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作者：劉利文,，于婕（中咨泰克交通工程集團(tuán)有限公司） 摘要：為進(jìn)一步響應(yīng)國家交通強(qiáng)國發(fā)展戰(zhàn)略和數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃等綱要文件要求,，推進(jìn)新一代信息技術(shù)與交通行業(yè)深度融合，解決高速公路運(yùn)維管理工作復(fù)雜,、智能化水平低等問題,，通過開發(fā)基于數(shù)字孿生的高速公路管控系統(tǒng)，構(gòu)建高速公路的數(shù)字孿生場景,，達(dá)到對高速公路重點(diǎn)路段,、重點(diǎn)場景精準(zhǔn)管控的目的，賦能高速公路智慧化,、數(shù)字化升級,，實(shí)現(xiàn)高速公路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。 交通運(yùn)輸部印發(fā)的《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》中,，明確提出推進(jìn)新一代信息技術(shù)與交通行業(yè)深度融合,，積極引導(dǎo)行業(yè)新業(yè)態(tài)、新模式發(fā)展,，深化交通領(lǐng)域改革,，深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展。數(shù)字交通是數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要領(lǐng)域,，是以數(shù)據(jù)為關(guān)鍵要素和核心驅(qū)動,，促進(jìn)物理和虛擬空間的交通運(yùn)輸活動不斷融合、交互作用的現(xiàn)代交通運(yùn)輸體系,。在大數(shù)據(jù),、區(qū)塊鏈、人工智能,、5G等技術(shù)變革和需求升級的共同驅(qū)動下,，數(shù)字孿生技術(shù)為交通智能化升級提供了新思路與新途徑?；跀?shù)字孿生技術(shù)的高速公路綜合管控系統(tǒng),，憑借先進(jìn)的人機(jī)交互方式，可有效賦能高速公路智慧化,、數(shù)字化升級,。
基于數(shù)字孿生和萬物互聯(lián)的理念，遵循成熟,、先進(jìn),、實(shí)用的原則，融合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,、監(jiān)測數(shù)據(jù),、業(yè)務(wù)信息及多元數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)以GIS地理信息圖像為基礎(chǔ),，通過高分辨率大屏顯示環(huán)境的應(yīng)用,，將公路管理的各種外場設(shè)備、數(shù)據(jù)等資源進(jìn)行綜合可視化聯(lián)動顯示,，做到路網(wǎng)資源的一圖式展示,，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸一圖呈現(xiàn)、一目了然,。通過這張“圖”為道路運(yùn)行,、應(yīng)急聯(lián)動、交通基礎(chǔ)設(shè)施管理,、危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理等提供可視化操作手段,，實(shí)現(xiàn)交通信息的逐層疊加、按需調(diào)用,、全局可視,，促進(jìn)交通數(shù)據(jù)呈現(xiàn)由“單一靜態(tài)紙質(zhì)圖表”向“綜合動態(tài)信息地圖”轉(zhuǎn)變。通過搭建基于數(shù)字孿生的高速公路管控系統(tǒng),，對高速公路重點(diǎn)路段,、重點(diǎn)場景進(jìn)行精準(zhǔn)管控，實(shí)現(xiàn)安全保障,、效率提升,、服務(wù)提升、應(yīng)急處置以及特殊勤務(wù)等,。其建設(shè)目標(biāo)如下,。（一）搭建高速公路數(shù)字孿生基礎(chǔ)平臺充分結(jié)合路段實(shí)際情況,，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于交通視頻監(jiān)控，在數(shù)字世界里構(gòu)建三維道路,，在數(shù)字世界里實(shí)現(xiàn)道路1：1的實(shí)時(shí)還原,，為道路“可測，可服務(wù)”提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),。（二）實(shí)現(xiàn)交通信息的實(shí)時(shí)采集對道路交通目標(biāo)及重要設(shè)施的地理位置信息實(shí)時(shí)采集,。可通過路側(cè)攝像頭,，基于目標(biāo)檢測與識別的深度學(xué)習(xí)技術(shù),，實(shí)現(xiàn)人、車,、路的精準(zhǔn)檢測和識別,，并采用計(jì)算攝影測量等方式，對目標(biāo)的位置,、速度,、運(yùn)動方向進(jìn)行精準(zhǔn)識別，準(zhǔn)確獲得道路上每一個(gè)參與主體,，精確到米級經(jīng)緯度信息,，為道路上每個(gè)行駛目標(biāo)或靜止設(shè)施等賦予一個(gè)真實(shí)的定位信息。