電力系統(tǒng)中機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與展望

鄭盼龍，遲冬祥

(上海電機(jī)學(xué)院 a.電氣學(xué)院， b.電子信息學(xué)院， 上海 200240)

電力系統(tǒng)中機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與展望

鄭盼龍a，遲冬祥b

(上海電機(jī)學(xué)院 a.電氣學(xué)院， b.電子信息學(xué)院， 上海 200240)

研究了機(jī)器人技術(shù)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用，包括核電站與變電站巡檢機(jī)器人、架空線巡檢機(jī)器人及電纜管道機(jī)器人等；介紹了各類電力系統(tǒng)機(jī)器人的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法及其存在的問題，指出了電力系統(tǒng)中機(jī)器人的發(fā)展方向。

機(jī)器人； 電力系統(tǒng)； 智能化； 巡檢

電力系統(tǒng)由發(fā)電廠、變電所、輸電線、配電系統(tǒng)及負(fù)荷等組成，是現(xiàn)代社會(huì)中最重要、最龐雜的工程系統(tǒng)之一。由于對電力供應(yīng)具有高度的依賴性，故人們總希望將電力系統(tǒng)故障減到最小。為使電力系統(tǒng)能夠安全、可靠地工作，對其各個(gè)組成部分進(jìn)行巡檢、維護(hù)是十分必要的，主要包括對發(fā)電廠、變電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)部分的巡檢和維護(hù)。

發(fā)電廠是將自然界蘊(yùn)藏的各種一次能源轉(zhuǎn)換為電能的工廠。目前，發(fā)電廠中各部分的檢查與維護(hù)仍然依靠人工完成；而應(yīng)用于核電站的巡檢機(jī)器人已經(jīng)出現(xiàn)。

變電系統(tǒng)是電力生產(chǎn)、輸送、分配3大系統(tǒng)的核心之一。采用新技術(shù)、新手段以減輕變電站值班人員的運(yùn)行維護(hù)負(fù)擔(dān)，有效保障設(shè)備安全可靠運(yùn)行，成為今后面臨的主要問題之一。輸電系統(tǒng)主要包括架空輸電線和地下輸電線。架空輸電線路是電力系統(tǒng)的“動(dòng)脈”，它不僅要承受固有機(jī)械載荷和電力負(fù)荷的內(nèi)部壓力，而且還要經(jīng)受自然環(huán)境的各種外部侵害。傳統(tǒng)的架空輸電線路并不適合人口密集的都市，故具有美化市容、比較安全等優(yōu)點(diǎn)的地下輸電線路應(yīng)運(yùn)而生。地下輸電線路多采用電力電纜，為確保進(jìn)入電纜隧道內(nèi)的作業(yè)人員的安全，需要對電纜隧道進(jìn)行各種保護(hù)檢測，并采取定時(shí)定點(diǎn)檢查措施，避免發(fā)生事故。若引入機(jī)器人對上述部分巡檢，不僅可以提高效率，還能減少巡檢工作人員的安全隱患。

在整個(gè)電力系統(tǒng)的大量巡檢任務(wù)中，人力成本的支出十分巨大，非常有必要開發(fā)一種可以取代人工方式管理和巡檢的機(jī)器人，用于電力系統(tǒng)的檢查與維護(hù)，從而確保電力線路的安全運(yùn)行。本文介紹了包括核電站與變電站巡檢機(jī)器人、架空線巡檢機(jī)器人、電纜管道機(jī)器人等電力系統(tǒng)機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法、存在的問題，展望了未來面向電力系統(tǒng)的機(jī)器人的發(fā)展方向。

