU模型所在的层级从小到大依次排序存入模型对象队列，得到循环调度模型队列。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主题池中存储有与所述模板工程相关的所有主题的主题数据，任一所述主题包括至少一个模型对象产生的主题数据，任一模型对象产生的所述主题数据至少包括一个数据，所述数据的存储格式为所述数据产生的FMU模型ID+数据产生时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从主题池中提取与所述FMU模型输入关联的各主题的主题数据之后，还包括：
从数据池中获取与所述FMU模型的输入依赖的直连数据，并赋值给对应的输入端口。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取仿真调度结果并存储至主题池之后，包括：
清空数据池中数据，清除主题池中所有时间在当前步时间的上一步之前的数据。
6.一种基于主题的FMU模型混合仿真调度装置，其特征是，所述装置包括：
模型队列获取单元，用于确定模板工程中包括的所有FMU模型以及连接关系，并生成循环调度模型队列；
数据提取单元，用于依次针对所述循环调度模型队列中的任一所述FMU模型，从主题池中提取与所述FMU模型的输入关联的各主题的主题数据；根据提取的所有主题数据计算主题数据总和m；将单步时间分为多个第一时间参数，以第一时间参数的模型调度接口在一个单步时间内调度所述FMU模型运行m次；
模型调度单元，用于根据获取的各所述主题数据对所述FMU模型进行模型仿真调度，获取仿真调度结果并存储至主题池，其中，以所述FMU模型的模型调度接口调度所述FMU模型运行k次，其中k为所述模板工程的系统仿真步长与所述FMU模型的模型仿真步长的比值；将单步时间分为多个第二时间参数，以各所述第二时间参数的调度模型调度接口调度所述FMU模型运行m次；每次将处理主题数据的结果中的有效数据写入主题池。
7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任意一项所述的方法。
8.一种计算机存储介质，其特征是，所述存储介质中存储有至少一可执行指令，所述可执行指令使处理器执行如权利要求1-5中任一项所述的方法。
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