基于CiteSpace的智能制造研究現(xiàn)狀分析

張青杰 張連正 竇永香陳 姝

(① 西安電子科技大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，陜西 西安 710071;② 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京 100190)

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基于CiteSpace的智能制造研究現(xiàn)狀分析

張青杰①張連正②竇永香①陳 姝①

(① 西安電子科技大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，陜西 西安 710071;② 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京 100190)

智能制造(intelligent Manufacturing)是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)。以CiteSpace為工具，對中國知網(wǎng)(CNKI)收錄的智能制造相關(guān)文獻進行了計量與可視化分析，概述了智能制造近些年的研究狀況；深入闡述了該領(lǐng)域近幾年的研究熱點；并對比《中國制造2025》以及關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動中有關(guān)智能制造的指導(dǎo)意見，總結(jié)了智能制造行業(yè)現(xiàn)階段所面臨的問題并提出相應(yīng)建議。

智能制造；智能制造系統(tǒng)；智能制造技術(shù)；智能制造裝備

隨著數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，特別是德國工業(yè)4.0、《中國制造2025》的推出，智能制造已成為現(xiàn)代先進制造業(yè)新的發(fā)展方向。《中國制造2025》中指出推進智能制造需要緊扣關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機器人替代、生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制、供應(yīng)鏈優(yōu)化，建設(shè)重點領(lǐng)域智能工廠、數(shù)字化車間，在重點地區(qū)、行業(yè)和企業(yè)中，分類實施流程制造、離散制造、智能裝備和產(chǎn)品、智能化管理和服務(wù)等試點示范及應(yīng)用推廣。在國務(wù)院關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見中提出要大力發(fā)展智能制造，以智能工廠為發(fā)展方向，加快推動云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能工業(yè)機器人、增材制造等技術(shù)在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，推進生產(chǎn)裝備智能化升級、工藝流程改造和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享。著力在工控系統(tǒng)、智能感知元器件、工業(yè)云平臺、操作系統(tǒng)和工業(yè)軟件等核心環(huán)節(jié)取得突破。

智能制造是未來制造業(yè)的發(fā)展方向，引起了國家和相關(guān)學(xué)者的高度重視，然而采用文獻計量對其進行科學(xué)的分析與可視化的成果較少，本文基于CNKI檢索數(shù)據(jù)，利用CiteSpace進行統(tǒng)計分析、高頻關(guān)鍵詞分析及聚類分析，在深入研讀關(guān)鍵文獻的基礎(chǔ)上概述了智能制造近些年的研究狀況，深入闡述了該領(lǐng)域近幾年的研究熱點，并結(jié)合當(dāng)前國家政策及相關(guān)的指導(dǎo)意見，展望了智能制造未來的發(fā)展方向，從而為相關(guān)研究學(xué)者提供一些參考。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與研究工具

從CNKI收錄的SCI來源期刊、EI來源期刊、核心期刊、CSSCI中檢索關(guān)于智能制造的文獻，檢索時間為2015年11月25日；檢索式：主題詞=智能制造；時間跨度為2006～2015；得到635條文獻記錄，通過人工篩選剔除主題效果較差的文獻最終得到598條記錄。

本文使用的分析工具是CiteSpace 3.9.R2，是由美國Drexel大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳超美博士開發(fā)的基于Java平臺的可視化分析軟件，適用于多元、分時、動態(tài)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析[1]。CiteSpace中通過節(jié)點年環(huán)的標(biāo)號和節(jié)點大小展現(xiàn)節(jié)點各時期被引用的頻次，網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點用圓圈突出顯示。通過繪制科學(xué)知識圖譜，能夠顯示一個學(xué)科或者知識域在一定時期的發(fā)展趨勢與演變歷程。

2 智能制造基本情況

2.1 智能制造領(lǐng)域年發(fā)文量

學(xué)術(shù)論文隨年份的數(shù)量變化是評價某一學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢的重要指標(biāo)之一，繪制文獻分布并對其進行分析，對衡量該領(lǐng)域所處的階段和發(fā)展趨勢具有重要意義。

