林晶+于述春+彭小寧
摘?要:在多網(wǎng)融合的過程中,網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)覆蓋的范圍向更多的行業(yè)延伸。本文探討了供水行業(yè)的智能化供水系統(tǒng),特別是系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)、IC卡預(yù)付費(fèi)、自動(dòng)抄表功能的設(shè)計(jì)。針對(duì)目前用水計(jì)量與信息環(huán)境的復(fù)雜特點(diǎn),提出在多網(wǎng)融合環(huán)境下按異構(gòu)分層模式來構(gòu)建系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多線程的集中輪詢異步模式實(shí)現(xiàn)智能水表遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)功能,應(yīng)用虛擬串口技術(shù)解決分布式遠(yuǎn)程設(shè)備控制以實(shí)現(xiàn)IC卡表預(yù)付費(fèi)功能,具有可調(diào)時(shí)間的自動(dòng)抄表及水費(fèi)自動(dòng)結(jié)算、水損分析等功能,應(yīng)用表明了該系統(tǒng)的有效性與適用性。
關(guān)鍵詞:供水系統(tǒng),智能化,自動(dòng)抄表,異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),多網(wǎng)融合
中圖分類號(hào):TP391 ???????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
Intelligent?Water?Supply?based?on?Heterogeneous?Layered?Networks?under?Multi-network?Convergence
Lin?Jing,?Yu?Shu-chun,?Peng?Xiao-ning
(Department?of?Computer?Engineering,?Huaihua?College,?Huaihua??418008,?China)
Abstract:?During?the?Multi-network?convergence,?networks?and?services?range?more?industries.?Intelligent?water?supply?in?water?industry?was?discussed?here.?The?design?of?system?network?architecture,?long-range?prepayment,?IC?card?prepayment?and?Automatic?meter?reading?was?especially?introduced.?A?smart?water?supply?under?multi-network?convergence?was?proposed.?It?was?developed?according?to?heterogeneous?layered?networks?for?complex?water?metering?and?information?environment?today.?Long-range?prepayment?for?smart?meter?was?realized?by?multi-thread,?centralized?polling,?asynchronous?scheme.?IC?card?prepayment?was?done?using?virtual?serial?port?for?remote?control?of?distributed?meters.?Furthermore,?the?time?tunable?automatic?meter?reading,?fee?automated?clearing?and?analysis?of?water?loss?were?given?in?the?system.?The?effectiveness?and?applicability?of?this?system?was?confirmed?by?application.
Keyword:?Water?supply;?Intellectualization;?Automatic?meter?reading;?Heterogeneous?networks;?Multi-network?convergence
1.引??言
水資源作為21世紀(jì)的戰(zhàn)略性資源之一,其合理開發(fā)和利用受到了人們的普遍關(guān)注。人類利用水資源的各項(xiàng)數(shù)據(jù)不僅是一個(gè)局部、一個(gè)地區(qū)關(guān)注的問題,更是一個(gè)國家乃至整個(gè)社會(huì)關(guān)注的問題。因此,數(shù)據(jù)的共享性成為全社會(huì)對(duì)水資源實(shí)現(xiàn)集約化管理的基礎(chǔ)[1]。但是,傳統(tǒng)的供水計(jì)量信息采集通常是由各管理部門派人到裝表地點(diǎn)抄表,由于用戶面廣、量大,極易造成差錯(cuò),人工抄表不但效率低,而且不利于科學(xué)管理。
在多網(wǎng)融合[2~7]的背景下,相關(guān)企業(yè)積極投身其中,各方不斷將網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)覆蓋的范圍向更多的行業(yè)延伸,為各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上智能化系統(tǒng)的運(yùn)行提供了通訊基礎(chǔ)平臺(tái)。實(shí)施自動(dòng)抄表的大環(huán)境逐漸成熟,管理體制現(xiàn)代化也要求供水系統(tǒng)更加智能化。
