基于改进SLP的铁路物流中心功能区布局方法_冯芬玲

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第3第2期         中国铁道科学3卷, 2012年3月         CHINARAILWAYSCIENCE      

)0文章编号:10014632(20122012108---

March,2012 

Vol.33No.2 

基于改进SLP的铁路物流中心功能区布局方法

冯芬玲,景 莉,杨柳文

()中南大学交通运输工程学院,湖南长沙 410075

摘 要:根据铁路物流中心业务流程及各业务间的关联性,将物流中心划分为基本功能、增值功能和辅助功能三大类12个功能区;通过对影响功能区布局因素的定量化分析,用数学方法对系统布置规划(SLP)方法进行改进;按照改进的SLP方法,根据物流中心各功能区之间物流相互关系和非物流相互关系的密切程度,建立功能区综合相互关系表;据此在铁路装卸线位置固定、各功能区布局不相互重叠、各功能区的边界不得超出物流中心规划区域、物流中心出入口只能设置在物流中心规划区域的边界上等约束条件下,构建总搬运费用最小和总的综合关系最大的目标函数,然后经归一化处理得到功能区布局方案最优的单目标函数,运用遗传算法求解,从而得到科学、合理的功能区布局方案。算例验证了该方法的合理性和有效性。  关键词:物流中心;功能区;布局优化;站场设计;铁路运输291.51  文献标识码:A   中图分类号:U

:1/doi0.3969.issn.10014632.2012.02.21-j

面对激烈的货运市场竞争,铁路货运站发展成为铁路物流中心是铁路货运站发展的必然趋势。因此开展铁路物流中心的规划和设计研究,以使铁路货运站尽快融入现代物流产业中显得尤其重要。

由于物流中心建设耗资大,且存在一定的投资风险,所以应保证物流中心建设的科学性和合理性,避免由于规划设计不合理而造成物流设施频繁改建、扩建,或者设施设备闲置而造成浪费。物流中心的规划应该在满足客户需要的服务水平以及规划物流中心的客观限制条件的前提下,尽可能降低物流中心的建设成本和运作费用,提高作业效率。

题,当问题达到一定的规模,计算量会随着问题规模的增加呈指数爆炸性增长。目前用于求解布局问

]1112-

、智能算法(题的算法主要有启发式算法[遗[]1316-

、计算传算法、模拟退火算法、蚁群算法等)

机仿真等。其中的智能算法由于在求解复杂问题时显现出良好的求解特性,因此在求解布局问题时被广泛采用。

本文在充分考虑铁路物流中心功能的基础上,合理划分铁路物流中心各功能区;以SLP法为主并与数学方法相结合,建立各功能区之间的综合相互关系;以铁路物流中心各功能区的物流成本最低、各功能区的综合相互关系最大为目标,建立数学模型;利用遗传算法出色的寻优性能进行求解,得到铁路物流中心的最佳布局方案。

1 研究现状

目前国内关于铁路物流中心的研究多集中于物

1]2]

、单一物流中心选址[流中心运营模式理论[以及

]34-

传统货运站向现代物流中心转化的定性[等方面,

2 铁路物流中心功能区布局方法

2.1 铁路物流中心功能区划分

铁路物流中心是一种毗邻铁路货运站并主要依托铁路运输方式的物流中心。主要从事铁路运输过程中所有发生的物流活动,包括货物的承运、配送、储存、运输和交付等。参考国内外物流中心功能区的设置,通过分析铁路物流中心的作业流程及

而对于铁路物流中心布局问题的研究较少。求解布

]56-

、系统布置规局问题的方法主要有数学模型法[

[]78-,S划法(以及SstematicLaoutPlanninLP)  yyg

]910-

等,其中S计算机仿真[LP方法由于综合考虑了

定性因素和定量因素,因此近年来应用较多。另外,求解布局问题已经被证明是非线性的NP难问

;修订日期:201110170111218 收稿日期:2----

);教育部中央高校基本科研业务费专项资金()2010X0142010QZZD021 基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(

