分布式光纤传感边坡工程检测设计
光纤传感器与边坡监测
一、边坡问题的现状滑坡是指斜坡上的土体或岩体，受河流冲刷、地下水活动、地震及人工切坡等因素的影响，致使部分或全部土体（或岩体）在重力作用下，沿着地面软弱面（或软弱带）整体地或分散地顺坡向下滑动的地质现象。
我国是地质灾害多发国家之一，尤以滑坡灾害的影响最为严重。
据不完全统计，中国有70多座城市和460多个县市受到滑坡灾害的威胁及危害，平均每年至少造成15-23亿元的经济损失。
如果能够对滑坡进行监测, 实现滑坡危害的早期预报, 就可以最大限度地减少和防止滑坡所造成的损失。
因此, 监测既是滑坡调查、研究和防治工程的重要组成部分，又是崩塌滑坡灾害预测预报信息获取的一种有效手段。
二、滑坡监测的方法从滑坡的监测内容来看，滑坡监测应该是由多种监测方法相结合的。
对于不同的监测目的、不同的滑坡发育阶段及不同的滑坡类型所选择的滑坡监测方法也不同。
目前滑坡动态监测中使用的技术大致可归纳为宏观简易地质检测法、大地精密测量法、设站观测法、仪器仪表监测法和综合自动遥测法。
2.1 、宏观简易地质检测法这种方法主要是对滑坡发育过程中的各种迹象，如地裂隙、房屋、泉水动态等进行定期监测、记录，掌握滑坡的动态变化和发展趋势。
其中，最常用的是对地表裂隙、建筑物变形的监测。
在裂隙处设置简易监测标志，定期测量裂隙长度、宽度、深度的变化，以及裂隙的形态和开裂延伸方向等。
由于滑坡体在滑动过程中各部位受力性质和大小不同，滑速也不同，因而不同部位产生不同力学性质的裂隙，有滑坡后部的拉张裂隙、滑坡体中前部两侧的剪切裂隙、滑体前缘的鼓张裂隙和滑坡舌部的扇形裂隙。
除此之外，还有一些滑坡标志，如封闭洼地、滑坡鼓丘、滑坡泉、马刀树、醉汉林等。
该方法的特点是获取的信息直观可靠，简单经济，实用性较强，适应于对正在发生病害的边坡进行观测。
但也存在内容单一、精度低和劳动强度大等缺点。
2.2、大地精密测量法该方法即采用高精度光学和光电测量仪器，如精密水准仪、全站仪等仪器，通过测角和测距来完成监测任务。
实例——用光纤传感器研究边坡稳定性的监测系统
２０ 年第 ５ ０６ 期
美国地质调查局
７
区一个典型斜坡 的水平方 向和垂直方 向上 ，就
试 验 样 品数 量 、承 压 水 位 的变 化 和 地 震 效 应 等
Ｐ 是 正 的 条 件 下 ， 在 降水 临 界 值 之 上 ，如 是 负 ０ 值 ，它 在 临界 值 之 下 。 降 水 指 数 和 气 温 指 数 一 道 用 来 确 定 当 时 的 条 件 或 者 基 于 降 水 和 气 温 预 报 条 件 ， 表 明有 利
要）
欧 洲 空 间 组 织 （ ｕｏ ｅ ｎ ｐ ｃ ｅ ｃ Ｅ ｒｐ ａ Ｓ ａ ｅ Ａｇ ｎ ｙ
成分 的反射光谱 （ 摘要 ）
滑坡在发 生 以前没有任何预兆 ，因此它对
人 类 、 植 被 和 地 貌 造 成 相 当大 的危 害 。 这 样 的
（Ｓ 】用 地 球 资 源 卫 星 （ＲＳ Ｅ Ａ） Ｅ ）合 成 孔 径 雷 达
空 照 片确 定 滑 坡 。地 图信 息 ＧＩ Ｓ软 件 用 于 数 字
纤形变 测量技术 ）系统 、Ｆ Ｇ 系统和 ＭＤ 系 Ｂ Ｍ 统 。这些系统 已经 在 日本 的几个地方经过 了测
试 ，校 验 了它 们 的 应 用 。本 论 文 就 是 说 明 了这 些 系 统 的校 验 结 果 （ 要 ） 摘 。
Ｃ ｉｈ 地震诱发的滑坡 （ ｈｃｉ 摘要 ）
１９ ９ ９年 ９月 ２ １日 ｃ ｉ ｈ 地 震 诱 发 了 许 多 ｈ． ｉ ｃ 滑 坡发 生 。这 些 滑 坡 根 据研 究 中 的 Ｓ ＯＴ 成 像 Ｐ 已经 编 制 成 图 。用 ＧＩ Ｓ作 为工 具 ，作 者 建 立 了 地震 诱 发 滑坡 的 ＧＩ 台 ， 析 了它们 的特 点 ， Ｓ平 分 包 括 类 型 、分 布 、面 积 和 数 量 等 。滑 坡 的 分布
