“船舶建模與控制”課程教學(xué)的實(shí)踐探討

任俊生，張顯庫，張秀風(fēng)，孫霄峰

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連　116026)

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“船舶建模與控制”課程教學(xué)的實(shí)踐探討

任俊生，張顯庫，張秀風(fēng)，孫霄峰

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連116026)

摘要：結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，從“船舶建模與控制”課程的教材編寫、課件制作和課堂講授三個(gè)方面，探討課程教學(xué)應(yīng)以“凸顯航海專業(yè)特色、緊密結(jié)合航海實(shí)踐需要”為主線貫穿教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)，做好普適的系統(tǒng)建模與控制知識(shí)的航?；岣呓虒W(xué)效率與效果。

關(guān)鍵詞：航海專業(yè)；船舶運(yùn)動(dòng)控制；教材編寫；課件制作；課堂教學(xué)；教學(xué)過程

一、引言

隨著船舶的日益大型化、專業(yè)化、快速化和現(xiàn)代化，操船單憑經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)已經(jīng)難以應(yīng)付。2010年， STCW公約馬尼拉修正案首次將“控制工程”納入其適任標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的7項(xiàng)職能范圍，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代航海對(duì)控制的重視。這就要求現(xiàn)代船員必須掌握一些船舶建模與控制的理論知識(shí)。大連海事大學(xué)“船舶建模與控制”課程就是在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生，并于2007年第一次為航海技術(shù)專業(yè)2005級(jí)本科生開設(shè)，共18學(xué)時(shí)，在國(guó)內(nèi)航海類院校中亦屬首開先河。課程教材先采用自編講義，后對(duì)講義內(nèi)容進(jìn)行改寫與擴(kuò)充，并于2014年正式出版作為正式教材使用；[1]授課形式也由最初的傳統(tǒng)講授到2014年起采用多媒體形式授課。

船舶運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)容豐富，新思路、新方法層出不窮，如何將最新的船舶運(yùn)動(dòng)控制知識(shí)與航海技術(shù)實(shí)踐相結(jié)合，是保證教學(xué)實(shí)效的首要問題。“船舶建模與控制”課程與其他專業(yè)課相比邏輯性更強(qiáng)(公式比較多)，需要更多的預(yù)備知識(shí)(數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電工學(xué)等)，涵蓋了領(lǐng)域內(nèi)的最新研究成果。因此，該課程的教學(xué)方法和教學(xué)思路需要不斷更新和調(diào)整。針對(duì)航海專業(yè)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)及該專業(yè)畢業(yè)后工作實(shí)踐的需要，以及“船舶建模與控制”的課程設(shè)置情況，在教材編寫、多媒體課件制作、課堂教學(xué)等環(huán)節(jié)都充分考慮航海技術(shù)專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，其中核心思路是凸顯航海專業(yè)的特色，緊密結(jié)合航海實(shí)踐需要，以期精煉教學(xué)內(nèi)容、突出航海實(shí)踐要求。

二、教材的編寫

教材是教學(xué)基本工具，是學(xué)生學(xué)習(xí)課程時(shí)最為重要的參考資料。2007年新開課時(shí)，張顯庫教授根據(jù)其已出版的《控制系統(tǒng)建模與數(shù)字仿真》[2]《船舶運(yùn)動(dòng)控制》[3]《船舶運(yùn)動(dòng)智能與H∞魯棒控制》[4]三本著作，并參考了胡壽松的專著《自動(dòng)控制原理》[5]，撰寫了《船舶建模與控制》講義，2013年作為正式教材出版[1]。結(jié)合學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，本教材的編寫力求把握以下三個(gè)原則。

