农作物生产可视化监管系统解决方案.docx
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农作物生产可视化监管系统解决方案
农作物生产可视化监管系统
解决方案
第一章背景及需求
应用背景
随着我国农业进入新的发展阶段,国家在农业基础设施建设方面增加了资金投入与政策导向,全国多地都已具备良好的硬件设施条件,但以农业机械设施为基础的农业信息化建设尚处于初步发展阶段。
近些年,由国务院、农业部等政府单位颁布的《中央一号文件》、《十三五全国农业农村信息化发展规划》及《互联网+现代农业三年行动实施方案》等政策文件均提及现代农业的改革发展方向,特别要强化设施园艺、露天种植的升级改造工作,做到农作物(包括粮食作物和经济作物)生产的保质保量,诸如农业物联网、农产品质量追溯等系统建设正处在政策推动的风口浪尖上。
我国农业生产方式目前仍以粗放型的传统农业为主,与发达国家相比,资源利用率和劳动生产率整体水平严重偏低,人力物力浪费严重,信息和科技服务滞后已成为制约我国现代农业发展和产业结构调整的瓶颈,因此亟需运用一套行之有效的措施来改变原有“面朝黄土背朝天”的农作方式和管理手段,将工作重点转移到用信息引导生产和加强农业宏观调控的轨道上来。
农作物生产可视化监管系统通过布设在田间地头的物联网传感设备和视频监控摄像机,实时监测露地/大棚温室的生产环境信息,并根据环境变量的变化情况结合工人经验与系统控制逻辑作出综合决策,保证作物始终处在一个良好、适宜的生长环境中,使产量和品质得到直接提高。
本平台根据建设地点的不同主要分为前端系统和后端系统,后端系统搭建在企业监控中心/农口政府单位,作为企业/政府对所辖区域全局监管的有效工具;前端系统搭建在田间地头,实时监测农作物的生长现状及人员的农事活动,为农业物联网、农产品质量安全溯源、农业大数据等业务提供视频服务,广泛适用于露地/大棚温室内种植的粮食、果茶树、蔬菜、花卉、食用菌、中草药等农作物的栽培过程管理。
平台的建成将转变传统的农业生产模式,促进农业信息服务网络化、农业资源管理数字化、农业生产管理精准化、农业生产装备智能化、农业生产过程安全化。
一.1业务现状
我国农作物种植面积广大,尤其是大棚温室面积更位居世界第一,总建筑面积高达200多万hm2,近年来大棚温室生产是农业生产中的“重头戏”,其重要程度也在逐年增加。
从整体情况来看,露地种植、大棚温室栽培管理方面存在的实际问题主要有以下几点:
●感知粗放,生产效率低:
露地/大棚温室中栽培的植物对生长环境条件变化敏感,并会影响最终的产出结果。
目前国内大多数露地/大棚温室没有安装环境监控设备,不具备环境感知和调节能力,环境指标的感知主要依赖管理员、农民的经验,不能获取各环境条件的准确数值,无法做到精准农业管理;
●盗窃破坏,影响采收:
安全防范技术意识不足,仍以人的“在场巡检”为主,防范手段落后,特别是作物成熟期的“偷盗”、“投毒”现象时有报道,对露地/大棚温室基地的进出人员、车辆管理不严,导致果蔬等的失窃、被破坏情况频发,露天区域尤为严重;
●追溯信息不完整:
大多数露地/大棚温室内没有安装摄像机,或即使安装了摄像机也没有进行视频录像的存储,溯源系统太过依赖于软件,录入的生产过程信息无法进行回溯核实,进而给管理带来一定困扰和担忧。
●监管难度大:
农业生产基地通常分散在县域内各个不同的区域,传统的“走访巡检”方式费人费时费力,各乡镇的农业服务水平也参差不齐,因此无法在时间和空间维度同时进行有效地监管,且对突发事件的预警处理反应有较大的延时。
一.2需求分析
业务需求
为了解决露地/大棚温室生产管理中存在的问题,不仅需要广大农企、农民提高对农业信息化的认识,同时也要政府相关部门做好监管工作。
农作物生产的业务需求主要有农业物联网生产监控、农产品质量安全溯源和农业生产综合监管等。
1)农业物联网生产监控
