基于阿里云的車輛故障診斷系統(tǒng)的研究

唐偉萍 賴德鵬

基于阿里云的車輛故障診斷系統(tǒng)的研究

唐偉萍 賴德鵬

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007）

近來年互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，車輛故障診斷也朝智能化、自動化邁進(jìn)，遠(yuǎn)程診斷成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。文章研究基于阿里云，設(shè)計(jì)和開發(fā)一個(gè)車輛故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過終端OBD接口與車輛ECU連接，獲得車輛的車況信息和故障情況，使用NB-IoT無線通信技術(shù)將封裝好的車輛數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器，不同的用戶通過客戶端訪問云端數(shù)據(jù)庫，按需獲得車況信息，故障信息或者監(jiān)管部門需掌握的信息，從而提高車輛的安全性，減少故障引起的尾氣排放。實(shí)驗(yàn)測試表明，系統(tǒng)操作界面友好，使用方便，體驗(yàn)感佳，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

阿里云；車輛診斷；故障診斷

引言

車載診斷系統(tǒng)（On Board Diagnostics，OBD）是銷售汽車強(qiáng)制配備且可以有效檢測汽車尾氣排放情況和監(jiān)測車況的系統(tǒng)，通過點(diǎn)亮相應(yīng)的故障指示燈進(jìn)行提醒和預(yù)警，有效降低車輛的增多導(dǎo)致空氣污染和交通安全問題[1]。對車主而言，平時(shí)車輛運(yùn)行情況是不知情的，只有在車輛年檢或者出現(xiàn)故障時(shí)才能通過專業(yè)維修人員了解。此外，雖然當(dāng)前市面上便攜式手持汽車診斷設(shè)備不少，但多為離線式，需要數(shù)據(jù)線連接電腦，為專業(yè)人士設(shè)計(jì)，對普通用戶不友好。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，大量新的通信技術(shù)和車輛診斷系統(tǒng)結(jié)合，比如短距離的WIFI、藍(lán)牙、ZigBee，長距離的4G技術(shù)、GPRS/CDMA、NB-IoT等，成了當(dāng)前熱門研究方向[2-5]。比如王璇喆[6]使用OBD作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端，引入GPRS進(jìn)行車輛定位并將故障數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)回服務(wù)器進(jìn)行處理；匡書池[7]設(shè)計(jì)了基于4G的OBD遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用QBD66車輛協(xié)議對ECU接口采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換封裝，車輛定位用GPS實(shí)現(xiàn)，采用4G模塊將封裝后數(shù)據(jù)上傳遠(yuǎn)端服務(wù)器，通過手機(jī)APP訪問服務(wù)器查閱相關(guān)信息；祁凱[8]建立模型對OBD和藍(lán)牙和NFC等短距離通信技術(shù)進(jìn)行兼容性測試，同時(shí)對很多智能手機(jī)型號進(jìn)行適配，雖解決了有線傳輸和短距離傳輸不方便問題，但確保遠(yuǎn)程服務(wù)器的穩(wěn)定性又成了新的難題。

云計(jì)算是在信息時(shí)代又一次技術(shù)革新和飛躍，經(jīng)過近十年發(fā)展，逐漸形成以阿里云為龍頭在全球具有影響力的計(jì)算廠商，按需提供云服務(wù)器ECS（Elastic Compute Service）是一種穩(wěn)定的、個(gè)性化彈性伸縮的IaaS（Infrastructure as a Service）級別商業(yè)云計(jì)算服務(wù)[9]。其中彈性伸縮是一個(gè)具有廣泛用途的創(chuàng)新服務(wù)，為用戶和企業(yè)能夠根據(jù)實(shí)際動態(tài)需求匹配合適的資源，實(shí)行資源利用最大化[10]。本文研究基于阿里云，設(shè)計(jì)和開發(fā)一個(gè)車輛故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過終端OBD接口與車輛ECU連接，獲得車輛的車況信息和故障情況，使用NB-IoT無線通信技術(shù)將封裝好的車輛數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器，不同的用戶通過客戶端訪問云端數(shù)據(jù)庫，按需獲得車況信息，故障信息或者監(jiān)管部門需掌握的信息，從而提高車輛的安全性，減少故障引起的尾氣排放。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)

