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    大型流程工業(yè)集團(tuán)級(jí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)的應(yīng)用探討

    2014-12-29 00:00:00王冰
    科技與企業(yè) 2014年1期

    【摘要】隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái),生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理和使用能力變的越來(lái)越重要,逐漸成為企業(yè)生產(chǎn)管理水平提高的關(guān)鍵。因此,構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定、功能健全的企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)已經(jīng)成為各企業(yè)穩(wěn)定運(yùn)行,提高績(jī)效的基礎(chǔ)工作之一。本文根據(jù)作者十幾年的數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)施經(jīng)驗(yàn),結(jié)合目前國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)平臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀,對(duì)流程企業(yè)集團(tuán)級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)的構(gòu)建方式和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)做一下探討。

    此文討論行業(yè)主要包括大型流程化生產(chǎn)企業(yè),包括電力、石化、鋼鐵、有色金屬冶煉等。

    【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)平臺(tái);實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù);云技術(shù);流程行業(yè);大數(shù)據(jù)

    什么是生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)

    顧名思義,生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)是將生產(chǎn)企業(yè)各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一起的軟件平臺(tái)。

    生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)主要涵蓋兩類的數(shù)據(jù),一類是流程數(shù)據(jù),即常說(shuō)的模擬量和開關(guān)量,如現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù);另一類是關(guān)系數(shù)據(jù),例如設(shè)備參數(shù)、生產(chǎn)工藝配方、生產(chǎn)成本等;早期觀點(diǎn)認(rèn)為生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)只包括第一類的數(shù)據(jù),但是隨著各行業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)用的逐步深入,發(fā)現(xiàn)第二類數(shù)據(jù) 和第一類數(shù)據(jù)在某些應(yīng)用中是不可分割的,因此現(xiàn)在主流認(rèn)知是將這兩類數(shù)據(jù)都包括到生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)的概念中來(lái)。

    注:流程數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式和使用方法都有比較大的差異,本文側(cè)重介紹流程數(shù)據(jù)使用的討論。

    流程行業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

    自二十世紀(jì)九十年代開始,實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的概念開始進(jìn)入到我國(guó)的工業(yè)領(lǐng)域,首先應(yīng)用到了石化和電力行業(yè)。起初是為單套控制系統(tǒng)配套的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ),或?yàn)橐恍┨囟ǖ南到y(tǒng)提供歷史數(shù)據(jù)支持;

    進(jìn)入二十一世紀(jì)后,這些行業(yè)都從單裝置數(shù)據(jù)的使用逐步形成了廠級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)的概念;隨著這些行業(yè)信息化的進(jìn)一步發(fā)展,集團(tuán)化和集約化發(fā)展方向更加明顯,對(duì)于數(shù)據(jù)平臺(tái)的要求又達(dá)到了新的高度,即全集團(tuán)將各下屬企業(yè)的大量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到地區(qū)甚至全國(guó)的數(shù)據(jù)中心,進(jìn)行統(tǒng)一的應(yīng)用和分析。

    流程企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)的基本功能

    為了討論當(dāng)今大型集團(tuán)化企業(yè)需要什么樣的生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái),讓我們先來(lái)看一下流程行業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)的基本特點(diǎn)和功能:

    流程行業(yè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

    1)數(shù)據(jù)變化快:流程行業(yè)數(shù)據(jù)大多是自動(dòng)化系統(tǒng)自動(dòng)采集的溫度、壓力、電壓、電流、流量、轉(zhuǎn)速等高速變化的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)變化的頻率達(dá)到秒級(jí)甚至毫秒級(jí);

    2)數(shù)據(jù)量大:流程行業(yè)的生產(chǎn)裝置大都會(huì)關(guān)聯(lián)大量的數(shù)據(jù),例如一座百萬(wàn)級(jí)燃煤發(fā)電機(jī)組大概會(huì)有3萬(wàn)個(gè)以上的測(cè)點(diǎn),而一套90萬(wàn)噸乙烯裝置也至少要有5萬(wàn)個(gè)以上的測(cè)點(diǎn);

    3)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,基本只有時(shí)間和測(cè)點(diǎn)名稱兩個(gè)維度:這兩個(gè)維度屬性加一個(gè)實(shí)際的數(shù)據(jù)值基本就構(gòu)成了一條完整的數(shù)據(jù)記錄,使用點(diǎn)名和時(shí)間就可以完成數(shù)據(jù)檢索,而不像關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的記錄具有大量的維度和關(guān)聯(lián)信息;

    基于以上特點(diǎn),流程行業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)具有以下基本功能:

    數(shù)據(jù)采集功能

    1)具有標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集:

    自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集使用例如Modbus、OPC等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,由于OPC協(xié)議在自動(dòng)化行業(yè)的普及和成熟,主流自動(dòng)化廠家基本都支持OPC協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,方便而高效;

    2)對(duì)各類使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集:

    工廠除自動(dòng)化系統(tǒng)外,還有一些生產(chǎn)管理系統(tǒng)需要同生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,例如EAM(資產(chǎn)管理系統(tǒng)),MES(制造業(yè)執(zhí)行系統(tǒng)),一些大廠家的這些系統(tǒng)已經(jīng)和主流的工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)有標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,也就是說(shuō)只需要在這些系統(tǒng)中對(duì)測(cè)點(diǎn)和工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)做一些配置,系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)完成兩個(gè)系統(tǒng)間的將數(shù)據(jù)交互;其它的使用OLEDB或者ODBC通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互即可;

    3)其它數(shù)據(jù)采集

    對(duì)于各類非標(biāo)數(shù)據(jù),現(xiàn)在市場(chǎng)上成熟的工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品大都提供方便的數(shù)據(jù)采集方式,如在某Excel表格中手工錄入,或者導(dǎo)入到指定格式的文本文件,由工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)采集,或者使用工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)廠家提供的API和SDK寫入到數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)。

    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)好比于一輛汽車的動(dòng)力總成,是整個(gè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)的核心,主要是靠工業(yè)實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)完成,因?yàn)榻榻B工業(yè)實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的資料比較多,本文不做太多贅述。

    數(shù)據(jù)使用

    數(shù)據(jù)平臺(tái)中的數(shù)據(jù)使用方式有如下幾種:

    1)數(shù)據(jù)平臺(tái)軟件自己的查詢分析軟件

    大部分?jǐn)?shù)據(jù)平臺(tái)軟件都有自己比較完整的客戶端軟件,如組態(tài)展示軟件,報(bào)表制作軟件,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)展示客戶端等;此類軟件的特點(diǎn)是支持?jǐn)?shù)據(jù)量大,數(shù)據(jù)刷新快;

    2)使用數(shù)據(jù)平臺(tái)軟件廠家提供的專有通訊協(xié)議進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)

    客戶使用實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)廠家提供的API和SDK自己開發(fā)一些應(yīng)用程序讀寫數(shù)據(jù),滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)查詢分析的需要,甚至自己編寫數(shù)據(jù)采集接口;這類協(xié)議通訊的特點(diǎn)是,速度快,通訊量大。

    3)使用標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互

    數(shù)據(jù)平臺(tái)廠家一般都提供標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)化協(xié)議,如OPC協(xié)議等,方便其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)使用要求,另外對(duì)于以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng),如SAP,EAM,MES系統(tǒng)等,用戶可以通過(guò)OLEDB和ODBC接口編寫SQL語(yǔ)句或者存儲(chǔ)過(guò)程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互;

    企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)的典型結(jié)構(gòu)

    企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)的典型結(jié)構(gòu)如下:

    分布在廠區(qū)各生產(chǎn)單元或多套生產(chǎn)單元使用一個(gè)接口工作站從控制系統(tǒng)(或其它數(shù)據(jù)源系統(tǒng))采集數(shù)據(jù),這些接口工作站將數(shù)據(jù)通過(guò)局域網(wǎng)發(fā)送給廠級(jí)實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù),然后上層的各類數(shù)據(jù)分析和使用系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)查詢分析客戶端都從廠級(jí)中心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)。

    注:本圖為功能示意圖,所有圖元的數(shù)量都不與實(shí)際對(duì)應(yīng),例如控制系統(tǒng)的種類、接口工作站的個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器的個(gè)數(shù)等;所有圖元的功能也不考慮冗余配置的需求,只側(cè)重于功能應(yīng)用的討論。

    集團(tuán)級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方式

    集團(tuán)級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)幾種主要構(gòu)架方式:

    單層結(jié)構(gòu)的集團(tuán)級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)

    對(duì)于下屬企業(yè)比較集中且個(gè)數(shù)不多的集團(tuán),可采用此類結(jié)構(gòu),

    下屬企業(yè)分別使用自己獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù):集團(tuán)用戶和下屬企業(yè)用戶都使用處于數(shù)據(jù)相同層級(jí)的客戶端軟件和訪問(wèn)方式訪問(wèn)下屬企業(yè)的數(shù)據(jù)庫(kù);

    優(yōu)點(diǎn):這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是架構(gòu)穩(wěn)定,各下屬企業(yè)都有自己獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù),這些下屬企業(yè)的客戶端使用企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)訪問(wèn)自己所屬企業(yè)服務(wù)器時(shí)通訊穩(wěn)定、速度快;

