邮政邮件分拣机设计 - 图文

邮政邮件分拣机设计

ABSTRACT

In this paper ,I introduce the use of PLC control technology to achieve E-mail sorting system. Analyzes the mail processing the realization of automation method and process, to design mail automation equipment has certain reference value. Use PLC internal directive realize mail processing technology, the hardware of the additional investment without can obviously improve the E-mail sorting efficiency. With China's economic development and social progress. Mail industry receive unparalleled development. Postal communication network technology content increases unceasingly, technical equipment level also is rising ceaselessly. Mail processing has realized mechanization, and toward automation in that direction. Among them, use the machine automatically sort the mail is an important topic.

Keywords: letters, barcode sorter system, sorting machine, optical character recognition, post office, programmable logic controller.

摘要：

迄今为止，邮局每小时手工分拣1200件信件是非常辛苦的，不仅是劳动密集型工作而且也非常耗时。本文着眼于设计一种基于传送带输送和信件分拣规则的邮政系统使用的邮件分拣机（简称LSM），以便用来取代人工分拣信件的传统模式。这个机器的设计要使得邮政信件分拣非常实用和有效，而且要使错误分拣进箱率达到最小化从而提高正确分拣信件的数量到每小时30000件。其中可编程逻辑控制器（简称PLC）被装置到传感器和驱动器之间，并且通过控制内存中的程序指令使得编程灵活有效。光学字符识别技术（简称OCR）和条码分拣系统（简称BCS）被应用于识别和分辨手工书写、机器印刷和打印的地址和条形码。区域性编码和预定性地址格式被用于增强邮政光学字符识别系统的兼容性。本文力图设计一种用于加纳地区邮局的邮件分拣机来强化邮件分拣以及递送的效果和效率。

关键词：信件、条码识别系统、分拣机、光学字符识别、邮政局、可编程逻辑控制器。

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简介：

古代通讯的渠道有：击鼓、放烟雾、吹号角、吹喇叭和派遣信使，鸽子以及鸡毛信。大多数情况下，这些方式的传送速度极慢，而且受客观因素和人为因素影响，有可以不能准确传达信息发送者的意图，不能准确到过收件人手里，影响办事效率。

现代科技飞速发展的今天，信息传递有了各种各样的快捷渠道，包括电话、手机、信件、互联网的电子邮件、电视、广播、广告牌、杂志、期刊等等。这些通讯媒体能够更加快捷和可靠地传递各种讯息，而信件是一种最为古老的媒体通讯，有着不可取代的重要地位。自从有些东西只能通过邮政被适当和有效地进行中转和传递，信件就再也不能被淘汰和废弃了。到了21世纪，有些国家和地区的邮政信件仍然是用手工分拣。手工分拣的时候，邮政工作人员站在又大又长的工作台前，信件的地址栏都摆放朝着一个方向，然后被分拣成队列进入到不同的地区和城市的信件分放区域。然后把邮件打包起来派送到相关

1.的区域和地区的邮局作进一步分拣和派送。在当地的分拣局，职员们把邮件放在分拣格架里，大约每小时能够分拣1200件。这种模式很耗费和拖延时间，客户会因为延迟收到信件而耽误很多事情，甚至造成重大经济损失。还有些信件在分拣的时候就丢失了，而且耗费大量人工和工资。换而言之，这种模式完全不能够保证准时递送。那时的模式虽不算落后之极，但肯定有改进的必要，设计更好的分拣程序，提高信件分拣机构效率，节省人工。

邮政公司发展及现状

信件是相隔较远，一定时段不能见面的人们相互交流情感与思想的工具。亘古以来，自有了文字，书信也就应运而生，古代寄书信叫邮绎，世界各国的人们相互之间利用书信来沟通的。书信在人类的交流与沟通的历史上占有重要地位。在手机，电话与电脑这些简单快捷的交流工具遍布全球的今天，仍有一部分人情愿使用书信来互通信息。当在电话或电邮不能详谈的情况下，人们更愿意通过邮局寄信件（文字，图片，以及数据资料）。中国邮政成立几十年来，2007年中国邮政集团挂牌，从单一的信件电话电报服务，发展到多种综合性服务，该公司开始在商贸、就业、支持政府机构和国家税收等领域就显得非常重要。由于按时递送商业信件相对简单，于是很多新的公司也开始

