基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力巡線無人機(jī)避障技術(shù)研究

邴麗媛，劉智，蔣余成

（長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力巡線無人機(jī)避障技術(shù)研究

邴麗媛，劉智，蔣余成

（長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定快速發(fā)展，，輸電線路的巡檢工作量日益加大，傳統(tǒng)人工巡檢已經(jīng)不能滿足當(dāng)前輸電線路巡檢的需求。無人機(jī)電力巡線能夠較好彌補(bǔ)人工巡檢的不足，提高電力巡檢作業(yè)的工作效率。為了獲得精確的無人機(jī)與輸電線路、桿塔以及附近障礙物的距離信息，采用了多傳感器融合技術(shù)，通過對(duì)巡檢過程中可能出現(xiàn)的障礙物進(jìn)行建模，建立最小安全空間模型和輸電線路周圍電場模型，提出基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，對(duì)無人機(jī)電力巡線的避障技術(shù)進(jìn)行了研究。仿真結(jié)果表明，該方法可以有效實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在電力巡線中對(duì)障礙物的躲避。

無人機(jī)；電力巡線；避障技術(shù)

經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)電力能源的需求急劇增加，我國電力傳輸線路規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)電力傳輸線路的安全保障問題日益突出。由于國土遼闊，地形復(fù)雜，平原少、丘陵及山區(qū)較多，氣象條件復(fù)雜，瓷絕緣子質(zhì)量不夠穩(wěn)定，為確保電力傳輸線路的安全與穩(wěn)定運(yùn)行，迫切需要對(duì)其進(jìn)行不間斷的巡視與監(jiān)測［1-3］。輸電線路巡檢的重點(diǎn)有基礎(chǔ)及接地部分、電氣設(shè)備、附屬設(shè)施、防護(hù)設(shè)施及線路通道等部分。輸電線路的巡視手段有人工巡視、直升機(jī)巡視和無人機(jī)巡視。無人機(jī)具有重量輕、體積小、便于攜帶、成本低、靈活性好等特點(diǎn)，與各種可見光和紅外探測設(shè)備搭配后，可以執(zhí)行高效、非接觸式、全方位的電力巡線任務(wù)，作為一種現(xiàn)代化、自動(dòng)化的手段，能夠較好彌補(bǔ)人工巡檢的不足，也可以克服有人駕駛直升機(jī)電力巡線的使用及維護(hù)成本高、安全問題突出等弊端［4］，在國內(nèi)外得到了較廣泛的應(yīng)用。

為了便于輸電線路和桿塔上故障分析診斷，無人機(jī)在執(zhí)行巡線任務(wù)的過程中需要對(duì)線路全程、桿塔及周邊環(huán)境和設(shè)施進(jìn)行高清晰度圖像拍攝，難免會(huì)遇到障礙物，并因此出現(xiàn)偏離預(yù)定航向的情況，也有可能造成無人機(jī)與輸電線路或其他障礙物的碰撞［5］，影響已有線路的安全運(yùn)行，甚至威脅國家公共財(cái)產(chǎn)安全。因此，為確保無人機(jī)在執(zhí)行電力巡線任務(wù)過程中的安全和高效，需要使其對(duì)各種障礙具備較強(qiáng)的探測識(shí)別和規(guī)避能力。

1 最小安全空間與輸電線路周圍電場建模

無人機(jī)在對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢時(shí)，需要根據(jù)輸電線路的電氣特性以及運(yùn)行規(guī)程的規(guī)定，對(duì)架空輸電線路經(jīng)過的區(qū)域空間可能遇到的障礙物保持一定的安全距離，避免與任何障礙物發(fā)生碰撞，保證輸電線路與無人機(jī)的安全。我國國土面積遼闊，地形種類復(fù)雜，導(dǎo)致輸電線路的分布遍及山地、盆地、丘陵、平原、高原等地區(qū)，因此，輸電線路周圍環(huán)境復(fù)雜多樣，除了電力線和桿塔本身，無人機(jī)還可能遇到交叉跨越線、樹木、建筑物、山坡、峭壁、巖石、管道、索道及各種架空線路等障礙物。

1.1 最小安全空間的建模

根據(jù)這些障礙物的外形特征，建立了無人機(jī)電力巡線最小安全空間模型。如圖1-3所示。

圖1 障礙物建模

圖2 外形輪廓有弧線的障礙物

無人機(jī)在進(jìn)行電力巡線作業(yè)之前，需在地面監(jiān)控站的PC機(jī)上下載該次巡線任務(wù)的電力線路及桿塔位置的二維電子地圖。在此二維電子地圖上建立最小安全空間模型，其步驟如下：

