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1、第六章 物流動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù) 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 通過(guò)學(xué)習(xí)本章內(nèi)容,理解和掌握GIS的基本涵義、特征及其組成,了解GIS的應(yīng)用;理解GPS的概念,掌握GPS系統(tǒng)的組成及工作原理,了解GPS在物流業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。 1內(nèi)容提要 地理信息系統(tǒng)(GIS)是一種采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)、管理、查詢(xún)檢索、分析、表達(dá)和應(yīng)用地理信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),是分析、處理和挖掘海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)。全球定位系統(tǒng)(GPS)則是具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。這兩種技術(shù)將會(huì)給物流運(yùn)輸帶來(lái)極大的益處,使物流運(yùn)輸環(huán)節(jié)更加精確和具有可控性。本章共兩節(jié),第一節(jié)主要介紹地理信息系統(tǒng)的定義、功能、構(gòu)成以及在
2、物流領(lǐng)域中的應(yīng)用;第二節(jié)介紹了全球定位系統(tǒng)概念、特點(diǎn)、組成和工作原理,并闡述了GPS在物流業(yè)務(wù)中的重要作用。 2第一節(jié) GIS技術(shù) 一GIS概述(一)GIS的定義。 地理信息系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)(Geographical Information System)。它是20世紀(jì)60年代開(kāi)始迅速發(fā)展起來(lái)的地理學(xué)研究技術(shù),是多種學(xué)科交叉的產(chǎn)物。地理信息系統(tǒng)是以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),采用地理模型分析方法,適時(shí)提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息,為地理研究和地理決策服務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),具有以下三個(gè)方面的特征: 1具有采集、管理、分析和輸出多種地理空間信息的能力,具有空間性和動(dòng)態(tài)性; 3第一節(jié) GIS技術(shù) 2以地理研究和地理決
3、策為目的,以地理模型方法為手段,具有區(qū)域空間分析、多要素綜合分析和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)能力,產(chǎn)生高層次的地理信息; 3由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持進(jìn)行空間地理數(shù)據(jù)管理,并由計(jì)算機(jī)程序模擬常規(guī)的或?qū)iT(mén)的地理分析方法,作用于空間數(shù)據(jù),產(chǎn)生有用信息,完成人類(lèi)難以完成的任務(wù)。(二)GIS的分類(lèi)對(duì)GIS系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi),在很大程度上是由用戶(hù)不同的應(yīng)用目標(biāo)或任務(wù)要求決定的,各種系統(tǒng)的應(yīng)用均反映了人類(lèi)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界利用改造的能動(dòng)作用。GIS按其內(nèi)容可以分為以下三種類(lèi)型: 4第一節(jié) GIS技術(shù) 1專(zhuān)題地理信息系統(tǒng)(Thematic GIS) 專(zhuān)題地理信息系統(tǒng)是具有有限目標(biāo)和專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)的地理信息系統(tǒng),為特定的專(zhuān)門(mén)目的服務(wù),如森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)
