梁樹甜,郝春學(xué),王孟蓮
1 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所,湖北武漢430064
2 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司(青島)機(jī)電裝備有限公司,山東青島266555
隨著電力半導(dǎo)體技術(shù)、交流調(diào)速理論以及微機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展,船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在機(jī)動(dòng)性、可靠性、運(yùn)行效率、推進(jìn)功率等方面都取得了突破性的進(jìn)展。其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,除應(yīng)用于破冰船、挖泥船等工程船以外,還廣泛應(yīng)用于游輪、油輪、集裝箱船、散貨船等大中型客、貨船舶,顯示出廣闊的市場(chǎng)前景[1]。電力推進(jìn)以其諸多的優(yōu)越性已成為船舶推進(jìn)方式的發(fā)展方向。由于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成設(shè)備多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且運(yùn)行中各設(shè)備相互關(guān)聯(lián),其安全狀態(tài)是一個(gè)整體,所以要保證船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)工作的持續(xù)性和可靠性,需要從宏觀上對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行安全進(jìn)行整體的狀態(tài)評(píng)估(Condition Assessment,CA),及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除故障,減少維修工作量,實(shí)現(xiàn)電力推進(jìn)設(shè)備的狀態(tài)維修和自動(dòng)化控制[2]。
基于知識(shí)的智能評(píng)估方法是將人工智能理論和方法應(yīng)用于狀態(tài)評(píng)估,其不需要建立評(píng)估對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,只需引入狀態(tài)信息,就能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估,因而比較適合實(shí)際工程應(yīng)用,具有很好的應(yīng)用前景,是狀態(tài)評(píng)估技術(shù)的研究熱點(diǎn)。例如:倪麗等[3]應(yīng)用模糊綜合評(píng)判理論進(jìn)行電力變壓器的狀態(tài)評(píng)估,獲得了評(píng)估結(jié)果,但由于模糊綜合評(píng)判理論沒有學(xué)習(xí)能力,且模糊關(guān)系矩陣建立困難,導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性不高;向木生等[4]應(yīng)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)橋梁的技術(shù)狀態(tài)等級(jí)進(jìn)行了狀態(tài)評(píng)估,但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需經(jīng)過幾千次迭代才能完成,速度較慢,因而影響了狀態(tài)評(píng)估的實(shí)時(shí)性。鑒此,本文擬采用模糊理論(Fuzzy Theory,F(xiàn)T)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network,ANN)相結(jié)合的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Fuzzy Neural Network,F(xiàn)NN)方法進(jìn)行船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估。
基于知識(shí)的智能評(píng)估方法主要包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊理論,各有特點(diǎn)[5]。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能將模糊理論與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合起來,組成比單獨(dú)的模糊系統(tǒng)或單獨(dú)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能更好的系統(tǒng)。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適合表達(dá)模糊或定性的知識(shí),推理方式類似于人的思維模式,能夠處理不確定性、非線性和其他不確定問題,并具有并行計(jì)算、分布式信息存儲(chǔ)、容錯(cuò)能力強(qiáng)以及具備自適應(yīng)學(xué)習(xí)功能等優(yōu)點(diǎn)。目前,模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已在復(fù)雜系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,具有較好的精度和效率。
模糊綜合評(píng)判法(Fuzzy Comprehensive Evalu?ation,F(xiàn)CE)[6]是目前常用的基于模糊理論的狀態(tài)評(píng)估方法。對(duì)一個(gè)對(duì)象進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估,設(shè)有m 個(gè)評(píng)判級(jí)別,n 個(gè)評(píng)判指標(biāo),以此建立2個(gè)論域V,U :
式中:V 為評(píng)判集;U 為評(píng)判指標(biāo)集(也稱為因素集);v1,v2,…,vm為m 個(gè)評(píng)判級(jí)別;u1,u2,…,un為n 個(gè)評(píng)判指標(biāo)(也稱為因素)。
模糊綜合評(píng)判的關(guān)鍵在于找出因素集U 與評(píng)判集V 之間的模糊關(guān)系矩陣R。根據(jù)被評(píng)判事物的某一因素ui(i=1~n)求出其相對(duì)于各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度rij(j=1~m),記Ri=[ri1,ri2,…,rim]。當(dāng)完成每個(gè)因素的單因素評(píng)價(jià)后,便可得到n 個(gè)因素的單因素評(píng)價(jià)矩陣
得到模糊關(guān)系矩陣R 后,對(duì)于因素集U 的模糊子集A={a1,a2,…,an},通過運(yùn)算A·R,就可以得到評(píng)判集V 的一個(gè)模糊子集B,從而得出評(píng)判結(jié)果。這里,模糊子集A 表示的是因素集U 各因素在評(píng)判集中所起作用的大小,即權(quán)重,所以也稱因素權(quán)重集。若運(yùn)算結(jié)果B={b1,b2,…,bm},當(dāng)bj= max{bi}時(shí),bj相對(duì)應(yīng)的等級(jí)即為模糊綜合評(píng)判應(yīng)判定的結(jié)果,即狀態(tài)評(píng)估的結(jié)果。
結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法之后,上述模糊綜合評(píng)判的狀態(tài)評(píng)估過程可以表示為如圖1 所示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過程。圖中,設(shè)從對(duì)象得到的歸一化后的狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)為{g1,g2,…,gn}。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為3層:輸入層n 個(gè)神經(jīng)元接收n 個(gè)輸入信號(hào)g1,g2,…,gn;隱含層也有n 個(gè)神經(jīng)元,是根據(jù)輸入信號(hào)計(jì)算的因素集U 的一個(gè)模糊子集{a1,a2,…,an};輸出層有m 個(gè)神經(jīng)元,輸出評(píng)價(jià)集V 的一個(gè)模糊子集{b1,b2,…,bm}。網(wǎng)絡(luò)中,輸入層只接收和傳輸輸入信號(hào),無計(jì)算功能,隱含層和輸出層則根據(jù)適當(dāng)?shù)乃阕訉?duì)變量進(jìn)行處理,屬于計(jì)算單元。通過觀察可以發(fā)現(xiàn),隱含層與輸出層之間連線的權(quán)值與模糊關(guān)系矩陣R 的各元素一一對(duì)應(yīng),故可用模糊關(guān)系矩陣R 的各元素初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值,以此克服神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值設(shè)置任意性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢、有可能陷入局部極小困境等缺點(diǎn)。