因此,眾多研究人員在智能表計(jì)與自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。趙、郝等[8]采用全電池供電的智能水表抄表系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)水表出戶集中式抄表,但仍需要人工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。陳、丁等[9]利用GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣﹑抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于GSM模塊的無線智能抄表系統(tǒng),解決了人工抄表的低效率和實(shí)時(shí)性差的問題。曾、張等[10]采用E-TDMA協(xié)議,進(jìn)行分布式協(xié)同調(diào)度及節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配的局部調(diào)整,為智能抄表系統(tǒng)提供一種高效的信道接入方式。然而,這些研究都局限于特定表計(jì)類型,不能將多種表計(jì)集成到一個(gè)系統(tǒng)中。
隨著對(duì)水能表計(jì)的深入研究,水表的智能化程度不斷提高。但是,想要在短時(shí)間內(nèi)強(qiáng)制性地用智能水表替換原有的非智能或半智能水表很不現(xiàn)實(shí)。因此,在現(xiàn)有的供用水網(wǎng)絡(luò)中,多種表計(jì)仍然會(huì)在較長時(shí)期內(nèi)共存,這為企業(yè)供水管理系統(tǒng)的建設(shè)增添了難度,也影響了城市智能化建設(shè)。
針對(duì)目前用水計(jì)量、信息采集與環(huán)境的現(xiàn)狀,為有效集成預(yù)付費(fèi)智能式、IC卡式、只讀光電式、機(jī)械式等水表,急需構(gòu)建具有遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)功能、自動(dòng)與手工抄表并存、水費(fèi)自動(dòng)結(jié)算和水損分析的智能供水系統(tǒng)(WPCS),以平穩(wěn)過渡智能水表替代其它水表的過程,并推進(jìn)智慧城市的建設(shè)進(jìn)程。
2?WPCS關(guān)鍵設(shè)計(jì)
2.1??WPCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)
WPCS在多網(wǎng)融合環(huán)境下按異構(gòu)分層模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于水能表計(jì)類型的多樣性及表計(jì)信息采集方式及傳輸介質(zhì)的不同,WPCS涉及互聯(lián)網(wǎng)、GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)、通過RS485通信的智能水表網(wǎng)、企業(yè)管理局域網(wǎng)等,融合了多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)成分層管理與通訊的統(tǒng)一平臺(tái)。它既能滿足當(dāng)前業(yè)務(wù)的需要,又能很好地適應(yīng)半智能、非智能水表逐漸被淘汰的進(jìn)化過程。
圖1?多網(wǎng)融合下WPCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖
WPCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,分為0層、1層和2層,如圖1所示。其中,第0層為互聯(lián)網(wǎng)層,采用TCP/IP協(xié)議,作為系統(tǒng)的通訊基礎(chǔ)設(shè)施,與第1層的公司業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。另外它還是遠(yuǎn)程工作站、外網(wǎng)用水客戶連接公司業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)的通道,完成指令與應(yīng)答數(shù)據(jù)的傳輸。
第1層為核心業(yè)務(wù)層,由公司業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。移動(dòng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與第2層的集中器DTU通訊,實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)傳智能水表的自動(dòng)抄表、水費(fèi)預(yù)付及遠(yuǎn)程控制等功能,移動(dòng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器可以使用VPN專線或ADSL等接入互聯(lián)網(wǎng),與業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)接。數(shù)據(jù)中心所收集的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過第0層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)狡髽I(yè)業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)存儲(chǔ)。業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)通過防火墻與互聯(lián)網(wǎng)連接,任何外網(wǎng)用戶必須經(jīng)過防火墻才能訪問Web服務(wù)器。其中,Web服務(wù)器、郵件服務(wù)器等構(gòu)成DMZ區(qū),隔離外網(wǎng)用戶對(duì)內(nèi)網(wǎng)的直接訪問,以保證公司業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全。