4、、水資源管理信息系統(tǒng)、礦產(chǎn)資源信息系統(tǒng)、農(nóng)作物估產(chǎn)信息系統(tǒng)、草場(chǎng)資源管理信息系統(tǒng)、水土流失信息系統(tǒng)等。2區(qū)域地理信息系統(tǒng)(Regional GIS) 區(qū)域地理信息系統(tǒng)主要以區(qū)域綜合研究和全面信息服務(wù)為目標(biāo)??梢杂胁煌?guī)模,如國(guó)家級(jí)的、地區(qū)或省級(jí)的、市級(jí)或縣級(jí)等為各不同級(jí)別行政區(qū)服務(wù)的區(qū)域信息系統(tǒng),也可以按自然分區(qū)或流域?yàn)閱挝坏膮^(qū)域信息系統(tǒng)。 5第一節(jié) GIS技術(shù) 3地理信息系統(tǒng)工具(GIS-Tool) 地理信息系統(tǒng)工具是一組具有圖形圖像數(shù)字化、存貯管理、查詢(xún)檢索、分析運(yùn)算和多種輸出等地理信息系統(tǒng)基本功能的軟件包。這類(lèi)系統(tǒng)可以是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)研制的,也可以是從實(shí)用地理信息系統(tǒng)中抽取掉具體區(qū)域或?qū)n}的地
5、理空間數(shù)據(jù)后得到的。它具有對(duì)計(jì)算機(jī)硬件適應(yīng)性強(qiáng),數(shù)據(jù)管理和操作效率高、功能強(qiáng),且具有普遍性并易于擴(kuò)展、操作簡(jiǎn)便、容易掌握等特點(diǎn)。 目前在國(guó)內(nèi)較為流行的GIS-Tool如ESRI的ARC/INFO系統(tǒng),MAPINFO公司的MAPINFO,武漢測(cè)繪大學(xué)研制的吉奧之星等。 6第一節(jié) GIS技術(shù) (三)GIS的發(fā)展史1國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r綜觀GIS發(fā)展,尤其是北美地區(qū)的實(shí)際情況,可將地理信息系統(tǒng)的發(fā)展分為以下幾個(gè)階段:(1)60年代為地理信息系統(tǒng)開(kāi)拓期,注重于空間數(shù)據(jù)的地學(xué)處理。 (2)70年代為地理信息系統(tǒng)的鞏固發(fā)展期,注重于空間地理信息的管理。 (3)80年代為地理信息系統(tǒng)大發(fā)展時(shí)期,注重于空間決策支持分
6、析 7第一節(jié) GIS技術(shù) (4)90年代為地理信息系統(tǒng)的用戶(hù)時(shí)代。 2國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)地理信息系統(tǒng)方面的工作自80年代初開(kāi)始,以1980年中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所成立全國(guó)第一個(gè)地理信息系統(tǒng)研究室為標(biāo)志。 地理信息系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)展階段的標(biāo)志是國(guó)家“七五計(jì)劃”開(kāi)始實(shí)施。地理信息系統(tǒng)研究作為政府行為,正式列入國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃,開(kāi)始了有計(jì)劃、有組織、有目標(biāo)的科學(xué)研究、應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和工程建設(shè)工作。 自90年代起,地理信息系統(tǒng)步入快速發(fā)展階段。主要強(qiáng)調(diào)地理信息系統(tǒng)的實(shí)用化、集成化和工程化,力圖使地理信息系統(tǒng)從初步發(fā)展時(shí)期的研究實(shí)驗(yàn)、局部實(shí)用走向?qū)嵱没蜕a(chǎn)化,為國(guó)民經(jīng)濟(jì)重大問(wèn)題提供分析和決策依據(jù)。 8第一節(jié) G
7、IS技術(shù) 二GIS的功能及構(gòu)成(一)GIS的功能GIS的基本功能可分為數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、空間查詢(xún)與空間分析、可視化表達(dá)與輸出五個(gè)方面。GIS的功能框圖如圖6-1所示。1數(shù)據(jù)輸入 空間數(shù)據(jù)只有加工為適合的形式才能被GIS系統(tǒng)應(yīng)用。將空間數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)的過(guò)程又稱(chēng)為數(shù)字化。 2數(shù)據(jù)編輯數(shù)據(jù)編輯主要是指屬性編輯和圖形編輯。屬性編輯主要與數(shù)據(jù)庫(kù)管理結(jié)合在一起完成,圖形編輯主要包括拓?fù)潢P(guān)系建立、圖形編輯、圖形整修、圖幅拼接、圖形變換和誤差校正等功能。 9第一節(jié) GIS技術(shù) 觀察的現(xiàn)象,文件與地圖數(shù)據(jù)獲取原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)編輯結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)查詢(xún)與分析可視化表示數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與檢索展示與交互制圖圖6-1