现阶段我国大多数露地种植/大棚温室尚未完成信息化建设,生产管理方式仍以人工巡检及人工经验判断为主,植物在困境中无法像动物一样快速发出异常行为、声音等信号,因此管理者往往不能及时感知植株本体的需求,可能导致植株长期生活于“逆境”中,长期处于逆境中的植株其生长速度缓慢、长势衰弱、抗病虫能力下降、粮食品质差、产量低。
农业物联网生产监控主要包括农业生产环境监测预警、虫情监测预警和环境因子的远程控制。
农业生产环境监测预警通过各类环境传感器实时感知环境因子的变化,并预先设置各类环境指标的阈值,当该指标超过设定阈值时自动报警,进而满足植株本体的真实需求。
虫情监测预警通过单兵或虫情测报箱等设备,由手动或自动抓拍虫情图片、视频,并通过网络实时上传给远程坐诊专家进行针对性地分析诊断。
环境因子的远程控制根据农业生产环境监测指标的变化,结合人工判断,通过相应的控制设备来控制生产环境的变化,使植株始终处于最佳生长环境中。
2)农产品质量安全溯源
随着人民生活水平的不断提高,人们对生鲜农产品的消费需求已由数量增长转变为对口味、营养、安全等的质量追求。
应用智能视频监控技术可代替人眼进行24小时不间断盯防、花样巡逻、定点值守,记录露地/大棚温室内发生的所有农事操作画面,配合报警设备还可有效防止闯入、偷盗、人为破坏、动物破坏等事件,同时当有设置的预定事件发生时自动联动摄像机并进行存储记录,方便对后期问题事件发生原因的参看与质量安全的可视化追溯。
3)农业生产综合监管
自古以来农业生产都离不开政府的监管,农作物生产可视化监管系统为多级架构系统,通过将前端建设的子系统接入上级政府监控中心,实时上传环境数据和视频流,实现对辖区范围内各个生产基地的统一监管。
政府领导通过观看监控中心的拼接大屏即可了解到各个基地实际的生产情况,政府监管的融入有利于实现整个露地/大棚温室温室生产过程的规范化,加强农产品质量安全的全程管控,监控点的部署就需考虑每个环节,尽可能减少监控盲区。
一.2.1系统需求
根据农业生产基地建设现状,在原有建设环境基础上,从不同角度切入问题并针对不同角色不同时期面临的实际困难分析相应的系统需求:
●露地/大棚温室中需通过动环主机接入空气温湿度、光照强度、土壤水分、CO2浓度、风速风向等环境感知信息;
●将环境传感信息在视频图像上进行叠加显示,直观地展示生产现状;
●当环境指标超过阈值时,系统立即发出报警信号通知管理员及时调控,保证作物始终处在一个良好、适宜的生长环境中;
●前端配备红外镜头或补光灯,实现对露地/大棚温室的内外环境进行全天候7*24小时的实时录像监控;
●应用智能视频监控技术可代替人眼进行24小时不间断盯防、巡逻,当有预定事情发生时自动作出联动反应并进行存储记录,节省农业主体在基地看护上投入的人力和费用;
●监控中心能够对所有监控点的情况进行实时监控、录像回放、智能检索、云台控制等操作,对于一些重点区域能很容易地实现事件回放和追溯,同时也可为农业生产性研究、资源分配调度、农产品质量安全追溯、农业大数据分析等不断积累基础数据。
●平台系统需具备完善的运维管理功能,对数量庞大的视频监控设备进行自动化巡检,当巡检结束后自动生成报表,以便运维部门及时处理;
●监控中心部署大屏,能够对所辖范围内的露地/大棚温室进行集中展示和统一管理。
一.3总体目标
为降低本地政府部门监管难度、保护农业财产、提高农产品品质产量、促进增产增收,需搭建一套农作物生产可视化监管系统,充分发挥信息化手段的作用,为农业产业化发展装上信息化的助推器,推进本地服务型政府的建设。
围绕露地/大棚温室的种植、采收、加工、运输、存储、配送、销售等环节进行全程信息采集、过程监控,推动农业领域“机器换人”主体思想的落实,实现农业生产经营从粗放式、经验性管理到精细化、科学化管理的快速转换,提高农产品的产量与品质,让消费者买得放心、使用安心。
XXXX将不断深耕农业“集约化、精细化、信息化”管理模式,加强“为农服务”理念,助力提高农产品附加值和农业产业层次。
