俞素平,徐行軍(福建船政交通職業(yè)學(xué)院道路工程系,福建福州350007)
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公路高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估研究
俞素平,徐行軍
(福建船政交通職業(yè)學(xué)院道路工程系,福建福州350007)
摘要:為彌補(bǔ)現(xiàn)有高邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的不足,提高評(píng)估精度,借鑒可拓學(xué)原理,從風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度兩個(gè)維度對(duì)高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估。在量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,建立高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可拓物元模型,通過(guò)關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算各層評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)估等級(jí)的關(guān)聯(lián)度,根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度,以確定風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度等級(jí)及安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。最后,將評(píng)估方法用于實(shí)例中,分析結(jié)果可為采取相應(yīng)的控制措施提供決策支持。
關(guān)鍵詞:公路高邊坡;安全風(fēng)險(xiǎn);動(dòng)態(tài)評(píng)估;可拓學(xué)理論;關(guān)聯(lián)度;風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)
隨著山區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)的發(fā)展,不可避免產(chǎn)生較多的高邊坡。高邊坡處理屬于公路工程領(lǐng)域危險(xiǎn)性較大工程,是公路施工安全管理的重點(diǎn)①。為全面提升公路工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)防控能力,減少重特大生產(chǎn)安全事故的發(fā)生,降低人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失,保障公路高邊坡工程建設(shè)的安全,開(kāi)展公路高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作具有重要的意義。
土質(zhì)挖方邊坡高度超過(guò)20 m,巖質(zhì)挖方邊坡高度超過(guò)30 m即為高邊坡,屬于危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程[1]。公路高邊坡工程施工主要包括邊坡開(kāi)挖、腳手架、邊坡防護(hù)加固等作業(yè)活動(dòng),不同的施工作業(yè)活動(dòng),由于作業(yè)特點(diǎn)、環(huán)境條件、施工組織等致險(xiǎn)因子有所不同,導(dǎo)致其施工風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)不同,風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別、分析與評(píng)價(jià)應(yīng)貫穿于整個(gè)高邊坡的施工過(guò)程中,進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估。目前,不少學(xué)者對(duì)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了相關(guān)研究并取得了一定的成果[2-5],但從風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度兩個(gè)維度對(duì)高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)估研究較少。
基于此,筆者以公路高邊坡施工中的邊坡開(kāi)挖作業(yè)為例,以本質(zhì)安全為出發(fā)點(diǎn),建立高邊坡開(kāi)挖作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,基于可拓學(xué)理論建立安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)物元模型,通過(guò)關(guān)聯(lián)度的計(jì)算確定風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度等級(jí),最終確定安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。
風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法和技術(shù)很多,風(fēng)險(xiǎn)矩陣法以其簡(jiǎn)潔、直觀等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[6-7],本文也采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法來(lái)確定高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。
1.1評(píng)估等級(jí)的量化
將風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的可能性等級(jí)分為不太可能、偶然、可能、很可能4級(jí),風(fēng)險(xiǎn)事故的嚴(yán)重程度等級(jí)分為一般、較大、重大、特大4級(jí),所對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù),如表1。
表1 評(píng)估等級(jí)量化標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Quantitative assessment standard of road high slope accident risks
1.2建立風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣
根據(jù)事故發(fā)生可能性等級(jí)和嚴(yán)重程度等級(jí),建立風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣如表2。
表2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣Tab.2 Road high slope security risk rating matrix
2.1可拓學(xué)基本理論
可拓學(xué)是由中國(guó)學(xué)者蔡文提出的一門(mén)原創(chuàng)性橫斷學(xué)科,它探討事物拓展的可能性及開(kāi)拓創(chuàng)新的規(guī)律與方法,以形式化模型處理矛盾問(wèn)題,提供定性和定量相結(jié)合的可操作工具[8]。