1．闡述概念準(zhǔn)確、清晰

對(duì)教材中的基本概念做出準(zhǔn)確清晰的表述。例如，本課程屬于建模與仿真知識(shí)在船舶領(lǐng)域的具體應(yīng)用，系統(tǒng)、模型、建模、仿真等都屬于本課程的基礎(chǔ)概念，對(duì)這些概念能否正確掌握將對(duì)本課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生重要的影響，因此新編教材對(duì)這些基本概念進(jìn)行了多角度說明。根據(jù)船舶運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的新發(fā)展，對(duì)原有的概念進(jìn)行了擴(kuò)充。例如，海洋機(jī)器人控制是船舶運(yùn)動(dòng)控制學(xué)科發(fā)展的新趨勢(shì)，相關(guān)的新概念不斷涌現(xiàn)，并且有些概念有重疊，新編教材對(duì)載人潛水器、遙控水下機(jī)器人、自主水下機(jī)器人的概念做了清晰的說明。教材中有些知識(shí)屬于本學(xué)科的研究熱點(diǎn)，囿于課時(shí)和教材篇幅，課堂上不可能做全面深入地講解，只是點(diǎn)到為止，但是在編寫教材時(shí)，對(duì)于所涉及的基本概念的表述力求準(zhǔn)確、清晰。例如，在控制系統(tǒng)的建模方法一節(jié)中，系統(tǒng)辨識(shí)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練法和模糊優(yōu)化法每一項(xiàng)內(nèi)容的完整描述都需要開設(shè)專門的課程，因此在教材編寫時(shí)，對(duì)系統(tǒng)辨識(shí)的概念給出了四種權(quán)威的定義，從不同的角度進(jìn)行闡釋。對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念則采用圖的形式給出基本概念以及在船舶自動(dòng)舵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例；對(duì)模糊優(yōu)化法則通過偏重闡釋模糊理論中隸屬度函數(shù)這一基本概念，闡述模糊優(yōu)化法的基本思想。

2．教材結(jié)構(gòu)邏輯性更強(qiáng)

從課程名稱“船舶建模與控制”出發(fā)安排教材內(nèi)容，即第一章偏重課程的意義介紹，第二章、第三章為建模方面的內(nèi)容，第四章、第五章則為控制方面的內(nèi)容。這樣教材的內(nèi)容布局與課程的名稱保持一致，學(xué)生也能一目了然。對(duì)建模和控制這兩部分內(nèi)容的安排，也凸顯其內(nèi)在邏輯性：第二章是船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，第三章則是一般控制系統(tǒng)的建模。這種安排是從具體到一般，讓學(xué)生先看到具體的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型過程和形式(第二章)，然后再到一般意義上的建模形式和方法(第三章)。第四章和第五章則是從一般到具體：第四章著重控制系統(tǒng)的分析方法(一般)，第五章則是船舶控制系統(tǒng)介紹(具體)。另外，由于課程內(nèi)容中出現(xiàn)了較多的公式，在編寫教材時(shí)，對(duì)重要結(jié)論和結(jié)果給出了詳細(xì)的推導(dǎo)過程。例如，船舶線性模型的建立一節(jié)，包括了線性化概念的數(shù)學(xué)意義和物理意義的說明、船舶非線性模型線性化時(shí)的假設(shè)和化簡(jiǎn)步驟，這里線性化的概念借鑒了《高等數(shù)學(xué)》中近似計(jì)算的數(shù)學(xué)思路，便于學(xué)生理解該概念。傳遞函數(shù)的概念比較抽象，為便于理解，在教材編寫時(shí)給出了從微分方程和傳遞函數(shù)聯(lián)系。在時(shí)域分析一節(jié)對(duì)于欠阻尼系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程分析的5個(gè)性能指標(biāo)表達(dá)式，則依據(jù)性能指標(biāo)的基本概念對(duì)5個(gè)表達(dá)式的來龍去脈做出詳細(xì)的說明。這樣的教材內(nèi)容安排對(duì)于學(xué)生課后自學(xué)是十分有益的。

3．緊密結(jié)合航海實(shí)踐

航海技術(shù)專業(yè)與航海實(shí)踐聯(lián)系緊密。船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型和船舶運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)的理論性較強(qiáng)，“船舶運(yùn)動(dòng)控制”在碩士研究生和博士研究生階段都有專門的課程設(shè)置，理論性較強(qiáng)。突出航海專業(yè)特色和緊密聯(lián)系航海實(shí)踐是教材編寫所遵循的另一個(gè)重要原則。因此編寫教材時(shí)有意淡化理論性，強(qiáng)化航海實(shí)踐的內(nèi)容。例如，反饋是自動(dòng)控制的一個(gè)基本概念，在介紹這一概念時(shí)，傳統(tǒng)的舉例是手臂抓取物體，強(qiáng)調(diào)手臂利用了眼睛所看到的位置和物體實(shí)際位置的距離偏差這一反饋原理。在編寫該部分內(nèi)容時(shí)，用航海技術(shù)專業(yè)學(xué)生熟悉的航向保持替代手臂抓取物體的例子。航海專業(yè)課中有多處涉及自動(dòng)控制原理的內(nèi)容，但一般介紹得比較籠統(tǒng)。在編寫自動(dòng)控制原理的內(nèi)容時(shí)，注意較多地結(jié)合航海中的具體問題。例如，船舶操縱中的諧搖問題對(duì)船舶安全運(yùn)營(yíng)非常重要，專業(yè)課中使用共振的概念做了概述，但對(duì)為什么會(huì)共振則沒有說明。在介紹控制系統(tǒng)的頻域分析時(shí)，專門選取了二階系統(tǒng)振蕩環(huán)節(jié)的頻率特性進(jìn)行重點(diǎn)講授，學(xué)生從幅頻特性的函數(shù)表達(dá)式很容易分析出共振發(fā)生的條件，另外還使用圖示的形式給出了幅頻特性曲線，學(xué)生也能夠從曲線圖中看出共振產(chǎn)生的條件。再如，自動(dòng)舵控制律包含積分項(xiàng)，這是航海專業(yè)所熟知的，但為什么需要積分項(xiàng)卻沒有說明。在編寫教材時(shí)，選擇了穩(wěn)態(tài)誤差的內(nèi)容，從原理上分析了積分項(xiàng)的在自動(dòng)舵設(shè)計(jì)中所起的作用。