圖1 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of FNN
圖1 所示為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用方式之一。模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有多種結(jié)合方式[7],其中包括:以模糊算子代替神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元的傳遞函數(shù)、采用模糊變量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)、采用模糊參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值。上面介紹的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于采用模糊參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的結(jié)合方式。
船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)按功能可劃分為供電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)3 個(gè)分系統(tǒng)。其中:供電系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)組和配電板;推進(jìn)系統(tǒng)包括推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電動(dòng)機(jī)、軸系及螺旋槳;監(jiān)控系統(tǒng)包括機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)、推進(jìn)操控系統(tǒng)和功率管理系統(tǒng)。本文主要研究推進(jìn)系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估。
狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)要提高評(píng)估準(zhǔn)確率、發(fā)揮其應(yīng)有的作用,基本前提是必須得到大量信息。應(yīng)選取哪些參數(shù)作為狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo),對(duì)于具體的設(shè)備要進(jìn)行具體分析。為此,采用專家統(tǒng)計(jì)法建立了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系,如圖2 所示。
圖2 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系Fig.2 The condition assessment index system of marine electric propulsion system
根據(jù)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系,結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,構(gòu)造船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估流程,如圖3 所示[8]。
圖中,電力推進(jìn)系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估分為推進(jìn)變壓器狀態(tài)評(píng)估、推進(jìn)變頻器狀態(tài)評(píng)估、推進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)評(píng)估、其他設(shè)備狀態(tài)評(píng)估和外環(huán)境狀態(tài)評(píng)估5 個(gè)部分,分別進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估,然后根據(jù)各部分對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的權(quán)重對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)估,得出評(píng)分結(jié)果。評(píng)估結(jié)果采取百分制,為0~100 分。0 分表示狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)接近或超過規(guī)定的注意值;100分則表示所有狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)均遠(yuǎn)離注意值或與優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的出廠值相近,即電力推進(jìn)完全處于正常狀態(tài),無需維護(hù);其他情形的狀態(tài)評(píng)分介于0 分與100 分之間。根據(jù)評(píng)估分?jǐn)?shù),把電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)分為優(yōu)、良、中、差、劣5 個(gè)類別[9],各運(yùn)行狀態(tài)的分?jǐn)?shù)及維修策略見表1。
圖3 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估流程Fig.3 The condition assessment flow chart of marine electric propulsion system
表1 電力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分類Tab.1 The running state classification of electric propulsion system
船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估流程將電力推進(jìn)系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估分為5 個(gè)部分,所以為每個(gè)部分建立一個(gè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)評(píng)估子網(wǎng)絡(luò),將各子網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估結(jié)果乘以權(quán)值并求和,即可得到系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估結(jié)果。由此設(shè)計(jì)的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖4 所示。
圖中,N1~N5 為5 個(gè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),稱為整個(gè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)的子網(wǎng)絡(luò),表示電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估的5 個(gè)部分:推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電動(dòng)機(jī)、其他設(shè)備和外環(huán)境。其中每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)由于評(píng)估設(shè)備的不同,輸入節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)也不同。網(wǎng)絡(luò)模型的第2 層根據(jù)第1 層判定的設(shè)備所處的狀態(tài)求出設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估分grade1~grade5,第3 層根據(jù)grade1~grade5 和各設(shè)備的權(quán)重求出電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估的最終評(píng)分grade。
圖4 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 The condition assessment FNN model of marine electric propulsion system