1 核電站與變電站巡檢機(jī)器人

核電站與變電站的巡檢工作都是在結(jié)構(gòu)化封閉的環(huán)境中進(jìn)行的，對機(jī)器人的設(shè)計(jì)有相似的要求。

1.1核電站巡檢機(jī)器人

與運(yùn)用化學(xué)燃料發(fā)電相比校，核反應(yīng)發(fā)電所釋放出的能量要高得多。雖然核燃料體積小，運(yùn)輸與儲(chǔ)存方便，費(fèi)用比煤便宜，對大氣污染少，但核電廠的反應(yīng)堆內(nèi)存在著大量的放射性物質(zhì)[1]，需要機(jī)器人替代維修人員從事高放射環(huán)境下的工作，主要包括燃料池水下檢修、水下異物清理，堆芯重要設(shè)備應(yīng)急修復(fù)等工作[2]。

在由地震引發(fā)的日本福島核電站事故中，美國和日本先后派遣機(jī)器人對核電站實(shí)施救援。美國iRobot公司的PackBot機(jī)器人主要用于日本福島核電站1#、2#、3#機(jī)組室內(nèi)、室外的狀態(tài)監(jiān)測，包括拍攝圖像，輻射劑量、溫濕度、氧氣濃度等的測量。PackBot機(jī)器人尺寸約700mm×530mm×180mm，約35kg，最大速度為9.3km/h，最大不間斷續(xù)航時(shí)間為4h。日本千葉工業(yè)大學(xué)研發(fā)的Quince機(jī)器人(見圖1)主要用于日本福島核電站放射性水平的測量、現(xiàn)場圖像回傳等。Quince機(jī)器人主要由本體履帶機(jī)構(gòu)、4個(gè)獨(dú)立子履帶機(jī)構(gòu)、低重心設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。它可以實(shí)現(xiàn)2km 遠(yuǎn)程控制，續(xù)航時(shí)間約2h，特定情況下可延長到6h[3]。

圖1 Quince機(jī)器人Fig.1 Quince robot

文獻(xiàn)[4-5]中介紹了一種維護(hù)和巡檢機(jī)器人(Maintenance amp; Inspection Robot， MIR)履帶式核電站檢修機(jī)器人。其由三自由度機(jī)械手和履帶式移動(dòng)平臺(tái)組成，利用專家系統(tǒng)能自主地在核電站環(huán)境中避開障礙物和完成設(shè)備檢修等工作，并保證工作的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和安全性。該檢修機(jī)器人可以適應(yīng)不同的環(huán)境，具有可靠性高、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

上述核電站巡檢機(jī)器人都具有較高的耐輻射能力，尤其是電氣電子部件(包括電荷藕合器件(Charge Coupled Device， CCD)相機(jī)、通信設(shè)備等)在高輻射下能保證工作順利進(jìn)行[3]。

1.2變電站巡檢機(jī)器人

變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)因其靈活的控制和運(yùn)行方式、不受天氣因素影響等優(yōu)點(diǎn)，為確保變電站設(shè)備安全運(yùn)行發(fā)揮了一定的作用[6]。變電站機(jī)器人主要有輪式和履帶式兩種類型。

文獻(xiàn)[7-8]中對一種用于變電站巡檢的輪式機(jī)器人(見圖2(a))進(jìn)行了詳細(xì)論述。該機(jī)器人攜帶有普通相機(jī)和紅外線熱像儀，用于探測設(shè)備的故障；它能夠沿著變電站內(nèi)部設(shè)定的白線自動(dòng)行走，且在可能的關(guān)鍵地點(diǎn)拍照取像；在任意時(shí)間以遙控指令或按預(yù)設(shè)方式對變電站設(shè)備進(jìn)行巡檢，通過聲音采集和識(shí)別，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備外觀如破損、滲漏油等問題，并對設(shè)備的熱缺陷進(jìn)行判斷和報(bào)警。在巡檢過程中，若發(fā)現(xiàn)有人或動(dòng)物進(jìn)入變電站，能立即報(bào)警，故其還具有保安的作用。該機(jī)器人采用6節(jié)5#電池串聯(lián)，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后給各模塊供電，其缺點(diǎn)是不具有自動(dòng)充電的功能。圖2(b) 為履帶式的變電站巡檢機(jī)器人，其工作過程與輪式機(jī)器人類似，其越障能力、地形適應(yīng)能力較強(qiáng)，然而速度、效率相對較低，運(yùn)動(dòng)噪聲較大。