1.1 需求分析

本文介紹的車輛故障診斷系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)掌握車輛運(yùn)行狀況、知曉車輛故障具體代碼及原因，方便車主依次進(jìn)行維修、保養(yǎng)等業(yè)務(wù)，讓車輛處于健康狀態(tài)，從而降低故障隱患和風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過對車主、汽車維修專業(yè)人員進(jìn)行調(diào)研，得出系統(tǒng)需滿足以下功能。

1.1.1 車輛ECU數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)與車輛通訊接口需統(tǒng)一，以完成物理連接，同時(shí)，不同的廠商都有自己的專用協(xié)議，因此要想采集ECU數(shù)據(jù)，系統(tǒng)必須支持相應(yīng)廠商的通訊協(xié)議，重點(diǎn)考慮兼容性。此外，汽車中控系統(tǒng)存儲車輛數(shù)據(jù)很多，要按需采集系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)，比如行車數(shù)據(jù)、故障碼等，因此，系統(tǒng)物理連接、協(xié)議匹配和特定數(shù)據(jù)流按需采集是關(guān)鍵。

1.1.2 數(shù)據(jù)處理

車輛檢測終端接收從ECU采集上來數(shù)據(jù)后，需要正確解析，按照相應(yīng)的規(guī)則分析處理數(shù)據(jù)流，得到正確的車輛信息，比如車況信息、故障碼等。

1.1.3 數(shù)據(jù)上云

處理后的數(shù)據(jù)需按照約定格式進(jìn)行封裝，之前就是考慮如何將數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程云端。鑒定數(shù)據(jù)量少，實(shí)時(shí)性要求不高，但穩(wěn)定性有較高要求，可以考慮使用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行傳輸。

1.1.4 數(shù)據(jù)的存儲

為了有效降低成本，采用阿里云臺，直接購買其云數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)供用戶查看，只賦予查看權(quán)限即可。

1.1.5 客戶端

設(shè)計(jì)簡潔、簡約、簡單的用戶界面，實(shí)現(xiàn)用戶友好、可視化訪問云平臺，獲得車輛相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

車輛故障診斷系統(tǒng)是方便普通用戶了解汽車健康狀況，獲取車輛狀態(tài)信息和車輛故障數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行保養(yǎng)、維修，減少安全隱患。根據(jù)需求，可以設(shè)計(jì)為車輛故障診斷終端、阿里云、客戶端三部分，如圖1所示。

圖1 基于阿里云車輛故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)圖

車輛檢測終端主要由采集模塊、主控模式和通訊模塊構(gòu)成，阿里云包括服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫兩部分。從上圖可知，系統(tǒng)工作流程如下：系統(tǒng)通過OBD接口接入待檢測汽車的ECU接口，連通后終端內(nèi)STM32主控芯片將周期性發(fā)送AT指令與采集模塊建立聯(lián)系，接收ECU的數(shù)據(jù)流（包括車輛信息、狀態(tài)信息、故障數(shù)據(jù)等），接收完成后按照數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封裝，由NB-IoT無線通信模塊使用特定通訊協(xié)議將信息傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，服務(wù)器接受數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析，處理完成后將結(jié)果傳送至云端數(shù)據(jù)庫。用戶通過客戶端可以直接獲取車輛故障數(shù)據(jù)和車況信息。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)概述

1.3.1 OBD-Ⅱ簡介

OBD技術(shù)是由汽車故障診斷延伸出的監(jiān)測系統(tǒng)，除了監(jiān)測尾氣外常在車輛故障診斷中被廣泛應(yīng)用。當(dāng)車輛出現(xiàn)故障時(shí)，車輛ECU采集模塊把故障信息、行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，維修人員通過特定的設(shè)備使用ECU接口讀取、獲得故障碼，對照約定故障碼定義，馬上得知故障原因及位置。OBD-Ⅱ一般支持基于SAEJ1850總線的協(xié)議、基于K線的協(xié)議、基于CAN線的ISO-15765診斷協(xié)議；規(guī)定了外部設(shè)備與車輛 ECU通訊的接口標(biāo)準(zhǔn)，接口一般位于汽車方向盤下方或者副駕便捷抽屜里，使用16針梯形通訊接口或者USB接口；明確了工作模式及參數(shù)標(biāo)識，定義了10種診斷模式，讀取車輛不同部位的診斷數(shù)據(jù)；統(tǒng)一了故障碼標(biāo)準(zhǔn)格式，方便維修人員使用。