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投资来运作这些业务。作为对国际化邮件递送和特别高效地递送合同与商业信件的补充，特快专递（简称EMS）出现了。他们的任务就是提供快捷、高效、可靠、安全的通信和金融服务以及向国内外客户提供有竞争性费率的产品。

邮政公司的邮件分拣现状：

当下的邮件分拣，信件被围在开放式大桌子的上面由邮政系统的职员们进行手工分拣。人工分拣比较标准的分拣数量是每分钟20件。按这样计算，每小时分拣大约1200件邮件。信件箱整合为隔架或者隔区。每个隔区或隔架容纳100个信件箱来做简单的隔离。隔离是一种术语，用来描述把信件分拣到隔架或隔区里而不需要考虑最终的信件箱。这种模式同样也被称为初级分拣或重置整理。另外，为了防止重复使用邮票的邮票盖销机，也因为邮票价格变动太快，目前已经不再使用了。因为盖销机被设定或者编码为标准的价格标注模式，而价格的变化则不能被员工所操作，也因为极少有人愿意做那样的工作。因此，邮票盖销工作就主要由人工完成。邮件盖销涉及到往信件上打上一个标记，其中包含邮局名称、国家、地区、年、月、日等信息，表明该信件已经被盖销了。

图一：邮票盖销

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图二：邮票售票机

2传统的邮票售票机，它用于当邮局关门的时候。钱放进机器以后，邮票就会出来。这种机器已经不再使用了，因为它只能操作于投入固定金额的硬币而对纸币一点也不敏感。结果，这些机器就变得毫无用处。因此，邮票就只能在工作时间里被购买和销售。

自动售票机PLC简单原理：8P L C是以C P U为核心,综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置,是现代工业控制的三大支柱(P L C、机器人和C A D/C A M)之一。11P L C的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的,可以简单地表述为在系统程序的管理下,通过运行应用程序完成用户任务。但是P L C也有它自己的特点,P L C在确定了工作任务,装入了专用程序后成为一种

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专用机,它采用循环扫描工作方式,系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。

图三：邮件在邮局的活动循环

信件的流程：

一封信在送达收信人之前的处理过程被捕捉到信件的流程中（图4）。信件在寄信人所在地被以外发邮件的形式拿走，然后以收入信件的形式送到收信人所在地。信件上贴有购买的正确金额的邮票后，就有资格通过邮件工作流程。寄信人把贴好邮票的信件放进邮筒里，这些邮件随后被送到邮政局的印戳桌上进行盖销，然后开始执行分拣工作派发到各个城镇的区域箱。接下来，信件被放入贴上标签的袋子里，然后放进邮车。3当邮车到达目的地，信件就从袋中取出来放到桌上。初级分拣完成后就被重置到隔架里。第二次分拣就开始登记信件到信箱。因此，一封信的流程始于邮筒而终于信箱。

图四：人工分拣循环和信件递送

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图五：邮局分拣间

本文的目标首先是为区域性邮政局设计一种信件分拣机来促进信件正确分拣的数量提升并且改善信件有效及时递送。其次，提供一种供公众监督评选的原型设计。4这个设计应用了光符识别器（OCR)来读取和编码手工书写和机器印刷或者打印的地址制成条形码。高速条码分拣机读取条形码信息并且关联到可编程逻辑控制器上（PLC）来关联打开正确的分拣闸口。比较起每小时手工拣选1200件信件，这个设备每小时就能完成分拣超过30000的信件数量。

