基于VR技術(shù)的艦空導(dǎo)彈火控訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計*

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基于VR技術(shù)的艦空導(dǎo)彈火控訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計*

成順利，朱鵬磊

(中國人民解放軍92941部隊93分隊，遼寧 葫蘆島125001)

摘要：簡要介紹虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念、特征及分類，闡述了艦空導(dǎo)彈火控訓(xùn)練系統(tǒng)具有的功能、設(shè)計思想及組成結(jié)構(gòu)，著重論述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在艦空導(dǎo)彈火控訓(xùn)練系統(tǒng)中的技術(shù)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：模擬器；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；艦空導(dǎo)彈火控訓(xùn)練系統(tǒng)；仿真

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(virtual realiity，VR)技術(shù)已經(jīng)滲透進了軍事訓(xùn)練的各個方面，并開始在軍事領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越大的作用。隨著第2代艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)裝備部隊，這些現(xiàn)代化裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，維護費用龐大，實戰(zhàn)演練將消耗大量資金和軍用物質(zhì)且安全性差，這樣造成實裝訓(xùn)練不足，戰(zhàn)斗力未能得到充分發(fā)揮。為此，在武器系統(tǒng)裝備部隊的同時，研制裝備基于VR技術(shù)和仿真技術(shù)的艦空導(dǎo)彈火控訓(xùn)練系統(tǒng)[1](以下簡稱訓(xùn)練系統(tǒng))既可以節(jié)約大量的訓(xùn)練經(jīng)費，又能大大提高訓(xùn)練效益，對于改進訓(xùn)練效果、提高訓(xùn)練水平具有極大的輔助和促進作用。

1VR技術(shù)

1．1VR技術(shù)的概念

VR技術(shù)是20世紀90年代末興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，是現(xiàn)代仿真技術(shù)的一個重要研究領(lǐng)域。具體的說就是采用以計算機技術(shù)為核心的高科技技術(shù)生成逼真的視、聽、觸覺一體化特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的環(huán)境與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生等同真實環(huán)境的感受和體驗[2]。

1．2VR技術(shù)的特征及分類

VR技術(shù)的特征可以歸納為3個“I”，即沉浸性(immersion)、交互性(interaction)和構(gòu)想性(imagination)。由于它生成的視覺環(huán)境是立體的，音效是立體的，人機交互是和諧友好的，因此VR技術(shù)使人和計算機很好地融為一體，給人一種身臨其境的感覺[3]。

根據(jù)用戶參與VR的不同形式、沉浸和交互的程度，VR技術(shù)主要分為4類：桌面VR、沉浸VR、分布式VR和增強VR。訓(xùn)練系統(tǒng)采用分布式VR系統(tǒng)實現(xiàn)了整個武器系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)各系統(tǒng)之間的信息交融和發(fā)射過程模擬[4]。

2訓(xùn)練系統(tǒng)

2.1設(shè)計需求

由于訓(xùn)練系統(tǒng)使用條件屬于實驗室環(huán)境，所以溫度、振動以及三防指標要求都已經(jīng)大大降低，因此可靠性，可維性相對容易實現(xiàn)。對電氣接口、軟件接口、機械接口都應(yīng)有明確的定義要求，元器件的品種、規(guī)格也應(yīng)按標準選取；軟件也要按軍用軟件開發(fā)規(guī)范和軍用軟件接口標準設(shè)計[5]。無論在軟件、硬件上盡量做到標準化，通用化，系列化，模塊化。

為了保證訓(xùn)練系統(tǒng)的逼真性，系統(tǒng)中各模擬器直接與真實系統(tǒng)中的分系統(tǒng)相對應(yīng)，對信息的處理流程也與真實系統(tǒng)保持一致。

2.2具有的功能

基于VR技術(shù)的訓(xùn)練系統(tǒng)不僅可完成各單元的模擬訓(xùn)練和虛擬訓(xùn)練，還具有作戰(zhàn)指揮、實時顯示控制、作戰(zhàn)效能仿真，故障設(shè)置及診斷，專家成績評定，原理教學(xué)及記錄重演等多項功能。其最終用戶主要是院校學(xué)員及作戰(zhàn)部隊，其主要功能包括：

(1) 訓(xùn)練系統(tǒng)與實際裝備應(yīng)該保持相同外觀特性(包括幾何尺寸，外形特征，顏色，開關(guān)按鈕的型號，指示燈顏色)，使指戰(zhàn)員感官認識相同，能夠迅速投入實裝操作。