三、多媒體課件的制作

為最大限度保證每位教師授課的同步和規(guī)范性，制作了一個(gè)示范課件，每位教師可以此為基礎(chǔ)根據(jù)各自情況對(duì)課件進(jìn)行適當(dāng)修改。多媒體課件制作應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1．甄選課件內(nèi)容

課件內(nèi)容不是教材的重復(fù)，不能面面俱到，應(yīng)突出重點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)最關(guān)鍵的內(nèi)容。如結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化法則有8條，根據(jù)其實(shí)用性，在課件制作時(shí)僅選擇介紹其中3種，其他5種則在講課時(shí)簡(jiǎn)單提及。對(duì)有些學(xué)生反映理解起來比較困難的內(nèi)容，則適當(dāng)進(jìn)行精簡(jiǎn)。如在講授傳遞函數(shù)時(shí)不可避免地要涉及拉氏變換。對(duì)于其他專業(yè)來說由于專門開設(shè)了“積分變換”課程，拉氏變換相對(duì)比較容易；而航海專業(yè)沒有開設(shè)“積分變換”，學(xué)生對(duì)于拉氏變換的概念普遍感覺比較難理解，對(duì)拉氏變換表達(dá)式中的積分和無窮上界也難以領(lǐng)會(huì)。為便于學(xué)生盡快掌握教學(xué)內(nèi)容，在制作課件時(shí)，放棄了具體而且嚴(yán)格的拉氏變換表達(dá)式及其條件說明，突出了拉氏變換變換前后的兩個(gè)變化，即變量從時(shí)間變成頻率，函數(shù)表達(dá)式發(fā)生了變化，并強(qiáng)調(diào)不需要去計(jì)算變換式，教材中已經(jīng)給出了拉氏變換的表格?？紤]到航海專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)與知識(shí)基礎(chǔ)，在制作課件時(shí)盡量減少公式，僅給出重要的公式或公式的說明性文字。

2．充分利用多媒體優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，多媒體課件以其豐富多樣的展示形式使教學(xué)內(nèi)容更加生動(dòng)活潑，信息量更大。充分利用幻燈片可以非常容易地重復(fù)內(nèi)容的特點(diǎn)，在每個(gè)幻燈片上展示三級(jí)標(biāo)題，使學(xué)生能夠清晰地了解當(dāng)前內(nèi)容在該門課程中的位置；結(jié)合教學(xué)內(nèi)容在課件中適當(dāng)補(bǔ)充教材中沒有的圖片，以增強(qiáng)教學(xué)效果，拓展教學(xué)內(nèi)容。此外，利用多媒體動(dòng)畫的形式可使教學(xué)內(nèi)容更加直觀生動(dòng)，易于理解，也可以提高學(xué)習(xí)興趣和充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性。如傳統(tǒng)教學(xué)在演示電路網(wǎng)絡(luò)建模法時(shí)，為了說明電路中的多個(gè)前向通道，不得不將通道上的節(jié)點(diǎn)和所經(jīng)歷的電子元器件一一列出；而使用多媒體動(dòng)畫，只需要設(shè)置動(dòng)畫從前向通道的始點(diǎn)出發(fā)，依次經(jīng)過該前向通道上的節(jié)點(diǎn)和元器件就可一目了然，該通道所對(duì)應(yīng)的表達(dá)式也就顯而易見了。一些教材中出現(xiàn)的圖也可以用動(dòng)畫在課件中進(jìn)一步展示。如自動(dòng)控制的反饋概念的流程圖，可結(jié)合動(dòng)畫功能逐一展示方框和信號(hào)，不僅突出了系統(tǒng)中信號(hào)設(shè)定數(shù)值、控制輸入、系統(tǒng)輸出等的演變過程，而且強(qiáng)調(diào)了反饋的概念中輸出信號(hào)返回到輸入端這一重要思想。