XXXX农作物生产可视化监管系统,以提升政府的监管服务能力、企业的生产管理能力为出发点,实现农业生产的信息化管理。
系统以可视化为核心,以现代信息技术为支撑,网络互联互通,信息资源共享,应用功能完备,主要可实现以下目标:
●平台能够实现生产基地内视频监控、环境监测、安全警卫、智能控制等辅助子系统的统一接入和联动配置,有效节省管理及运维成本,做到关键事件能够被有效查询及追溯;
●平台能够与第三方农产品质量安全溯源信息化管理系统实现对接,关键点位的重要事件(如农资、设备的进出库过程)能够联动视频,实现业务管理的全程可视化;
●前端系统能够与上级监控中心实现互联互通,通过前端系统上传的信息、图像,上级监控中心能够对生产现场进行远程巡视,使上级管理部门能够及时掌握生产基地的生产情况;
●系统能够对非法入侵事件进行预警,及时通知管理员进行有效防范,降低和控制违法事故的发生;
●系统自动记录前端接入的生产环境信息并形成各类统计报表,供主管部门统筹决策。
第二章系统总体思路
二.1设计思想
依照农业部颁布的中央一号文件、《“十三五”全国农业农村信息化发展规划》、《“互联网+”现代农业三年行动实施方案》、《全国农业可持续发展规划(2015-2030年)》等政策,大力推进“互联网+”现代农业,应用物联网、云计算、大数据、移动互联等现代信息技术服务于农,特别要强化设施园艺、大田果园等的升级改造工作,必须尽快从主要追求产量和依赖资源消耗的粗放经营转到数量质量效益并重、注重提高竞争力、注重农业科技创新、注重可持续的集约发展上来。
通过打造一套从政府到农企、从企业监管中心到生产基地纵向贯通的可视化监管系统,实现对区域内农业生产的信息化监管及农产品的质量安全追溯,及时发现报警信息,切实提高露地/大棚温室生产管理水平,引领当地农业走上高产优质、安全可靠、资源节约、环境友好的现代农业发展道路。
二.2设计原则
随着信息技术的飞速发展,新技术不断涌现。
农作物生产可视化监管系统具备高性能、可扩展的计算机网络体系结构,满足今后持续更新和升级的需要,在设计时即考虑节约投资经费。
本方案的设计以满足实际应用为根本出发点,主要遵循以下几项原则:
1)技术先进、稳定可靠
系统可靠性是系统长期稳定运行的基石,只有可靠的系统,才能发挥有效的作用。
本方案从系统设计理念到系统架构的设计,再到产品选型,均持续秉承系统可靠性原则,采用成熟的技术,具备较高的可靠性、较强的容错能力、良好的恢复能力及防雷抗强电干扰能力。
系统采用当今先进的技术和设备,包括视频传输技术(光纤/无线)、H.264/H.265图像编码压缩技术、视频智能分析技术(Smart2.0)、存储备份技术(IP-SAN)、控制技术,使系统具有强大的稳定性及可延续性。
2)兼容度高、扩展性强
系统充分考虑扩展性,采用标准化设计思维,严格遵循相关技术的国际、国内和行业标准,确保系统之间的透明性和互通互联,并充分考虑与其它系统的兼容性,在设计和设备选型时,科学预测未来扩容需求,进行余量设计。
设备采用模块化结构,便于系统扩容、升级。
系统在做底层区域的扩增时,只需配置前端系统设备、建立和监控中心的连接,在管理平台做相应配置即可,软硬件无须做大的改动。
3)管理方便、维护简单
系统采用全中文、图形化软件实现整个监控系统管理与维护,人机对话界面清晰、简洁、友好,操控简便、灵活,便于监控和配置;采用稳定易用的硬件和软件,完全不需借助任何专用维护工具,既降低了对管理人员进行专业知识的培训费用,又节省了日常频繁地维护费用。
4)顶层设计、分步实施
按照“一揽子”解决问题的思路,全面、系统地规划设计总体框架,提出总体思路和建设目标要求,明确路线图和时间表,分步实施,协调推进。
5)综合分析、安全至上
综合考虑设备安全、网络安全和数据安全。
在前端采用完善的安全措施以保障前端设备的物理安全和应用安全,在前端与监控中心之间必须保障通信安全,采取可靠手段杜绝对前端设备的非法访问、入侵或攻击行为。