1.3.2 NB-IoT無線通信技術(shù)

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，組網(wǎng)的方式越來越多，大抵可以分有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)兩種，其中有線網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定、可靠，但成本高；無線網(wǎng)絡(luò)組建成本低，不受地域限制，但易受電磁干擾。目前主流通訊技術(shù)很多，比如4G/5G移動通信、WiFi、ZigBee、NB-IoT通信。移動通信成本高，WiFi組網(wǎng)功耗大、穩(wěn)定性低，ZigBee不合適遠(yuǎn)距離傳輸。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）[11]是基于物聯(lián)網(wǎng)興起的無線通信技術(shù)，也是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要技術(shù)分支和重要組成部分，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，支持低功耗設(shè)備通過特定協(xié)議直接連接，具有接入廣、覆蓋深、功耗和成本低的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效穿透地下車庫、地下管道等障礙物，安全性高，缺點(diǎn)是傳輸速率不高，時(shí)延高，適合網(wǎng)速要求不高的場景。系統(tǒng)上傳終端獲取的數(shù)據(jù)至云端，數(shù)據(jù)量不大，速度要求不高，綜合比較后選擇NB-IoT方式。

1.3.3 阿里云簡介

阿里云創(chuàng)立于2009年，已經(jīng)發(fā)展成為是全球領(lǐng)先的云計(jì)算服務(wù)商，為中國聯(lián)通、中國鐵路客戶服務(wù)中心、中石油等大型企業(yè)提供可靠穩(wěn)定的計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)服務(wù)，系統(tǒng)開發(fā)完成后，可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行配置，快速供應(yīng)和部署，無需支付抽金可伸縮計(jì)費(fèi)，同時(shí)提供阿里云數(shù)據(jù)庫（Relational Database Service，RDS）[12]，支持在線動態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整庫容量，提供異地容災(zāi)、冗余備份、遷移數(shù)據(jù)等實(shí)用功能，具有高可用性和高安全性，節(jié)省自建和運(yùn)維數(shù)據(jù)庫的成本。因此，系統(tǒng)直接選用阿里云存儲和處理數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

2.1 車輛診斷終端設(shè)計(jì)

主要介紹車輛故障診斷系統(tǒng)硬件組成和軟件初始化。我們根據(jù)市場調(diào)研和橫向?qū)Ρ龋杉K選擇ELM327，主控模塊選擇STM32，NB-IoT通信模塊選定BC26芯片。

2.1.1 硬件設(shè)計(jì)

主要由電源轉(zhuǎn)換模塊、終端STM32主控核心模塊、終端ELM327數(shù)據(jù)采集模塊以及BC26無線通信模塊。首先，終端直接從車輛取電，車輛電池額定電壓正常為12 V，而STM32和BC26工作電壓為3.3 V，ELM327為5 V，因此電源模塊主要作用是對外接電源進(jìn)行降壓處理，供三大模塊正常使用。其次，STM32主控模塊內(nèi)嵌ARM CORTEX-M3處理器，使用兩個(gè)USART串口和采集模塊、通訊模塊連接，ELM327采集模塊芯片負(fù)責(zé)和待檢車輛ECU根據(jù)OBD-Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，采集車輛的識別信息、狀況信息和故障情況，外圍電路負(fù)責(zé)與車輛的OBD接口連接。此外，通訊模塊使用3GPP Rel.13和3GPP Rel.14通訊協(xié)議通過運(yùn)營商基站與云端服務(wù)器建立聯(lián)系，傳輸車輛數(shù)據(jù)。

2.1.2 軟件設(shè)計(jì)

基于C語言開發(fā)，使用Keil5 uVision5環(huán)境下編程，完成系統(tǒng)終端的開發(fā)，算法如下：

step1：系統(tǒng)終端主控模塊STM32進(jìn)行初始化任務(wù)，其中包括中斷開啟、時(shí)鐘和USART串口等初始化任務(wù)；

step2：系統(tǒng)終端采集模塊ELM327初始化，使用AT指令和等檢測車輛ECU建立通訊；

step3：無線通訊模塊使用3GPP Rel.13和3GPP Rel.14通訊協(xié)議初始化，使用AT指令建立與云端服務(wù)器連接，使用TCP協(xié)議；

step4：使用OBD指令指揮采集模塊開展采集工作；

step5：按規(guī)范通訊格式封裝采集到的信息；

step6：TCPl連接測試，成功則將數(shù)據(jù)上傳云端，否則，重新嘗試建立TCP連接。

2.2 阿里云具體配置

2.2.1 服務(wù)器設(shè)計(jì)