第2層是表計(jì)網(wǎng)絡(luò)層,由遠(yuǎn)傳智能水表、預(yù)付費(fèi)IC卡水表、光電只讀水表、機(jī)械水表等構(gòu)成。對(duì)于遠(yuǎn)傳智能水表與光電只讀水表,在區(qū)域內(nèi)由RS485總線組成設(shè)備子網(wǎng),在區(qū)域外由DTU通過GPRS經(jīng)數(shù)據(jù)中心向供水企業(yè)傳送數(shù)據(jù);IC卡水表獨(dú)立安裝,利用IC卡傳遞數(shù)據(jù)與控制指令,以實(shí)現(xiàn)水費(fèi)預(yù)付及信息采集等功能;機(jī)械表供、用水信息的采集可由人工完成。
2.2?遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)流程設(shè)計(jì)
多個(gè)智能水表通過RS485通信接口把水表數(shù)據(jù)上傳到DTU,當(dāng)DTU通過GPRS網(wǎng)絡(luò)連接到移動(dòng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器并建立透明數(shù)據(jù)通道后,智能水表端產(chǎn)生的加密數(shù)據(jù)只要送到串口,DTU接收并將其發(fā)送到移動(dòng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器;同時(shí),服務(wù)器下發(fā)的命令通過通道傳輸?shù)紻TU后,DTU通過串口送到智能水表端,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。
但在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中,購水用戶總是以就近原則在指定工作站上辦理預(yù)付費(fèi)業(yè)務(wù),購水信息一方面要存儲(chǔ)在業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫當(dāng)中,另一方面需要打包成購水指令通過移動(dòng)數(shù)據(jù)中心發(fā)送到智能水表中。兩者數(shù)據(jù)的同步,成為保證系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)一致性與完整性的關(guān)鍵因素。
只有在購水指令執(zhí)行成功時(shí),才將購水信息保存到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫,否則需重發(fā)指令,再重復(fù)該過程,才可完成數(shù)據(jù)同步的目的。但是,由于移動(dòng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器宕機(jī)引起的指令重發(fā)、指令在三層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)延、智能水表響應(yīng)時(shí)長等因素,會(huì)導(dǎo)致用戶辦理業(yè)務(wù)的等待時(shí)間過長,甚至要多次往還辦理一次購水業(yè)務(wù),這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可用性。為了解決此問題,遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)流程采用集中輪詢的異步模式進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖2所示。
購水信息由各收費(fèi)工作站采集,指令由應(yīng)用服務(wù)器封裝并發(fā)送到指令隊(duì)列中,在發(fā)送成功的同時(shí)將購水信息保存到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中,讓用戶及時(shí)完成本次購水業(yè)務(wù)。然后,再由購水守護(hù)進(jìn)程集中對(duì)應(yīng)用服務(wù)器指令隊(duì)列中的指令按異步輪詢方式處理,將其送往移動(dòng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器再下發(fā)到用戶智能水表中。接收進(jìn)程收集指令執(zhí)行結(jié)果,如果寫智能水表成功,則將返回信息存入數(shù)據(jù)庫,預(yù)付費(fèi)購水過程結(jié)束;否則,若重發(fā)次數(shù)R<=3,則重發(fā)指令,若R>3,則指令發(fā)送失敗,進(jìn)入失敗指令隊(duì)列,等待守護(hù)進(jìn)程的下一輪調(diào)度發(fā)送。
圖2?遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)流程圖
2.3?IC卡預(yù)付費(fèi)流程設(shè)計(jì)