数据将前端分布存储与监控中心集中存储相结合,对数据的访问采用严格的用户权限控制,并做好异常快速应急响应和日志记录。
二.3设计依据
●《“十三五”全国农业农村信息化发展规划》
●2018年中央一号文件《关于实施乡村振兴战略的意见》
●《“互联网+”现代农业三年行动实施方案》
●《全国农业现代化规划2016-2020年》
●《全国农业可持续发展规划(2015-2030)》
●《2006-2020年国家信息化发展战略》
●《视频安防监控系统工程设计规范》(GB50395-2007)
●《安全防范工程技术规范》(GB50348-2004)
●《出入口控制系统工程设计规范》(GB50396-2007)
●《入侵探测器通用技术条件》(GB10408.1-89)
●《防盗报警控制器通用技术条件》(GB12663-90)
●《计算机信息系统安全》(GA216.1-1999)
●《计算机软件开发规范》(GB8566-88)
二.4设计思路
XXXX根据自身的专业特点,结合农作物生产的实际需求,我们设计了常规视频监控、农业环境在线监控预警、露地瞭望及烟火监测、全景监控、病虫害监测等子系统用于农作物生产可视化的建设,并通过建立视频综合管理平台将各个子系统统一到平台进行集中管理。
系统设计思路如下:
1)覆盖范围广泛全面
监控终端应覆盖试点省、市重点露地/大棚温室种植基地,安装在园区出入口、周界、田间地头和监控中心等关键位置。
2)多级联网监控
有条件的地区,将视频监控资料通过远程传输保存在省(市)级农业主管部门中心存储端,暂不具备条件的,可将资料保存在企业监控端,保存期至少为3个月。
各级农业主管部门在保存期内,可根据监管工作需要调出相应资料进行查看。
3)星光级夜间监控
采用星光级摄像机,保证重要点位做到24小时全天候监控。
夜间拍摄图像依旧呈现清晰,画面噪声极少,效果十分优异。
4)智能监控
采用智能视频设备,能够实现智能主动监控,当有越界、区域入侵、人员聚集等预设值的异常行为发生时,快速实现枪球联动看细节,自动变倍聚焦到可疑点位,第一时间做好记录。
5)实时报警
对露地/大棚温室种植区域内环境状况进行实时准确的监控,并整合基地内门禁、安全防范等系统,在发生紧急情况时自动报警并联动相关系统,实现集中监控。
6)统一监管
监控中心部署中心平台,对所辖区域内的农业种植基地进行统一接入、集中管理,对上报信息在大屏或者客户端进行呈现展示,监控部署在省市政府农口单位;
7)视频质量诊断
为了确保视频监控系统的稳定运行,中心平台还需具备视频质量诊断功能,通过轮巡方式对前端监控点进行定期诊断,并输出相应诊断报告。
第三章系统总体设计
三.1总体架构
基于“高内聚、松耦合”设计原则和顶层模块化设计的思想,企业生产监管平台采用了SOA架构,平台提供统一的服务管理,各个应用或子系统,以及功能模块的服务端皆以独立服务方式提供并注册到平台,具备良好伸缩性和业务扩展能力,以确保系统符合信息技术发展的趋势并适应未来应用动态升级的需要。
在项目建设总体思路、建设内容、系统定位等指导下,将系统划分为五个层次,同时根据技术标准和设备标准进行保障。
图1.系统架构图
1)用户层
为平台各类用户提供具有良好用户体验的终端展现界面,业务数据的自动化录入,并提供多种前端接入方式,主要包括智能手机、智能手持机、拼接大屏、个人电脑、前端查询机等设备。
2)应用层
用于支持不同权限管理者和用户的业务应用和智能化、自动化生产,主要包括政府应用平台和企业/个人应用平台,政府应用平台与企业/个人应用平台之间相互服务,数据共享。
3)支撑层
支撑层负责为应用系统的运行提供技术支撑服务,并将这些服务能力依据不同功能划分,以松散耦合的形式组织成各类基础服务。
这些基础服务在SOA的总体架构内互相提供服务和数据,构成了上层应用系统所需要的底层应用支撑。
为上层系统提供数据支持,包括生产环境监测数据库、预警信息数据库、视频图像数据库等。