針對(duì)某個(gè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)絡(luò),狀態(tài)評(píng)估的步驟如圖5 所示。
圖5 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)評(píng)估的步驟Fig.5 The condition assessment steps of FNN
1)確定評(píng)判集V 、因素集U 。
評(píng)判集和因素集的內(nèi)容要根據(jù)具體的評(píng)估對(duì)象而定,一般格式為V={f1,f2,…,fp,l1,l2,…,lq},U={g1,g2,…,gn} 。其中:評(píng)判集中的f1,f2,…,fp表示對(duì)象的p 種故障,l1,l2,…,lq表示對(duì)象的q種正常模式;因素集中的g1,g2,…,gn表示輸入的n 個(gè)狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)。
2)確定隸屬函數(shù)。
只有確定了隸屬函數(shù),才能建立模糊關(guān)系矩陣R。隸屬函數(shù)有專家打分法、模糊統(tǒng)計(jì)法、指派法等多種確定方法。
3)建立模糊關(guān)系矩陣R 并初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
4)樣本歸一化。
樣本的歸一化是指將訓(xùn)練樣本中所有的數(shù)據(jù)參數(shù)采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法予以標(biāo)準(zhǔn)化,標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)值在[0,1] 之間,歸一化樣本能提高精確度,減少計(jì)算誤差,簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)運(yùn)算,加快訓(xùn)練模型的收斂速度。歸一化公式如下:
式中:x(i)為樣本中待歸一的值;max x(i),min x(i)分別為該樣本中的極大和極小值。
5)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
用歸一化后的訓(xùn)練樣本對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。MATLAB 仿真軟件提供有Neural Network Toolbox(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱),工具箱中包括各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算函數(shù)[10-11],其中train()函數(shù)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練函數(shù),此函數(shù)可設(shè)置訓(xùn)練誤差和訓(xùn)練次數(shù),調(diào)用方便。
6)狀態(tài)評(píng)估。
將評(píng)估數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估,最后得到評(píng)估結(jié)果。
本研究以某實(shí)船應(yīng)用的電力推進(jìn)系統(tǒng)為例進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估仿真試驗(yàn)。由圖3 可知,船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估分為5 個(gè)部分,首先進(jìn)行推進(jìn)變壓器的狀態(tài)評(píng)估。該電力推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)變壓器的參數(shù)為:額定功率1 450 kVA,初級(jí)電壓660 V,次級(jí)電壓690 V,絕緣等級(jí)F 級(jí),額定電流1 220 A。
選取因素集U={g1,g2,g3,g4}= {繞組溫度,溫度變化值,輸出電流,輸出電壓},評(píng)判集V={f1,f2,f3,f4,l1,l2}={繞組過熱,溫度上升過快,過流,過壓,正常1,正常2}。其中,“正常1”表示系統(tǒng)以額定功率的一半運(yùn)行,“正常2”表示系統(tǒng)滿功率運(yùn)行。
采用指派法的半梯分布函數(shù)并結(jié)合專家建議確定隸屬函數(shù),繞組溫度屬于“繞組過熱”的隸屬函數(shù)為
繞組溫度屬于“溫度上升過快”、“過流”、“過壓”無隸屬關(guān)系,即r12=r13=r14=0。
繞組溫度屬于“正常1”、“正常2”的隸屬函數(shù)分別為:
同理,可以得到其他隸屬函數(shù)。取U={110,0,800,690},得到模糊關(guān)系矩陣
用R 初始化模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),并用如表2 所示的訓(xùn)練樣本歸一化后進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練,得到如圖6(a)所示的訓(xùn)練曲線。
圖6(b)所示為沒有經(jīng)過初始化的普通人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練曲線,可見模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與普通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比其訓(xùn)練速度提高了約6 倍,且收斂性較好。
為測(cè)試模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性,將表3 所示的測(cè)試樣本輸入到訓(xùn)練完成的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),得到模糊關(guān)系矩陣
表2 訓(xùn)練樣本Tab.2 Training samples
圖6 訓(xùn)練曲線Fig.6 Training curves
表3 測(cè)試樣本Tab.3 Test samples
可見,模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性較高。
把某一時(shí)刻的輸入值U={101.5,0.01,837.1,690.6}輸入到推進(jìn)變壓器狀態(tài)評(píng)估的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),計(jì)算結(jié)果為V={0.000 1,0.049 2,0,0,0.999 5,0.000 1},可判斷此時(shí)推進(jìn)變壓器為“正常1”狀態(tài),進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,得到狀態(tài)評(píng)估分為grade1=98.5。
電力推進(jìn)系統(tǒng)其他設(shè)備狀態(tài)評(píng)估的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與推進(jìn)變壓器原理相同,此處不再贅述。求出其他設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估分后,根據(jù)各設(shè)備對(duì)總評(píng)分的權(quán)重,可得到系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估的總評(píng)分為
上式中,各權(quán)重經(jīng)專家統(tǒng)計(jì)法取為[12]
本文對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估方法進(jìn)行了研究,將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)評(píng)估技術(shù)引入到船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估中,提出了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估流程、基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估模型和具體的評(píng)估步驟。通過仿真試驗(yàn),表明與普通人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比,模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較快的收斂速度和較好的收斂性,其在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估中具有較高的準(zhǔn)確性和實(shí)用價(jià)值。
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