邱世超,張社榮,潘 飛,王 超
基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的大壩施工期5D進(jìn)度成本信息模型研究及應(yīng)用
邱世超,張社榮,潘飛,王超
(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)
引入5D技術(shù)和工業(yè)基礎(chǔ)分類標(biāo)準(zhǔn)(Industry Foundation Classes,IFC),提出了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的大壩施工期5D進(jìn)度成本信息模型的建立方法和實(shí)現(xiàn)過程,研究了多維度信息模型的建立、IFC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信息模型的表達(dá)和模型可視化顯示等關(guān)鍵技術(shù),應(yīng)用C#.NET+OpenGL圖形引擎開發(fā)出大壩施工期5D進(jìn)度成本信息動(dòng)態(tài)可視化管理系統(tǒng)。以某在建大壩工程為例,將大壩三維模型、施工進(jìn)度以及成本需求信息通過工程工作分解結(jié)構(gòu)(Work Breakdown Structure,WBS)節(jié)點(diǎn)和施工資源有機(jī)地結(jié)合在一起,并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合可視化展示,以滿足施工人員對(duì)大壩施工進(jìn)度、資源、成本全程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的需求。
大壩工程;施工期;5D技術(shù);進(jìn)度成本信息模型;IFC標(biāo)準(zhǔn);可視化
大壩施工是一項(xiàng)綜合和復(fù)雜的生產(chǎn)性活動(dòng),具有投資巨額、工程建設(shè)周期長(zhǎng)等特點(diǎn),大壩施工過程中的進(jìn)度和成本之間是聯(lián)系緊密、相互制約的。同時(shí),施工過程的高度動(dòng)態(tài)變化將會(huì)引起進(jìn)度以及成本信息的急劇增加。因此,做好進(jìn)度控制和成本管理,提高工程質(zhì)量已成為大壩工程現(xiàn)代信息化管理的關(guān)鍵任務(wù)。目前,國內(nèi)許多學(xué)者已經(jīng)結(jié)合自身研究領(lǐng)域?qū)ι鲜鰡栴}開展了多方面的研究。鐘登華等[1]基于Unity3D可視化引擎實(shí)現(xiàn)了大壩施工三維動(dòng)態(tài)可視化仿真;燕喬等[2]基于仿真理論和數(shù)據(jù)庫技術(shù),開發(fā)了面板堆石壩三維實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng);羅偉等[3]利用Petri網(wǎng)技術(shù)建立了碾壓混凝土壩施工系統(tǒng)內(nèi)部邊界條件之間復(fù)雜的耦合關(guān)系。上述研究成果只關(guān)注對(duì)大壩施工過程中進(jìn)度和資源的管理,忽略了對(duì)成本的控制。此外,對(duì)施工數(shù)據(jù)沒有按照一定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)形成更高層次的工程信息模型,限制了信息的傳遞與共享。
本文以我國某在建碾壓混凝土重力壩為工程依托,對(duì)基于工業(yè)基礎(chǔ)分費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)(IFC)的大壩施工期5D進(jìn)度成本信息模型(以下簡(jiǎn)稱“大壩5D模型”)進(jìn)行了研究,以期加強(qiáng)對(duì)大壩施工過程中進(jìn)度、資源以及成本三者之間的控制。
5D模型[4]是在三維模型基礎(chǔ)上,融入時(shí)間進(jìn)度信息與成本造價(jià)信息,形成由“三維幾何模型-進(jìn)度-成本”的5D工程信息集成模型。5D技術(shù)則是基于5D模型的信息化技術(shù),將工程構(gòu)件的3D幾何模型與進(jìn)度信息、工程造價(jià)成本信息通過工程WBS節(jié)點(diǎn)和施工資源需求水平(完成一個(gè)計(jì)量單位的單元工程所消耗的材料、人工、機(jī)械等施工資源)實(shí)現(xiàn)相互關(guān)聯(lián),并以動(dòng)態(tài)可視化的方式模擬及跟蹤施工變化過程,實(shí)現(xiàn)對(duì)工程進(jìn)度以及成本造價(jià)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
IFC標(biāo)準(zhǔn)[5]提供了一個(gè)適合于計(jì)算機(jī)處理而不依賴于具體信息管理系統(tǒng)的工程數(shù)據(jù)描述和交互標(biāo)準(zhǔn),可使不同的應(yīng)用軟件之間通過該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。一般通過ifcXML文件或IFC中性文件存儲(chǔ)符合IFC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息,并需要專業(yè)的IFC數(shù)據(jù)解析工具對(duì)文件中的信息進(jìn)行解析。