(2) 訓(xùn)練系統(tǒng)與實際裝備必須保持相同的操作特性(包括操作順序，顯示頁面的格式，開關(guān)指示燈操作狀態(tài)，實際邏輯關(guān)系)，養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣，再熟中生巧。

(3) 訓(xùn)練系統(tǒng)與實際裝備完成戰(zhàn)斗過程的操作條例相同。武器裝備在戰(zhàn)斗過程中受戰(zhàn)術(shù)技術(shù)條件的限制，多種邏輯關(guān)系的制約，操作步驟之間有一定的時間間隔和等待條件發(fā)生的約束，信號傳遞關(guān)系。訓(xùn)練系統(tǒng)必須準確客觀的模擬這些現(xiàn)象，只有這樣在訓(xùn)練系統(tǒng)上訓(xùn)練后立即可投入實裝，轉(zhuǎn)入作戰(zhàn)使用。

1) 訓(xùn)練可分單人的戰(zhàn)位操練和多人協(xié)同訓(xùn)練，可用自動命題和人工命題2種方式，設(shè)定導(dǎo)彈攻擊的訓(xùn)練內(nèi)容，對模擬作戰(zhàn)過程每一個操作動作均能記錄、評估；

2) 任意設(shè)置作戰(zhàn)環(huán)境，包括地理位置、作戰(zhàn)海域、敵艦類型、編隊、海情、氣溫、我方武器所處狀態(tài)等；

3) 可任意設(shè)定故障部位，甚至是實裝不常見的故障，用這種辦法開發(fā)指戰(zhàn)員的智力，使其具有面對可能出現(xiàn)的故障能正確分析、果斷處理的能力；

4) 記錄每一個操作動作，并隨時可停止操作，講評操作存在問題和指明正確操作方式和顯示狀態(tài)；

5) 記錄訓(xùn)練時間和效果，并存檔以備考核分析；

6) 訓(xùn)練系統(tǒng)各個子系統(tǒng)均可單個自檢，也可在綜合顯控臺上控制自檢。從總體上把握所有開關(guān)，指示燈的好壞，從而減少訓(xùn)練準備時間；

7) 對裝備使用維護方法及組成原理等理論方面問題具有幫助學(xué)習(xí)功能，并對不同級別人員進行分層次訓(xùn)練培養(yǎng)；

8) 導(dǎo)彈發(fā)射后，可提供在該操作背景情況下的實時導(dǎo)彈飛行仿真彈道并給出命中概率；

9) 根據(jù)上級指令可設(shè)計接敵航跡，給出戰(zhàn)斗航向，發(fā)射導(dǎo)彈時機，退出戰(zhàn)斗航跡，結(jié)合作戰(zhàn)思想反復(fù)演練，并給出對抗效果分析和計算發(fā)射導(dǎo)彈數(shù)量。

(4) 通過VR技術(shù)建立虛擬的戰(zhàn)區(qū)地形、氣象、戰(zhàn)場態(tài)勢以及導(dǎo)彈武器配置情況，為指揮員提供決策支持。

(5) 指揮員在VR中進行交互操作，訓(xùn)練系統(tǒng)根據(jù)輸入的作戰(zhàn)方案和導(dǎo)彈摧毀概率進行演示，并向指揮員推薦具體的作戰(zhàn)方案輔助決策。

(6) 通過訓(xùn)練系統(tǒng)對指揮員制定的各種作戰(zhàn)方案進行定性和定量分析，提出合理的評估意見，并給出評估。

2.3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

訓(xùn)練系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)與實際武器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成相對應(yīng)，總體結(jié)構(gòu)是分布式的，各子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)進行通信，主要由2種仿真網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成，其中：仿真作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)為艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)的仿真網(wǎng)，用于模擬艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)，是艦上各系統(tǒng)設(shè)備模塊之間交互公共作戰(zhàn)信息的網(wǎng)絡(luò)；仿真導(dǎo)彈武器系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)為艦空導(dǎo)彈火控系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)的仿真網(wǎng)，是仿真導(dǎo)彈武器系統(tǒng)內(nèi)部進行信息交互的網(wǎng)絡(luò)[5-6]。

訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)備外形、操作控制臺、作戰(zhàn)軟件界面等均高度仿真武器系統(tǒng)實裝。操作控制臺按鍵、旋鈕等開關(guān)的控制信號通過I/O控制卡采集，按照武器系統(tǒng)作戰(zhàn)邏輯和操作流程處理這些信號[7]。訓(xùn)練系統(tǒng)主要包括：雷達、綜合顯控臺、通道顯控臺(A和B)、發(fā)控機柜、發(fā)射裝置、綜合導(dǎo)航、通用/附屬設(shè)備、訓(xùn)練機柜、時統(tǒng)設(shè)備、作戰(zhàn)指控、導(dǎo)彈模擬器和網(wǎng)管設(shè)備[7]。