8、GIS功能框圖 10第一節(jié) GIS技術(shù) 3數(shù)據(jù)管理 采用文件結(jié)構(gòu)構(gòu)造GIS數(shù)據(jù)對(duì)于小型應(yīng)用已經(jīng)足夠,但當(dāng)數(shù)據(jù)規(guī)模使用者人數(shù)急劇增長(zhǎng)時(shí),必須通過(guò)大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格有效的組織管理。 4空間查詢(xún)分析GIS提供從最簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊式查詢(xún)(IDENTIFY)到辯證思維的空間分析方法,GIS最引人入勝的作用是通過(guò)各種假設(shè)分析來(lái)模擬區(qū)域內(nèi)空間規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)。在提供的空間分析工具中,以下幾點(diǎn)最為重要。 (1)鄰近度分析(PROXIMITY) (2)疊加分析 11第一節(jié) GIS技術(shù) 5可視化表達(dá)輸出 GIS的操作結(jié)果通過(guò)可視化的地圖、影像、多媒體方式加以直觀表達(dá),例如,GIS可以根據(jù)客戶(hù)的需要輸出全要素地圖、各種
9、專(zhuān)題圖、統(tǒng)計(jì)圖以及圖片和數(shù)據(jù)等,這是GIS無(wú)與倫比的另一優(yōu)勢(shì)。(二)GIS的構(gòu)成GIS由五個(gè)主要的元素所構(gòu)成:計(jì)算機(jī)硬件、軟件、數(shù)據(jù)、人員和方法。如圖6-2所示。1計(jì)算機(jī)硬件 硬件包括計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)輸入、顯示和輸出的外圍設(shè)備等。 12第一節(jié) GIS技術(shù) 圖6-2 GIS的組成13第一節(jié) GIS技術(shù) 2軟件GIS軟件提供所需的存儲(chǔ)、分析和顯示地理信息的功能和工具。主要的軟件部件有:(1)輸入和處理地理信息的工具(2)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DBMS)(3)支持地理查詢(xún)、分析和視覺(jué)化的工具(4)容易使用這些工具的圖形化界面(GUI) 3數(shù)據(jù) GIS系統(tǒng)中最重要的部件是數(shù)據(jù)。地理數(shù)據(jù)和相關(guān)
10、的表格數(shù)據(jù)可以自己采集或者從商業(yè)數(shù)據(jù)提供者處購(gòu)買(mǎi)。 14第一節(jié) GIS技術(shù) 4人員 人是GIS系統(tǒng)的能動(dòng)部分。人員的技術(shù)水平和組織管理能力是決定系統(tǒng)建設(shè)成敗的重要因素。系統(tǒng)人員按不同分工有項(xiàng)目經(jīng)理、項(xiàng)目開(kāi)發(fā)人員、項(xiàng)目數(shù)據(jù)人員、系統(tǒng)文檔撰寫(xiě)和系統(tǒng)測(cè)試人員等。各個(gè)部分齊心協(xié)力、分工協(xié)作是GIS系統(tǒng)成功建設(shè)的重要保證。5方法成功的GIS系統(tǒng),具有好的設(shè)計(jì)計(jì)劃和自己的事務(wù)規(guī)律,這些是規(guī)范的方法,而且對(duì)每一個(gè)企業(yè)來(lái)說(shuō)是具體的、獨(dú)特的操作實(shí)踐。 15第一節(jié) GIS技術(shù) 三GIS技術(shù)在物流中的應(yīng)用 地理信息系統(tǒng)在最近的30多年內(nèi)取得了驚人的發(fā)展,廣泛應(yīng)用于資源調(diào)查、環(huán)境評(píng)估、災(zāi)害預(yù)測(cè)、國(guó)土管理、城市規(guī)劃、郵
11、電通訊、交通運(yùn)輸、軍事公安、水利電力、公共設(shè)施管理、農(nóng)林牧業(yè)、統(tǒng)計(jì)、商業(yè)金融等幾乎所有領(lǐng)域。 其中,GIS在物流業(yè)務(wù)中的應(yīng)用,主要是指利用GIS強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)功能來(lái)完善物流分析技術(shù)。國(guó)外公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出利用GIS為物流分析提供專(zhuān)門(mén)分析的工具軟件。完整的GIS物流分析軟件集成了車(chē)輛路線(xiàn)模型、最短路徑模型、網(wǎng)絡(luò)物流模型、分配集合模型和設(shè)施定位模型等。 16第一節(jié) GIS技術(shù) (一)車(chē)輛路線(xiàn)模型:用于解決一個(gè)起始點(diǎn)、多個(gè)終點(diǎn)的貨物運(yùn)輸中如何降低物流作業(yè)費(fèi)用,并保證服務(wù)質(zhì)量的問(wèn)題,包括決定使用多少輛車(chē),每輛車(chē)的路線(xiàn)等。 (二)網(wǎng)絡(luò)物流模型:用于解決尋求最有效的分配貨物路徑問(wèn)題,也就是物流網(wǎng)點(diǎn)布局問(wèn)題。