可拓學(xué)的基本理論是可拓論,包括基元理論、可拓集理論、可拓邏輯3大支柱。在可拓學(xué)中,為了形式化描述物、事和關(guān)系,建立了物元、事元和關(guān)系的概念,它們是可拓學(xué)的邏輯細(xì)胞,統(tǒng)稱(chēng)為基元。可拓集描述的是事物的可變性,它既可描述事物“是”與“非”的相互轉(zhuǎn)化,又可描述事物具有某種性質(zhì)的程度,即既可描述事物質(zhì)變的過(guò)程,又可描述事物量變的過(guò)程??赏丶奶岢觯瑸榘讶藗兘鉀Q問(wèn)題的過(guò)程定量化、形式化和理論化提供了理論依據(jù)。
1)物元理論
根據(jù)可拓物元理論,把待評(píng)價(jià)事物N及特征C和特征的量值V構(gòu)成的有序三元組R = (N,C,V)稱(chēng)為待評(píng)價(jià)事物N的基本元,也稱(chēng)為一維物元,N、C、V稱(chēng)為物元R的3要素。
如果事物N以其n個(gè)特征C1,C2,…,Cn和各個(gè)特征對(duì)應(yīng)的量值V1,V2,…,Vn描述,則所構(gòu)成的陣列:
稱(chēng)為n維物元。
2)可拓集理論
(1)可拓距
設(shè)x為實(shí)軸上的任一點(diǎn),X =〈a,b〉為實(shí)域上的任一區(qū)間,
為點(diǎn)x與區(qū)間的距離,稱(chēng)為可拓距。其中〈a,b〉既可為開(kāi)區(qū)間,也可為閉區(qū)間,也可為半開(kāi)半閉區(qū)間。
可拓距概念的引入,可以把點(diǎn)與區(qū)間的位置關(guān)系用定量的形式精確刻劃,使人們從“類(lèi)內(nèi)即為同”發(fā)展至類(lèi)內(nèi)也有程度區(qū)別的定量描述。
(2)位值
在現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中,除了需要考慮點(diǎn)與區(qū)間的位置關(guān)系外,還經(jīng)常要考慮一個(gè)點(diǎn)與兩個(gè)區(qū)間的位置關(guān)系。
設(shè)X0=〈a0,b0〉,X =〈a,b〉,且X0?X,則點(diǎn)x關(guān)于區(qū)間X0和X組成區(qū)間套的位置規(guī)定為:
D(x,X0,X) =ρ(x,X)-ρ(x,X0)
式中,D(x,X0,X)就描述了點(diǎn)x與X0和X組成的區(qū)間套的位置關(guān)系。
(3)初等關(guān)聯(lián)函數(shù)的構(gòu)造
根據(jù)可拓集理論,關(guān)聯(lián)函數(shù)用來(lái)刻劃論域中的元素具有某種性質(zhì)的程度,能定量地、客觀地表述元素具有某種性質(zhì)的程度及其量變與質(zhì)變的過(guò)程。
在實(shí)際問(wèn)題中,論域U中一個(gè)對(duì)象關(guān)于某特征的量值符合程度往往有滿意的區(qū)間X0=〈a0,b0〉和可接受的區(qū)間X =〈a,b〉,顯然X?X0。對(duì)象關(guān)于某特征的量值在可接受區(qū)間〈a,b〉內(nèi),表示對(duì)象具有某種性質(zhì),其程度用(0,+∞)間的實(shí)數(shù)表示,這些對(duì)象構(gòu)成可拓集的“正域”,即X = 〈a,b〉。此時(shí),稱(chēng)滿意區(qū)間X0=〈a0,b0〉為標(biāo)準(zhǔn)正域。
若選取的區(qū)間套由正域X和標(biāo)準(zhǔn)正域X0構(gòu)成,即X0=〈a0,b0〉,X =〈a,b〉,X?X0,且X和X0無(wú)公共端點(diǎn)。設(shè)x∈X,即點(diǎn)x屬于正域時(shí),初等關(guān)聯(lián)函數(shù)為:
初等關(guān)聯(lián)函數(shù)基本公式的建立,把“具有性質(zhì)P”的事物從定性描述拓展至“具有性質(zhì)P的程度”的定量描述,使問(wèn)題關(guān)聯(lián)度的計(jì)算不必依靠主觀判斷或統(tǒng)計(jì),而是根據(jù)對(duì)事物關(guān)于某特征的量值要求的范圍來(lái)確定,擺脫了主觀判斷造成的偏差。
2.2可拓模型的構(gòu)建
結(jié)合物元理論和可拓集理論,在量化各風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生可能性和嚴(yán)重程度基礎(chǔ)上,用物元來(lái)表示各個(gè)因素,并給出各因素權(quán)重,通過(guò)構(gòu)造關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算各層因素與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度來(lái)確定風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度等級(jí),最終確定安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。
1)確定標(biāo)準(zhǔn)正域、正域與待評(píng)物元模型
將事故發(fā)生可能性等級(jí)和嚴(yán)重程度等級(jí)分為4個(gè)等級(jí),根據(jù)表1評(píng)估等級(jí)的量化標(biāo)準(zhǔn),得到各級(jí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正域?yàn)? 1級(jí),X0=〈a0,b0〉= 〈0,40〉;2級(jí),X0=〈a0,b0〉=〈40,60〉;3級(jí),X0= 〈a0,b0〉=〈60,80〉;4級(jí),X0=〈a0,b0〉=〈80,100〉;正域?yàn)閄 =〈a,b〉=〈0,100〉。
標(biāo)準(zhǔn)正域X0的物元模型為:
式中,Nj表示所劃分的等級(jí)j; Ci表示各等級(jí)Nj的特征; Vij=〈aij,bij〉為各等級(jí)關(guān)于對(duì)應(yīng)特征Ci的標(biāo)準(zhǔn)正域值(i = 1,2,…,n; j = 1,2,…,m)。則
正域X的物元模型為:
式中,NP表示所劃分等級(jí)的全體; Vip=〈aip,bip〉表示對(duì)應(yīng)特征Ci的正域值。
對(duì)待評(píng)邊坡N,把所收集到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或分析結(jié)果用物元Rx表示,則稱(chēng)Rx為待評(píng)物元,即式中: N為某一具體邊坡; xi為N關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)Ci的量值,即待評(píng)邊坡N的具體指標(biāo)等級(jí)分值,在表1評(píng)估等級(jí)的量化標(biāo)準(zhǔn)中取定。
2)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度
根據(jù)式(1)得到待求邊坡各評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式為:
3)計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度及確定評(píng)定等級(jí)
設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)Ci的權(quán)重為wi,則待評(píng)邊坡等級(jí)j的綜合關(guān)聯(lián)度為:
采用最大隸屬度原則,若kj= maxkj(N),則評(píng)定對(duì)象N所屬等級(jí)為j級(jí)。
3.1實(shí)例評(píng)估指標(biāo)體系建立