,女,河北邯郸人,副教授,博士。1973—) 作者简介:冯芬玲(

122

中 国 铁 道 科 学                  第33卷

各项作业的特点,可将铁路物流中心划分为基本功能、增值功能和辅助功能三大类12个功能区。2.1.1 基本功能及其功能区划分

/根据《物流术语》(GBT18354—2006)的定 义:物流是物品从供应地向接收地的实体流动过程。这一过程是运输、储存、装卸、搬运、包装、流通加工、配送、回收和信息处理等功能的有机结合。但由于其中的运输和配送功能均发生在货物从物流中心内部向物流中心外部流动的动态过程中,而装卸功能则在各个作业环节中都有发生,所以对这3种基本功能不设置专门的功能区。

()理货区。主要负责点货、理货、拣货、分1

类、集货、验货、配货等作业。货物运达铁路物流中心后进入后续流程前的先期处理、货物即将从铁路物流中心出去前的先期处理都在该功能区完成。

()流通加工区。主要负责对一些初级产品进2

行二次加工、零配件组装成产品等的加工作业,以及产品包装、运输包装、流通包装、打印条码等作业。

()仓储区。主要负责货物的仓储管理。根据3

货物的种类、运输形式及其存储条件,又可将仓储区细分为仓库、散货堆场、集装箱及笨重货物堆放场等。其中仓库又有常温仓库、冷藏仓库、冷冻仓库、立体仓库和保税仓库等之分;散货堆场主要用于堆放散装货物,如木材、钢材、石炭、矿石等;集装箱及笨重货物堆放场主要用于集装箱空箱和重箱的码放、拆箱和修箱作业以及笨重货物的堆放等。

2.1.2 增值功能及其功能区划分

物流中心除了为客户提供物流的基本功能服务外,根据客户需要还提供产(商)品交易和展示、卡车停放及车况信息查询、商检、金融保险等各种具有增值功能的服务。

()交易展示区。为供需双方提供产(商)品1

交易和展示的平台以及市场供需信息的平台。)卡车停车场。主要用于联运和配送货物的(2

车辆停靠;利用物流中心自身的信息优势,为货主和卡车司机双方提供运输供需的信息。

()办公服务区。主要负责物流中心的行政及3

业务管理和招商引资服务,提供物流调度和物流咨询,以及一关三检、工商、税收、银行和保险等配套服务。

2.1.3 辅助功能及其功能区划分

一个规划完备的铁路物流中心除了需要具备基

本功能和增值功能外,还需要有后勤和生活服务的辅助功能。

)后勤保障区。主要为铁路物流中心提供治(1

安、水电、管道、消防、绿化、废弃物回收处理等后勤服务。

()生活服务区。安排物流中心员工的休息和2

餐饮等,并对外提供车辆维修、加油、餐饮、住宿、商业等综合服务。

()绿化区以及铁路物流中心储备用地和道路3

规划用地等功能区。

)虚拟功能区。铁路物流中心内的交通设施(4

(道路以及物流中心的出入口等)和外部交通设施(铁路装卸线)与各功能区联系紧密,通过合理布局可以缩短货物在物流中心内的运输距离,节约运输费用,并方便各功能区之间工作人员的联系,提高工作效率。因此将物流中心内的交通设施和外部交通设施分别划为铁路装卸线、物流中心入口和出口3个虚拟功能区。2.2 SLP方法改进

1961年美国的理查德·缪瑟运用系统分析方法和系统工程的概念,开创性地提出了系统布置规——S划方法—LP,并且近年来较多被应用在布局中。但是用SLP方法解决布局问题时容易受布局规划者主观因素的影响,使得得到的布局方案因人而异,并且还需要进行繁琐的手工调整才能符合实际要求,尤其是在分区较多的时候,调整的工作量极大。为此本文针对SLP方法的不足之处加以改进:在得到功能区综合相互关系表后,摒弃传统的人工调整方法,采用数学方法,由货物在物流中心的搬运费用与综合相互关系共同构成目标函数和约束条件,采用遗传算法求解最优布局方案。改进的SLP方法的具体步骤如图1所示。