（三）構(gòu)建高速公路數(shù)字孿生體系基于3D 數(shù)字建模,、數(shù)據(jù)建模,、數(shù)字模型的數(shù)據(jù)靶向驅(qū)動等技術(shù)，結(jié)合 GIS 管理系統(tǒng),、實(shí)景建模等技術(shù),，對虛擬數(shù)字交通場景實(shí)現(xiàn)分層、分類管理,，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字交通系統(tǒng)中不同目標(biāo)（人,、車、物,、路）,、不同資源（信號設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備,、事件報(bào)警設(shè)備,、電力電氣設(shè)備、火災(zāi)報(bào)警設(shè)備,、給排水設(shè)備,、通風(fēng)照明設(shè)備等）的分層管理、數(shù)字化狀態(tài)監(jiān)控和智能化運(yùn)維,。（四）構(gòu)建基于高速公路數(shù)字孿生平臺業(yè)務(wù)需求模塊構(gòu)建基于高速公路數(shù)字孿生平臺業(yè)務(wù)需求模塊,。研究高速公路車輛及交通運(yùn)行多源數(shù)據(jù)高精度時(shí)空聚合方法,，利用大數(shù)據(jù)分析模型對車輛畫像數(shù)據(jù)、車輛軌跡識別刻畫數(shù)據(jù)以及其他檢測設(shè)備采集到的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，構(gòu)建高速公路運(yùn)行態(tài)勢分析模型,，實(shí)現(xiàn)公路交通態(tài)勢分析以及交通運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)預(yù)測，具備信息提取,、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化,、模型匹配和數(shù)據(jù)分析能力,，達(dá)到對高速公路的精準(zhǔn)管控,。（五）構(gòu)建高速公路數(shù)字孿生應(yīng)用平臺基于GIS的大數(shù)據(jù)云平臺，開發(fā)高速公路數(shù)字孿生應(yīng)用平臺,，拓展其在高速公路安全管控方面的應(yīng)用,，實(shí)現(xiàn)對惡劣道路環(huán)境、復(fù)雜氣象,、特殊交通事件等高速公路安全風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測與精準(zhǔn)管控,，以及對高速公路安全預(yù)案的實(shí)時(shí)推演和完善設(shè)施設(shè)備的運(yùn)維工作等。基于數(shù)字孿生的高速公路管控系統(tǒng)主要由交通視覺傳感器及其他可選的交通傳感器（感知層）,、數(shù)字孿生系統(tǒng)服務(wù)器集群（數(shù)據(jù)層）,、平臺應(yīng)用服務(wù)集群及顯示系統(tǒng)（應(yīng)用層）三方面構(gòu)成。其中,，交通視覺傳感器及其他可選的交通傳感器主要是指一種智慧高速車路感知交互網(wǎng)設(shè)置的感知設(shè)備,。數(shù)字孿生系統(tǒng)服務(wù)器集群主要利用CPU、GPU并行運(yùn)算架構(gòu),，采用深度學(xué)習(xí)等技術(shù),，通過智慧高速車路感知交互網(wǎng)設(shè)置的感知設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對道路前端交通參數(shù),、交通事件,、交通違法的實(shí)時(shí)分析、處理,、預(yù)警,、記錄等功能；采用人工智能算法融合其他傳感器數(shù)據(jù)創(chuàng)建并輸出數(shù)字鏡像,。平臺應(yīng)用服務(wù)集群主要利用云平臺建設(shè)的智能計(jì)算平臺實(shí)現(xiàn)對各種傳感器數(shù)據(jù)的采集,、記錄、數(shù)據(jù)調(diào)度服務(wù)和對各傳感器數(shù)據(jù)的入庫和分析等功能,。顯示系統(tǒng)主要利用云中心設(shè)置的真彩LED拼接屏輸出和展示數(shù)字鏡像的最終界面成果,。系統(tǒng)詳細(xì)架構(gòu)如圖所示，包括物聯(lián)網(wǎng)終端,、基礎(chǔ)支撐,、數(shù)據(jù)中臺和應(yīng)用系統(tǒng)四部分,。基于數(shù)字孿生的高速公路管控系統(tǒng)架構(gòu)圖接入層是平臺運(yùn)行的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，接入層提供的交通視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),、基礎(chǔ)交通數(shù)據(jù),、交通事件檢測數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù),、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù),、設(shè)備管理接口等為平臺業(yè)務(wù)層提供多類型、多維度數(shù)據(jù)輸入,。