訓(xùn)練系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)[8]如圖1所示。

綜合顯控臺模擬器是訓(xùn)練模擬器的控制中心，是指揮員、操作員與武器系統(tǒng)之間的交互界面，主要負責(zé)監(jiān)視和評定防區(qū)態(tài)勢，顯示整個戰(zhàn)術(shù)情況，用于設(shè)置導(dǎo)彈武器系統(tǒng)狀態(tài)和故障模式，記錄和處理各節(jié)點送來的控制信息，通過與資源數(shù)據(jù)庫的信息進行匹配，演示教學(xué)內(nèi)容，對操作手進行評估，并將評估結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。在綜合顯控臺模擬器上實現(xiàn)了對指揮員的決策支持、輔助決策及決策評估。

通道顯控臺(A和B)模擬器主要模擬接收相應(yīng)的火力單元的火力分配信息并顯示，接收綜合顯控臺監(jiān)控、控制命令，顯示攔截目標航跡，攔截可行性計算顯示，攔截狀態(tài)表顯示，監(jiān)測本通道工作狀態(tài)，作戰(zhàn)進程顯示，執(zhí)行發(fā)射命令，動態(tài)顯示模擬導(dǎo)彈軌跡及攔截目標過程。

雷達模擬器信息生成與顯控臺采用虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計了武備系統(tǒng)設(shè)備操作面板，另外運用現(xiàn)場采集音響等多媒體信息和觸摸屏操作，最大程度的仿真儀器設(shè)備的操作環(huán)境。采用計算機仿真技術(shù)與靶試數(shù)據(jù)相結(jié)合，模擬目標及導(dǎo)彈軌跡，按照目標運動規(guī)律、彈道及引導(dǎo)規(guī)律形成目標及導(dǎo)彈參數(shù)。

綜合導(dǎo)航模擬器實現(xiàn)對艦載導(dǎo)航設(shè)備進行模擬，完成綜合導(dǎo)航設(shè)備信息的模擬功能，包括綜合導(dǎo)航顯控臺模擬器、計程儀模擬器、平臺羅經(jīng)模擬器、船舶氣象儀模擬器和測深儀模擬器。

通用/附屬設(shè)備模擬器采用虛擬儀器形式來仿真設(shè)備操作面板的方式來實現(xiàn)。

訓(xùn)練機柜模擬器采集并記錄仿真過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，為重演作戰(zhàn)/訓(xùn)練過程、分析作戰(zhàn)/訓(xùn)練結(jié)果和評定武器系統(tǒng)性能提供重要依據(jù)，并對所記錄的數(shù)據(jù)進行分析和處理，重新生成作戰(zhàn)/訓(xùn)練過程，為總結(jié)作戰(zhàn)經(jīng)驗，提高操作水平，分析判斷敵方的戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)手段，研究新的使用策略和方法提供依據(jù)。

發(fā)控機柜模擬器動態(tài)顯示發(fā)射時序和與模擬導(dǎo)彈交互的信息。

發(fā)射裝置模擬器采用Creator構(gòu)建發(fā)射裝置的三維模型，運用Vega構(gòu)建場景數(shù)據(jù)，通過接收信息生成控制模型節(jié)點屬性和場景數(shù)據(jù)，演示導(dǎo)彈發(fā)射過程。

圖1　艦空導(dǎo)彈火控訓(xùn)練系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of shiptoair missile fire control training system

3VR技術(shù)在訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1開發(fā)平臺

(1) 硬件平臺

采用一臺高性能計算機服務(wù)器作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心及指揮監(jiān)控中心，一臺圖形工作站作為三維圖形處理中心，并行12臺臺式機和一臺交換機構(gòu)成整個微機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

(2) 軟件平臺

采用先進的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)并配以虛擬儀器軟件及功能強大的高級開發(fā)語言；動畫生成與處理則采用先進的計算機圖形技術(shù)，并配以先進的圖形動畫設(shè)計軟件，多媒體系統(tǒng)將各種聲、光、圖形及動畫等有效地結(jié)合在一起，產(chǎn)生如臨實際的訓(xùn)練效果。主要用的軟件工具有：NT4.0+Servicepack CreatorproWindows6.0操作系統(tǒng)，高級體系結(jié)構(gòu)HLA，網(wǎng)絡(luò)相關(guān)應(yīng)用程序JBuilder，VC++6.0，MultiGen三維建模軟件、Audio works2、GL Studio和Vega視景仿真開發(fā)軟件包。