本文基于5D技術(shù)和IFC標(biāo)準(zhǔn),通過研究大壩施工期“三維幾何模型-進(jìn)度-成本”集成信息模型的邏輯結(jié)構(gòu),建立了大壩5D模型,并基于IFC數(shù)據(jù)解析工具IFC Engine DLL以及OpenGL三維圖形API的Tao框架,在C#.NET編程環(huán)境下開發(fā)出大壩施工期5D進(jìn)度成本信息動(dòng)態(tài)可視化管理系統(tǒng),最后將其應(yīng)用于某在建大壩工程,可視化地展示了其施工過程中進(jìn)度、資源、成本信息的動(dòng)態(tài)變化過程。
2.1模型信息內(nèi)容
大壩5D模型作為大壩工程信息化建設(shè)技術(shù)的核心內(nèi)容,模型的建立實(shí)現(xiàn)了對(duì)大壩施工期進(jìn)度、資源、成本信息全方位的數(shù)字化控制,從工程量清單到施工模擬再到資源優(yōu)化以及成本統(tǒng)籌都能夠在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)智能化、可視化管理。大壩5D模型內(nèi)容包含以下3個(gè)方面的信息[6]:
(1)三維幾何信息。亦稱為基礎(chǔ)信息模型,是大壩5D模型的基礎(chǔ),所有工程信息的幾何載體,貫穿于大壩施工期的核心數(shù)據(jù)。
(2)進(jìn)度信息。即幾何構(gòu)件中與施工進(jìn)度相關(guān)聯(lián)的所有工程信息,如計(jì)劃開工時(shí)間、實(shí)際開工時(shí)間、工期等。
(3)成本信息。包括幾何構(gòu)件的整體造價(jià)信息以及與施工進(jìn)度相互關(guān)聯(lián)的成本需求信息。
2.2大壩5D模型的建立機(jī)制
基于工程工作分解結(jié)構(gòu)(WBS)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)大壩施工進(jìn)度的管理,而作為典型工作包級(jí)別的WBS樹形結(jié)構(gòu)可依據(jù)壩體工程量清單進(jìn)行編制;根據(jù)相關(guān)定額規(guī)范對(duì)模型構(gòu)件完成工程量清單以及施工資源需求水平的分析,施工資源需求水平與相應(yīng)的資源價(jià)格將直接影響施工資源費(fèi)用[7]。施工資源費(fèi)與不同的進(jìn)度信息或構(gòu)件工程量信息相聯(lián)合將直接影響相關(guān)類型的成本,如在根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃和施工資源需求水平確定資源消耗量的基礎(chǔ)上,可直接分析施工預(yù)算成本。綜上所述,基于工程WBS節(jié)點(diǎn)的進(jìn)度計(jì)劃決定著壩體構(gòu)件施工對(duì)資源的不同需求,基于資源價(jià)格水平,不同的施工資源需求又決定著成本費(fèi)用。因此,根據(jù)工程WBS節(jié)點(diǎn)以及施工資源需求水平實(shí)現(xiàn)了對(duì)大壩三維幾何構(gòu)件信息、進(jìn)度信息、成本信息三者之間的多維耦合,最終形成大壩5D模型。大壩5D模型邏輯結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 大壩5D模型邏輯結(jié)構(gòu)
大壩5D模型的建立需要解決3個(gè)關(guān)鍵問題:①基于IFC標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)大壩5D模型的信息表達(dá);②將基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的大壩三維模型在OpenGL可視化引擎場(chǎng)景中進(jìn)行重構(gòu);③在可視化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度、成本以及幾何模型之間的動(dòng)態(tài)映射。
3.1IFC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大壩5D模型的表達(dá)
IFC標(biāo)準(zhǔn)是一種采用面向?qū)ο蟆⒁?guī)范化的語言——EXPRESS語言[8]做為數(shù)據(jù)描述語言,從而實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間信息交換與共享的標(biāo)準(zhǔn),可通過實(shí)體、屬性集、規(guī)則、類型、函數(shù)依據(jù)一定的原則,實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜工程數(shù)據(jù)的邏輯表達(dá),如實(shí)體IfcProduct名為ObjectPlacement的屬性用于表達(dá)工程實(shí)體的幾何位置;基于EXPRESS語言所描述的工程信息模型,其內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的邏輯關(guān)系是復(fù)雜的,而利用EXPRESS-G圖形表達(dá)方法[9]有助于形象化地理解這種復(fù)雜關(guān)系。EXPRESS-G方法所表達(dá)的大壩5D模型主體信息見圖2。模型內(nèi)部實(shí)體說明如下:

圖2 大壩5D模型主體信息
(1)工程實(shí)體信息。通過抽象實(shí)體IfcProduct的派生實(shí)體能夠詳細(xì)描述不同類別的三維幾何物體,如實(shí)體IfcCovering可用于表達(dá)大壩防滲帷幕。基于EXPRESS語言所表達(dá)的大壩三維幾何模型信息可由支持IFC標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)軟件所創(chuàng)建的大壩三維模型文件直接導(dǎo)出。
(2)進(jìn)度信息。不同類型的施工作業(yè)可由實(shí)體IfcProcess的派生實(shí)體IfcTask進(jìn)行表達(dá),如壩體混凝土澆筑的具體施工作業(yè)包含入倉澆筑、平倉振搗、澆水養(yǎng)護(hù)等一系列活動(dòng);工程進(jìn)度實(shí)體IfcWorkSchedule與實(shí)體IfcTask之間通過關(guān)系實(shí)體IfcRelAssignsTasks建立一對(duì)多的映射關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工程進(jìn)度的控制。
(3)資源信息。實(shí)體IfcResource的派生實(shí)體可用于表達(dá)大壩施工過程中所消耗的具體施工資源,如勞動(dòng)力資源可通過實(shí)體IfcLaborResource表達(dá)。
(4)工程量信息。抽象實(shí)體 IfcPhysicalQuantity繼承于實(shí)體 IfcElementQuantity,通過名為 Name和Description的屬性實(shí)現(xiàn)對(duì)工程量名稱和說明的表達(dá)。其派生實(shí)體 IfcPhysicalSimpleQuantity和 IfcPhysical ComplexQuantity分別用來表達(dá)單一工程量和具有復(fù)雜邏輯關(guān)系的工程量。
(5)成本信息。成本進(jìn)度實(shí)體IfcCostSchedule與成本項(xiàng)實(shí)體IfcCostItem之間的關(guān)聯(lián)性需要基于特定的關(guān)系實(shí)體實(shí)現(xiàn)。實(shí)體IfcCostSchedule可通過各種屬性表達(dá)其詳細(xì)信息,如其屬性Status代表成本進(jìn)度狀態(tài)。
綜上所述,幾何構(gòu)件實(shí)體IfcProduct、進(jìn)度實(shí)體IfcProcess、工程量實(shí)體IfcElementQuantity、資源實(shí)體IfcResource、成本項(xiàng)實(shí)體IfcCostItem是表達(dá)大壩5D模型的核心實(shí)體。其中,IfcProcess、IfcElementQuantity、IfcResource、IfcCostItem通過關(guān)系實(shí)體可以直接或間接性與IfcProduct建立關(guān)聯(lián)性,這也說明了三維幾何信息是大壩5D模型的核心基礎(chǔ)。
利用國際主流數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)——IFC標(biāo)準(zhǔn)建立的大壩5D模型,可以對(duì)大壩施工管理數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一而有效的集成化管理,進(jìn)而可供同樣遵循IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的應(yīng)用系統(tǒng),通過標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享。
3.2大壩三維幾何實(shí)體模型的重建
由大壩三維幾何模型數(shù)據(jù)可以得到壩體構(gòu)件的體量、空間位置、拓?fù)潢P(guān)系等工程基礎(chǔ)信息,這些信息處于大壩5D模型的基礎(chǔ)層,也是模型可視化顯示的主體內(nèi)容。本文基于OpenGL可視化引擎API 的Tao框架,利用不規(guī)則四面體網(wǎng)格(Tetrahedron Network,TEN)結(jié)構(gòu)表達(dá)方式實(shí)現(xiàn)了大壩三維幾何實(shí)體模型在OpenGL場(chǎng)景中的重構(gòu),并根據(jù)一定的坐標(biāo)變換流程實(shí)現(xiàn)世界坐標(biāo)系(World Coordinate System,WCS)下的三維大壩模型顯示在二維Windows屏幕上。
3.2.1初始實(shí)體模型到TEN結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換
曲面三角網(wǎng)格劃分方法對(duì)復(fù)雜的幾何形狀具有很強(qiáng)的適用能力,其劃分結(jié)果也是TEN結(jié)構(gòu)三角面的邊界輸入數(shù)據(jù)。在可視化系統(tǒng)開發(fā)中,一般需要借助第三方軟件(如Hypermesh)實(shí)現(xiàn)對(duì)初始模型的曲面三角網(wǎng)格劃分,IFC Engine DLL插件不僅能解析IFC文件中模型的幾何表達(dá)信息和描述方式,還提供了將解析出的模型信息轉(zhuǎn)化為三角網(wǎng)格的圖形接口[10],其轉(zhuǎn)換信息可直接供TEN結(jié)構(gòu)使用,無需借助第三方軟件。圖3為利用TEN結(jié)構(gòu)表達(dá)方式重新生成的大壩三維幾何實(shí)體模型。