系統(tǒng)可通過開發(fā)接口接收或者提取脫敏收費(fèi)數(shù)據(jù),、交通參數(shù)數(shù)據(jù)、交通事件數(shù)據(jù),、視頻資源數(shù)據(jù),、路政執(zhí)法、交通執(zhí)法,、救援信息,、事故損失評定數(shù)據(jù)、位置信息,、軌跡信息,、車輛卡口、社會交通事故報(bào)警,、氣象信息,、互聯(lián)網(wǎng)信息等基礎(chǔ)信息資源。利用云平臺建設(shè)的智能計(jì)算平臺,、基礎(chǔ)應(yīng)用支撐平臺實(shí)現(xiàn)對各種傳感器數(shù)據(jù)的采集,、記錄、數(shù)據(jù)調(diào)度服務(wù),、對各傳感器數(shù)據(jù)的入庫和分析等功能,。數(shù)據(jù)中臺層通過數(shù)字鏡像、虛擬化,、數(shù)據(jù)仿真,、語義分析、數(shù)據(jù)倉庫等技術(shù)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工清洗,，并按照上層業(yè)務(wù)應(yīng)用需求進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算和抽取,。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫分析技術(shù)和多種數(shù)據(jù)分析模型，對已有智能交通系統(tǒng)數(shù)據(jù),、交通業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行按照數(shù)字鏡像業(yè)務(wù)需求進(jìn)行深度挖掘和融合,，提高已有系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的使用效益。應(yīng)用系統(tǒng)層可根據(jù)不同的業(yè)務(wù)流程需求，對基礎(chǔ)支撐層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中臺層的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行抽取利用,，并與相關(guān)業(yè)務(wù)部門的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息資源進(jìn)行融合,、匹配，并運(yùn)用數(shù)字仿真,、預(yù)測模型,、仿真分析為展示層提供貼近實(shí)戰(zhàn)，滿足行業(yè)應(yīng)用需求的管理策略和信息流,。基于數(shù)字孿生的高速公路管控系統(tǒng)可利用人工智能,、大數(shù)據(jù)、交通工程學(xué)等多學(xué)科技術(shù),，通過對目標(biāo)感知,、交通參數(shù)、交通事件,、交通違法等多類型傳感器技術(shù)的融合,、建模,，構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)字孿生系統(tǒng),，在虛擬數(shù)字空間中對現(xiàn)實(shí)交通系統(tǒng)進(jìn)行仿真重建。通過將車輛OBU數(shù)據(jù),、視頻監(jiān)控,、視頻事件報(bào)警、視頻抓拍等信息進(jìn)行融合,，并根據(jù)車輛速度,、位置、時(shí)空,、關(guān)聯(lián)關(guān)系等通過實(shí)景建模融合展示,，將高速公路交通運(yùn)行狀況在數(shù)字世界中進(jìn)行虛擬化鏡像展示，為交通指揮決策管理領(lǐng)域的數(shù)字化交通趨勢分析,、仿真推演等提供可靠的技術(shù)支撐,，實(shí)現(xiàn)高速公路的精準(zhǔn)管控?；跀?shù)字孿生的高速公路管控系統(tǒng)主要功能如下,。系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)道路整體的自動建模并加載,；多層級場景細(xì)節(jié)展示查看,，支持場景中路段、互通立交,、管理中心,、收費(fèi)站等節(jié)點(diǎn)以信息牌的方式展示，方便用戶快速確認(rèn)管理節(jié)點(diǎn)在地圖中的位置,；可根據(jù)實(shí)際公路,、互通立交,、管理中心、收費(fèi)站等建筑完成3D建模,；支持以點(diǎn)擊方式從三維地圖視角進(jìn)入各節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的管理界面或3D管理場景,。支持根據(jù)高速路段上設(shè)備設(shè)施的類型及部署情況完成對設(shè)備三維建模，包括交通標(biāo)志,、護(hù)欄,、攝像機(jī)、電警設(shè)備,、車輛檢測器,、氣象環(huán)境檢測器等。在系統(tǒng)中可展示公路,、橋梁,、涵洞等公路基礎(chǔ)屬性信息，并允許自定義添加和調(diào)整規(guī)格信息,。對資產(chǎn)臺賬進(jìn)行批量維護(hù)管理,，提供類Excel維護(hù)功能，可以方便地批量維護(hù)資產(chǎn)臺賬信息,，并且可以在不用調(diào)整程序的情況下,，任意增加多個(gè)規(guī)格屬性。