福建漳州華安(玉蘭)至新圩段高速公路A4合同段Z4K23 +920~ZK24 +070段為深挖路塹,邊坡最大高度35.8 m,采取漿砌片石護(hù)面墻、TBS掛網(wǎng)植草、錨索框架植草綜合防護(hù)措施。本線路區(qū)第4系地層巖性主要為殘、坡積層(Qel )、(Qdl),主要有坡殘積粘性土、砂質(zhì)粘性土等;第4系全新統(tǒng)長(zhǎng)樂(lè)組沖、洪積層(Q4al)、(Q4pl),主要為一般粘性土、砂類(lèi)土、卵礫石類(lèi)土?;鶐r主要為:中生界的三疊系的沉積巖及火山巖,燕山期侵入巖和火山巖。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估的要求,需依次在邊坡開(kāi)挖、腳手架、邊坡防護(hù)加固作業(yè)活動(dòng)開(kāi)展施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估?,F(xiàn)以邊坡開(kāi)挖作業(yè)為例,說(shuō)明風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程。
高邊坡工程施工安全事故主要為坍塌、高處墜落、火藥爆炸、物體打擊、車(chē)輛傷害和機(jī)械傷害,導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因?yàn)槲锏牟话踩珷顟B(tài)、人的不安全行為及施工管理缺陷。在總結(jié)已有成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合公路邊坡特點(diǎn)及破壞機(jī)制,以本質(zhì)安全為出發(fā)點(diǎn),從安全管理、施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、施工作業(yè)工藝技術(shù)3方面對(duì)施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行歸類(lèi)、識(shí)別,建立了包含3個(gè)一級(jí)指標(biāo)和13個(gè)二級(jí)指標(biāo)的高邊坡開(kāi)挖作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,如表3所示。
表3 高邊坡開(kāi)挖作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系Tab.3 The assessment index system of road high slope excavation safety risks
3.2風(fēng)險(xiǎn)分析
3.2.1確定評(píng)估因素集
在表3的基礎(chǔ)上,建立高邊坡開(kāi)挖作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估因素集:
3.2.2確定權(quán)重
請(qǐng)專(zhuān)家分別應(yīng)用層次分析法確定各級(jí)指標(biāo)權(quán)重,在綜合考慮專(zhuān)家自身權(quán)重后,得到各級(jí)指標(biāo)的最終權(quán)重[9],如表4所示。
表4 指標(biāo)權(quán)重及評(píng)估分值Tab.4 Road high scope index weight and score
3.2.3風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)
同時(shí),請(qǐng)專(zhuān)家對(duì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性和事故嚴(yán)重程度估計(jì),根據(jù)表1的量化標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況打分,結(jié)果見(jiàn)表4。
3.2.4風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性綜合分析
以施工作業(yè)工藝技術(shù)U3為例說(shuō)明分析過(guò)程。
1)計(jì)算關(guān)聯(lián)度
根據(jù)式(2)、(3)和(4)得出:
其他各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度如表5所示。
表5 二級(jí)指標(biāo)層各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度表Tab.5 Correlation degree of individual index in secondary index layer
2)綜合關(guān)聯(lián)度計(jì)算
由表4和表5可知:
指標(biāo)U3的綜合關(guān)聯(lián)度為:
同理,可得到指標(biāo)U1、U2的綜合關(guān)聯(lián)度,即:
根據(jù)表4可知U1、U2和U3的權(quán)重,并得到風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度:
3)評(píng)價(jià)結(jié)果
根據(jù)最大隸屬度原則,該邊坡風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性等級(jí)為3級(jí)。其中安全管理因素、施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素、施工作業(yè)工藝技術(shù)因素可能性等級(jí)分別為2級(jí)、3級(jí)和1級(jí)。
3.2.5風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生事故嚴(yán)重程度綜合分析
用同樣的方法可得到風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生事故嚴(yán)重程度等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度為:
根據(jù)最大隸屬度原則,該邊坡風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生事故嚴(yán)重程度等級(jí)為3級(jí)。其中安全管理因素、施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素、施工作業(yè)工藝技術(shù)因素事故嚴(yán)重程度等級(jí)分別為2級(jí)、3級(jí)和3級(jí)。
3.3風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定
根據(jù)表2的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣,可確定該邊坡總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí),屬于高度風(fēng)險(xiǎn),為不期望出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)當(dāng)采取風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施降低總體風(fēng)險(xiǎn)。其中安全管理因素風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí),屬于中度風(fēng)險(xiǎn);施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí),屬于高度風(fēng)險(xiǎn);施工作業(yè)工藝技術(shù)因素風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí),屬于中度風(fēng)險(xiǎn)。