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研究区域：

研究区域中国，是一个物产和资源丰富的亚洲发展中国家，面积九百六十万平方公里，人口十四亿，最近二十年经济上突飞猛进，通讯事业日新月异。

拿2015年一月到十一月来说，邮政函件业务累计完成42.4亿件。包裹业务累计完成3919.5万件；报纸业务累计完成171.9亿份。可见中国的信件分流量如此之巨大，需要一系列高效信件分拣机来分件完成才能适应当前通讯速度。 研究定义：

信件分拣机（LSM）是一种能够将信件分拣进箱或者其他装载容器的设备。

8简单地说：在信封背面印上答题卡式的格子，格子对应不同的数字，按照发信地和收信地的邮编涂黑相应的格子。邮箱里安装读取器（类似答题卡辨识机器），将信按要求投入邮箱。读取器辨识信封背面的信息，自动按地址分类。这样就可以实现邮件分拣工作的自动化，大大减少邮局处理邮件的工作量和时间。

系统开发条件 10邮件分拣机必须满足以下所述条件：

1.必须是220V-240V , 50Hz电源供电，有持续操作能力，须能通过电脑可编程逻辑控制器,必须实现每小时30000件分拣量。

2.必须能检测邮票，拒绝和驳回非有效邮件，传送和排列信件，收集和分拣信件入箱，和对分拣邮件进行计数。

3.必须读取和对地址在基于控制程序而进行的分拣组合以及加载到设备内存中执行分拣指令，同时也要满足硬件和电脑软件编码。 4.有基于OCR的可视识别系统，以及BCS条形码系统和反向光电传感器的邮票检测器。

5.传感器通过PLC与相应的执行器联动。 6.必须是一体化或半一体化装置。

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机器部件和配置：

邮件分拣机是包含了机械、电气、电子、光学、传感、软件和电动机械驱动的实体整合。同时也包括，传送皮带，托辊、皮带轮，和轴组合的机械部件，控制变压器，电机和电气部件开关。同时也有可编程逻辑控制器（PLC）和电子计数器，光符识别器和条形码分拣系统。有光电传感器和接近开关。电子驱动部分有电动机和气动线性执行器。

机械部分

邮件分拣机的机械部分由传送带，托辊，皮带轮，轴和直线机械装置组成。

选择传送带

传送带是包括了机械和重力操作带或滚轮，在邮政汽车与交付平台之间，或者在邮局内一个地方转移到另一个地方，用来传送邮件的机械。潮式输送机是邮件传送系统的一部分，控制着潮涌并让所有的邮件依次保持匀量输送。不论如何，邮件分拣机就是一个包含了决定每个邮件卸下的地方的输送记忆的信件运输设备。

为既定任务选择传送带的时候，要考虑很多重要因素，从经济上要考虑成槽性皮带轮直径和平面，支架、抗冲击性，外壳 等等。

选择托辊

知道了皮带宽度和速度，就应该考虑以下方面内容：

服务类型（也就是操作环境），传送机整体预期寿命，每天操作时间，物资特性，物资重量，物资类型；皮带速度（高、中、低）；托辊类型、通过性、传输性、平行带、回流带、缓冲托辊。最后，实际托辊负载按下列公式进行计算：

(IL) =（Wb?+ Wm）Si Wb = Belt weight, kg/m 皮带重量， Wm = Material weight kg/m 物资重量 Si = Idlers spacing, m 托辊间隙

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选择皮带轮

皮带轮的选择需要考虑以下参数：例如：滞后轮，重量、滞后焊接钢皮带轮、旋转端凸面皮带轮、滑动滞后皮带轮、滞后翼轮 等等。

轴的选择

选择圆轴应根据负载保护来计算轴的直径。 那么，组合了转矩和弯曲度的驱动皮带轮圆轴直径的计算公式为：

Kt = 扭矩保险系数 D = 轴的直径, m

Pt = 轴材质允许的剪应力, Pa Kb = 弯曲保险系数 Mb =挠矩, kgm Mt = 扭矩, kgm

非传动皮带轮圆轴直径公式为：

Pb： 是圆轴材料允许应力的两倍（Pt）， Pa 功率（P）,作为传送带驱动所需值，按下列公式：

Te 是皮带的有效张力，N

常数4.2是基于3%松弛的因数，Si 是托辊间隙，m

有效皮带张力是皮带由于外力作用而拉伸的总量，比如：传送带部件的摩擦阻力，驱动和设计运力操作下的各个部件。

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摩擦阻力是当物资连续不断地从槽口或被人工放到传送带上，被传送的物资在重力载荷作用下升高或者降低时产生的。