應(yīng)用阿里云，通過注冊租用服務(wù)器，主要完成以下三個(gè)功能。一是數(shù)據(jù)接收，服務(wù)器和車輛故障診斷終端NB-IoT通信模塊通過TCP建立連接，定時(shí)輪詢監(jiān)聽、接收上傳的數(shù)據(jù)；二是數(shù)據(jù)處理，首先將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為ASC-Ⅱ編碼的16進(jìn)制車輛數(shù)據(jù)，并與車輛解析對照表進(jìn)行比對，得到具體結(jié)果；數(shù)據(jù)存儲，將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中，供用戶查看。以數(shù)據(jù)接收為例：

服務(wù)器：創(chuàng)建Socket()→綁定Blind()→監(jiān)聽Listen()→等待客戶連接Accept()→接收數(shù)據(jù)Receive()→發(fā)送數(shù)據(jù)Send()→捕捉異常()→關(guān)閉車輛Socket連接Close()。

客戶端：創(chuàng)建Socket()→連接指定服務(wù)器connect()→發(fā)送數(shù)據(jù)Send()→接收數(shù)據(jù)Receive()→關(guān)閉車輛Socket連接Close()。

其中服務(wù)器監(jiān)聽Listen()和客戶端連接指定服務(wù)器connect()對應(yīng)；服務(wù)器和客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)對應(yīng)。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

使用阿里云平臺，通過數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和數(shù)據(jù)表定義兩部分實(shí)現(xiàn)。按需購買RDS MySQL數(shù)據(jù)庫后，阿里云會下發(fā)實(shí)例給用戶，用戶登錄云端控制臺，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)庫配置和創(chuàng)建工作，通過數(shù)據(jù)庫指令（增加、刪除、修改、查詢）來操作，管理數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)表有四張，分別為用戶信息表、行車記錄數(shù)據(jù)表、故障碼信息表、具體故障信息表，這四張表分別定義用戶信息、行車數(shù)據(jù)、故障碼表和故障碼具體解釋，主要進(jìn)行字段長度和主鍵等定義。以用戶信息表為例：主要作用是對客戶端使用系統(tǒng)的用戶注冊信息、權(quán)限分配等進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)，該表主要保存用戶注冊信息，包括字段有序號、用戶名、密碼、聯(lián)系電話、注冊時(shí)間、車輛型號等，定義序號為主鍵，通過VIN碼與其它數(shù)據(jù)表聯(lián)系決定唯一用戶。為了提高安全性，需對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行安全配置，具體如下：首先設(shè)置IP地址黑、白名單，一般使用的地址放在白名單中，只有白名單上的IP地址可以訪問數(shù)據(jù)庫，也就是說只允許阿里云用戶訪問，除此之外全部放到黑名單里拒絕訪問；其次，定義好通訊端口，本文使用3389端口號。

2.3 客戶端設(shè)計(jì)

客戶端是用戶從云端獲取車輛診斷數(shù)據(jù)信息的入口，使用B/架構(gòu)，可以通過網(wǎng)址直接訪問。根據(jù)客戶屬性、權(quán)限分用戶和管理人員兩類，管理人員針對維修人員和監(jiān)管部門，可以設(shè)置用戶權(quán)限、查詢用戶歷史行車數(shù)據(jù)和故障碼信息，普通用戶較為簡單，滿足查看個(gè)人車輛行車數(shù)據(jù)、故障碼信息以及個(gè)人注冊信息的完善。

具體設(shè)計(jì)分3部分開展：注冊界面、用戶界面以及管理員界面。注冊界面實(shí)現(xiàn)注冊和登錄功能，需要填寫用戶名、密碼、電話、車輛VIN碼、車牌號、車型等信息，通過格式校驗(yàn)、用戶名是否已注冊校驗(yàn)后，按權(quán)限進(jìn)行用戶或管理員界面。用戶界面主要由行車數(shù)據(jù)、故障信息、歷史數(shù)據(jù)查詢、個(gè)人信息管理四部分構(gòu)成。管理員界面主要是權(quán)限管理、車輛信息查詢和個(gè)人信息維護(hù)等。