（三）實(shí)時(shí)交通流數(shù)字孿生基于交通量檢測數(shù)據(jù),、車路協(xié)同系統(tǒng)采集的車,、路的運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)以及攝像機(jī)的視頻事件檢測器采集的交通流數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)交通流基本指標(biāo)（流量,、速度,、密度）的采集與分析，對公路的擁擠程度進(jìn)行識別和數(shù)字孿生,，依托智慧高速數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行直觀展示,。（四）基于GIS的外場設(shè)備數(shù)字孿生提供在三維環(huán)境中直觀展示高速公路內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)備的空間分布情況，包括氣象環(huán)境檢測器,、能見度檢測器,、道路安全設(shè)施、交通信號燈等,；可以任意模型點(diǎn)擊可查看該設(shè)備的基礎(chǔ)信息及監(jiān)控信息,，包括信息發(fā)布內(nèi)容、當(dāng)前氣象數(shù)據(jù),、路況數(shù)據(jù),、車輛收費(fèi)情況、出入口抓拍畫面等；支持以圖表方式展示高速路內(nèi)設(shè)備的數(shù)量統(tǒng)計(jì)信息,、事件告警信息,、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)，以整體視角反映路段綜合運(yùn)行態(tài)勢,；支持以不同效果展示高速公路內(nèi)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),，當(dāng)時(shí)設(shè)備出現(xiàn)告警，系統(tǒng)中設(shè)備通過紅色閃爍的方式提醒,，并快速定位,。主要包括公路環(huán)境實(shí)時(shí)氣象監(jiān)測、氣象精細(xì)化預(yù)報(bào)預(yù)警功能模塊,。針對路面的氣象要素以及極端天氣的短臨,、短期和中期的高空間和高時(shí)間的預(yù)報(bào)和預(yù)警信息展示。提供對全線氣象狀態(tài)信息不同時(shí)間維度（年度,、季度,、月度、周,、日,、小時(shí)等）的綜合統(tǒng)計(jì)和對比分析的展示。通過公路上建設(shè)的視頻監(jiān)控設(shè)施,，對重點(diǎn)路段,、事故易發(fā)地,、大橋進(jìn)行視頻監(jiān)控,。依托可視化地圖平臺，實(shí)現(xiàn)基于可視化地圖的道路,、路況,、設(shè)施的宏觀及微觀的信息瀏覽；通過設(shè)備監(jiān)控,，了解道路通行狀況并發(fā)布出行信息,；對沿線設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)集成視頻事件分析,、基礎(chǔ)設(shè)施檢測等系統(tǒng)的事件信息,，在三維場景中直觀展示高速公路內(nèi)所有重點(diǎn)事件的分布，并根據(jù)告警級別進(jìn)行提醒,；基于告警等級,、告警類別實(shí)現(xiàn)分類統(tǒng)計(jì)，并提供告警統(tǒng)一管理面板,，基于告警面板可實(shí)現(xiàn)不同告警設(shè)備,、路段的快速調(diào)取；系統(tǒng)集成應(yīng)急預(yù)案,，可在告警發(fā)生時(shí)基于告警類型快速調(diào)取預(yù)案流程,，輔助調(diào)度指揮管理；可基于空間算法對事件發(fā)生地點(diǎn)周邊的攝像頭快速調(diào)取,，聯(lián)動查詢事故發(fā)生現(xiàn)場的具體情況,；支持以圖形化方式對特定區(qū)域的各類事件信息數(shù)量并進(jìn)行同比、環(huán)比分析展示,，輔助管理人員分析區(qū)域路段運(yùn)行趨勢及制定優(yōu)化策略,。（八）應(yīng)急聯(lián)動數(shù)字孿生通過對接基層人員、設(shè)備（巡檢車,、保障車等）的定位裝置,，實(shí)現(xiàn)基于地圖的數(shù)字孿生，對事發(fā)地點(diǎn),、人員實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生可視化分布,，并可定位跟蹤運(yùn)營保障車輛位置與軌跡，事發(fā)時(shí)為管理者掌握現(xiàn)場態(tài)勢,、迅速準(zhǔn)確決策,、有效應(yīng)急救援力量提供時(shí)空一體化支撐，實(shí)現(xiàn)智慧高速應(yīng)急救援管理的信息化,、可視化與精準(zhǔn)化,。以數(shù)字孿生的3D可視化技術(shù)為基礎(chǔ)，以可視化,、智能化,、網(wǎng)絡(luò)化、集成化理念為目標(biāo),，以高速公路收費(fèi)站,、生活區(qū)各類建筑、樓宇的智能監(jiān)控（包括道路通行,、安防監(jiān)控,、車輛卡口、車流統(tǒng)計(jì),、能耗統(tǒng)計(jì),、環(huán)境監(jiān)測、業(yè)務(wù)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測,、收費(fèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入,、供電系統(tǒng)、智能通風(fēng),、人員分布,、智能巡更,、智能停車場等各種應(yīng)用場景）為重點(diǎn)，構(gòu)建基于高速公路日常運(yùn)維管理的監(jiān)控,、預(yù)警,、診斷、分析一體化的3D可視化綜合運(yùn)營管理平臺,，實(shí)現(xiàn)日常高速管理區(qū)域的收費(fèi)站,、服務(wù)區(qū)、高速公路,、隧道,、建筑、室內(nèi),、設(shè)備的逐級可視,。