基于光纤传感的边坡工程监测技术
基于光纤传感的边坡工程监测技术摘要：边坡工程是土木工程中一个重要的领域其稳定性和安全性直接关系到周围环境和人民生命财产的安全。
然而，由于边坡地质、气候变化和人为因素等原因，边坡工程存在着一定的安全风险。
因此，边坡工程的实时监测和预警对于减少风险、保障工程安全具有重要意义。
关键词：光纤传感；边坡工程；监测技术引言随着城市建设的不断发展，边坡工程在土地开发和基础设施建设中起着重要的作用。
边坡工程在现代建设中广泛应用，但由于水土流失、地震等因素的影响，边坡的稳定性成为了一个关键问题。
本文主要研究了基于光纤传感的边坡工程监测技术，希望通过光纤传感技术的应用，提高边坡工程的监测效果和预警能力。
1、光纤传感边坡工程监测技术的概述光纤传感边坡工程监测技术是利用光纤传感器实时监测边坡工程的变形、位移、应力、温度等多种参数的技术。
传统的边坡工程监测方法往往需要大量的传感器和设备，而光纤传感边坡工程监测技术通过将光纤布设在边坡内部或表面，利用光纤传感器对环境参数的变化进行测量，从而实现边坡的实时监测和预警。
光纤传感器是一种基于光纤的传感器设备，可以通过测量光的强度、相位或延时来获取环境的各种参数。
它具有高灵敏度、高精度和抗干扰等特点，不仅能够提供准确的监测数据，还能够适应复杂的边坡监测环境。
光纤传感边坡工程监测技术主要包括光纤光栅传感器（FBG）和光纤拉曼散射传感器（OTDR）两种常见的应用方法。
光纤光栅传感器通过将光纤中的一段光栅进行周期性折射，形成波长的反射光，从而实现对温度、应变等参数的测量。
在边坡工程中，光纤光栅传感器可以用于测量边坡的变形、位移和应力等参数。
光纤光栅传感器的操作原理是通过光纤中的光栅结构，使得光在特定波长上被反射，当光纤受到应变和温度变化时，光的反射特性会发生变化，从而通过测量反射光的波长变化来获得应变和温度的信息。
光纤拉曼散射传感器是一种通过测量光纤中的拉曼散射信号来获取环境参数的传感器。
分布式光纤传感边坡工程检测设计
分布式光纤传感边坡工程检测设计作者：陈同琦严焕仪王开发刘钊良来源：《科技视界》2016年第12期【摘要】光纤传感的边坡工程检测系统是光纤振动传感器的一种新型应用设计，可对边坡工程进行实时监测，同时掌握边坡的变形动态，对滑坡进行预警。
高精度的传感器对边坡振动信号进行识别、经验模态分解，提取不同环境状态下的快速傅里叶变换频谱系数，再结合小波包分解技术，建立信号特征向量，对信号进行模式识别，从而达到快速准确地分析处理数据。
该方案有效的区分风、雨其他外界因素干扰，较准确的反映边坡的检测情况满足工程安全监测和滑坡早期预警要求。
【关键词】光纤传感；振动信号；小波包；模式识别0 引言随着我国近年来对铁路公路等基础设施的大力投资，边坡工程的稳定状况给人民的生命安全带来很大威胁，因此，对边坡工程进行监测是一项必不可少的工作。
而传统的集TDR、渗压计、测斜仪等采集器于一体的监测系统，由于受到自身因素的影响，普遍存在抗干扰性、耐久性和长期稳定性较差的缺点，难以适应现代岩土工程监测的要求。
分布式光纤震动传感器与传统监测系统相比，具有探测距离长、响应速度快、灵敏度高、自身不辐射、不受电磁干扰等性能，能够对边坡振动信号进行识别，有效的提高边坡检测的准确率，因此分布式光纤振动传感器在边坡安全、边界预警等领域具有广阔的应用前景。
设计采用经验模态分解技术对边坡格构梁、挡土墙等工程进行变形监测的分布式光纤监测系统，介绍分布式传感光纤的布设、参量提取以及模式识别。
