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CAD/CAM 技術(shù)和知識庫技術(shù)在汽車開發(fā)中的應(yīng)用

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CAD/CAM 技術(shù)和知識庫技術(shù)在汽車開發(fā)中的應(yīng)用

CAD/CAM 技術(shù)和知識庫技術(shù)在汽車開發(fā)中的應(yīng)用
1.1.1  CAD/CAM 技術(shù)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造(CAD/CAM)技術(shù)就是將計(jì)算機(jī)迅速、準(zhǔn)確地
處理信息的特點(diǎn)與人類創(chuàng)造的思維能力及推理判斷能力巧妙地結(jié)合起來,用
計(jì)算機(jī)硬件、軟件的新成就特別是計(jì)算機(jī)繪圖、數(shù)據(jù)庫、智能模擬技術(shù),為 現(xiàn)代設(shè)計(jì)提供了理想的手段。1972 年國際信息處理聯(lián)合會(IFIP)曾對 CAD 技術(shù)作如下定義:“CAD  是一種技術(shù),其中人與計(jì)算機(jī)結(jié)合為一個問題求解 組,緊密配合,發(fā)揮各自所長,從而使其工作優(yōu)于每一方,并為應(yīng)用多學(xué)科 方法的綜合性協(xié)作提供了可能”[1] 。計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)利用計(jì)算機(jī)將產(chǎn) 品的設(shè)計(jì)信息自動轉(zhuǎn)換為制造信息,以控制產(chǎn)品的加工、裝配、檢驗(yàn)、包裝 等全過程,以基于這些過程相關(guān)的物流系統(tǒng)和初步的生產(chǎn)調(diào)度。
CAD/CAM(  計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造)技術(shù)產(chǎn)生于本世 50 年代后期發(fā)達(dá)  國 家的航空和軍事工業(yè)中,隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的  發(fā)展 而迅速成長起來。CAD/CAM  在機(jī)械制造行業(yè)的應(yīng)用最早,也最為廣泛。采用 CAD  技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)不但可以使設(shè)計(jì)人員“甩掉圖板”,更新傳統(tǒng)的設(shè)計(jì) 思想,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動化,降低產(chǎn)品的成本,提高企業(yè)及其產(chǎn)品在市場上的競 爭能力;還可以使企業(yè)由原來的串行式作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿凶鳂I(yè),建立一種全新 的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)  技術(shù)管理體制,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,提高勞動生產(chǎn)率。如今 世界各大航空、航天及汽車等制造業(yè)巨頭不但廣泛采用 CAD/CAM 技術(shù)進(jìn)行產(chǎn) 品設(shè)計(jì),而且投入大量的人力物力及資金進(jìn)行  CAD/CAM  軟件的開發(fā),  以保 持自己技術(shù)上的領(lǐng)先地位和國際市場上的優(yōu)勢。
CAD  技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的,集計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通訊等計(jì)算 機(jī)及其他領(lǐng)域知識于一體的高新技術(shù);是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分; 也 是提高設(shè)計(jì)水平、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、增強(qiáng)行業(yè)競爭能力的一項(xiàng)  關(guān)  鍵  技術(shù)。 CAD 技術(shù)的特點(diǎn)是涉及面廣而復(fù)雜、  技術(shù)變化快、競爭激烈,而且投  資大、 風(fēng)險(xiǎn)高、產(chǎn)出高。現(xiàn)代有名的 CAD/CAM 軟件都是規(guī)模巨大、功能眾多、系統(tǒng) 復(fù)雜,所以投資大、開發(fā)周期長,難以及時跟上硬件平臺和開發(fā)環(huán)境的迅速 發(fā)展,以及廣大用戶需求的變化和不斷增長的要求。
CAD/CAM 技術(shù)的廣泛應(yīng)用大大減輕了設(shè)計(jì)者的勞動強(qiáng)度,改善了他們的工作環(huán)境和條件,提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量,極大的提高了產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)
效率,縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期。CAD/CAM 技術(shù)徹底改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì) 方式,使設(shè)計(jì)人員的智慧和能力得到充分的發(fā)揮,CAD/CAM 技術(shù)的發(fā)展與應(yīng) 用水平已成為和衡量一個國家的科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。 我國的 CAD/CAM 技術(shù)的研究和應(yīng)用起步較晚,從八十年代才逐步開始, 但是發(fā)展的非常快,特別是進(jìn)入九十以后得到迅速的發(fā)展,CAD/CAM 技術(shù)在 我國的航空、航天、造船、機(jī)械、汽車等領(lǐng)域得到較廣泛的應(yīng)用,一些國產(chǎn) 的優(yōu)秀 CAD 軟件也應(yīng)運(yùn)而生,但是我國 CAD/CAM 技術(shù)研究和應(yīng)用的廣度和 深度與國外相比還存在較大的差距,要想提高我國汽車等機(jī)械產(chǎn)品在國際市