LP方法首先分析物流  由图1可知,改进的S

中心各个功能区之间的物流相互关系(各功能区间各功能区间人员联的物流量)和非物流相互关系(

系的便捷性)的密切程度,据此建立功能区综合相互关系表;然后以功能区综合相互关系最大和功能区之间搬运费用最小为目标建立物流中心布局问题的数学模型;在实际约束条件下采用遗传算法对模型进行求解,进而得出最佳的物流中心布局方案。2.3 铁路物流中心布局问题数学模型2.3.1 模型构建

)目标函数1

假设铁路物流中心的功能区布局为共平面;物

第2期              基于改进SLP的铁路物流中心功能区布局方法

123

流中心的规划区域及各功能区的形状为矩形,且功能区的边分别与物流中心总布局坐标图的X轴和;铁路装卸线作为物流中心既见图2)Y轴平行(

有交通设施,由于位置是固定和不能变的,所以作为数学模型中的固定约束;(xxyyi,i)和(j,j)分别为功能区i和j的中心点坐标

Ti与j之间的综合相互关系yyi-ij为功能区j;

值,它是综合考虑了功能区i与j之间物流关系和非物流关系的密切程度后确定的;bi与ij为功能区,由d功能区之间的接近程度)j之间的邻接度(ij转化得到,其取值见表3。

将上述多目标函数转化为单目标函数。考虑到

)和式()的量纲不同,为统一量纲,故加式(12入归一化因子μ1和μ2,由此可得到单目标函数为

n1-

inZ=μd  mωf11iiijjj-∑∑c

ii1=1j=+n1-

bω22ijjμ∑∑Ti

ii1=1j=+

()3

其中,  μ1=

n1-

ijij

max

∑∑cfd

ii1=1j=+

μ2=

图1 改进的SLP

方法步骤

n1-

ij

∑∑T

ii1=1j=+

式中:ωω1为货物搬运成本项的权值,2为综合相关度项的权值,均通过专家打分法获得,且ω1+1;dmaω2=x为物流中心规划区域长边与宽边的长度之和。

假定在物流中心规划区域内对呈矩形的功能区进行布局时有横倒和竖立2种放置形式,则设ci和c-1j分别为功能区i和j的定向变量且均为0变量,即为0时表示横倒放置,为1时表示竖立放置。

)约束条件2

)还必须满足下述约束条件。实现式(3)不重叠约束。两相邻的功能区不得相互重(1叠,即

xi-xj≥

hc1-c+ii+wi(i)2

]hc1-c+pijj+wj(j)j[

wc1-c+ii+hi(i)2

]wjc1-c+pij+hj(j)j

图2 功能区布局坐标示意图

以功能区布局方案最优为目的,分别建立物流

中心货物搬运成本(Z1)最低和功能区之间总的综合相互关系(Z2)最大的目标函数,即

n1-

ijijij

()4

yi-yj≥

inZ  m1=axZ  m2=

∑∑cfd

ii1=1j=+n1-

ijij

()1()2

式中:hi和hj分别为功能区i和j的水平边长度,

∑∑Tb

ii1=1j=+

wi和j的垂直边长度,pi和wj分别为功能区ij为功能区边界之间的最小间距。

()功能区边界约束。各功能区的边界不得超2

出物流中心规划区域,即功能区i的中心点坐标(xyi,i)必须满足

式中:i和j为功能区的编号,且in为功能区≠j;

数量;cij为由功能区i到j的单位距离搬运成本;

i和j之间的日均物流量;dfiij为功能区j为功能区i与j之间的曼哈顿距离,即dxii-j=xj+

124

中 国 铁 道 科 学                  第33卷

11iii(i)iii(i)i≤H-≤x

22

wc1cwc1ciihi(i)iihi(i)

i≤W-≤y

22()5式中:H和W分别为物流中心规划区域水平边和

垂直边的长度。

()固定约束。由于铁路装卸线功能区在物流3

中心规划区域内的位置是固定不变的,在该功能区内不能布置其他功能区,即

适应度函数值是运用遗传算法进行“优胜劣汰”的依据。本文定义适应度函数为)=i  f(其中,)=i  g(

)ig(

minZ+ue

()7

y-y

xh-pi-xi+hij-j)j

)+

w+w)-(-p2)

ij

式中:c为一个较大的常量,u为罚函数系数,均

hwhwiiii

,;,xyy  xi-i-i+i+0D12222

()i≠106     

()