四、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法

1．恰當(dāng)選取與整合概念

“船舶運(yùn)動(dòng)與控制”這門學(xué)科從經(jīng)典理論到前沿方法和實(shí)踐內(nèi)容非常豐富，概念較多，而課時(shí)僅有18學(xué)時(shí)，從而容易造成授課時(shí)主題不突出，重要內(nèi)容講授不清晰、不深入，為此需要恰當(dāng)選取概念。首先要精選概念。如與建模相關(guān)的概念非常多，教材中對(duì)這些概念均給出詳細(xì)定義和解釋，教師不可能在課堂上一一講授，而是依次給出系統(tǒng)、建模、模型、仿真這四個(gè)概念，對(duì)其他相關(guān)概念則盡量避免提及。在選取概念時(shí)所遵循的一個(gè)重要原則是學(xué)以致用，對(duì)后續(xù)課程中不會(huì)涉及的概念盡量不講，涉及較多的要精講、多講、反復(fù)講。如自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的典型輸入信號(hào)有5種，課程講授中用到的僅有單位階躍信號(hào)和正弦信號(hào)，因此僅講授這兩種信號(hào)；在講授階躍信號(hào)時(shí)，直接講單位階躍信號(hào)，而不講一般意義上的階躍信號(hào)。有些重要概念在教材中的不同地方出現(xiàn)，若分開講授，則由于間隔時(shí)間較長(zhǎng)，再次涉及時(shí)難免要重復(fù)。為強(qiáng)化印象，對(duì)教材中不同地方的內(nèi)容進(jìn)行整合集中講授，一氣呵成，進(jìn)行“定點(diǎn)爆破”。如“穩(wěn)定性”是船舶運(yùn)動(dòng)控制中非?；A(chǔ)和重要的概念，在講授控制系統(tǒng)要求和穩(wěn)定性條件時(shí)都會(huì)涉及，在編寫教材時(shí)這兩部分的內(nèi)容是分開描述的，而講課時(shí)嘗試在介紹控制系統(tǒng)的基本要求后給出穩(wěn)定性概念的舉例和穩(wěn)定性的條件判定。

2．巧妙切入與解析概念

“船舶運(yùn)動(dòng)控制”中的許多基本概念都有非常嚴(yán)格的定義，若按照嚴(yán)格定義來講授，對(duì)于數(shù)理基礎(chǔ)較弱的航海專業(yè)學(xué)生來說，很難快速理解消化，也容易導(dǎo)致厭學(xué)情緒，因此在講授時(shí)特別需要講究教學(xué)方法，對(duì)需要涉及的概念不是避而不談，而是要根據(jù)航海專業(yè)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行“本土化”處理。如“線性”和“非線性”這一對(duì)概念?！熬€性代數(shù)”對(duì)于航海專業(yè)來說是選修課，很多學(xué)生沒有選修這門基礎(chǔ)課程，因此講授線性運(yùn)算概念所涉及的9條運(yùn)算規(guī)律往往事倍功半。因此，課堂上對(duì)該概念突出了變量相加和常數(shù)變量的相乘運(yùn)算，并從直線方程直觀地說明為什么這個(gè)概念的名稱是線性而不是其他，這樣一來后面講授船舶運(yùn)動(dòng)的線性模型和非線性模型時(shí)學(xué)生就較容易接受。有些概念不太重要，只在講解其他概念時(shí)涉及，為了加深理解，采取不講授其本來的概念，而只是講授其相近概念的方式。如講狀態(tài)空間方程時(shí)不可避免地要提到“空間”概念，由此又會(huì)涉及其他相關(guān)概念(如封閉、非空、數(shù)乘等)，為此講授時(shí)僅說明“空間”概念近似可認(rèn)為等同于“集合”這個(gè)概念。“集合”概念學(xué)生在高中就接觸過，因而由此及彼較容易掌握“空間”的意義。還有些概念即便給出清晰的定義，也很難理解。如“調(diào)節(jié)時(shí)間”這個(gè)概念的字面含義與其定義很難建立聯(lián)系，在講授時(shí)給出該概念的英文settling time，并解釋settle一個(gè)含義是調(diào)節(jié)，另一含義是定居，學(xué)生由此明白了調(diào)節(jié)時(shí)間就是系統(tǒng)狀態(tài)定居在誤差帶內(nèi)的時(shí)間點(diǎn)。有的概念字面上非常抽象，較難理解，為此采用了形象化的方法。如“二階系統(tǒng)阻尼系數(shù)”，可將阻尼近似等同于阻力，舉出單擺在真空(無阻尼)、空氣(欠阻尼)和蜂蜜(過阻尼)中震蕩的三種情形，使學(xué)生較容易掌握阻尼的物理意義。