圖2 變電站巡檢機(jī)器人Fig.2 Inspection robots in a transformer substation

目前，自動(dòng)導(dǎo)航和自動(dòng)充電技術(shù)是輪式和履帶式機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自治的關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)器人的導(dǎo)航方式有很多，如基于光電傳感器的反光帶導(dǎo)航，基于磁傳感器的磁軌跡導(dǎo)航、電磁軌跡導(dǎo)航，基于電子羅盤(或陀螺儀)和編碼器的慣性位置導(dǎo)航，基于全周掃描激光測距儀的導(dǎo)航，以及基于GPS的導(dǎo)航等[9]。文獻(xiàn)[7-8]中的機(jī)器人采用的是基于磁傳感器的磁軌跡導(dǎo)航方式，實(shí)驗(yàn)證明在不同環(huán)境下，其穩(wěn)定性較高，但缺乏靈活性，軌道鋪設(shè)的時(shí)間和資金成本較高。

要實(shí)現(xiàn)變電站的無人值守，機(jī)器人的自動(dòng)充電功能是必不可少的。目前，只有少數(shù)幾款機(jī)器人能夠在無人工干預(yù)的情況下自動(dòng)充電。文獻(xiàn)[10]中介紹了一種為變電站巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)的特殊的機(jī)械裝置，允許機(jī)器人在位置、方向與標(biāo)準(zhǔn)充電位置不重合(±5cm、±5°)的情況下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。

近年來，無線充電技術(shù)迅猛發(fā)展，為巡檢機(jī)器人的自動(dòng)充電技術(shù)開辟了新的途徑。無線充電技術(shù)被廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備、電動(dòng)汽車等多個(gè)領(lǐng)域。磁共振技術(shù)由于其寬松的充電距離要求，非常適合用于巡檢機(jī)器人平臺(tái)的無線充電。與有觸點(diǎn)充電相比，由于無線充電無裸露金屬觸點(diǎn)，故其更安全、可靠且防潮，非常適用于復(fù)雜環(huán)境下的充電。對于巡檢機(jī)器人，無線充電要解決的主要是定位問題，即充電線圈與機(jī)器人平臺(tái)線圈的對正問題。

2 應(yīng)用于輸電系統(tǒng)的巡檢機(jī)器人

輸電系統(tǒng)是將電力由發(fā)電廠傳輸?shù)捷旊娋W(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)；其線路主要有架空輸電線路、地下輸電線路和海底電纜。巡檢機(jī)器人主要是針對架空輸電線、地下輸電線的巡檢和維護(hù)。

2.1架空線巡檢機(jī)器人

架空電力線是長距離輸送、分配電能的主要通道和工具，其直接影響到電力系統(tǒng)的可靠性。電力線路巡檢的機(jī)器人主要有沿線路爬行機(jī)器人和飛行機(jī)器人。

2.1.1 沿線爬行機(jī)器人 由文獻(xiàn)[11]中的研究成果可見，無越障功能的架空電力線路巡線機(jī)器人只能完成兩線塔之間電力線路的檢查，這類機(jī)器人需要人工參與。

文獻(xiàn)[12-13]中描述了兩機(jī)械臂的巡線機(jī)器人。圖3中展示了該機(jī)器人在實(shí)地跨越電力線路絕緣子串的過程。當(dāng)它探測到障礙物時(shí)，就停止前進(jìn)，并用前臂抓緊導(dǎo)線，而其下方的滑塊會(huì)滑動(dòng)到前臂的正下方，以減小力矩；然后，后臂抬起離開導(dǎo)線，前臂圍繞其所在的軸旋轉(zhuǎn)，使得后臂掛到導(dǎo)線的另一側(cè)上，重復(fù)相同的動(dòng)作，該機(jī)器人就完全跨越了這部分的障礙。但是，若該機(jī)器人遇到鐵塔耐張部分，則很難跨越障礙。