    缺點(diǎn):缺點(diǎn)是總部客戶端需要訪問(wèn)多個(gè)不同的下屬企業(yè)的服務(wù)器,數(shù)據(jù)容易混淆,且綜合分析不方便,如果連接到下屬企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定,會(huì)影響總部客戶端的使用。

    集團(tuán)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù):集團(tuán)用戶和下屬企業(yè)用戶都使用處于數(shù)據(jù)相同層級(jí)的客戶端軟件和訪問(wèn)方式訪問(wèn)總部唯一的數(shù)據(jù)庫(kù),結(jié)構(gòu)如下圖:

    優(yōu)點(diǎn):這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)恰恰是第一種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn),總部客戶端只需訪問(wèn)總部的服務(wù)器,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和速度都可以得到保證,且數(shù)據(jù)源單一,便于整個(gè)集團(tuán)的數(shù)據(jù)一致性,投資較小。

    缺點(diǎn):數(shù)據(jù)接口服務(wù)器需要放置在各下屬企業(yè),如下屬企業(yè)與總部的連接不穩(wěn)定或者帶寬不夠,容易造成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差,穩(wěn)定性差,且數(shù)據(jù)不能進(jìn)行甄別,必須由接口服務(wù)器全部送到總部服務(wù)器,對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求高;下屬企業(yè)的客戶端訪問(wèn)總部服務(wù)器也會(huì)有類似問(wèn)題,實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性會(huì)受網(wǎng)絡(luò)的影響較大。

    多層結(jié)構(gòu)的集團(tuán)級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)

    適用于下屬企業(yè)較多,數(shù)據(jù)相對(duì)集中的集團(tuán),多層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方式是把所屬企業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)(包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ))作為下屬單元,把這些數(shù)據(jù)平臺(tái)當(dāng)作數(shù)據(jù)源,總部再設(shè)置一層(可多層,如地區(qū)級(jí)總部,全國(guó)級(jí)總部)獨(dú)立的實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù),結(jié)構(gòu)如下圖:

    優(yōu)點(diǎn):集團(tuán)總部和各下屬企業(yè)的服務(wù)器數(shù)據(jù)及應(yīng)用都相對(duì)獨(dú)立,互相干擾性小,且下層數(shù)據(jù)服務(wù)器可以作為上層數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)備份,數(shù)據(jù)健壯性好;

    缺點(diǎn):投資相對(duì)較大,如果集團(tuán)規(guī)模較大,上層服務(wù)器的點(diǎn)數(shù)規(guī)模也較大,對(duì)硬件軟件要求都比較高。

    基于云結(jié)構(gòu)的集團(tuán)級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)

    對(duì)于數(shù)據(jù)點(diǎn)分散且多,底層總數(shù)據(jù)量大的企業(yè),以中石油為例,既有分布在全國(guó)甚至全球的油井,煉油廠,又有各地多個(gè)終端銷售機(jī)構(gòu),如此分散的空間布置,如果采用多層結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)平臺(tái)模式,單點(diǎn)的軟件部署數(shù)量過(guò)多,成本太高,且對(duì)于總部服務(wù)器要求高(單服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)量太大,只能選擇上傳部分?jǐn)?shù)據(jù));因此考慮基于網(wǎng)絡(luò)云技術(shù),實(shí)現(xiàn)云結(jié)構(gòu)的集團(tuán)級(jí)數(shù)據(jù)中心;

    在這種結(jié)構(gòu)中,各下屬企業(yè)根據(jù)規(guī)模大小和地域分布靈活的采用獨(dú)立服務(wù)器和分布式服務(wù)器的方式;例如相對(duì)分散的油井則只在現(xiàn)場(chǎng)布置前置機(jī)采集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析功能使用云技術(shù)放到一臺(tái)或多臺(tái)在這個(gè)區(qū)域中的數(shù)據(jù)服務(wù)器中,然后將這些分布在廣域位置的分散服務(wù)器使用云技術(shù)與總部服務(wù)器連接;云技術(shù)將相同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多臺(tái)PC或者服務(wù)器上面,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云備份;如果用戶提出檢索或者計(jì)算需求,云技術(shù)也會(huì)把這種檢索和計(jì)算功能分散給多臺(tái)PC或者服務(wù)器來(lái)執(zhí)行;根據(jù)云技術(shù)的特點(diǎn),總部不需設(shè)置巨大的集中服務(wù)器,集團(tuán)內(nèi)所有的PC和服務(wù)器都可以虛擬成一臺(tái)大的數(shù)據(jù)服務(wù)器,所有數(shù)據(jù)的檢索和分析都在這臺(tái)虛擬的服務(wù)器上完成,結(jié)構(gòu)如下圖:

    優(yōu)點(diǎn):使用云技術(shù),可以將傳統(tǒng)服務(wù)器的功能分擔(dān)到多臺(tái)甚至上百臺(tái)PC機(jī)或者服務(wù)器上實(shí)現(xiàn),備份功能和數(shù)據(jù)分析計(jì)算功能增強(qiáng),系統(tǒng)健壯性和穩(wěn)定性也大大增強(qiáng);對(duì)于集團(tuán)的用戶,既可以使用傳統(tǒng)的查詢方式訪問(wèn)采用單一服務(wù)器企業(yè)的數(shù)據(jù)服務(wù)器,保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和查詢速度,也可以使用云檢索技術(shù)查詢整個(gè)集團(tuán)的全部數(shù)據(jù),大大提高數(shù)據(jù)檢索能力和巨量數(shù)據(jù)的計(jì)算能力;因?yàn)榛谠萍夹g(shù),實(shí)際的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)已經(jīng)與物理結(jié)構(gòu)關(guān)系不大,系統(tǒng)擴(kuò)充和升級(jí)非常簡(jiǎn)單易行,硬件的維護(hù)升級(jí)影響和費(fèi)用都大大降低。

    缺點(diǎn):項(xiàng)目施工復(fù)雜性增強(qiáng),對(duì)維護(hù)人員的要求較高;前期投入資金相對(duì)較大。

    流程行業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)未來(lái)展望

    系統(tǒng)集成能力的提高

    隨著工業(yè)自動(dòng)化和信息化技術(shù)的發(fā)展,怎樣以工廠應(yīng)用模型為基礎(chǔ),和數(shù)據(jù)平臺(tái)有機(jī)結(jié)合,使用戶可以方便的根據(jù)工廠應(yīng)用模型訪問(wèn)與之相關(guān)的數(shù)據(jù)信息,而不需要關(guān)心這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置和查詢方法,是生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)平臺(tái)需要提高的一個(gè)重要課題。

    同其它工業(yè)系統(tǒng)無(wú)縫的集成能力進(jìn)一步加強(qiáng):生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)作為整個(gè)企業(yè)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的平臺(tái),越來(lái)越多的生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)需要同它進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,要求數(shù)據(jù)平臺(tái)擁有更方便易行的、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交互方式。

    分布式服務(wù)器和云技術(shù)的應(yīng)用

    目前,絕大多數(shù)工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品主要還是單機(jī)或者多機(jī)冗余結(jié)構(gòu)的構(gòu)架,不能實(shí)現(xiàn)多臺(tái)服務(wù)器之間真正的資源共享,使用新技術(shù)或云技術(shù)將多機(jī)的服務(wù)程序統(tǒng)一到一個(gè)虛擬的服務(wù)器,在這種真正的分布式服務(wù)器結(jié)構(gòu)下,多臺(tái)服務(wù)器或者普通PC就可以承擔(dān)更大規(guī)模的系統(tǒng)應(yīng)用,點(diǎn)數(shù)規(guī)模也可以由現(xiàn)在的幾十萬(wàn)點(diǎn)擴(kuò)展到幾百萬(wàn)點(diǎn)甚至幾千萬(wàn)點(diǎn);將極大的提高大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、計(jì)算和查詢能力,迎接已經(jīng)到來(lái)的工業(yè)大數(shù)據(jù)時(shí)代;

    網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)終端的應(yīng)用

    目前生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)的軟件產(chǎn)品已經(jīng)可以使用B/S和C/S結(jié)構(gòu),但是因?yàn)閿?shù)據(jù)的使用效率,對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高和通訊數(shù)據(jù)量比較大的應(yīng)用,還是以C/S方式為主;但是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,云計(jì)算革命的興起,由C/S結(jié)構(gòu)為主的應(yīng)用方式將會(huì)逐步轉(zhuǎn)向以B/S的應(yīng)用方式為主,除大部分個(gè)別應(yīng)用需求,絕大部分的客戶端功能都應(yīng)該在WEB客戶端上加以實(shí)現(xiàn);

    另外,隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)概念的興起,移動(dòng)終端設(shè)備越來(lái)越多的介入到生產(chǎn)管理中,生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)移動(dòng)終端設(shè)備的支持以及和安裝在移動(dòng)終端上的其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互必將成為未來(lái)發(fā)展的方向和重點(diǎn),

    跨平臺(tái)性應(yīng)用

    在流程工業(yè)領(lǐng)域,還有許多系統(tǒng)采用Unix或Linux等操作系統(tǒng),怎樣提高這些系統(tǒng)同數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互能力,也是未來(lái)數(shù)據(jù)平臺(tái)需要考慮的重要一環(huán)。

    參考文獻(xiàn)

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