3．充分利用學(xué)生已有知識(shí)

本課程的授課時(shí)間為大四上學(xué)期，此時(shí)多數(shù)專業(yè)課程已經(jīng)結(jié)束，并且已經(jīng)參加認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)；另外由于大四學(xué)生正處于大證備考期間，對(duì)學(xué)過的知識(shí)做了進(jìn)一步復(fù)習(xí)鞏固，因此具有比較寬廣的眼界，在授課時(shí)可充分利用學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備和對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來加強(qiáng)理解。航海專業(yè)開設(shè)的課程涉及的學(xué)科領(lǐng)域非常廣泛，在授課時(shí)應(yīng)有意識(shí)地利用這一有利條件。有些知識(shí)是航海專業(yè)學(xué)生已經(jīng)了解的，本課程只是從另外一個(gè)角度給出新的定義，只要適當(dāng)聯(lián)系已有知識(shí)，學(xué)生很容易由此及彼、溫故知新。如“穩(wěn)定性”概念，若從擾動(dòng)角度給出定義，就要介紹擾動(dòng)前、擾動(dòng)中和擾動(dòng)后這三步，還要講平衡點(diǎn)，并且在第三步提及把擾動(dòng)拿掉后看系統(tǒng)的變化，更加抽象不易理解；而“穩(wěn)定性”概念本身就是航海專業(yè)的核心概念，只是以橫穩(wěn)性和縱穩(wěn)性的面目出現(xiàn)。因此可以采用如下方法：在課件上給出穩(wěn)定性的擾動(dòng)概念，但并不詳細(xì)介紹，而重點(diǎn)回顧橫穩(wěn)性概念的意義，調(diào)動(dòng)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備和興奮點(diǎn)，“穩(wěn)定性”概念的內(nèi)涵也就迎刃而解。在船舶運(yùn)動(dòng)建模中的野本方程與船舶運(yùn)動(dòng)控制中的PID控制律，是航海專業(yè)學(xué)生已經(jīng)掌握的重要內(nèi)容，與本課程的關(guān)系最為緊密，因此授課內(nèi)容經(jīng)常以野本方程和PID控制律作為橋梁引出，便于學(xué)生溫故知新。如在講結(jié)構(gòu)圖和信號(hào)流圖時(shí)畫出野本方程的結(jié)構(gòu)圖和信號(hào)流圖；在講電路建模法的意義時(shí)就以電容電阻串聯(lián)電路模型數(shù)學(xué)形式上等效處理野本方程，在講一階線性系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)也可以結(jié)合野本方程航向?qū)Χ娼堑捻憫?yīng)，等等；從PID控制律出發(fā)，可以引出自動(dòng)控制的概念、控制系統(tǒng)的要求、穩(wěn)態(tài)誤差分析、先進(jìn)控制理論在船舶運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的運(yùn)用等。

五、結(jié)論與展望

從2007年至今，“船舶建模與控制”課程已經(jīng)進(jìn)行了8輪的授課。4位授課教師以教材編寫、課件制作和授課過程三個(gè)環(huán)節(jié)為抓手，精益求精，認(rèn)真總結(jié)，使課程教學(xué)逐漸成熟，取得了較好的效果。學(xué)生對(duì)本課程的認(rèn)知程度也逐漸顯示理性，每年選課人數(shù)穩(wěn)定在300人左右。今后教學(xué)中需要在完善教學(xué)方法、調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性等方面進(jìn)一步研究提高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張顯庫,任俊生,張秀風(fēng).船舶建模與控制[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2014.

[2]張顯庫，金一丞.控制系統(tǒng)建模與數(shù)字仿真[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2013.

[3]張顯庫.船舶運(yùn)動(dòng)控制[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

[4]賈欣樂，張顯庫.船舶運(yùn)動(dòng)智能與H∞魯棒控制[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2002.

[5]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

中圖分類號(hào)：U676.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-8724(2016)01-0051-04

作者簡(jiǎn)介：任俊生(1976-)，男，教授，博士，主要從事船舶運(yùn)動(dòng)與控制研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863計(jì)劃”課題(2015AA016404)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51109020)；交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014329225370)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201505017-4)

收稿日期：2015-10-07