12、(三)分配集合模型:可以根據(jù)各個(gè)要素的相似點(diǎn)把同一層上的所有或部分要素分為幾個(gè)組,用以解決確定服務(wù)范圍和銷(xiāo)售市場(chǎng)范圍等問(wèn)題。 (四)設(shè)施定位模型:用于確定一個(gè)或多個(gè)設(shè)施的位置。在物流系統(tǒng)中,倉(cāng)庫(kù)和運(yùn)輸線(xiàn)共同組成了物流網(wǎng)絡(luò),倉(cāng)庫(kù)處于網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)上,節(jié)點(diǎn)決定著線(xiàn)路,如何根據(jù)供求的實(shí)際需要并結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益等原則。17第一節(jié) GIS技術(shù) 四、GIS的發(fā)展趨勢(shì) 從系統(tǒng)角度看,在未來(lái)的幾十年內(nèi),GIS將向著數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化(Interoperable GIS)、數(shù)據(jù)多維化(3D&4D GIS)、系統(tǒng)集成化(Component GIS)、系統(tǒng)多媒體化(MGIS)、平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化(Web GIS)和應(yīng)用社會(huì)化(數(shù)字地球DE
13、)的方向發(fā)展。(一)Interoperable GIS 互操作地理信息系統(tǒng)是GIS系統(tǒng)集成平臺(tái),它實(shí)現(xiàn)在異構(gòu)環(huán)境下多個(gè)地理信息的系統(tǒng)或其應(yīng)用系統(tǒng)之間的互相通信和協(xié)作,以完成某一特定任務(wù)。(二)3D&4D GIS 三維(四維)地理信息系統(tǒng)目前研究重點(diǎn)集中在三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),優(yōu)化與實(shí)現(xiàn),以及可視化技術(shù)的運(yùn)用,三維系統(tǒng)的功能和模塊設(shè)計(jì)等方面。 18第一節(jié) GIS技術(shù) (3)Component GIS 面向?qū)ο蠛蜆?gòu)件技術(shù)的地理信息系統(tǒng)是把GIS的功能模塊劃分為多個(gè)控件,每個(gè)控件完成不同的功能,通過(guò)可視化的軟件開(kāi)發(fā)工具集成起來(lái),形成最終GIS應(yīng)用。 其主要特征是: 1高效無(wú)縫的系統(tǒng)集成。 2無(wú)須專(zhuān)門(mén)的
14、GIS開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。 3大眾化的GIS。 4Web GIS 是基于WWW的地理信息系統(tǒng),它利用了Internet技術(shù)在Web上發(fā)布空間信息供用戶(hù)瀏覽和使用。 5多媒體GIS。19第二節(jié) GPS技術(shù) 一GPS概述(一)GPS的概念。 GPS(Global Positioning System)即全球定位系統(tǒng),它是利用衛(wèi)星星座(通信衛(wèi)星)、地面控制部分和信號(hào)接收機(jī)對(duì)對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位的系統(tǒng)。目前世界上在廣泛采用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)是由美國(guó)軍方研制并發(fā)射的GPS定位系統(tǒng)。 由于GPS能對(duì)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)空間信息的獲取,能快速、準(zhǔn)確反饋空間信息,因此,GPS廣泛應(yīng)用于船舶和飛機(jī)導(dǎo)航、對(duì)地面目標(biāo)的精確定位、地
15、面及空中交通管制、空間與地面災(zāi)害監(jiān)測(cè)等。 20第二節(jié) GPS技術(shù) 二)GPS的特點(diǎn)。GPS系統(tǒng)與其它導(dǎo)航系統(tǒng)相比,具有以下的一些特點(diǎn):1定位精度高 2觀測(cè)時(shí)間短 3操作簡(jiǎn)便 4全天候作業(yè) 5抗干擾性能好、保密性強(qiáng) 6功能多、應(yīng)用廣 21第二節(jié) GPS技術(shù) (三)GPS的功能。1車(chē)輛、船舶跟蹤 2信息傳遞和查詢(xún)3及時(shí)報(bào)警4管理支持(四)GPS的發(fā)展史全球定位系統(tǒng)(GPS)是美國(guó)從本世紀(jì)70年代開(kāi)始研制,歷時(shí)20年,耗資200億美元,于1994年全面建成,具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。 22第二節(jié) GPS技術(shù) 1973年美國(guó)國(guó)防部制定了GPS計(jì)劃。GP