3.2訓(xùn)練系統(tǒng)中VR技術(shù)應(yīng)用

(1) 作戰(zhàn)使用功能仿真

在系統(tǒng)的作戰(zhàn)使用功能中，首先根據(jù)雷達模擬器給出目標信息，為保證系統(tǒng)的處理精度和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，一般進行濾波平滑、插值、外推等處理，形成航跡信息；其次指揮控制火控系統(tǒng)相應(yīng)的設(shè)備，設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)，進行實時的解算，在合適的時機由指揮員發(fā)送命令控制模擬導(dǎo)彈發(fā)射，實現(xiàn)對模擬目標的攻擊。該部分仿真內(nèi)容是作戰(zhàn)使用功能仿真系統(tǒng)的核心內(nèi)容，主要由武器系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件來實現(xiàn)，具體包括武器系統(tǒng)信息處理、信息通信與交互、各種復(fù)雜解算及轉(zhuǎn)換、命令形成與執(zhí)行等內(nèi)容。在作戰(zhàn)使用功能仿真中，通過構(gòu)建與實際導(dǎo)彈武器火控系統(tǒng)軟件需求相同的虛擬環(huán)境，完全火控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件仿真，使之能夠在仿真環(huán)境中模擬進行與實際系統(tǒng)相同的運行過程，從而實現(xiàn)對武器系統(tǒng)作戰(zhàn)使用功能的仿真[9]。

(2) 動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

虛擬環(huán)境的建立是VR技術(shù)的核心內(nèi)容。動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。

1) 軍艦和導(dǎo)彈模型的創(chuàng)建

在軍艦和導(dǎo)彈各基本部件準確的幾何數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，采用面向?qū)ο蟮臉湫蛯哟谓Y(jié)構(gòu)化設(shè)計模型，這樣既方便組織管理，又增添了三維模塊的重要性。在需要維護和改進時只需修改目標節(jié)點，而其他部分保持不變。軍艦和導(dǎo)彈等各個組成部分的形狀很不規(guī)則，很難簡單地用一個幾何體來模擬，為了使模型既能保證一定的逼真度，又能滿足采用樹型層次結(jié)構(gòu)化設(shè)計需求，在構(gòu)建軍艦和導(dǎo)彈模型時，將整個不規(guī)則的軍艦、導(dǎo)彈等組成部分分解成若干個相對規(guī)則的基本部件，將每個基本部件簡化為一個或幾個基本幾何元素的組合，基本幾何元素的確定以描述方便為基礎(chǔ)，并能夠利用它們方便地組合成各種幾何形狀，軍艦和導(dǎo)彈的各個基本部件就是這些基本幾何元素的組合。根據(jù)組合后的軍艦和導(dǎo)彈描述，用CreatorPro構(gòu)造軍艦和導(dǎo)彈的三維幾何模型。考慮到在艦艇航行和導(dǎo)彈飛行過程中，只用描述軍艦和導(dǎo)彈整體的運動情況，這樣在用Vega進行視景驅(qū)動時僅僅設(shè)置這一整體模型的運動即可，簡便了操作[10]。在各個三維模型構(gòu)建完成之后，對模型進行紋理貼圖，最終生成軍艦、導(dǎo)彈的三維模型。

2) 海戰(zhàn)場環(huán)境模擬技術(shù)

虛擬海洋環(huán)境建模技術(shù)是訓(xùn)練系統(tǒng)作戰(zhàn)仿真的重要組成部分。因為在仿真環(huán)境中，人需要以一種接近實際被仿真的裝備方式感知周圍環(huán)境，逼真的虛擬的海洋環(huán)境可以使模擬訓(xùn)練具有真實性，還可以作為作戰(zhàn)演練、戰(zhàn)場態(tài)勢分析、武器性能仿真提供有力的環(huán)境支持。

系統(tǒng)中模擬的海戰(zhàn)場環(huán)境內(nèi)容主要包括：大面積真實感海浪場景的建模與實施繪制；自然現(xiàn)象：溫度、濕度、風(fēng)向、海情、能見度、光暈、日出日落、晝夜、動態(tài)3D云層；實體與環(huán)境交互效應(yīng)，如艦船航跡流、導(dǎo)彈與飛機尾跡、爆炸效果、導(dǎo)彈發(fā)射效果等。