（一）一體化平臺，業(yè)務(wù)信息一站式服務(wù)實(shí)現(xiàn)高速公路各收費(fèi)站,、服務(wù)區(qū)涉及運(yùn)行維護(hù)多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息的一站式訪問,，打破原有各類監(jiān)測子系統(tǒng)間的信息孤島，集成各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信息碎片,，聚合在一站式的三維場景展示平臺上統(tǒng)一展示,，為信息聯(lián)動管控打下基礎(chǔ)。（二）數(shù)據(jù)可視化,，實(shí)現(xiàn)高速站區(qū)多形態(tài)數(shù)據(jù)科學(xué)管理依托于3D引擎及渲染技術(shù),，實(shí)現(xiàn)可視化運(yùn)營部署，管控平臺可進(jìn)行豐富的數(shù)據(jù)可視化效果,，包括二/三維地圖效果和多種范式可視化組件,，為高速公路站區(qū)、服務(wù)區(qū)的日常管理,、運(yùn)營的數(shù)據(jù)管理提供多維度的管理范式,，并為數(shù)據(jù)的管理分析提供科學(xué)的管理平臺，提供可參考的管理數(shù)據(jù),，為整個(gè)高速常態(tài)化管理和領(lǐng)導(dǎo)的決策分析提供數(shù)據(jù)支撐。（三）智能化運(yùn)營,，為高速站區(qū)管理建設(shè)賦能系統(tǒng)以數(shù)字孿生為理念,，以三維可視化為特色，以物聯(lián)網(wǎng),、大數(shù)據(jù),、人工智能等新型數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，不斷為高速公路站區(qū)運(yùn)營管理應(yīng)用創(chuàng)新,，能夠面向智能化站區(qū)的方向,，滿足當(dāng)前以及未來可延展的,、面向全域全方位的高速公路建設(shè)，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行全聯(lián)接,，數(shù)據(jù)全融合,、狀態(tài)全可視、業(yè)務(wù)全可管,、事件全可控的智能運(yùn)營能力,，賦能高速公路的信息化建設(shè)，使高速公路管理更安全,、更舒服,、更高效，運(yùn)營成本更低,，規(guī)劃更加有序,、合理。基于數(shù)字孿生的高速公路管控系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)驅(qū)動構(gòu)建數(shù)字孿生框架,，提供車站物理實(shí)體和運(yùn)營過程的全生命周期集成視圖,，通過全要素、全數(shù)據(jù),、全模型,、全空間的虛實(shí)映射和交互融合，實(shí)現(xiàn)高速公路管理運(yùn)營由現(xiàn)象驅(qū)動向數(shù)據(jù)驅(qū)動的巨大轉(zhuǎn)變,，有助于解決目前高速公路智能化運(yùn)營管理相關(guān)問題,，為智慧高速實(shí)現(xiàn)和發(fā)展提供技術(shù)參考。在此基礎(chǔ)上,，應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)差異化智慧高速管控系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)高速公路管理的集中化、人性化與智能化,，從而更好地提升高速公路運(yùn)營管理水平,。[1] 馮仕清,李得偉,曹金銘.基于數(shù)字孿生的智能高速鐵路車站大腦系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì),2020(1):87-92.[2] 楊朝輝,袁苑,阮穎.基于GIS的高速公路管理平臺的研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2015(12):123-124+127.[3] 曾憲堂,嚴(yán)宏偉.海南省環(huán)島旅游公路交旅融合與智慧提升設(shè)計(jì)探討[J].公路,2021(7):382-387.[4] 伍朝輝,武曉博,王亮.交通強(qiáng)國背景下智慧交通發(fā)展趨勢展望[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2019 (4):26-36.[5] 劉慶偉,俞焰.數(shù)字孿生技術(shù)在城市智慧水務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].移動信息,2021(7):1-2.
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