場競爭力,CAD 技術(shù)的研究和應(yīng)用是關(guān)鍵。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以利用  CAD  技術(shù)在計(jì)算機(jī)中生成產(chǎn)品的真實(shí)實(shí)體幾何 模型,在計(jì)算機(jī)屏幕上隨意的旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)模型,從各個角度觀察產(chǎn)品的形狀, 不斷的對產(chǎn)品進(jìn)行修改,而且許多  CAD  軟件還提供豐富的輔助分析功能, 可以在設(shè)計(jì)的同時進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等各種分析,來幫助和指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員得到 合理的、最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案;虛擬裝配、加工仿真、運(yùn)動分析等  CAD  技術(shù)的 發(fā)展使得  CAD  技術(shù)實(shí)質(zhì)得以充分體現(xiàn),即輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),而 不是簡單的繪圖代替紙筆。CAD 軟件主要是幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員完成數(shù)值型的 工作,也就是說完成計(jì)算、分析、繪圖等功能,設(shè)計(jì)活動中存在的最關(guān)鍵的 推理工作,諸如設(shè)計(jì)思路、最佳方案的選擇、參數(shù)的選擇等等,這些工作主 要依賴于設(shè)計(jì)人員的知識和專業(yè)經(jīng)驗(yàn),是現(xiàn)有  CAD  軟件無法滿足的。因此 將人工智能技術(shù),特別是專家系統(tǒng)的技術(shù)與現(xiàn)有的、傳統(tǒng)的  CAD  技術(shù)相結(jié) 合開發(fā)一些專用的 CAD 軟件和程序模塊是今后 CAD 發(fā)展的必然趨勢[2]。
CAD 系統(tǒng)的智能化可以將領(lǐng)域設(shè)計(jì)專家的知識和經(jīng)驗(yàn)與 CAD 技術(shù)結(jié)合 在一起,這既有利于充分發(fā)揮  CAD  技術(shù)在專業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的作用,又能將工 程設(shè)計(jì)專家多年的、寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)充分的保存下來,為其他設(shè)計(jì)人員所參 考,這樣一個經(jīng)驗(yàn)不很豐富的設(shè)計(jì)人員可以借助智能  CAD  系統(tǒng)在領(lǐng)域?qū)<?知識的指導(dǎo)下高效率、高質(zhì)量的完成設(shè)計(jì)任務(wù)。
任何產(chǎn)品的設(shè)計(jì),都被包容在 CAD 的覆蓋范圍內(nèi)。但任何專業(yè) CAD 廠商 都永遠(yuǎn)不可能滿足所有客戶的一切設(shè)計(jì)需求。所以 CAD 系統(tǒng)必須作成開放式, 為廣大用戶的二次開發(fā)提供一切方便。CAD  軟件又應(yīng)該使各類用戶所設(shè)計(jì)的 對象都產(chǎn)生統(tǒng)一的數(shù)據(jù)文件存儲格式,保證不同廠商的 CAD 文檔可以相互兼 容,實(shí)現(xiàn)資源共享,達(dá)到無縫集成。
一個公司對 CAD 系統(tǒng)的應(yīng)用必然要經(jīng)歷以下過程:軟硬件的購買、CAD 軟件在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的逐步應(yīng)用、結(jié)合公司需要對  CAD  軟件進(jìn)行二次開發(fā)、 用于 CAM/CAE 方面。根據(jù)公司設(shè)計(jì)的需要,結(jié)合專業(yè)知識和領(lǐng)域?qū)<业慕?jīng)驗(yàn)開發(fā)專用的  CAD  模塊,可大大減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不必要的重復(fù)性勞動,提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量,縮短新產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)周期。CAD 軟件的二次開發(fā)可 有效的克服通用  CAD  軟件在專業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的不足和局限性,有利于充分發(fā)
揮 CAD 軟件的輔助作用。所以一個公司需全面的開展 CAD 并取得積極效果, 應(yīng)以引入的 CAD 系統(tǒng)為基礎(chǔ),根據(jù)本公司的實(shí)際需要,進(jìn)行程度不同的用戶
化、本地化的二次開發(fā),建立專業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫,形成具有本公司特色 的產(chǎn)品設(shè)計(jì) CAD 系統(tǒng)。
CAD  要求集成,一方面從產(chǎn)品開發(fā)全生命期看,要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)與分析計(jì) 算(CAE)、工藝規(guī)劃(CAPP)、數(shù)控加工(NC)、質(zhì)量控制(CAQ)、技術(shù)服務(wù)、 備件供應(yīng)、訂貨管理、生產(chǎn)計(jì)劃管理等緊密銜接,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造管理一 體化;另一方面從行業(yè)間的關(guān)系看,建筑、土木工程、鐵路勘察設(shè)計(jì)等需要
與地理信息系統(tǒng)(GIS)、通信、供水供電暖氣通風(fēng)、機(jī)械制造、微電子技術(shù) 等溝通,同樣要求跨行業(yè)的應(yīng)用軟件一體化。