3.4建議
結(jié)合分析結(jié)果,在邊坡開(kāi)挖作業(yè)過(guò)程中,重點(diǎn)采取以下風(fēng)險(xiǎn)控制措施:
1)根據(jù)設(shè)計(jì)文件、工程地質(zhì)條件,結(jié)合設(shè)計(jì)資料提供的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)成果,判斷邊坡巖土體的變形破壞模式、施工過(guò)程中發(fā)生失穩(wěn)的可能性以及影響因素,做到施工前心中有數(shù)。
2)加強(qiáng)邊坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),掌握變形趨勢(shì),遵循“邊探邊挖,不探不挖”的原則,采取動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工方法,隨時(shí)掌握邊坡變形發(fā)展情況,為確定治理方案提供依據(jù)。
3)邊坡施工應(yīng)嚴(yán)格按照自上而下分級(jí)進(jìn)行的原則,開(kāi)挖一級(jí),防護(hù)一級(jí),嚴(yán)禁立體交叉作業(yè)。
1)結(jié)合可拓學(xué)的物元理論和可拓集理論,在量化風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生可能性和嚴(yán)重程度評(píng)估等級(jí)的基礎(chǔ)上,建立高邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可拓物元模型,通過(guò)關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算各層評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)估等級(jí)的關(guān)聯(lián)度。然后,根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度,以確定風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度等級(jí),并用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法最終確定安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。該方法將風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生可能性和嚴(yán)重程度從定性描述拓展到定量描述,擺脫了主觀判斷造成的偏差,提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估精度,更好地反映風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)際狀況。
2)實(shí)例分析時(shí),以本質(zhì)安全為出發(fā)點(diǎn),以邊坡開(kāi)挖作業(yè)為切入點(diǎn),從安全管理、施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、施工作業(yè)工藝技術(shù)3個(gè)方面對(duì)施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行歸類(lèi)、識(shí)別,建立了評(píng)估體系。然后,應(yīng)用該方法從風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度兩個(gè)維度對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估,得到該邊坡開(kāi)挖作業(yè)階段各影響因素風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性和事故嚴(yán)重程度等級(jí)及總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。評(píng)估結(jié)果可為采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施提供決策支持。
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(責(zé)任編輯:陳雯)
Dynamic assessment of construction safety risks for road high-slope
Yu Suping,Xu Xingjun
(Road Engineering Department,F(xiàn)ujian Chuanzheng Communication College,F(xiàn)uzhou 350007,China)
Abstract:To improve the evaluation precision of road high-slope,the principle of extenics was employed to evaluate the security risk of high slope construction from the two dimensions of accidents risk likelyhood and severity degree of the accident.Based on the quantitative evaluation grade of risk assessment,an extension matter-element model of high slope construction security risks was established.The correlation degree of each layer of evaluation index and evaluation grade was calculated in accordance with the weight of individual index to determine the accidents risk likelyhood,the severity degree and the security risk grade.The results indicate that the evaluation model can contribute to the decision-making for taking appropriate control measures.
Keywords:road high slope; security risk; dynamic assessment; theory on extenics; correlation degree; risk grade
doi:10.3969/j.issn.1672-4348.2015.01.003
作者簡(jiǎn)介:第一俞素平(1968-),男(漢),福建寧化人,副教授、高級(jí)工程師,碩士,主要研究方向:工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理、公路工程管理。
基金項(xiàng)目:福建省交通運(yùn)輸科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(201334)
收稿日期:2014-10-03
中圖分類(lèi)號(hào):U415.1
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1672-4348(2015) 01-0015-07