在某段土边坡上进行分布式光纤监测实验，对此技术应用于边坡监测的可行性进行验证。
1 分布式光纤传感器介绍分布式传感系统是利用一根或多根特种光纤作为延伸的传感元件，即任意区间的光纤既是传感单元，又是其它传感单元的信息传输通道，可连续获取被测对象沿该光纤在空间和时间上变化的特征参量及分布信息。
它的主要优势在于对大型或超大型工程的整体应变、温度等进行监测，如油气管线泄漏、大坝和堤防渗漏及边坡等分布式监测等。
基于光纤传感的边坡变形监测研究
基于光纤传感的边坡变形监测研究边坡是山地地质环境中常见的地形特征，其稳定性对于保护生命财产以及维护生态环境至关重要。
然而，边坡的持续变形可能导致严重的地质灾害，因此边坡变形的监测和预警技术显得尤为重要。
基于光纤传感的边坡变形监测研究是一项当前受到广泛关注的课题，本文将对其进行深入探讨。
首先，我们需要了解何为光纤传感技术。
光纤传感技术是利用光的传输和调制特性来实现对物理量的测量。
其原理是通过反射或散射来获得物体的形变信息，从而实现对边坡变形的监测。
光纤传感技术具有高精度、实时性和远程监测能力的优势，因此被广泛应用于边坡变形监测。
基于光纤传感的边坡变形监测研究主要包括光纤布设和数据处理两个部分。
在光纤布设方面，通常将光纤埋设在边坡中，形成一个光纤传感网络。
光纤可以在边坡的不同位置收集到形变信息，并将其传输到监测中心。
这种布设方式可以全方位地监测边坡的变形情况，为后续的分析和预警提供可靠的数据基础。
在数据处理方面，通过对光纤传感网络中的光信号进行采集和处理，可以获得边坡的变形信息。
光纤传感技术可以实时监测边坡的位移、应变、温度等参数，并将数据传输给监测中心进行分析。
通过对数据的处理和分析，可以及时发现边坡的变形趋势，为灾害预警和防护工作提供科学依据。
在实际的边坡变形监测中，基于光纤传感的技术还有一些特殊的应用。
例如，通过利用拉曼散射效应，可以实现对边坡的纵波速度和剪切波速度进行监测。
这种监测手段可以提供更加精确的地质信息，有助于评估边坡的变形状况和稳定性。
此外，还可以利用光纤传感技术实现对边坡的地下水位、裂缝变化等情况的监测，为边坡变形的分析和预警提供更加全面的数据依据。
然而，基于光纤传感的边坡变形监测仍然存在一些挑战和问题。
首先，光纤传感网络的部署和维护成本较高，需要专业的技术人员进行操作。
其次，光纤传感技术对光纤本身的要求较高，需要确保光纤的质量和稳定性，以保证数据采集的准确性。
此外，光纤传感技术可能受到环境因素的影响，如温度变化、土壤湿度等，需要进行相应的校正和修正。
分布式光纤传感技术在高速公路边坡安全监测中的应用
ＳＮＳ（ｓａｆｅｔｙｎｅｔｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ）柔 性 防 护 网 是 利 用 高 强 钢 丝 绳 网 （高 强 度 钢 丝 格 栅 ）、支 撑 绳 、锚 杆 和其他安装附件 作 为 主 要 构 成 部 分，以 覆 盖 或 包 裹路 基 边 坡 坡 面，限 制 坡 面 岩 石 体、土 体 等 崩 塌、 滚落（坠 落 ）的 一 种 柔 性 安 全 防 护 系 统。ＳＮＳ 柔 性防护网以其柔 性 特 性，将 局 部 集 中 荷 载 向 四 周 均 匀 传 递 ，充 分 发 挥 整 个 系 统 的 防 护 能 力 ，从 而 使 系 统 能 承 受 较 大 的 荷 载 ，降 低 单 根 锚 杆 锚 固 力 ，与 常规边坡 坡 面 防 护 体 系 相 比 更 胜 一 筹。ＳＮＳ 主