圖3 兩機(jī)械臂機(jī)器人越障過程Fig.3 Obstacle crossing process of two manipulator robots

文獻(xiàn)[14-15]中設(shè)計(jì)的巡線機(jī)器人不僅能跨越文獻(xiàn)[16-17]中的障礙，還能跨越鐵塔耐張部分(見圖4)。為確保該機(jī)器人在巡檢期間的穩(wěn)定性，在其每個(gè)關(guān)節(jié)處都設(shè)置了自鎖裝置。當(dāng)其探測到前方的障礙時(shí)，前臂就會(huì)夾緊導(dǎo)線，接著連接兩臂的滑輪會(huì)相對后臂向下運(yùn)動(dòng)，且保持前臂相對靜止；然后，前臂抬起離開導(dǎo)線，后臂上與導(dǎo)線連接的滑輪向前滾動(dòng)直到前臂跨越障礙，之后前臂下落與導(dǎo)線接觸并自鎖，后臂重復(fù)前臂的動(dòng)作就能越過障礙物。由于該機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)需要較大扭矩，故需要體積小且能提供較大轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)。

圖4 關(guān)節(jié)帶自鎖裝置的機(jī)器人的越障過程Fig.4 Obstacle crossing process of a robot whose joint has self-locking device

三機(jī)械臂的巡線機(jī)器人具有更強(qiáng)的越障能力。文獻(xiàn)[18]中提出了一種三機(jī)械臂機(jī)器人，它主要由導(dǎo)輪架、臂架和中心架3部分組成。導(dǎo)輪架能使機(jī)器人在導(dǎo)線上移動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人探測到障礙物時(shí)，臂架就會(huì)抓緊障礙物兩端的導(dǎo)線，中心架則會(huì)控制導(dǎo)輪架越到障礙物另一端，如圖5所示。三機(jī)械臂巡檢機(jī)器人具有更強(qiáng)的越障能力，但其控制復(fù)雜。

圖5 三臂機(jī)器人越障過程Fig.5 Obstacle crossing process of a three manipulator robot

綜上所述，需要根據(jù)不同的線路選取適當(dāng)?shù)难矙z機(jī)器人，以達(dá)到巡檢效果與經(jīng)濟(jì)性的平衡。目前的巡線機(jī)器人都是針對單分裂導(dǎo)線的巡檢，對二分裂、四分裂乃至六分裂導(dǎo)線的巡檢還沒有專門的設(shè)計(jì)。

此外，無論是兩機(jī)械臂還是三機(jī)械臂電力線路巡檢機(jī)器人，它們大部分都是由電池驅(qū)動(dòng)的，故開發(fā)自動(dòng)無線充電系統(tǒng)對于其持久巡檢是十分必要的。該類機(jī)器人的自動(dòng)充電系統(tǒng)并不能由電源直接供電，需通過互感器從高壓線上獲取。文獻(xiàn)[16]中提出了一種無線充電技術(shù)，利用變壓器獲取電力線路上的能量，然后通過整流器給電池充電，但由于電池的可靠性較差，故障隨時(shí)可能發(fā)生；對此，文獻(xiàn)[17]中提出了一種直接獲取電力線路上的能量來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)，省去了電池裝置，但是，若電力線路發(fā)生斷路，則該機(jī)器人將無法工作。

2.1.2 飛行機(jī)器人 目前，對飛行式電力線路巡檢機(jī)器人的研究還很少，現(xiàn)已從應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的自主微型直升機(jī)的研究中獲取了很多關(guān)鍵技術(shù)[19]。