在實(shí)際供水作業(yè)環(huán)境中,預(yù)付費(fèi)IC卡水表作為半智能表計(jì)還普遍存在,它獨(dú)立安裝,利用IC卡傳遞數(shù)據(jù)與控制指令。與遠(yuǎn)傳智能水表不同,它通過與小區(qū)工作站直連的IC卡讀寫器實(shí)現(xiàn)水費(fèi)預(yù)付及用水信息采集等功能。因此,產(chǎn)生了在B/S模式應(yīng)用下普遍存在的Web服務(wù)器端應(yīng)用程序要驅(qū)動(dòng)瀏覽器客戶端設(shè)備的矛盾。有效解決該問題成為WPCS的另一關(guān)鍵技術(shù)。
由于IC卡讀寫器通過串口與工作站連接,服務(wù)器端應(yīng)用程序無法直接驅(qū)動(dòng)它,系統(tǒng)采用ActiveX控件與虛擬串口技術(shù),通過串口映射機(jī)制解決這一問題。IC卡預(yù)付費(fèi)流程描述如下:
(1)?初始化服務(wù)器端的虛擬串口VMCOMx;
(2)?組織IC卡預(yù)付費(fèi)寫入指令,并發(fā)指令送到VMCOMx;
(3)?通過串口映射機(jī)制,將VMCOMx網(wǎng)絡(luò)幀轉(zhuǎn)化為串口信息發(fā)送到請(qǐng)求工作站的物理設(shè)備執(zhí)行;
(4)?若設(shè)備的ActiveX控件在工作站沒有注冊(cè),則在web頁面中通過<object>標(biāo)簽從指定URL(由codebase屬性給出)下載并注冊(cè)、運(yùn)行控件;
(5)?若ActiveX控件已注冊(cè),則直接使用控件驅(qū)動(dòng)IC卡讀寫器執(zhí)行指令;
(6)?指令先進(jìn)行卡類型及密碼檢測(cè)操作,如果卡類型合法且密碼校驗(yàn)成功,則對(duì)IC卡執(zhí)行寫操作,否則,提示告警信息并退出;
(7)?解析指令執(zhí)行結(jié)果,若操作成功,預(yù)付費(fèi)信息保存到數(shù)據(jù)庫,否則,提示操作失敗并退出。(注:同時(shí)可讀取上次用水信息,即完成滯后抄表功能。)
2.4?自動(dòng)抄表流程設(shè)計(jì)
快速、準(zhǔn)確、可靠地獲得用水管理的各類數(shù)據(jù),是進(jìn)行費(fèi)用自動(dòng)結(jié)算、用量分析、表計(jì)運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)、負(fù)荷處理等應(yīng)用管理的基礎(chǔ)。因此,自動(dòng)抄表功能是WPCS的又一關(guān)鍵業(yè)務(wù)。該功能的設(shè)計(jì)主要針對(duì)遠(yuǎn)傳智能水表與光電只讀水表,由Web服務(wù)器端的應(yīng)用程序根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的采集時(shí)間自動(dòng)完成,其中,發(fā)送指令與接收結(jié)果分別由不同的獨(dú)立線程承擔(dān),自動(dòng)抄表算法(AutoGetMeterInfo)關(guān)鍵偽碼如下。
Public?Class?AutoGetMeterInfo(){//取預(yù)設(shè)抄表時(shí)間
int?interval=getCollectTime(“SystemParam”);
int?rtn=Timer(interval);?//啟動(dòng)定時(shí)器
if(rtn==0){?//0:表示設(shè)定采集時(shí)間到,則根據(jù)集中器表Hubinfo產(chǎn)生抄表指令集合
List?ginst=createGetInstructions(“Hubinfo”);?……
initReceiveBuff(recbuff);?//初始化接收緩沖區(qū)
for(Instruction?inst:glist){?//發(fā)送線程遍歷抄表指令集合,并發(fā)送指令
sendData(inst);
}……
//接收線程調(diào)用getDTUData()返回DTU收集的結(jié)果添加到接收緩沖區(qū)
recbuff.add(getDTUData());
for?(ReceiveData?recdata:recbuff)?//主線程遍歷并分析指令結(jié)果集合
if(recdata.indexOf(“OK”)>-1)//執(zhí)行成功則取出用水信息并插入到表UsedWater中,執(zhí)行失敗則取水表編號(hào)報(bào)警
insertRow(“UsedWater”,getData(recdata));
else
alertInfo(getMeterNo?(recdata)+“抄表失敗!”);
}
}
3?實(shí)??驗(yàn)
3.1?試驗(yàn)環(huán)境
WPCS系統(tǒng)使用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)與GPRS網(wǎng)絡(luò)作為通信基礎(chǔ)設(shè)施,已在某自來水公司投入運(yùn)行。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器操選用IBM?xSeries?365,配置Xeon?MP?2.7G?cpu,8G?DDR內(nèi)存,SCSI?2T硬盤,安裝Windows?2005操作系統(tǒng),DBMS使用SQL?SERVER?2005。Web服務(wù)器選用IBM?xSeries?346,配置Xeon?MP?3G?cpu,4G?DDR內(nèi)存,SCSI?500G硬盤,安裝Tomcat?6.5,Windows?2005操作系統(tǒng)。各工作站及客戶端操作系統(tǒng)使用WINDOWS?XP/2000系列,安裝IE6.0+SP2?瀏覽器軟件,硬件大部分利用客戶現(xiàn)有的PC機(jī),以減少重復(fù)投入。公司業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)為自組局域網(wǎng),運(yùn)行TCP/IP協(xié)議。移動(dòng)數(shù)據(jù)中心采用租用形式。智能水表子網(wǎng)在硬件上主要由遠(yuǎn)傳智能水表、集中器(DTU)、自組網(wǎng)絡(luò)底層設(shè)施等組成;軟件主要包括表計(jì)嵌入式軟件、DTU運(yùn)行軟件、業(yè)務(wù)系統(tǒng)管理軟件等。此外,還有部分預(yù)付費(fèi)IC卡表、機(jī)械表等,智能表計(jì)、DTU以及其嵌入式軟件由制造商提供。