随着我国高 速 公 路 网 的 日 渐 完 善，高 速 公 路 频繁穿越山区地 带，这 些 路 段 通 常 具 有 路 基 高 填 深挖的特点，公 路 沿 线 由 山 体 崩 塌 滑 坡 所 引 发 的 灾害会大范围影响出行安全。为确保路基路面的 安 全 及 稳 定 ，需 加 大 对 路 基 边 坡 监 测 的 研 究 力 度 ， 建立实时有效的高速公路边坡安全预警系统。
姚明远 张浩霖
（武 汉 理 工 光 科 股 份 有 限 公 司 武 汉 ４３００００）
摘 要 现 有 的 高 速 公 路 边 坡 监 测 技 术，主 要 面 临 的 难 点 是 电 类 技 术 抗 干 扰、取 电、信 号 传 输、维 护。文中利用分布式光纤传感技术，以 ＳＮＳ柔性防护网为光缆载体，实现了现场无需供电、集传 感 与传输于一体的长距离监测。通 过 对 应 力 和 振 动 监 测 数 据 的 采 集 分 析，提 供 准 确 的 告 警 信 息，定 位精度可达±２０ｍ。该技术有效克服了现有边坡监测技术的不足，并且 将 主 动 预 警 和 被 动 报 警 相 结 合 ，可 及 时 发 现 高 速 公 路 边 坡 危 岩 落 石 灾 害 事 件 。 关 键 词 高 速 公 路 边 坡 监 测 分 布 式 光 纤 传 感 ＳＮＳ 柔 性 防 护 网 中 图 分 类 号 Ｕ４１５；４１６．１＋４
分布式光纤传感技术在高速公路边坡安全监测中的应用
分布式光纤传感技术在高速公路边坡安全监测中的应用摘要：边坡变形监测是边坡稳定性评价的重要手段，已经在滑坡预测预报中得到大量应用。
但是，边坡变形监测地普及远远跟不上国家经济建设发展，尤其是随着我国近些年来对铁路、公路投资的大幅度提升，开挖大量的工程边坡，给交通和人民的生命安全带来很大威胁。
因此，为适应边坡工程监测的需求，选择近年来发展起来的光纤传感监测技术，依托大量的工程实践，开展分布式光纤传感技术在边坡监测中的应用研究。
结合分布式光纤传感技术和边坡变形监测的特点，开展了监测方案制定问题的研究。
关键词：分布式光纤传感技术；高速公路边坡；安全监测；应用引言：随着我国高速公路里程不断增长，人们对高速公路的要求也越来越高，不仅仅要求道路的通畅，也要求高速公路的绿化和美化。
高速公路边坡的生态防护作为高速公路绿化的一个重要组成部分，对于防止水土流失、减轻污染、稳固路基、保障行车安全等有着重要意义。
1、高速公路的边坡特点1.1呈现条带状分布，地域性明显一条高速公路一般数十公里，乃至几百公里，公路沿线自然环境差异极大。
气温差别大，气候可分为中亚热带、北亚热带、南温带和中温带等。
沿线有农田、丘陵和林地等多种自然景观。
因此，在边坡植被变化较多，在进行边坡植物种植时，必须充分考虑地域特点，做到适地适树。
1.2原有生态系统受到破坏高速公路的边坡，特别是挖方边坡，开挖后使地表植被遭到破坏，原有表土与植被之间的平衡关系失调，表土抗蚀能力减弱，在雨滴和风蚀作用下水土极易流失。
而且边坡的坡度大，土壤渗透性差等原因，边坡土壤对降水截留较小，这一方面容易造成水土流失和光、水的再分配，另一方面由于水土流失导致坡面土壤贫瘠，立地条件差，不利于植物生长，原有的生态系统受到破坏。
而高速公路修建后，对地表进行破坏，生态系统受到破坏后，短时间内很难进行恢复。
1.3交通污染影响植被的正常生长汽车污染主要分为噪声污染和大气污染，而高速公路恰恰是汽车污染最为集中的地方。
分布式光纤传感边坡工程检测设计
两束 光经 过另一 只耦合器 汇合后接到两个光探测器上 当外界的物理 ５ 结 论
振 动干扰信号作用 于信 号臂上 面时 ．两臂之 间的光相位就会 出现差
本文对传感光纤在边坡加 固工程上的布设 、信号的小波包分解和