根据具体情况选取。

3 算例验证

3.1 参数确定

某地区计划建设1个铁路物流中心,规划用地

,规划用地呈矩形,H=8面积323000m50m, 

其中,D10为铁路装卸线功能区的范围,可表示为

hh1010

x10-10+≤x≤x

22

(  y

10

)(w-y≤y≤(2)

10

10

w+

2)

10

()物流中心出入口约束。物流中心的出入口4

只能设置在物流中心规划区域的边界上,即出入口,;或者中心点的坐标只能为x0,H]yk=[k=0

,;或者x,x0,W]0,H]yyk=0k=[k=[k=W;

。或者x0,W]yk=H,k=[

另外,若铁路装卸线紧邻物流中心规划区域的某条边界时,不考虑在该边界上设置出入口。2.3.2 模型的遗传算法求解

)染色体设计1

染色体由基因串组成,基因的设计形式为(。xcyi,i,i)

)初始化操作2

初始种群采用随机方式生成,每组初始解必须满足不重叠约束和功能区边界约束。

)选择、交叉、变异3

采用轮盘赌方法进行选择,使性能较优的个体以更高的概率生存,辅以最优保存策略,将当前群体中适应度最高的个体与下一代适应度最高的个体进行比较,若此个体适应度值大,则自动进入下一代种群;采用多点交叉,根据交叉概率Pc随机从[1,L]中选择1个正整数作为2个父代染色体配

,在交叉位置对对的交叉位置(L为染色体个数)2个配对的父代染色体互换基因并进行标准变异操

作,按照变异概率Pm随机选择其中1个基因位,用[0.9a,1.1a]内的随机值代替该基因位的当

。前值(a为基因位的当前值)

)适应度函数4

W=400m;铁路装卸线与规划用地长度方向平行

且紧靠规划用地边界内侧。参考国家建筑用地规范,以及对该物流中心各功能区的规模及作业流程等的分析,得到各个功能区需求面积,见表1。

表1 铁路物流中心各功能区需求面积

编号123456789101112

功能区名称理货区   流通加工区 仓储区   卡车停车场 交易展示区 办公服务区 后勤保障区 生活服务区 绿化区   铁路装卸线 物流中心出口物流中心入口

2需求面积/m

长/m125 100 500 125 40 100 100 150 100 750 2 2 

宽/m10080250100205090100100201.51.5

12500  8000  125000  12500  800 5000  9000  15000  10000  15000  

3 3 

铁路装卸线作为既有设施,假设其中心坐标为(,则铁路装卸线功能区范围可表示为400,20))。D125≤x≤775,10≤0y≤30=(

根据物流中心及铁路货场道路规划的相关规定,得到各个功能区边界之间最小间距pij的矩阵

P和各功能区之间日均物流量fij的矩阵F,以及各功能区之间单位距离搬运成本cij的矩阵C分别),式()和式()。见式(123

为简化计算,本文按照物流关系与非物流关系同等重要考虑,即功能区i与j之间物流关系和非物流关系的密切程度(见表2)相同,因此功能区

i与j之间的综合相互关系亦可按照同样的密切程

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125

07127777771277

         7 0 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7122 7 0 7 7 7 7 7 7 1 7 77 7 7 0 7 7 7 7 7 7 7 77 7 7 7 0 7 7 7 7 7 7 7

P=

7 7 7 7 7 0 7 7 7 7 7 77 7 7 7 7 7 0 7 7 7 7 77 7 7 7 7 7 7 0 7 7 7 77 7 7 7 7 7 7 7 0 7 7 7122 7 1 7 7 7 7 7 7 0 7 77 7 7 7 7 7 7 7 7 7 0 777777777777008100000 5 0 0 0 0 0 7 4 0  00 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 000550 2 0 4 0 0 0 0 0 4 0 0205000 1 2 0 0 0 0 0 0 0 4 10