选择驱动要素

12c电机的选择、驱动的选择、设备类别的选择等参数及相关知识，以及直流驱动特性和交流驱动特性等信息，都能帮助我们了解和选择适当的驱动设备。

电机的选择

影响选择传送带电机的参数有：启动特性、电源类型和电压、扭矩速率变化、可逆性、工作周期、启动扭矩、整机功率、工况环境、特殊用途条件（比如：传送带是否倾斜等）。 电机的选择需要考虑以下内容：

i启动扭矩

意思是在速度为0的时候所需的扭矩。为了系统自启动，电机必须产生足以克服摩擦力和任何载荷的扭矩。串联配置提供了低速下直流电机的最佳的扭矩。

电机的加速和迅速加载的公式为：

a=角加速度/S2 Tmotor=电机扭矩 Tload=负载扭矩

J=电机惯性极矩和负载

确认恰当的启动容量（载荷）：

启动加速期间，锁定转子扭矩必须约两倍于需要提升物资的扭矩和克服总体配置的供电不足。对于全速运行功率需求扭矩，电机的扭矩曲线不能降到锁定转子扭矩线以下。电机的额定功率需要至少等同于传送带的功率除以所有驱动部件的效率。

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信件分拣规则和操作模式

邮件加载到可拆卸的送料机，随后邮件被空气吸附送料机提取，需要避免送料期间的损坏。邮件经过邮票探测器后完成初始分拣。合格的信件掉落到主传送带后经专门分拣后装箱。不合格的信件被驳回，随后被放置到驳回箱。

邮票探测器

光电传感器用光束来检测物件到位或缺少。这个技术是一个理论上当所需感应距离更远或非金属感应物儿选择来接近感应物件。这个设备包括了红外线发光二极管和光电晶体管（PNP或NPN）他们被并排装置在一个黑色塑料罩里面的平行轴上面。

发光二极管和光电晶体管都是传递红外线，用来降低背景光杂音。当反射光线投射到视野范围内时，光电晶体管仅仅回应发光二极管（LED）的信号。

图十二：光电感应器

光电感应器

有效的光电感应是具有偏振向后反射，标准扩散，透射光线光导纤维，背景抑制和明确对象的模式。邮票作为邮政服务的付费被贴在或者自粘贴在邮件上的。邮票种类包括：限额邮票（常规发行邮票），

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特殊发行邮票和纪念邮票。

信件经过的时候，扫描仪发出侧向光照在信件上，这样就以光亮/阴影的图案呈现出锯齿状。扫描线通过光电传感器上的物镜来投射。与可调基准模式图案相比较，传感器的类似输出信号会受到位流图案的缩小和数字化的影响。扫描窗的终点，邮票检测器就会判断邮票“检测通过/驳回”并且正确的信息被输出到外部数据处理的机器接口。贴在邮资区域的打印的编码可以代替邮票也能被检测到。

初始分拣，驳回传送带和驳回箱

25通过了邮票检测器（后反射类型的光电开关）就被送上主传送带送走。邮票检测器被装在传送带上，有一定公差范围内和固定高度。合格的信件在邮票检测器的下方经过，也不产生信号。不合格的信号则相反。当不合格信件被检测到就会激活螺线管并带动鼓风机把信件吹到驳回传送带从而转移信件到驳回箱。驳回箱则是放置在分拣机的清扫方向或者类似机械及处理不合格邮件的容器，26比如：分类架。驳回控制是由贮存在PLC内存中的指令来执行的。也可以选择使用磁铁平行传送带的方式来实现信件驳回。