CAD/CAM 技術(shù)和知識庫技術(shù)在汽車開發(fā)中的應(yīng)用


1.1.2 CAD 技術(shù)在汽車開發(fā)中的應(yīng)用


CAD 技術(shù)首先在航空、航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,而后開始逐漸應(yīng)用于汽 車領(lǐng)域。1959 年 GM 汽車公司的 DAC-1(Design Augmented Computer)項(xiàng)目 標(biāo)志著 CAD 技術(shù)在汽車行業(yè)應(yīng)用的開始。CAD 技術(shù)給使用者帶來了巨大的 好處及頗豐的收益,汽車工業(yè)開始大量采用 CAD 技術(shù)。80 年代初,幾乎全 世界所有的汽車工業(yè)和航空工業(yè)都購買過相當(dāng)數(shù)量的  CATIA,其結(jié)果是 CATIA 躍居制造業(yè) CAD 軟件榜首,并且保持了許多年。最近幾年,從造型 理論上來說,CATIA 并沒有突破性的進(jìn)展,其 CAD 技術(shù)本身已相對落后。
但 CATIA 除了給用戶提供豐富的交互曲線、曲面造型、擬合功能外,還給用 戶提供了二次開發(fā)工具,無疑給用戶帶來了極大的方便[3]。
經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展,CAD  技術(shù)在國外汽車行業(yè)得到廣泛而成熟的應(yīng) 用。各汽車公司不僅擁有非常好的 CAD 軟硬件條件,而且還有高素質(zhì) CAD 設(shè)計(jì)隊(duì)伍,很好的將各公司多年的汽車設(shè)計(jì)理論、經(jīng)驗(yàn)和 CAD 技術(shù)相結(jié)合, 成功的用于其新產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì),CAD 技術(shù)的廣泛應(yīng)用極大的縮短了新車 型的開發(fā)周期。
國外各汽車公司不僅在汽車設(shè)計(jì)和  CAD  應(yīng)用方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),
而且還結(jié)合專業(yè)知識和專家經(jīng)驗(yàn)對 CAD 軟件進(jìn)行二次開發(fā),克服通用 CAD 軟件在汽車設(shè)計(jì)方面的局限性,開發(fā)適合公司內(nèi)部設(shè)計(jì)需要的智能  CAD  專 業(yè)模塊,幫助其產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員快速的開發(fā)和設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品,以求在市場競爭中處于有利地位。例如:美國 Ford 汽車公司專門成立 CAD 軟件的二次
開發(fā)隊(duì)伍結(jié)合公司需要開發(fā)一些汽車設(shè)計(jì)軟件;法國雷諾公司在 EUCLID 上開 發(fā)了適合汽車工業(yè)需求的用于鈑金成型的  OPTRIS  模塊和用于干涉檢驗(yàn)的 Megavision  模塊;日本的  TOYOTA  汽車公司與美國  PTC  軟件公司合作在 Pro/E 軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)的汽車模具型面設(shè)計(jì)模塊 Pro/Dieface[4]等等。目前,
國 外 用 的 比 較 多 的   CAD   軟 件 , 主 要 有 : CATIA(IBM/Dassault) 、 Unigraphics(EDS) 、 I-DEAS(SDRC) 、 PRO/E(PTC) 、 EUCLID(MATRA) 、 CADDS(ComputerVision)等?梢哉f我國汽車行業(yè) CAD 軟硬件的條件是相當(dāng) 不錯的,經(jīng)過十多年努力,CAD 技術(shù)在我國汽車行業(yè)的應(yīng)用已取得很大的進(jìn) 步,而且一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)在通用的 CAD/CAM 軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā) 專業(yè)模塊。現(xiàn)在各國制造企業(yè)均紛紛采用各種新實(shí)現(xiàn)、新方法、新技術(shù)來改
進(jìn)自己的產(chǎn)品開發(fā)模式,力圖使企業(yè)及其產(chǎn)品具有較強(qiáng)的競爭力和生命力。