3 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境

使用學(xué)院汽車檢測與維修實(shí)訓(xùn)室中Emulator8757 OBD模擬器對所設(shè)計(jì)和開發(fā)的系統(tǒng)終端的功能進(jìn)行測試。Emulator8757 OBD模擬器是一款模擬OBD總線協(xié)議和其它常用協(xié)議的模擬裝置，也是汽車標(biāo)準(zhǔn)OBD-II產(chǎn)品開發(fā)、調(diào)試專業(yè)級工具，可以模擬ISO15765、KWP2000、J1850等幾乎基本汽車通用協(xié)議，可以有效節(jié)省實(shí)操調(diào)試時(shí)間，提高效率。

3.2 測試過程及結(jié)果

系統(tǒng)測試包括客戶端、車輛故障診斷終端和服務(wù)器三部分，其中車輛故障診斷終端包括數(shù)據(jù)采集模塊和無線通信模塊，采集模塊主要是和車輛ECU通信情況，能否順利采集、分析和封裝數(shù)據(jù)，無線模塊則是和遠(yuǎn)程云端連接傳輸情況，準(zhǔn)確率和誤碼率是否達(dá)到要求，服務(wù)器測試主要是數(shù)據(jù)能否正常比對和解析，客戶端則是查詢數(shù)據(jù)和用戶信息管理等功能。

使用Emulator8757 OBD模擬器和電腦的串口助手對車輛故障診斷系統(tǒng)終端各功能模塊及客戶端性能進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。

表1 車輛故障診斷系統(tǒng)測試結(jié)果

序號測試模塊具體模塊測試結(jié)果 1車輛診斷終端STM32主控模塊通過測試 2車輛診斷終端ELM327采集模塊通過測試 3車輛診斷終端NB-IoT通信模塊通過測試 4服務(wù)器設(shè)計(jì)OBD和服務(wù)器數(shù)據(jù)一致性通過測試 5客戶端登錄功能測試通過測試 6客戶端用戶界面功能的測試通過測試 7客戶端和管理員界面功能通過測試

以上七個(gè)模塊逐一模擬進(jìn)行測試，結(jié)果表明，所開發(fā)的系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶，實(shí)時(shí)隨地了解車輛健康信息，增加車主的舒適感、安全感成為人民對汽車多樣式需求的共同期盼。本文設(shè)計(jì)一種基于阿里云的車輛故障診斷系統(tǒng)，通過系統(tǒng)終端采集車輛狀況數(shù)據(jù)，使用無線通過技術(shù)上傳至云端，通過解析計(jì)算后生成存儲于云數(shù)據(jù)庫，方便用戶通過客戶端進(jìn)行車況信息查詢；同時(shí)操作界面友好、操作方便，基本實(shí)現(xiàn)車輛故障診斷的要求。

雖然本文實(shí)現(xiàn)了基于阿里云的車輛故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，經(jīng)測試效果良好，但在后續(xù)研究中，基于角色分配相應(yīng)權(quán)限，需進(jìn)行個(gè)性化功能訂制，如維修公司、車輛監(jiān)管部分和車主進(jìn)行分類；此外，主動提示、短信預(yù)警等主動服務(wù)也可以進(jìn)一步完善，從而提升用戶體檢感和舒適感。

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Research on Vehicle Fault Diagnosis System Based on Alibaba Cloud

In recent years, with the rapid development of Internet technology, vehicle fault diagnosis is also moving towards intelligence and automation. Remote diagnosis has become an important development direction. This paper studies the design and development of a vehicle fault diagnosis system based on Alibaba cloud. The system connects with the vehicle ECU through the terminal OBD interface to obtain the vehicle condition information and fault condition, and uses NB-IoT wireless communication technology to transmit the encapsulated vehicle data to the cloud server. Different users access the cloud database through the client to obtain the vehicle condition information, fault information or information required by the supervision department needs to be mastered, so as to improve the safety of vehicles and reduce the exhaust emission caused by faults. The experimental test shows that the system has friendly operation interface, convenient use, good experience, can achieve the expected goal, and has certain application value.

Alibaba cloud; vehicle diagnosis; fault diagnosis

U472.9

A

1008-1151(2022)09-0018-04

2022-06-17

2020年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于案例信息檢索的汽車故障診斷系統(tǒng)的研究與開發(fā)”（2020KY41016）；2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“一種交流充電樁檢測裝置設(shè)計(jì)與研究”（2022KY1348）。

唐偉萍（1983－），女，廣西玉林人，廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用。