图13：磁性平行传送带初始信件分拣

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信件上的邮票由磁性材料制成。通过磁性平行传送带时，对每个信件分拣循环分别进行加磁和退磁。初始分拣的时候，含有正确邮票信息的信件被吸引到磁性平行带上同时，那些没有邮票或者虚假邮票的信件则会作为不合格信件，被放进驳回箱。

27当合格信件滑落下去，就会被退磁系统做退磁处理，因此信件就掉落到主传送带上，开始主分拣处理。光符识别器（OCR）扫描信件大小邮件的地址，确定区域编码，转换信息为邮政数字编码技术条形码（POSTNET）.OCR随后打印递送点条形码在较低的位置，这个位置被称为条形码清除区。在这一点上，邮件通过利用高速条形码分拣机（BCSs）读取和释读条形码。28cBCSs的输出就送到PLC来关联气动设备操作，从而打开正确的闸口。气动设备打开正确闸口的PLC反馈信号通过启动装置上的感应器来达成。

根据分拣程序的选择和条形码信息，信件按照线路进入目的箱。每一个目的箱依靠可视显示按照计数器设定的数字被装满。

系统配置和功能分析

图11，信件分拣机可以像图14一样被系统化分为5个模块，分别是：29输入模块，传输模块，连接模块，输出模块和显示记录模块

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输入模块包括一个输入单元、邮票探测器、队列定位器、初始分拣传送带、驳回传送带和箱。输入单元是可拆卸式送料机装置到通过空气吸附邮件送料机械来加载和提取邮件并且避免送料期间的损坏。

初始分拣传送带是用来从不合格信件中区分合格信件的初始分拣处理。当一个惰轮或者皮带轮分拣处理中产生了偏移，就会出现错误（预设位移和反馈之间的差异）。这个错误就用来实现根据闭环位置控制的调节。

输送模块包含了主传送带系统，队列定位机械和导向器。信件被送上主传送带交付给其他分拣活动。队列定位机械用来确定邮件的方向对于地址识别是否正确。未对齐的信件会被对应调整到整齐的位置。输出模块由信件收集机械，气动设备，闸口，计数器和箱子或堆叠机组成。

所执行的任务都在监视器上显示出来，并且这个信息在信件分拣诸多循环的最后被打印出来。

计数器告诉我们装进箱子里的信件的数量。信件从相应打开的闸口掉落后就进入到箱里。闸口是通过气动装置和感应器连同工作来实现的

30连接模块包含了带有编程设备的可编程逻辑控制器（PLC）、保护和控制电路。PLC从感应器和释读内存控制程序中的数据来接收信号。然后与对应的执行器进行交流和下一步操作。PLC是用电脑来编程的。电脑包含了显示器，中央处理器，键盘和打印机。线路的电压，配电，辅助电源，接通控制，及其工作时间的计数器，火灾烟雾探测器和点击控制等功能合并成的主开关和指示灯组成了保护电路。控制电路是为接下来的三个主模块和PLC的进一步连接起到作用。

结论和建议

结论：地区性的邮件分拣及设计已经研制出来，这个机器将会帮助引导本国当前耗时间，耗人力的信件分拣的变革实现邮件的按时交付。此外，分拣机将比人工分拣更加切实高效。

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建议：

根据以上结束语和未来下面可能被提上台面的建议内容这个设计应该提交给官方邮政系统做评审，以便该公司（系统）再创辉煌。并且需要制造出邮件分拣机的原型机。为了应对价格变化，应该设计一种能够兼容编码通用货币的邮票售票机，而且要能够全天候使用。应该对市民们宣传和培训这种邮件分拣机的设计。还应该设计迷你型的这种邮件分拣机来满足辖区邮局。

参考文献：：

1- Groover P. J. 1999. Automation, Production Systems and Computer-Integrated Manufacturing. 2nd Edition. Prentice Hall. ISBN 9780130889782.

2- Bhaskar Raj A. S. 2001. Bar Codes: Technology and Implementation.