4)网络层
主要指前端硬件设备上传数据所需传输网络,通过光纤、双绞线等有限传输方式或无线网桥、LoRa、3G/4G等无线传输方式实现与中心平台的连接。
5)感知层
主要指保障上层系统正常运行的硬件设备,包括各类环境量传感器、前端监控摄像头、控制设备及各类报警设备等。
三.1.1
系统拓扑
系统由各级监控中心和前端监控点位组成。
在前端露地/大棚温室生产基地设置不同类型的网络摄像机,监控视频直接传输到基地的控制中心进行实时查看和存储,同时也可以转发给上级视频监控中心如省(市)农业局等上级单位,构建省、市、县(区)、生产基地等多级联网的视频监控系统。
环境传感监测数据及视频数据等信息在各级监控中心均可单独存放,建议采用云存储或者集中存储(CVR)等存储专用设备,将所有监测点的环境、视频数据进行长期保存,保证至少90天内不丢失,便于日常管理或突发事件的记录及历史信息检索。
图2.网络拓扑图
三.1.2系统组成
根据农业基地的组织架构,农作物生产可视化监管系统为分层及分区分布,农作物生产可视化监管系统由前端系统、传输网络、监控平台这三个相互衔接、缺一不可的部分组成。
1)系统前端
系统前端对农业种植基地内的常规视频监控系统、环境在线监控预警系统、全景及瞭望监控系统和病虫害监测系统等进行了整合,主要负责对应用场景内部及周边的视音频、报警等信息进行采集、编解码、存储及显示,并通过系统平台预置的规则进行自动化联动。
2)传输网络
系统承载的网络因不同用户和不同组织架构而异,可根据实际情况建设,用于前端与监控中心之间的通信,一般分为有线传输和无线传输2种网络传输方式,支持3G/4G、无线网桥、LoRa等无线传输模式。
前端系统的视音频、报警信息可上传至平台,分别供各级的政府管理部门和用户调用查看。
在运营商的3G无线网络环境下,领导及专家也可随时随地通过手机查看实时图像;相关巡查人员可通过手持移动单兵对现场进行巡视,并通过3G网络将图像传回监控中心。
3)监控/数据中心
部署在省、市(县)政府农口单位或农企的监控/数据中心可管理应用场景内部的所有设备,接收由各区域上报的信息,满足各级用户对监控视频、报警信息查看等需求。
系统服务软件主要包括中心管理服务、存储管理服务、网管服务、流媒体服务、告警服务、设备接入服务、移动接入服务、电视墙服务等。
三.2系统功能
1)实时监控
高清监控系统可实现对附近相邻的多个区块进行360度全方位监控和24小时不间断的监视工作,并且可以保留一个月的监控资料。
2)在线直播
监控系统可实时监控农产品的生长情况并通过网络远传及网上直播,生产管理人员可以在家中观察农作物生长情况,甚至可以将该视频直接公布在网络上,让消费者看见农作物生长的全过程,以证明农作物生长环境的优良。
3)环境监控
本方案的设计不仅仅是视频的监控,它还能够监控现场的环境量,能够通过传感器,将现场的温度、湿度、光照强度及其它各种气体的浓度传回监控中心,让工作人员在监控中心就能感知到现场的温度和湿度变化,同时各种数据可以和视频进行叠加,既可以看到监控区域又可以感知监控区域的环境情况。
4)智能报警
系统可以将一系列报警信息发送到相关人员的手机上,工作人员可以打开手机软件,直接查看现场情况,例如,有人闯入了种植区,通过智能分析会产生报警,该报警可以通过短信的方式发送到手机上,又如,现场温度超出设定的阀值,报警信息也能够通过短信发送到相关人员手机上。
5)巡检预案管理
系统支持可视化巡检预案,按人工巡检的路线,把监控区域多个监控点的多个预置位添加进预案,一旦发现问题可截图并标注问题,及时通知相关部门。
相较于人工巡检、手工纸质记录的传统巡检方式,该预案可大大提高巡检质量及到位率。
6)手机监控
本系统可以在手机上安装手机客户端,手机客户端目前支持的系统有iOS、Android等系统,管理人员可以在其智能手机上安装手机客户端,通过3G网络查看现场视频及各种传感器传回的数据,可以控制现场补光灯、水泵、电磁阀、风机等设备。