（1）障礙物輪廓的處理

障礙物輪廓的直線段部分不進(jìn)行處理，直接保留其直線；針對(duì)障礙物輪廓中的曲線段部分，均勻地在曲線部分取若干個(gè)點(diǎn)，過這些點(diǎn)做本段曲線弧的切線，每兩個(gè)相鄰點(diǎn)的切線段定會(huì)相交，用各個(gè)切線相連來代替原來的曲線弧。

（2）避障邊界線的建立

經(jīng)過前面的步驟后，障礙物的輪廓就只有直線構(gòu)成。為保障無人機(jī)的安全，防止其與障礙物發(fā)生碰撞，這里在無人機(jī)與障礙物之間設(shè)置一個(gè)安全距離，使無人機(jī)在進(jìn)行電力巡線任務(wù)時(shí)始終與障礙物之間保持的距離要大于或等于此安全距離。此安全距離是根據(jù)無人機(jī)的大小確定，并將其記為Dis，且有Dis＞0。將第三步驟中建立的障礙物外形輪廓向外平移Dis大小的距離，平移后的輪廓線即為最小安全空間避障邊界線，避障邊界線的各頂點(diǎn)記為Pi。

（3）最小安全空間的建模

將上述建立的避障邊界線沿垂直方向拉伸，拉伸高度記為Hd，且要求Hd＞0，拉伸后的高度記為H，則：

其中，h為障礙物相對(duì)于地面的海拔高度。

這樣，形成的空間即為無人機(jī)電力巡線時(shí)的避障最小安全空間，其各頂點(diǎn)記為Pi。

圖3 最小安全空間

1.2 輸電線路周圍電場建模

以500kV單回三相水平排列的輸電線路為例，設(shè)導(dǎo)線高度為14.56米，分裂導(dǎo)線半徑為0.283米，導(dǎo)線間距為14.62米，利用計(jì)算機(jī)軟件編程對(duì)其進(jìn)行仿真，得到了該例的輸電線路周圍電場分布的情況如圖4所示，為電力巡線無人機(jī)自動(dòng)避障接下來的研究奠定了基礎(chǔ)。

圖4 電場仿真結(jié)果

2 電力巡線無人機(jī)避障方案分析

2.1 無人機(jī)避障技術(shù)傳感器選型

目前，應(yīng)用于無人機(jī)避障技術(shù)的傳感器有很多種，其中，紅外傳感器、視覺傳感器、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波傳感器、電磁場檢測傳感器、全球定位系統(tǒng)（GPS）是比較常用的測距傳感器。紅外傳感器是通過發(fā)射與接受紅外線來實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍物體距離的探測，其受外界環(huán)境影響較大，尤其是白天光線較強(qiáng)時(shí)，其測量精度大大下降，在有灰塵、煙霧時(shí)的性能也較差，一般被用在機(jī)器人近距離避障中，并不適合用在無人機(jī)電力巡線中。視頻傳感器用在無人機(jī)避障中，主要是采用視頻攝像頭獲取圖像信息，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)把這些信息傳送到地面站的PC機(jī)，由工作人員操控?zé)o人機(jī)的避障，并不能脫離工作人員達(dá)到無人機(jī)自動(dòng)避障功能的實(shí)現(xiàn)。毫米波雷達(dá)具有重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)，在距離較遠(yuǎn)時(shí)仍能具有較好的探測性能，受環(huán)境影響較小，但是在障礙物較小，距離較近時(shí)并不能實(shí)現(xiàn)測距功能，一般被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如導(dǎo)彈、制導(dǎo)武器和戰(zhàn)斗機(jī)等軍用裝備，并不能滿足電力巡線所用的小型、旋翼無人機(jī)的避障要求。

超聲傳感器是一種主動(dòng)式傳感器，其工作原理是通過發(fā)射器發(fā)射超聲波，接收器會(huì)接收到超聲波遇到障礙物返回的返回波，通過測量從發(fā)射到返回至接收器的時(shí)間差來實(shí)現(xiàn)距離的轉(zhuǎn)換。超聲波測距傳感器具備信息處理簡單、快速，成本低等優(yōu)點(diǎn)。

激光雷達(dá)傳感器的原理與超聲波傳感器相近，不同的是其發(fā)射的信號(hào)是光波。激光器能夠產(chǎn)生并發(fā)射一束激光脈沖，打到障礙物上且有部分會(huì)反射回來，接收器會(huì)接收這部分反射激光脈沖，并能夠精確的測出激光脈沖從發(fā)射到被接收所用的傳輸時(shí)間。因?yàn)榧す饷}沖以光速傳輸，光速是已知的，傳輸時(shí)間就可以被轉(zhuǎn)變成對(duì)距離的測量。該方法有高性能、低成本、體積小、質(zhì)量輕、功耗低、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