3.2?試驗(yàn)結(jié)果及分析
分析試點(diǎn)的11個(gè)單位/小區(qū),1350多家用水客戶共1493只四種類型水表18個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)。1493只水表數(shù)量分布如表1所示。
表1?四種類型水表數(shù)量分布
圖3表明了按系統(tǒng)預(yù)設(shè)的抄表時(shí)間,每2個(gè)月自動(dòng)抄表一次,18個(gè)月共自動(dòng)抄表9次。結(jié)果顯示光電表的抄表成功率超過90%,智能表的抄表成功率高于光電表,達(dá)97%,而且都呈逐漸上升的趨勢(shì)。通過對(duì)失敗表計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)檢查,發(fā)現(xiàn)智能表計(jì)的安裝使用時(shí)間比光電表計(jì)晚,且電氣特性、連接線路、電池耗盡程度都好于光電表計(jì),故其抄表成功率優(yōu)于光電表。隨著對(duì)表計(jì)電池的更換及線路檢修,能正常工作的表計(jì)增多,所以兩者抄表成功率都呈上升趨勢(shì)??梢灶A(yù)計(jì),在線路與表計(jì)正常工作情況下,自動(dòng)抄表成功率將會(huì)達(dá)100%。
水損率需要用本次抄表數(shù)據(jù)參考相鄰的上次抄表數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,在試運(yùn)行期間共計(jì)算了8次。圖4顯示了在現(xiàn)有供水管網(wǎng)條件下四種水能表計(jì)對(duì)水損率的貢獻(xiàn)。智能表水損率最低,平均值為7.0%,IC卡表水損率最高,平均值為9.63%,光電表和機(jī)械表居中,平均水損率分別為8.27%和9.06%。由于智能表與光電表能自動(dòng)抄表,供水與用水表計(jì)的水量信息可以短時(shí)間內(nèi)同時(shí)完成,數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確,又因?yàn)橹悄鼙砜梢栽陬A(yù)付水費(fèi)用完時(shí)及時(shí)控制表計(jì)關(guān)閥且抄表成功率高,所以智能表計(jì)算的水損率低于光電表,而且較真實(shí)、準(zhǔn)確。
相反,機(jī)械表與IC卡表不能被系統(tǒng)自動(dòng)控制,在表計(jì)電池耗盡后,且預(yù)購水量用完時(shí),IC卡表也不能關(guān)閥斷水,這是導(dǎo)致水損率高的主要有原因。另外,由于抄表費(fèi)力、耗時(shí),供、用水量不在合理的時(shí)段內(nèi)實(shí)時(shí)采集,數(shù)據(jù)較不準(zhǔn)確,因而也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算水損率較高。水損率高表示水資源的浪費(fèi)大,給企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)損失也大。此外,水損率異常也是管網(wǎng)監(jiān)控的重要參考因子,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)的漏損地域并采取措施修復(fù)。
應(yīng)用分析表明1)自動(dòng)抄表效果良好,系統(tǒng)功能及關(guān)鍵性能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo);2)水損分析為管理層制定科學(xué)合理的用水決策提供支持,可節(jié)約水資源,提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益;3)水損分析是供水管網(wǎng)監(jiān)控的重要參考指標(biāo)及有效途徑;4)模塊化設(shè)計(jì)適應(yīng)系統(tǒng)功能多樣化需求,系統(tǒng)適用性高,可實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的供水聯(lián)合管理,滿足更大規(guī)模業(yè)務(wù)管理需要。
圖3?自動(dòng)抄表成功率統(tǒng)計(jì)圖
圖4水損率統(tǒng)計(jì)圖
4?結(jié)??語
推進(jìn)多網(wǎng)絡(luò)融合,構(gòu)建信息化社會(huì)為當(dāng)今時(shí)代主題。本文在多網(wǎng)融合環(huán)境下按異構(gòu)分層模式構(gòu)建的WPCS系統(tǒng),解決了現(xiàn)有供水網(wǎng)絡(luò)中多種表計(jì)并存與智能化供水系統(tǒng)建設(shè)的矛盾,能夠很好地適應(yīng)供水管網(wǎng)中設(shè)備智能化程度不斷進(jìn)化的演進(jìn)過程。WPCS的關(guān)鍵設(shè)計(jì)可以推廣應(yīng)用到電、暖、氣等能源行業(yè)的智能化管理領(lǐng)域,從而推進(jìn)多種能源跨領(lǐng)域聯(lián)合作業(yè),必將推動(dòng)智慧城市的建設(shè)進(jìn)程,具有較高的研究及應(yīng)用價(jià)值。
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編號(hào):G4