1.1.3 知識庫在 CAD 中的應(yīng)用


CAD  的核心技術(shù)是用最簡單、方便的操作來生成產(chǎn)品幾何形狀的精確數(shù) 字定義并且實(shí)時顯示其真實(shí)感圖形。飛機(jī)、汽車的外形復(fù)雜,零、部件間的 配合要求高,因此 CAD 技術(shù)的研究和軟件開發(fā)首先是從飛機(jī)和汽車行業(yè)發(fā)展 起來的。CAD  軟件產(chǎn)業(yè)的茁壯成長取決于五大要素:應(yīng)用需求、技術(shù)積累、 資金投入、隊(duì)伍素質(zhì)和運(yùn)行機(jī)制。國際知名的 CAD 軟件,數(shù)量上以美國最多, 其次法國。但是就軟件產(chǎn)業(yè)的成功率看,法國居榜首。我國國民經(jīng)濟(jì)得到持 續(xù)健康穩(wěn)定的發(fā)展,尤其汽車產(chǎn)業(yè)在我國獲得了蓬勃的發(fā)展,為 CAD 技術(shù)的 研究和軟件開發(fā)創(chuàng)造了良好的條件。
我國汽車行業(yè)經(jīng)過十多年努力和發(fā)展,CAD 技術(shù)、專家系統(tǒng)、知識庫技 術(shù)等新興技術(shù)在我國汽車行業(yè)的應(yīng)用已取得很大的進(jìn)步,而且一些大學(xué)和科 研機(jī)構(gòu)也在獨(dú)立地或與汽車公司合作開發(fā)一些在通用的  CAD  軟件基礎(chǔ)上的 汽車設(shè)計(jì)專業(yè)模塊,例如:吉林大學(xué)的福特—中國研究與發(fā)展基金項(xiàng)目組率 先探索 KBE 在汽車行業(yè)中的應(yīng)用,在通用 CAD 軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)專用的汽 車專業(yè)設(shè)計(jì)模塊;同濟(jì)大學(xué)在 UG 平臺上開發(fā)汽車總體設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)等等[5]。 但是由于我國 CAD 技術(shù)起步較晚,加上現(xiàn)有通用 CAD 軟件的專用性較差, CAD 技術(shù)的應(yīng)用與國外汽車公司相比還有很大的差距,國內(nèi)各汽車公司普遍 存在 CAD 軟件利用率低,設(shè)計(jì)效率低下的問題。加大 CAD 軟件在汽車開發(fā) 中的應(yīng)用力度,并且結(jié)合汽車設(shè)計(jì)的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)開發(fā)一些通用  CAD  軟件平臺 上的面向汽車設(shè)計(jì)的專業(yè)模塊以幫助設(shè)計(jì)人員提高產(chǎn)品的開發(fā)效率和質(zhì)量,
是縮短我國與國外汽車設(shè)計(jì)水平的差距,早日實(shí)現(xiàn)我國轎車自主開發(fā)能力的
有效措施之一。
從 CAD/CAM 的技術(shù)發(fā)展史,需強(qiáng)調(diào)一個觀點(diǎn):國外在成熟的市場經(jīng)濟(jì) 機(jī)制下,一切研究開發(fā)項(xiàng)目決不草率上馬,都有明確的應(yīng)用目標(biāo)和周密的技 術(shù)組織措施。凡是成功的成果,一定要倍加珍惜,盡量繼承、采納、接力、 改進(jìn)。國外有一條規(guī)則,凡是能從市場上買到的,決不自己從頭做起,外購 一定比自制合算。同時賣方也懂得這個道理,必須合理定價(jià),互通有無,決 不能奇貨可居,將別人拒之門外。CAD  源程序雖然珍貴,但同樣是商品,只 是定價(jià)更高而己。美國有規(guī)定,軟件的源程序改動量超過 20%,就是新軟件, 不叫抄襲,鼓勵在繼承中創(chuàng)新,不贊成重復(fù)做虛功,白白浪費(fèi)人力、物力資 源。一個項(xiàng)目失敗了,并不稀奇,技術(shù)創(chuàng)新允許失敗。但是即使一個軟件系 統(tǒng)整體上失敗了,也要從中提取有用部分,創(chuàng)造新的商機(jī)。
軟件開發(fā)中必須將各個專業(yè)領(lǐng)域的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)上的操 作,將原來的專業(yè)設(shè)計(jì)知識和經(jīng)驗(yàn)體現(xiàn)為軟件代碼,使得應(yīng)用人員在新的工 作環(huán)境中感到計(jì)算機(jī)得心應(yīng)手,善解人意,這就需要開發(fā)人員與應(yīng)用人員共 同經(jīng)歷一個長時間的磨合過程,不斷修改程序,不斷排除錯誤。
有效的二次開發(fā)是 CAD/CAM 發(fā)揮效能的關(guān)鍵環(huán)節(jié),二次開發(fā)具有以下兩
個主要特點(diǎn): 一、于二次平臺 二、向領(lǐng)域?qū)<?br />因此,二次開發(fā)應(yīng)以工程設(shè)計(jì)的理論和實(shí)踐為基礎(chǔ),以軟件工程理論為