高壓線附近的電磁分布具有一定的規(guī)律，電磁檢測傳感器正是根據(jù)這種規(guī)律測量無人機(jī)距離輸電線的距離。例如，115kV的高壓輸電線，靠近輸電線處的電場強(qiáng)度為1.0kV/m，磁感應(yīng)強(qiáng)度為20mG；距離輸電線15m處的電場強(qiáng)度接近0.5kV/m，磁感應(yīng)強(qiáng)度為5mG。電磁檢測傳感器的抗靜電干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，滿足無人機(jī)對(duì)傳感器的要求。

GPS是全天候、全方位、全時(shí)段、多功能、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。在應(yīng)用GPS定位時(shí)，需安裝GPS接收模塊，便可接受到衛(wèi)星發(fā)射的數(shù)據(jù)信號(hào)，并運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求得三維空間位置。

2.2 電力巡線無人機(jī)避障方案設(shè)計(jì)

綜上所述，提出了基于多傳感器融合技術(shù)的無人機(jī)自動(dòng)避障技術(shù)研究，多傳感器融合技術(shù)較好的彌補(bǔ)了單一傳感器探測信息的不確定性。該避障技術(shù)是由機(jī)載信號(hào)探測模塊和機(jī)載飛控內(nèi)部的緊急避障模塊組成。多種測距傳感器獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，再將得到的融合結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理的距離信息再通過通訊端口與緊急避障模塊相連，緊急避障模塊與無人機(jī)動(dòng)力裝置相連，最終飛機(jī)做出相應(yīng)的避障動(dòng)作。圖5即為無人機(jī)避障框圖。

圖5 避障框圖

3 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多傳感器融合方法的無人機(jī)避障技術(shù)

無人機(jī)電力巡線過程中環(huán)境復(fù)雜多變，通常很難建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型來具體描述。而模糊邏輯理論具備適應(yīng)環(huán)境變化的能力，不需要建立數(shù)學(xué)模型，在本質(zhì)上能夠控制非線性系統(tǒng)［6］。模糊邏輯可以利用簡單的設(shè)計(jì)完成復(fù)雜的問題，對(duì)不確定性系統(tǒng)容易控制，抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，具有很好的魯棒性和適應(yīng)性。它以隸屬函數(shù)的形式來描述對(duì)實(shí)物的模糊性，模仿了人的思想，采用與人類語言相似的模糊語言進(jìn)行推理，但模糊控制系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力較差。模糊邏輯可以控制那種只可憑經(jīng)驗(yàn)控制、又難以準(zhǔn)確地建立數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)［7］。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠映射任意函數(shù)關(guān)系，自學(xué)能力強(qiáng)，彌補(bǔ)了模糊邏輯的不足。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

無人機(jī)電力巡線要求傳感器測量范圍較大，靈敏度高，當(dāng)障礙物距離無人機(jī)較近時(shí)，傳感器容易受其影響。因此，傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)需要經(jīng)過預(yù)處理，才能去除噪聲的影響。

（1）去除在傳感器測量范圍以外的數(shù)據(jù)：根據(jù)傳感器的作用范圍設(shè)置兩個(gè)篩選算子ζ1和ζ2，當(dāng)傳感器測量的數(shù)據(jù)小于ζ1時(shí)，按ζ1處理數(shù)據(jù)；當(dāng)傳感器測量的數(shù)據(jù)大于ζ2時(shí)，按ζ2處理數(shù)據(jù)。

（2）弱化突變數(shù)據(jù)：傳感器之間存在互相的干擾會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的突變，如果不對(duì)突變數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理，會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)的避障策略發(fā)生很大的偏差。

3.2 輸入、輸出的模糊化

輸入、輸出量的模糊化就是把多傳感器探測到的確切信息轉(zhuǎn)化成模糊量，輸入信息包括超聲波傳感器、激光雷達(dá)傳感器、電磁場檢測傳感器和GPS接收模塊提供的無人機(jī)的位置和距離障礙物的信息。圖6為傳感器位置示意圖。其中黑色方塊代表波傳感器，分別位于無人機(jī)的左前方、右前方、左后方、右后方、前方、后方、左方、右方、內(nèi)部，分別標(biāo)記為1、2、3、4、5、6、7、8、9。其中1、2、3、4為超聲波傳感器，5和6為電磁場檢測傳感器，7和8為激光雷達(dá)傳感器，9為GPS接收模塊。