16、S實(shí)施計(jì)劃共分三個(gè)階段: 第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段。從1973年到1979年,共發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星。研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)。 第二階段為全面研制和試驗(yàn)階段。從1979年到1984年,又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星,研制了各種用途接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明,GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功,表明GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)階段。1993年底實(shí)用的GPS網(wǎng)即(21+3)GPS星座已經(jīng)建成,今后將根據(jù)計(jì)劃更換失效的衛(wèi)星。 23第二節(jié) GPS技術(shù) 二GPS的組成與工作原理 (一)GPS的組成 GPS系統(tǒng)包括三大部分:GPS衛(wèi)星星座(空
17、間部分);地面監(jiān)控系統(tǒng)(地面控制部分); GPS信號(hào)接收機(jī)(用戶(hù)設(shè)備部分)。1.GPS衛(wèi)星星座 由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座,記作(21+3)GPS星座。24顆衛(wèi)星平均距離地球2萬(wàn)多千米,均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi),這種分布可以保證在任何時(shí)刻全球的任何地區(qū),都能夠被4顆衛(wèi)星所覆蓋。在用GPS信號(hào)導(dǎo)航定位時(shí),為了計(jì)算測(cè)量站的三維坐標(biāo),必須觀測(cè)4顆GPS衛(wèi)星(稱(chēng)為定位星座)。 24第二節(jié) GPS技術(shù) 2.地面監(jiān)控系統(tǒng) 衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作,以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行,都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)由分布在全球的若干個(gè)跟蹤站所組成的監(jiān)控系統(tǒng)所構(gòu)成,根據(jù)
18、其作用的不同,這些跟蹤站又被分為主控站、監(jiān)控站和注入站。 3.GPS信號(hào)接收機(jī)GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是:捕獲衛(wèi)星信號(hào),并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行,對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理,以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線(xiàn)的傳播時(shí)間,解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文,實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)量站的三維位置,甚至三維速度和時(shí)間。25第二節(jié) GPS技術(shù) 常用的GPS信號(hào)接收機(jī)有汽車(chē)導(dǎo)航儀和GPS手持機(jī)。 (1)汽車(chē)導(dǎo)航儀。汽車(chē)導(dǎo)航儀是集計(jì)算機(jī)、通信導(dǎo)航、地圖信息為一體的高科技產(chǎn)品,通常它都具備筆記本PC的基本功能,可以方便地駁接網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送傳真和數(shù)據(jù)通信;并且內(nèi)置GPS接收器,提供GPS天線(xiàn)接口,裝載定位導(dǎo)航
19、軟件,利用接收到的GPS衛(wèi)星信號(hào)為車(chē)輛提供全天候、全時(shí)域位置信息,并可以在屏幕上顯示當(dāng)時(shí)車(chē)輛運(yùn)行情況。 (2)GPS手持機(jī)。GPS手持機(jī)是利用GPS基本原理設(shè)計(jì)而成的,體積小巧、攜帶方便、獨(dú)立使用的全天候?qū)崟r(shí)定位導(dǎo)航設(shè)備,按用途可分為陸用型、空用型、海用型。 26第二節(jié) GPS技術(shù) (2)GPS的工作原理 要實(shí)現(xiàn)精確定位,要解決兩個(gè)問(wèn)題:其一是要確知衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置;其二是要準(zhǔn)確測(cè)定衛(wèi)星至地球上我們所在地點(diǎn)的距離。1怎樣確知衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置 首先,要通過(guò)深思熟慮,優(yōu)化設(shè)計(jì)衛(wèi)星運(yùn)行軌道,而且,要由監(jiān)測(cè)站通過(guò)各種手段,連續(xù)不斷監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài),適時(shí)發(fā)送控制指令,使衛(wèi)星保持在正確的運(yùn)行軌道。其次,將正確的運(yùn)行軌跡編成星歷,注入衛(wèi)星,且經(jīng)由衛(wèi)星發(fā)送給
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