F=

00000

000000

000000

000000000000000000000000000000000000000000

000000

000000

()2()1

2070 1 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0

3500 1 0 4 0 0 0 0 0 0 0 00.00.07.05.03.04.05.05.05.05.09.05.05 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00.07.00.05.05.05.05.03.05.05.05.05.05 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00.05.05.00.05.05.05.05.05.05.05.05.05 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00.03.05.05.00.05.05.05.04.05.03.03.05 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.05.05.05.00.05.05.03.05.05.05.050.04 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

C=

0.05.05.05.05.05.00.04.05.05.05.05.04 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.03.05.05.05.04.00.05.05.03.05.050.05 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00.05.05.05.04.03.05.05.00.05.05.05.04 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00.05.05.05.05.05.05.05.05.00.05.03.05 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00.09.05.05.03.05.05.03.05.05.00.05.03 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00.05.05.05.03.05.05.05.05.03.05.00.05 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00.05.05.05.05.05.04.05.04.05.03.05.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0度取值,由此得到各个功能区之间的综合相互关系

。值Tij列于表3

表2 密切程度取值表

()3

0,dma  将数值区间[x]划分为6个子区间,

根据dij所处的子区间判断各功能区之间的邻接度。各子区间对应的邻接度量化表见表4。3.2 遗传算法求解

设种群容量N=100,交叉概率Pc=0.7,变异概率Pm=0.1,遗传代数为500。适应度函数参数c=1000,罚函数系数u=0.001,货物搬运成本

126

表3 各功能区之间综合相互关系表

功能区编号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 

3 4 4 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0-1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 0 3-1 2 0 0 2 2 0 0 1 

20 0 0 0 0 0 

0 0 0 0 0 2 

0 1 1 1 0 

0 0 0 0 

1 2 3 4 

3 4 2 

3 0 

3 

5 0 0 0 

6 0 0 0 2 

7 0 0 0 0 0 -1 

8 0 0 0 0 0 0 0 

中 国 铁 道 科 学                  第33卷

9012 1 1 10 0 0 0 0 1 0 

2 0 3 0 0 1 0 0 0-1 0-1 

12 0 0 2 0 0 1 0 0 

2001020001

0-1 1-1 

-1-1

图3 铁路物流中心功能区布局优化结果示意图(单位:m)

所得到的布局方案基本符合实际要求。在实际规划中还可以具体结合物流中心内部的道路规划、物流走向等,采用手工方法对布局方案进行调整,使其更加符合实际使用的要求。

表4 功能区之间邻接度量化表

数值区间划分

功能区邻接度bij

1.00.80.60.40.20.0

[)

dd

63)dd

32)d2d

23)2d5d

36)5d,

6dmax

max

max

max

max

max

max

max

max

max

dmax0,

4 结 语

根据铁路物流中心业务流程及各业务间的关联性,将物流中心划分为基本功能、增值功能和辅助功能三大类12个功能区;通过对影响功能区布局因素的定量化分析,用数学方法对SLP方法进行改进;按照改进的SLP方法,根据物流中心各功能区之间物流相互关系和非物流相互关系的密切程度,建立功能区综合相互关系表;据此在铁路装卸线位置固定、各功能区布局不相互重叠、各功能区的边界不得超出物流中心规划区域、物流中心出入口只能设置在物流中心规划区域的边界上等约束条件下,构建总搬运费用最小和总的综合关系最大的目标函数,然后经归一化处理得到功能区布局方案最优的单目标函数,运用遗传算法求解,从而得到功能区布局方案。算例验证表明,本文给出的铁路物流中心功能区布局方法削弱了规划者主观因素对功能区布局的影响,布局过程更加简单,得到的布局方案也更加科学、合理。文

项的权值ω0.5,综合相关度项的权值ω0.5。1=2=采用MATLAB数学软件编程对算例进行优化

(),计算,得到最好的染色体为{350.3,341.2,0,(,(501.1,337.4,0)425.9,157.4,0)