英國威爾士大學(xué)信息學(xué)院于1995年起研制配電線路巡檢飛行機(jī)器人(Robot of Inspection Power Line, RIPL)。RIPL是在以色列ML Aviati013公司的鬼怪式無人直升機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)的；該機(jī)器人質(zhì)量為35kg，附加有穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，以增加抗風(fēng)干擾的能力；安裝有高分辨率的彩色CCD攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)了基于視覺的導(dǎo)航配電線路跟蹤及在線檢測[20]。西班牙Politécnica de Madrid大學(xué)于2000年開發(fā)了基于視覺導(dǎo)航的高壓電力線路巡線自主直升機(jī)(A Vision-Guided Autonomous Helicopter for Inspection of High-Voltage Power Lines, ELEVA)，采用三維視覺導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)自主直升機(jī)沿著架空電力線飛行，以實(shí)現(xiàn)對高壓架空電力線路的在線檢測[21]。

與沿線爬行機(jī)器人的巡檢方式相比，上述兩種飛行機(jī)器人具有環(huán)境適應(yīng)能力好、操作方便、巡檢效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是，仍然存在如軌跡規(guī)劃的智能化水平較低、對安全性考慮不足、控制精度不夠等不足。

飛行機(jī)器人主要有3種飛行模式，即人工控制、半自動(dòng)控制和全自動(dòng)飛行模式。全自動(dòng)飛行模式通過飛行控制軟件設(shè)計(jì)飛行路線，機(jī)器人按照制定好的路線執(zhí)行飛行任務(wù)；適用于自動(dòng)和快速巡檢。在可視范圍內(nèi)，該模式是十分必要的[22]。在全自動(dòng)飛行模式下，飛行機(jī)器人的路徑規(guī)劃是亟待解決的難題。規(guī)劃路徑時(shí)，應(yīng)注意全局路徑規(guī)劃與局部路徑規(guī)劃的不同，以及飛行軌跡平滑時(shí)飛行機(jī)器人的姿態(tài)等[23]。

2.2電纜管道巡檢機(jī)器人

電纜隧道中容易產(chǎn)生火災(zāi)，且隧道的空氣中一般存在著放射性污染物。若在現(xiàn)有的隧道內(nèi)對溫度、煙霧、有毒氣體及積水等環(huán)境信息進(jìn)行檢測，需要建立完整的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，投資成本高，效益不明顯[24]。管道機(jī)器人作為較先進(jìn)的管道檢測設(shè)備，顯示了其巨大的應(yīng)用前景[25]。

文獻(xiàn)[26]中設(shè)計(jì)了一款電纜管道檢測機(jī)器人(見圖6)。該機(jī)器人能在黑暗、潮濕的地下管道內(nèi)工作，具有很好的移動(dòng)性和靈活性，能滿足管道探測、疏通和敷設(shè)電纜拉線的要求。但在使用中，尚存在因現(xiàn)場碰撞震蕩而引起接插件接觸不良等現(xiàn)象。

圖6 電纜管道檢測機(jī)器人Fig.6 Cable duct inspection robot

目前，電纜管道巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式及信號、電力的傳輸供給方式尚不能完全滿足電纜巡檢的要求。管道機(jī)器人在彎管、支岔管中要順利通過是一個(gè)難點(diǎn)[27]；要在機(jī)構(gòu)上保證機(jī)器人能夠在這些特殊環(huán)境中順利行走，需要尋找融合各種機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)和可靠性的機(jī)構(gòu)方案。管道巡檢機(jī)器人面臨的環(huán)境復(fù)雜、惡劣，且管道尺寸各異，很難有一個(gè)統(tǒng)一的機(jī)器人平臺(tái)解決所有的問題。