3- Tata McGraw Hill Publishing Company Limited, New Delhi. ISBN 0-87201-038-4.

4- www.ebizguides.com/guides/sponsors/alone.phpsponsor 238 and country=2-20k

5. PLC原理及应用技术（曾令琴）[M].北京：人民邮电出版社，2011 2.2.2

6. 电气控制技术与PLC（许世许 王美兴）[M].北京：人民邮电出版社，2012 7. PLC控制技术基本功（罗敏）[M].北京：人民邮电出版社，2013

8. 自动售货机PLC控制系统的设计（赵红梅）[M].工程技术.2009

9. 可编程控制器原理与实践教程（王整风）[M].海交通大学出版社,2007.1，第一版

10. 现代电气控制及PLC 应用（王永华）[M].北京航空航天大学出版社，2007.6 11. 可编程序控制器原理及应用（吴中俊、黄永红）[M].机械工业出版社，2008.8 12. PLC Principles and application [M].Prentice-Hall Inc. 2008.5 13. Mail sorter http://en.wikipedia.org/wiki/Mail_sorter 14. More than a sorting machine [J].Products and services 61.

15. Systems at work http://postalmuseum.si.edu/systemsatwork/1968.htm 16. Portable PLC and applications Trainer AL-PLC-APPS-P-CP1E MP-Scientific Automation laboratory

17. Mechatronic systems control based on [J].Automatic Control and Robotics 18. scada system,opc server and labview Vol.10,NO2,2011,PP.189-198[[

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19.

Designing of a letter sorting machine for the regional post offices in Ghana [J].arpn journal of engineering and applied sciences .vol.4,NO.6,AUGUST 2009. 20 Royal mail holding plc [J].adam crozier chief executive 10 december 2009. 21 A guide for letter envelope design and clear addressing [D].royal mail group ltd 2010.

22. Are you ready for mailmark TM? [J].mailmarkTM conference 10th October 2014. 23基于S7-200PLC的邮件分拣监控系统研究[D].卢满春.常熟理工学院.2012 24.

电子技术与EDA技术课程设计（郭照南）M].中南大学出版社，2010年 25实时服务可编程序控制器教程（王兆义）[M].机械工业出版社，2007.7 26可编程序控制器原理及应用（吴中俊、黄永红） [M].机械工业出版社，2008.8 27邮件分拣系统的PLC组态设计

（陈龙 冼顺英）[J].南方职业教育学刊，2013（7）

28 PLC教程-原理·应用·设计·实验（程立英 野莹莹 彭泽波）[M].北京：人民邮电出版社，

2011

29. 跟我动手学FX系列PLC（廖常初）[M].北京：机械工业 30. 现代电气控制及PLC 应用（王永华）

[M].北京航空航天大学出版社，2007.6

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19.

Designing of a letter sorting machine for the regional post offices in Ghana [J].arpn journal of engineering and applied sciences .vol.4,NO.6,AUGUST 2009. 20 Royal mail holding plc [J].adam crozier chief executive 10 december 2009. 21 A guide for letter envelope design and clear addressing [D].royal mail group ltd 2010.

22. Are you ready for mailmark TM? [J].mailmarkTM conference 10th October 2014. 23基于S7-200PLC的邮件分拣监控系统研究[D].卢满春.常熟理工学院.2012 24.

电子技术与EDA技术课程设计（郭照南）M].中南大学出版社，2010年 25实时服务可编程序控制器教程（王兆义）[M].机械工业出版社，2007.7 26可编程序控制器原理及应用（吴中俊、黄永红） [M].机械工业出版社，2008.8 27邮件分拣系统的PLC组态设计

（陈龙 冼顺英）[J].南方职业教育学刊，2013（7）

28 PLC教程-原理·应用·设计·实验（程立英 野莹莹 彭泽波）[M].北京：人民邮电出版社，

2011

29. 跟我动手学FX系列PLC（廖常初）[M].北京：机械工业 30. 现代电气控制及PLC 应用（王永华）

[M].北京航空航天大学出版社，2007.6

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kfh5.html