圖6 傳感器位置示意圖

在上述傳感器探測到數(shù)據(jù)后先按照3.3.1節(jié)中的處理辦法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后，設(shè)4個(gè)超聲波傳感器經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)信息分別為d1，d2，d3和d4；由于無人機(jī)在進(jìn)行電力巡線之前，需要在無人機(jī)飛控內(nèi)下載電力桿塔和輸電線路的位置信息和輸電線路周圍電磁場的分布情況信息，再根據(jù)無人機(jī)進(jìn)行電力巡線時(shí)電磁場檢測傳感器檢測到的電磁場強(qiáng)度值與預(yù)先建立的電磁場模型進(jìn)行對(duì)比得到距離信息經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)信息為d5和d6；激光雷達(dá)傳感器經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)信息為d7和d8；GPS接收模塊收到無人機(jī)的經(jīng)緯度坐標(biāo)與輸電線路的坐標(biāo)對(duì)比、計(jì)算，得到無人機(jī)與電力桿塔和輸電線路之間的距離信息經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)信息為d9。

為了防止某個(gè)傳感器突然發(fā)生故障而不能工作，把在一個(gè)方向上的幾個(gè)不同類傳感器作為一組，來預(yù)防和減小系統(tǒng)的誤差，故將9個(gè)傳感器探測值分為6組作為模糊控制器的輸入量x1，x2，x3，x4，x5，x6，分別代表前方、左方、右方、后方、上方和下方，并且有x1={d1,d2,d5}，x2={d1,d3,d7}，x3={d2,d4,d8}，x4={d3,d4,d8}，x5={d5,d7,d9}，x6={d6,d8,d10}，其中x1的計(jì)算公式如下：

式中，α1，α2和α3是權(quán)值系數(shù)，α1,α2,α3≥0且α1+α2+α3=1。其他組的輸入量x2，x3，x4，x5，x6的計(jì)算方法同理于x1，不再贅述。

輸出量為無人機(jī)飛行的方向和速度，分別記為y1，y2。

對(duì)于輸入量x1，x2，x3，x4，x5，x6，將其模糊語言變量設(shè)置為{JIN，ZHNG，YUAN}={近，中，遠(yuǎn)}，其中，JIN：［0，3］m，ZHONG：［3，6］m，YUAN：［6，+∞）m。

對(duì)于輸出量y1的模糊語言變量設(shè)置為{Q，ZQ，YQ，Z，Y，H，S，X，QS，QX}={前，左前，右前，左，右，后，上，下，前上，前下}，y2的模糊語言變量設(shè)置為{MAN,ZHONG，KUAI}={慢，中，快}，其中，MAN：［0，2］m/s，ZHONG：［2，4］m/s，KUAI：［4，6］m/s。

3.3 建立模糊控制規(guī)則

由上節(jié)可知，本系統(tǒng)共有六個(gè)輸入量，分別代表無人機(jī)的前方、左方、右方、后方、上方和下方，兩個(gè)輸出量，分別代表無人機(jī)飛行的方向和速度，其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

模糊規(guī)則共分為六種情況，分別是1）無障礙物情況；2）只有一個(gè)方向有障礙物；3）有兩個(gè)方向有障礙物；4）有三個(gè)方向有障礙物；5）有四個(gè)方向有障礙物；6）有五個(gè)方向有障礙物。

（1）無障礙物情況

當(dāng)探測環(huán)境中沒有障礙物或離障礙物很遠(yuǎn)時(shí)，無人機(jī)根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的位置繼續(xù)前行慢速向前飛行，模糊規(guī)則如下：

如果x1為YUAN，x2為YUAN，x3為YU?AN，x4為YUAN，x5為YUAN，x6為YUAN時(shí)，那么y1為Q，y2為MAN；

（2）只有一個(gè)方向有障礙物

當(dāng)探測環(huán)境中有一個(gè)障礙物存在時(shí)，無人機(jī)根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的位置，判斷去人機(jī)的轉(zhuǎn)向，使無人機(jī)朝著目標(biāo)點(diǎn)的方向前進(jìn)并避開障礙物。模糊規(guī)則如下：

當(dāng)無人機(jī)前方出現(xiàn)一個(gè)障礙物時(shí)，無人機(jī)根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的位置，使無人機(jī)朝著目標(biāo)點(diǎn)的方向前進(jìn)并避開障礙物，若左方?jīng)]有障礙物或障礙物較遠(yuǎn)時(shí)，優(yōu)先考慮向左轉(zhuǎn)，模糊規(guī)則如下：