指導(dǎo),面向具體產(chǎn)品的實(shí)際問題進(jìn)行開發(fā)[6]。

隨著 CAD 的進(jìn)一步發(fā)展,單純通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫,或者采用 CAD 數(shù)據(jù)庫、 工程數(shù)據(jù)庫已無法滿足 CAD 的復(fù)雜要求。因此需要選用合適、功能強(qiáng)大的通 用工具來支撐 CAD 發(fā)展中提出的新的要求,目前來說,知識庫成為其主要選 擇之一。知識庫作為能支撐多種應(yīng)用領(lǐng)域的通用智能支撐軟件與工具,不僅 能夠在數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上提供數(shù)據(jù)支持,還可以將 CAD 不斷發(fā)展所提出的要求用 知識形式表示,為 CAD 處理各種復(fù)雜的問題和滿足各種特殊要提供了可能。 支持智能  CAD  的實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個復(fù)雜的過程,需要設(shè)計(jì)師/專家 以其專門的知識和經(jīng)驗(yàn)為依據(jù),經(jīng)過分析、計(jì)算、綜合等多個步驟才能完成。 因此從人工智能的角度,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)際上是一個由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輔助設(shè) 計(jì)師進(jìn)行設(shè)計(jì)并加以實(shí)現(xiàn)的“專家系統(tǒng)”,因而大量引入專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、方
法與工具,來構(gòu)成智能 CAD。
在智能 CAD 中,產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)、方法是用知識形式表示,而產(chǎn)品設(shè)
的過程這是一個問題求解過程,最后的設(shè)計(jì)結(jié)果就是求解目標(biāo)。
用知識庫作為智能 CAD 開發(fā)環(huán)境無疑是比較合適的。在知識庫中,產(chǎn)品 設(shè)計(jì)中有關(guān)的知識可以用事實(shí)與規(guī)則表示,并存于知識庫內(nèi)。智能 CAD 與知 識庫有一定的對應(yīng)關(guān)系,如表  1-1。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程既是知識庫中知識的推 理過程,最終設(shè)計(jì)結(jié)果極為知識庫中的推理結(jié)果。
表 1-1  智能 CAD 與知識庫的對應(yīng)關(guān)系
智能 CAD 知識庫
設(shè)計(jì)知識
設(shè)計(jì)過程 設(shè)計(jì)結(jié)果 知識庫中的一組知識
知識庫中知識的推理 知識庫中的推理結(jié)果

 


1.1.4 知識庫系統(tǒng)的開發(fā)特點(diǎn)及其開發(fā)過程


開發(fā)知識庫系統(tǒng)的應(yīng)用,主要有以下特點(diǎn):
⑴. 將應(yīng)用對象看成是一個知識處理系統(tǒng);
⑵. 從應(yīng)用對象中抽取已有的知識(包括事實(shí)與規(guī)則);
⑶. 將應(yīng)用對象中的處理用知識推理來表示。 知識庫系統(tǒng)的開發(fā)過程:
⑴. 選擇一個知識庫系統(tǒng);
⑵. 建立若干實(shí)關(guān)系構(gòu)成外延數(shù)據(jù)庫,建立若干虛關(guān)系以及推理 規(guī)則以構(gòu)成內(nèi)涵數(shù)據(jù)庫。
 

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