异 ．两束光在汇合端就会 发生干涉 ．这 一干涉信号 通过耦合器分 成两 模式识别进行 了介绍 ．实现 了 ＭＡＴＬＡＢ与 ｃ＃混 合编程对不 同振动信
优 点 。本 文采用 了基 于马赫曾德尔型干涉仪结构 的方案。３ｄＢ光耦合 组 ．说 明基于小波包分解 的振动识别技术能很好地运用于光纤边坡检
器 ｌ（即等强度分光器 ）将激 光器发出的光分成光强度 相等的两束光 ． 测 系统
这 两束光输入 到两个长度基本相 等的单模光纤 去．在光纤 的另一端 ．
器于一体的监测系统 ，由于受到 自身因素的影响 ，普 遍存在抗干扰性 、 松地实现矩阵运算 、图形显示等计算复杂度 高的操作 ，因而可以将应用
耐久性和长期稳定性较差的缺点 ．难 以适应现代岩土工程监测 的要求 程序的计算功能交给 ＭＡＴＬＡＢ引擎来完成 ，用 ｃ＃实现界面部分。
分布式光纤 震动传感器 与传 统监测 系统相 比．具有 探测距离 长 、响应
及分布信 息。它的主要 优势在于对大型或超 大型工 程的整体应变 、温 ＭＡＴＬＡＢ仿真得到的基 于小 波包分解特征 参量提取 的边 坡模拟振动
度等进行监测 ．如油 气管线泄漏 、大坝和堤 防渗漏及边坡 等分 布式监 信号和下雨振动信号 的能量柱形 图．从 图中可 以两类信号可 以凭借小
测等。
模式识别 的基本思想是将提 取阶段得 到的特征 向量定 义在一个
速 度快 、灵敏度高 、自身 不辐射 、不受 电磁 干扰等性 能 ，能够对边 坡振 特征空间 中，不同的特征向量都对应于空间中的一点 。在分类 阶段利
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分布式光纤传感边坡工程检测设计
【摘要】光纤传感的边坡工程检测系统是光纤振动
传感器的一种新型应用设计，可对边坡工程进行实时监测，同时掌握边坡的变形动态，对滑坡进行预警。
高精度的传感器对边坡振动信号进行识别、经验模态分解，提取不同环境状态下的快速傅里叶变换频谱系数，再结合小波包分解技术，建立信号特征向量，对信号进行模式识别，从而达到快速准确地分析处理数据。
该方案有效的区分风、雨其他外界因素干扰，较准确的反映边坡的检测情况满足工程安全监测和滑坡早期预警要求。
【关键词】光纤传感；振动信号；小波包；模式识别
0 引言
随着我国近年来对铁路公路等基础设施的大力投资，边坡工程的稳定状况给人民的生命安全带来很大威胁，因此，对边坡工程进行监测是一项必不可少的工作。
而传统的集TDR、渗压计、测斜仪等采集器于一体的监测系统，由于受
到自身因素的影响，普遍存在抗干扰性、耐久性和长期稳定性较差的缺点，难以适应现代岩土工程监测的要求。
分布式光纤震动传感器与传统监测系统相比，具有探测距离长、响应速度快、灵敏度高、自身不辐射、不受电磁干扰等性能，
能够对边坡振动信号进行识别，有效的提高边坡检测的准确率，因此分布式光纤振动传感器在边坡安全、边界预警等领域具有广阔的应用前景。
设计采用经验模态分解技术对边坡格构梁、挡土墙等工程进行变形监测的分布式光纤监测系统，介绍分布式传感光纤的布设、参量提取以及模式识别。
在某段土边坡上进行分布式光纤监测实验，对此技术应用于边坡监测的可行性进行验证。
1 分布式光纤传感器介绍
分布式传感系统是利用一根或多根特种光纤作为延伸的传感元件，即任意区间的光纤既是传感单元，又是其它传感单元的信息传输通道，可连续获取被测对象沿该光纤在空间和时间上变化的特征参量及分布信息。
它的主要优势在于对大型或超大型工程的整体应变、温度等进行监测，如油气管线泄漏、大坝和堤防渗漏及边坡等分布式监测等。
在光纤传感器的方案选择与设计上，马赫曾德尔（Mach-Zehnder）型干涉结构的技术比较成熟，具有独特的抑制光源噪声和模式噪声的优点，本文采用了基于马赫曾德尔型干涉仪结构的方案。