(),(),(121.2,343.7,0250.7,349.9,091.1,),(),(166.4,1752.3,213.7,0677.5,336.3,),(,(,(0778.3,90.1,0)400,10,0)563.8,),(},产生代数为3400,00,251.1,0)57,优化结果如图3。

由图3可以看出,

用本文给出的布局优化方法

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128

中 国 铁 道 科 学                  第33卷

LaoutMethodfortheFunctionalAreaofRailwaLoistics       yyg 

CenterBasedontheImrovedSstematicLaoutPlannin       pyyg

,,FENGFenlinJINGLiYANGLiuwen   g

(,,)SchoolofTrafficandTransortationEnineerinCentralSouthUniversitChanshaHunan10075,China         4pggyg

:ArocessAbstractccordintothebusinessofrailwaloisticscenterandtherelationshibetweeneach          pgygp   ,,theloisticscenterisdividedinto12functionalareasaccordintothreecateoriesoffunctionsbusiness            ggg ,namelbasicfunctionvalueaddedfunctionandauxiliarfunction.Banalzintheinfluuantitativel -    -y,yyygqy    

,mencinfactorsofthefunctionalarealaoutathematicalmethodisusedtoimroveSstematicLaout            gypyy PlanninSLP)method.WiththeimrovedSLP,andbasedontheclosedereeoftheloisticsandnon             -g(pgg

,loisticsrelationshisamoneachfunctionalareainloisticscenterthecomrehensiverelationshitable         gpggpp  ,,,offunctionalareaissetuAccordinlunderthefollowinconstraintssuchasrailwaloadinandun         -p.gygyg   

,,loadinlineinfixedositioneachfunctionalarealaoutnotoverlaineachfunctionalareamanotex            -gpyppgy  ,ceedtheboundarofareaintheloisticscentertheloisticscentercanonlbeatthelannedatewa              yggypgy   

,boundarofthelannedareaintheloisticscenterandsoontheobectivefunctionisconstructedwith               ypgj theminimumtotalhandlincostandthemaximumcomrehensiverelationshihentheotimalsinle           gpp.Tpg functionofthefunctionalarealaoutisotbthenormalizedrocessin.Geneticalorithmisobective             ygypggj 

,usedtoworkoutthesolutionandascientificandreasonablelaoutschemeforfunctionalareaisobtained.                yExamlehasvalidatedthatthemethodisreasonableandeffective.         p

:L;;L;ardKewordsoisticscenterFunctionalareaaoutotimizationStationdesin;Railwatrans     -ygypgyy  ortationp

(责任编辑 阳建鸣)

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征稿启事

中国铁道科学》是由我国著名科学家茅以升先生于1979年亲自创刊、中华人民共和国铁道部主管、中国铁道科学研  《

究院主办的综合性学术刊物,面向国内外公开发行。

《中国铁道科学》作为中国精品科技期刊、中文核心期刊、中国科技核心期刊和RCCSE中国权威学术期刊,被美国《)、英国《、俄罗斯《)、美国《工程索引》(科学文摘》(文摘杂志》(剑桥科学文摘:工程EiComendexSA,INSPEC)AJ p、日本科学技术振兴机构中国文献数据库()、荷兰斯高帕斯数据库()、中国核心期刊(技术》遴选)数JSTChinaScousp据库、中国科学引文数据库、CNKI中国期刊全文数据库、万方数据—数字化期刊群数据库、VIP中文科技期刊数据库等国内外知名检索系统收录。

《中国铁道科学》以“服务中国铁路现代化建设,促进高水平学术研究与交流,展示先进的基础理论研究和科技创新成果,培养高层次科技人才”为宗旨,主要刊载第一作者具有中高级技术职称或为博士研究生、博士后所撰写有关铁道及城市轨道交通领域最新的基础理论研究、科学试验、科学技术研究等方面的优秀学术论文,也选登具有高水平的国家重点工程论述与重大技术创新的优秀论文。为扩大学术交流范围,促进国际间学术交流,本刊也刊登部分高水平的英文学术论,稿费从优。文(请附中文稿)

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本文来源:https://www.bwwdw.com/article/l6lm.html

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