3 機(jī)器人在電力系統(tǒng)中其他領(lǐng)域的應(yīng)用

輸變電設(shè)備的絕緣子污閃是影響供電安全的主要原因之一，國外主要采用帶電水沖洗的方法清掃絕緣子[28]。文獻(xiàn)[29]中開發(fā)和設(shè)計(jì)了一款適合蘭州變電站使用的絕緣子帶電清掃機(jī)器人，主要用于清掃220/330kV支撐絕緣瓷瓶。然而，在實(shí)際使用中仍存在不少問題。

電力鐵塔攀爬機(jī)器人是針對鐵塔攀爬環(huán)境設(shè)計(jì)的，是檢測高壓電力鐵塔及其附件損傷、缺陷情況的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也可作為絕緣子清掃設(shè)備及巡線機(jī)器人的載體，實(shí)現(xiàn)對絕緣子串的清掃和輸電線路的檢測[30]。文獻(xiàn)[31]中提出了機(jī)器人控制太陽能電池板，可以將太陽能電池板向太陽傾斜，增加了15%的發(fā)電量，改變了未來太陽能系統(tǒng)的管理規(guī)則；然而，該系統(tǒng)安裝復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)用昂貴。文獻(xiàn)[32]中提出了一種檢測絕緣子的機(jī)器人，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量小，效率高。文獻(xiàn)[33]中提出了一種尺蠖型風(fēng)機(jī)葉片巡檢機(jī)器人。利用連接在風(fēng)機(jī)艙上的繩索，該機(jī)器人可以在葉片上上、下移動(dòng)，檢查葉片的狀態(tài)。此外，文獻(xiàn)[34]中的電力鐵塔焊接機(jī)器人可應(yīng)用于電力鐵塔的焊接。

4 結(jié) 語

電力系統(tǒng)的可靠性要求較高，其穩(wěn)定、可靠運(yùn)行是關(guān)系到社會(huì)民生的大計(jì)。本文介紹的核電站與變電站巡檢機(jī)器人、輸電系統(tǒng)巡檢機(jī)器人等電力系統(tǒng)機(jī)器人，具有一定的代表性，根據(jù)它們的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法及存在的問題，筆者認(rèn)為電力系統(tǒng)機(jī)器人的發(fā)展與研究方向如下。

(1) 電力系統(tǒng)機(jī)器人應(yīng)具有良好的適應(yīng)性、通用性，并具有高度智能化。在電力系統(tǒng)領(lǐng)域中，機(jī)器人不僅作業(yè)對象復(fù)雜多變，而且經(jīng)常要面對風(fēng)、沙、雨和烈日的照射，甚至是高輻射等復(fù)雜而惡劣環(huán)境，因此，電力機(jī)器人必須具有良好的適應(yīng)性，能根據(jù)環(huán)境實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整，自動(dòng)選擇最佳作業(yè)內(nèi)容與作業(yè)方法。

(2) 應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化電力系統(tǒng)機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)件設(shè)計(jì)。機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)劣直接決定了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性和可靠性，也決定了機(jī)器人控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，電力系統(tǒng)領(lǐng)域機(jī)器人在滿足功用和性能的前提下，其機(jī)器人的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能簡單、緊湊和輕巧。

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Research Status and Prospect of Robots for Electrical Power Systems

ZHENGPanlonga,CHIDongxiangb

(a.School of Electrics Engineering, b.School of Electrons amp; Information,Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China)

Typical applications of robot in electrical power systems including nuclear power plants robot, substation inspection robot, overhead line inspection robot, cable ducts robot, etc.are studied.Implementations of various robots used in power systems are introduced.The future development trend is discussed.

robot; electrical power system; intelligent; inspection

2095-0020(2013)06 -0347-06

TP 242；TM 7

A

2013-07-24

上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目資助(11YZ270)

鄭盼龍(1989-)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)機(jī)器人及其無線充電系統(tǒng)，

E-mail：nick1881822@hotmail.com

指導(dǎo)教師：遲冬祥(1971-)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樾盘柵c信息處理、嵌入式系統(tǒng)，

E-mail: chidongxiang@aliyun.com