3) 作戰(zhàn)過程模擬

大量采用交互式3D技術(shù)、VR技術(shù)模擬作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)背景(目標批次、目標類型等)以及系統(tǒng)作戰(zhàn)全過程(目標侵入、搜索雷達送目指、發(fā)射裝置開艙口蓋、導(dǎo)彈發(fā)射、彈目交會等)，并以全3D虛擬現(xiàn)實方式顯示[11]。

4) 視景仿真底層驅(qū)動引擎

本訓(xùn)練系統(tǒng)框架的主要核心底層是仿真引擎驅(qū)動，它將主要負責(zé)整個數(shù)據(jù)調(diào)度、運算、繪制和輸入輸出等。系統(tǒng)具體采用VC++6.0、Vega視景仿真開發(fā)軟件包開發(fā)，首先利用Vega開發(fā)系統(tǒng)創(chuàng)建一個Vpapp類對象或則派生類對象，場景初始化階段在Lynx Prine中完成，根據(jù)需要導(dǎo)入前面創(chuàng)建的三維模型，完成場景初始配置，然后通過調(diào)用不同函數(shù)按步驟實現(xiàn)環(huán)境初始化工作、解析相應(yīng)項目文件、完成系統(tǒng)配置、進入幀循環(huán)、完成場景的更新顯示及狀態(tài)變化等。

(3) 音效跟蹤及合成技術(shù)

利用不同聲源的聲音到達某一特定地點的時間差、相位差、聲壓差等進行虛擬環(huán)境的聲音跟蹤以及多種聲音的合成與聲音空間化技術(shù)。

系統(tǒng)采用高保真虛擬三維聲音仿真模塊Audio works2。模擬聲音主要包括：海水與艦船自身聲響；艦船與海面相互作用音響；海風(fēng)、下雨、雷電等自然聲響；導(dǎo)彈發(fā)射、飛行、爆炸音響；武器系統(tǒng)設(shè)備工作發(fā)出的音響，如報警、提示等；操作人員信息交流語言等[11]。

(4) 裝備儀器面板模塊仿真

對于訓(xùn)練系統(tǒng)來說，其場景中的很大一部分是由裝備儀器面板組成的，因此，對于這裝備儀器面板邏輯模擬的真實程度，在很大程度上決定了整個系統(tǒng)的訓(xùn)練效果。我們利用GL Studio進行裝備儀器面板的仿真設(shè)計。由于采用了設(shè)備真實紋理，操作面板逼真度高。

(5) 高性能計算處理技術(shù)

高性能計算處理技術(shù)主要包括同步技術(shù)、模型的標定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)，多維信息數(shù)據(jù)的融合、數(shù)據(jù)壓縮以及數(shù)據(jù)庫的生成，包括命令識別、語言識別以及各種信息的檢測等在內(nèi)的模式識別，分布式與并行計算及遠程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等[12]。

4結(jié)束語

VR技術(shù)運用于訓(xùn)練系統(tǒng)中，能夠直觀的反映艦空導(dǎo)彈火控系統(tǒng)作戰(zhàn)訓(xùn)練中涉及到的各個因素，能夠根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果將作戰(zhàn)訓(xùn)練情況可視化，同時結(jié)合回放便于對訓(xùn)練情況的分析與評估。我們的訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計進入了尾聲，下一步將重點研究完善根據(jù)訓(xùn)練系統(tǒng)仿真結(jié)果動態(tài)生成作戰(zhàn)訓(xùn)練的三維模型問題，增加虛擬仿真的真實性，為艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)訓(xùn)練提供更為有效的手段。

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Ship to Air Missile Fire Control Training System Based on VR Technology Design

CHENG Shun-li，ZHU Peng-lei

(PLA，No.92941 Troop,93 Element，Liaoning Huludao 125001,China)

Abstract:The concept, characteristic and classification of virtual reality technology are briefly introduced. The functions, the design idea and structure of the shiptoair missile fire control training system are expounded. And the virtual reality technology applied in shiptoair missile fire control training system is specially analyzed.

Key words:simulator；virtual reality technology；ship to air missile fire control training system;simulation

中圖分類號：TJ762.3+3;TP391.9

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-02-0180-05

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.02.029

通信地址：125001遼寧省葫蘆島市連山區(qū)新華大街45號

作者簡介：成順利(1965-)，男，遼寧省葫蘆島人。高工，本科，研究方向為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)試驗工程。

* 收稿日期：2014-05-22；
修回日期：2014-07-27