3dB光耦合器1（即等强度分光器）将激光器发出的光分成光强度相等的两束光，这两束光输入到两个长度基本相等的单模光纤去，在光纤的另一端，两束光经过另一只耦合器汇合后接到两个光探测器上。
当外界的
物理振动干扰信号作用于信号臂上面时，两臂之间的光相位就会出现差异，两束光在汇合端就会发生干涉，这一干涉信号通过耦合器分成两路送到光探测器上，探测器就可以将干涉引起的光强度变化检测出来，当检测到光强变化后，就可以通过上式求出因受外力而产生的相位差。
2 信号的小波分解与重构
传统的振动信号分析和处理方法一般都是采用傅立叶
分析，是一种窗口函数固定不变的分析方法，无法反映信号的非平稳、持时短、时域和频域局部化等特性。
而小波分析是一种窗口面积固定但其时间和频率窗可改变的时频局部
化分析方法，由于它在分解的过程中只对低频信号再分解，对高频信号不再实施分解，使得它在高频频段的频率分辨率较差。
在这种情况下，小波包分解应运而生，根据分析信号的特征，自适应的选择相应频带，使之与信号频谱相匹配，从而提高了时频分辨率。
将采集的振动信号进行小波包分解，再利用小波包分解自动选择提取最佳小波包能量构造特征
向量。
3 模式识别的应用
Visual studio 2012其界面美观且功能强大，但在数值计
算与矩阵运算等方面远不如MATLAB，直接用Visual studio实现模式识别算法非常困难，因此需要在C#程序中调用MATLAB作为一个计算引擎服务器，在运行时，引擎作为一
个进程单独运行，C#程序也作为一个进程单独运行，二者可以通过进程间的通信机制进行交互。
MATLAB提供了一系列操作MATLAB引擎的API函数，借助这些API函数可以轻松地实现矩阵运算、图形显示等计算复杂度高的操作，因而可以将应用程序的计算功能交给MATLAB引擎来完成，用C#实现界面部分。
模式识别的基本思想是将提取阶段得到的特征向量定
义在一个特征空间中，不同的特征向量都对应于空间中的一点。
在分类阶段利用统计决策的原理对特征空间进行划分，实现区分不同特征对象的目的。
结构模式识别方法用符号来描述对象特征，其模仿语言学中句法的层次结构，利用模式与子模式分层结构的树状信息来完成模式识别工作，主要突出了识别对象的结构信息。
在模式识别的组成框架中，利用小波包分解技术提取振动信号完成一组稳定的、具有代表性的特征值。
4 实验结果
实验需要将光纤振动传感器获得的振动参数经过放大
和A/D转换，通过串口传送到PC端C#、MATLAB联合编程的上位机进行处理，基于小波包分析的的特征向量通过MATLAB仿真来提取。
通过MATLAB仿真得到的基于小波包分解特征参量提取的边坡模拟振动信号和下雨振动信号的
能量柱形图，从图中可以两类信号可以凭借小波包分解获得
的特征向量得到很好的区分。
提取特征参量后，通过MATLAB 的模式识别算法，有效的识别边坡振动信号。
为了验证以上分析，分别测试了20组边坡模拟振动信号和下雨振动信号，误报为1组，说明基于小波包分解的振动识别技术能很好地运用于光纤边坡检测系统。
5 结论
本文对传感光纤在边坡加固工程上的布设、信号的小波包分解和模式识别进行了介绍，实现了MATLAB与C#混合编程对不同振动信号的模式识别，构建了分布式光纤传感边坡监测系统。
结果证明分布式光纤监测技术用于边坡工程的应变、变形等监测是可行的，也是十分有效的。
采用分布式监测系统，可以对边坡进行全天候实时监测，省时、省力和安全，是当前和今后边坡监测发展的一个重要方向。
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[责任编辑：杨玉洁]。