圖3 大壩模型重建

圖4 三維幾何模型屏幕顯示流程
3.2.2大壩模型顯示流程
利用TEN結(jié)構(gòu)在OpenGL場(chǎng)景中重建的三維大壩模型是處于世界坐標(biāo)系下的,需要采取一定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程,實(shí)現(xiàn)模型在二維Windows屏幕上的顯示[11]。具體轉(zhuǎn)換流程見圖4。
(1)由IFC Engine DLL插件將大壩模型IFC文件解析成一系列的三角形網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)集合,并由點(diǎn)的屬性實(shí)體IfcCartesianPoint獲取其在WCS中對(duì)應(yīng)的X、Y、Z坐標(biāo)。
(2)視圖變換。OpenGL的成像原理類似于相機(jī)拍照,而視圖變換相當(dāng)于把相機(jī)固定在指定位置并使它對(duì)準(zhǔn)三維場(chǎng)景。Tao框架提供的 API函數(shù)gluLookAt(GLdouble eyex、GLdouble eyey、GLdouble eyez、GLdouble centerx,GLdouble centery、GLdouble centerz、GLdouble upx、GLdouble upy和 GLdouble upz)用來實(shí)現(xiàn)OpenGL場(chǎng)景下的視圖變換。
(3)模型變換。通過縮放函數(shù)glScalef()、平移函數(shù)glTranslatef()以及旋轉(zhuǎn)函數(shù)glRotatef()三者之間的相互組合,完成對(duì)模型的一系列變換控制。
(4)投影變換。投影變換決定著哪些點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在視野之內(nèi)以及如何被投影到Windows屏幕上。Tao框架提供的glFrustum()函數(shù)和gluPerspective()函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)透視投影,glOrtho()函數(shù)則用來指定正射投影。
(5)視口變換。通過視口變換函數(shù) glViewPort (Glintx、Glinty、GLsizei width和GLsizei height)確定三維場(chǎng)景在Windows屏幕上所占據(jù)的區(qū)域。
(6)計(jì)算屏幕顯示輸出。首先需要調(diào)用gluProject()函數(shù)將OpenGL世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為視景體坐標(biāo);其次利用特定的數(shù)量關(guān)系將視景體坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為屏幕坐標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)OpenGL三維環(huán)境下的模型顯示在二維Windows屏幕中。
3.3“三維幾何模型-進(jìn)度-成本”動(dòng)態(tài)映射算法
在可視化環(huán)境中,施工進(jìn)度到大壩幾何模型的映射就是根據(jù)當(dāng)前大壩施工狀態(tài)來控制實(shí)體單元的重構(gòu)和消隱[12](即設(shè)置 render屬性為 False,使其變?yōu)橥该鳡顟B(tài))。同時(shí),基于工程定額規(guī)范以及WBS節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)原則,實(shí)現(xiàn)成本信息的可視化顯示。
3.3.1施工進(jìn)度狀態(tài)與大壩三維模型的動(dòng)態(tài)映射
大壩壩體單元工程(大壩WBS節(jié)點(diǎn))主要依據(jù)施工壩段和常用施工澆筑層厚度的公約數(shù)進(jìn)行分段和分層劃分[13]。在大壩施工策劃階段以及建設(shè)階段,壩體單元工程應(yīng)錄入相應(yīng)的計(jì)劃開工日期、計(jì)劃結(jié)束日期、實(shí)際開工日期、實(shí)際結(jié)束日期、日澆筑量等工程信息。根據(jù)當(dāng)前給定的施工時(shí)間可將任一壩體單元工程分為尚未施工、正在施工、施工結(jié)束3種施工狀態(tài)。設(shè)在t時(shí)刻第i項(xiàng)壩體單元工程ai的施工進(jìn)度狀態(tài)為mit,則

若整個(gè)大壩共計(jì)有n項(xiàng)壩體單元工程,則在t時(shí)刻,大壩整體施工狀態(tài)的進(jìn)度向量Mt可以表示為

若mit=-1,則將該壩體單元工程設(shè)置為透明狀態(tài);若mit=0,則將該壩體單元工程尚未澆筑完成的部分標(biāo)記為透明,完成部分不作處理;若mit= 1,則對(duì)該壩體單元工程不做任何處理。大壩閘墩澆筑進(jìn)度可視化示意見圖5。