如果x1為ZHONG，x2為YUAN，x3為YU?AN，x4為YUAN，x5為YUAN，x6為YUAN，那么y1為Z，y2為ZHONG；

如果x1為JIN，x2為YUAN，x3為YUAN，x4為YUAN，x5為YUAN，x6為YUAN，那么y1為Z，y2為KUAI；

按照上面的方法，共建立了665條模糊規(guī)則，在此就不一一列舉了。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)上文所建模型與模糊控制規(guī)則，對(duì)無人機(jī)電力巡線時(shí)的自動(dòng)避障進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在無人機(jī)飛行路線的左、右兩側(cè)分別布置了三個(gè)大小不一的非對(duì)稱形多邊形障礙物，飛行區(qū)域設(shè)置為100m*100m，設(shè)置速度V=2m/s。在無人機(jī)的預(yù)定軌跡附近設(shè)定了3個(gè)障礙物，如圖8所示。圖中，無人機(jī)跟蹤輸電線路進(jìn)行電力巡檢，在輸電線路上方飛行，并與輸電線路保持5m的距離，所有障礙物設(shè)置在輸電線路的上方，其中下方最粗的直線代表輸電線路，無人機(jī)跟蹤輸電線路從起始點(diǎn)飛向目標(biāo)點(diǎn)，多邊形代表障礙物，較細(xì)虛線代表預(yù)定軌跡，彎曲實(shí)線代表無人機(jī)的實(shí)際飛行避障路徑，彎曲虛線代表對(duì)比實(shí)驗(yàn)室中的另一組無人機(jī)飛行路徑，該實(shí)驗(yàn)室中，用超聲波傳感器代替了激光雷達(dá)傳感器，即只使用超聲波傳感器，電磁場檢測傳感器和GPS三種傳感器，其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下得到的無人機(jī)避障飛行路徑。

圖8 避障仿真對(duì)比圖

通過分析仿真結(jié)果可以得出，用超聲波傳感器代替了激光雷達(dá)傳感器，近距離內(nèi)沒有障礙物和開始能夠探測到障礙物在靠近時(shí)兩條飛行路徑基本一致，過一段時(shí)間后，無人機(jī)快要飛行到障礙物距離輸電線路最遠(yuǎn)端點(diǎn)時(shí)，兩條路徑開始出現(xiàn)差異，使用四種傳感器時(shí)的避障飛行路徑總長度明顯短于激光雷達(dá)傳感器被超聲波傳感器代替后的無人機(jī)避障飛行路徑，可以大大降低無人機(jī)的功耗，提高無人機(jī)電力巡線的工作效率。

5 結(jié)論

通過研究無人機(jī)電力巡線的特征，分析無人機(jī)在電力巡線過程中可能遇到的障礙物，對(duì)比現(xiàn)有的無人機(jī)避障技術(shù)，提出了基于多傳感器融合的無人機(jī)電力巡線避障技術(shù)方案，通過獲取無人機(jī)與周圍障礙物精確的距離信息，并采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，有效地實(shí)現(xiàn)了電力巡線中障礙物的規(guī)避，極大地提高了避障實(shí)施效率，同時(shí)縮短了避障行進(jìn)的路徑長度，因此也降低了無人機(jī)的能量消耗。本算法的應(yīng)用能夠有效增強(qiáng)無人機(jī)在電力巡線過程中的避障能力，進(jìn)而提高無人機(jī)電力巡線續(xù)航能力和工作效率。

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Research on Obstacle Avoidance Technology of Unmanned Aerial Vehicle in Power Line Inspection

BING Liyuan，LIU Zhi，JIANG Yucheng
（School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

With the sustained，the scale of power grids in our country is expanding day by day，and the inspection workload of transmission lines is also increasing，traditional manual inspection has been unable to meet the requirements of the current trans?mission line inspection.UAV power line can make up for the lack of manual inspection，improve the work efficiency of power in?spection.In order to obtain accurate UAV and transmission line tower and near the obstacle distance information，multi sensor fu?sion technology is adopted，by modeling the possible obstacles in the process of inspection，to establish the minimum safe space model and the electric field distribution model of power line.Propose the method of obstacle avoidance based on fuzzy neural net?work and study the obstacle avoidance technology.The simulation results show that the method can effectively avoid the obstacle in the power line.

unmanned aerial vehicle（UAV）；power line inspection；obstacle avoidance technology

V279

A

1672-9870（2017）03-0098-05

2017-01-09

邴麗媛（1992-），女，碩士研究生，E-mail：294264633@qq.com

劉智（1971-），男，博士，教授，E-mail：2311547@qq.com