7)生产预警
实时监测预警事件的发生,并推送给管理人员以示注意。
根据环境变化量进行预警发起,对于不符合规范操作以及环境信息变化,影响作物生长的事件将会触发报警条件并自动以系统通知或短信告警的形式告知管理人员,系统并会对预警信息进行收集存档,并归纳出长期出现预警的事件类别,方便管理、决策分析。
预警标准值设定、预警区域管理、预警时间及预警方式选择等。
8)可视对讲
通过给现场工作人员配置单兵,工作人员可以携带单兵直接和中心进行可视对讲,这能够起到可视化管理,通过远程指导的方式,第一时间处理好现场情况。
数据统计
数据统计将以往的环境监测数据通过图表的方式进行统一展现,主要包含数据的存储、统计和统计分析。
数据的存储、统计是通过动环对传感器采集的信息进行存储、统计、管理的功能,同时可供信息追溯使用。
数据的统计分析对生产区的各种数据进行统计分析,形成报表,供管理人员决策分析。
9)中心展示
通过在监控中心安装拼接屏系统,能够通过大屏幕的方式展现温室现场情况,大屏幕的好处在于能够非常醒目地看清现场动态,同时以最佳的高清视频呈现方式展现给视察参观的领导。
三.3系统特点
三.3.1环境感知技术
通过动环监控报警主机对前端环境监测传感器的接入,在线采集露地/大棚温室温室内环境指标数据(二氧化碳浓度、空气/土壤温湿度、光照强度等),让管理者对露地/大棚温室内的环境变化了如指掌,同时也是对外展示的首选呈现方式。
图3.物联网环境感知
三.3.2高清网络视频监控技术
随着视频监控技术的高速发展,用户对于视频监控产品的要求也在不断提高,“让我们看得更清楚”是许多用户提出的一个非常迫切的需求。
图4.农业生产高清监控
采用高清摄像机获取高清晰度的监控画面,能更清楚地看清现场情况。
使场景覆盖范围更广,减少单位面积监控点的数量,可以提高监控效能,减少设备投资。
高清监控技术的采用,使细节更清晰,大大提高智能视频分析的精度,有利于提炼结构化数据,更加适合图像特征识别和智能视频分析的应用。
通过下图可以看到CIF、D1、720P、1080P等不同分辨率的比较,可以清楚看到高清摄像机(720P、1080P)的分辨率远大于标清摄像机(D1)及CIF,分辨率的不同带来了清晰度的差异。
图5.不同分辨率成像比较
高清视频监控相比标清视频监控具有明显的技术和应用优势:
●图像清晰度更高,在温室的一些重要监控点,采用高清摄像机可以获取高清晰度的监控画面,能更清楚地看清现场情况。
●高清监控技术的采用,使场景覆盖范围更广,即可增大监控范围,缩减单位面积布设摄像机的数量,提高了监控效能,减少了设备投资。
●使细节更清晰,大大提高智能视频分析的精度,使系统更容易获得有价值的信息,有利于图像识别和智能视频分析的应用。
三.3.3星光级摄像技术
黑夜一直以来都是监控摄像的软肋。
在黑幕的掩饰下,时常发生些违法犯罪行为,而传统的视频监控却显得有些力不从心,画面模糊不清,举证不利,达不到监控的效果。
星光级低照度摄像机的应运而生的的确确攻克了这一难题,所谓术业有专攻,超低照度摄像机凭借着在低光条件下甚至在黑夜里都能取得很优秀的监控效果。
本方案为保证重要点位做到24小时全天候监控,可采用星光级摄像机。
星光级摄像机置于暗室当中模拟低照度环境,并对准照度计以及布娃娃,随着降低室内白炽灯亮度,观察画面,当照度值为4Lux时,画面通透无噪声;降低照度至3Lux左右,此时有轻微噪声出现;继续降低照度至1.28Lux,噪声明显,但整体画面依旧良好,此时开启专家级降噪模式,瞬间噪声全无,画面平滑干净。
当照度值降至0.5Lux左右,切换成黑白模式,此时并未出现虚焦、过曝等不良迹象;最后降至0.01Lux时,图像依旧呈现清晰,画面噪声极少且干净,
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