圖5 大壩閘墩澆筑進(jìn)度可視化示意
3.3.2施工成本信息與大壩三維模型的動(dòng)態(tài)映射
施工成本信息與模型的映射是直接的。由大壩5D模型邏輯結(jié)構(gòu)可知,根據(jù)構(gòu)件幾何信息可以對(duì)壩體單元工程完成工程量統(tǒng)計(jì),通過目前已完善的國家和不同地區(qū)以及企業(yè)自主制定的概預(yù)算定額[14]、WBS節(jié)點(diǎn)的施工進(jìn)度信息和支付信息完成不同施工階段的工程預(yù)算成本以及實(shí)際成本的分析,從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的三維模型、進(jìn)度狀態(tài)與相應(yīng)成本信息之間的關(guān)聯(lián),達(dá)到對(duì)工程成本可視化控制的目的。
根據(jù)上述建立大壩5D模型的方法及技術(shù)路線,以IFC Engine DLL插件作為IFC文件的解析工具、OpenGL為三維圖形顯示引擎、SQL Server 2008為數(shù)據(jù)庫平臺(tái),結(jié)合我國西南地區(qū)某在建碾壓混凝土重力壩工程,在C#.NET編程環(huán)境下開發(fā)出大壩施工期5D進(jìn)度成本信息動(dòng)態(tài)可視化管理系統(tǒng)。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)見圖6。系統(tǒng)主界面見圖7。實(shí)現(xiàn)5號(hào)壩段澆筑3單元的碾壓混凝土幾何構(gòu)件(工程量清單對(duì)應(yīng)項(xiàng)目)與大壩WBS節(jié)點(diǎn)(最低級(jí)別)之間相互關(guān)聯(lián)(簡(jiǎn)稱清單關(guān)聯(lián))的系統(tǒng)界面見圖8。基于實(shí)體三維參數(shù)化模型和相應(yīng)定額規(guī)范實(shí)現(xiàn)大壩右岸溢流壩段工程量清單自動(dòng)統(tǒng)計(jì)的系統(tǒng)界面見圖9。對(duì)大壩工程自2014年6月15日~2015年8月5日進(jìn)行5D施工模擬,圖10是模擬分析結(jié)果的系統(tǒng)界面。

圖6 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)

圖7 系統(tǒng)主界面

圖8 清單關(guān)聯(lián)操作界面
本文提出了大壩5D模型的研究思路以及建立機(jī)制,并基于OpenGL可視化圖形引擎開發(fā)框架,構(gòu)建了大壩施工期5D進(jìn)度成本信息動(dòng)態(tài)可視化管理系統(tǒng)。應(yīng)用表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大壩5D信息的三維動(dòng)態(tài)繪制、交互式查詢以及動(dòng)態(tài)模擬等智能化操作,可全面掌握大壩施工進(jìn)度與成本控制的綜合進(jìn)展情況,有助于提高項(xiàng)目管理水平。

圖9 工程量清單自動(dòng)統(tǒng)計(jì)

圖10 5D模擬分析結(jié)果
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(責(zé)任編輯楊健)
Study and Application of 5D Schedule and Cost Information Model of Dam Based on IFC Standard during Construction
QIU Shichao,ZHANG Sherong,PAN Fei,WANG Chao
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China)
By introducing 5D technique and Industry Foundation Classes(IFC)standard,the establishment method and implementation process of 5D schedule and cost information model based on IFC standard during dam construction are proposed.Some key techniques such as the establishment of multidimensional information model,the expression of IFC standard to information model and the visualization of information model are focused,and finally a dynamic visualization management system of 5D schedule and cost information during construction is developed with C#.NET and OpenGL graphic engine.Taking a dam under construction for example,the three-dimensional dam model,construction schedule and cost information are organically combined with construction resources through the Work Breakdown Structure(WBS)and the coupled visualization is dynamically displayed to meet engineers'demands for real-time dynamic monitoring of construction progress,resources and schedule information in the period of dam construction.
damproject;periodofconstruction;5Dtechnique;scheduleandcostinformationmodel;IFC standard;visualization
TV511;TP391.9
A
0559-9342(2016)02-0054-06
2015-10-16
國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(51321065);天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃(13JCYBJC19400);河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(2014491211)
邱世超(1991—),男,山東德州人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu);張社榮(通訊作者).