圖1為2006～2015年CNKI數(shù)據(jù)庫中關(guān)于智能制造的發(fā)文量結(jié)果。從圖1來看2011年之前智能制造發(fā)文量較少且較為穩(wěn)定，年發(fā)文量在10篇左右，從2012年開始發(fā)文量呈指數(shù)型增長，特別是在2015年3月李克強總理在全國兩會上作《政府工作報告》時首次提出《中國制造2025》的宏偉計劃引發(fā)了人們對制造行業(yè)的深入研究，2015年較2014年發(fā)文量增長了240%。智能制造成為了我國制造業(yè)的一個研究實踐熱點。

2.2 相關(guān)期刊分析

通過相關(guān)期刊發(fā)文量來了解智能制造研究所涉及的學(xué)科領(lǐng)域，發(fā)文量多少能表示該領(lǐng)域與智能制造聯(lián)系緊密程度。

以智能制造為主題發(fā)文量較多的期刊包括《航空制造技術(shù)》、《制造技術(shù)與機床》、《機床與液壓》、《計算機集成制造系統(tǒng)》、《科技導(dǎo)報》、《自動化與儀表》等均在10篇以上，所涉及航空制造業(yè)、機床制造、制造系統(tǒng)、自動化等領(lǐng)域，其中《航空制造技術(shù)》發(fā)文量最多，為64篇，該刊有關(guān)智能制造領(lǐng)域的文獻主要針對飛行器智能制造方面的研究，飛機裝配智能制造是將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)引入到飛機裝配的設(shè)計、生產(chǎn)、管理和服務(wù)中；《制造技術(shù)與機床》發(fā)文量達到了58篇，該刊有關(guān)智能制造領(lǐng)域的文獻的研究主要是高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備，自動化成套生產(chǎn)線，智能控制系統(tǒng)，精密、智能的儀器儀表與試驗設(shè)備，關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件、元器件及通用部件等，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、智能化、精密化、綠色化。

3 智能制造研究熱點

高頻關(guān)鍵詞可以概括地反映學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點。使用CiteSpace進行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析以及高頻關(guān)鍵詞聚類，將前文確定的598條數(shù)據(jù)源導(dǎo)入CiteSpace通過人工對沒有實際意義的關(guān)鍵詞進行剔除，得到一個網(wǎng)絡(luò)圖譜(如圖2所示)，關(guān)鍵節(jié)點越大表示出現(xiàn)的頻次越高，節(jié)點中不同標(biāo)號代表不同年份(其中年份2006～2008、2009～2011、2012～2013、2014～2015分別用①、②、③、④表示)。可以發(fā)現(xiàn)圖2中大多數(shù)為標(biāo)號④，說明集中在近兩年的高頻關(guān)鍵詞較多。通過對高頻關(guān)鍵詞聚類，輸出結(jié)果如表1。

如圖2中2006-2015年近十年的高頻關(guān)鍵詞有：物聯(lián)網(wǎng)、云制造、綠色制造、熱處理、工業(yè)機器人、中國制造2025等。通過對關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類得到8個類如表1(其中Cluster ID 為聚類編號；Size為類的大小；Silhouette表示聚類效果，越接近1聚類效果越好；Lable(tf*idf) 為采用tf*idf(信息檢索與數(shù)據(jù)挖掘常用加權(quán)技術(shù))得到類標(biāo)簽)。結(jié)合高頻關(guān)鍵詞和關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類以及閱讀重要節(jié)點文章，筆者認(rèn)為智能制造領(lǐng)域研究熱點主要集中在以下4個方面：綠色智能制造、智能制造系統(tǒng)、智能制造裝備、智能制造技術(shù)。

3.1 綠色智能制造

本熱點主要以“綠色”和“智能”為主要發(fā)展方向的先進制造模式，綠色智能制造是在保證產(chǎn)品的功能、質(zhì)量和成本的前提下，綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，已逐步成為未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢。目前我國的制造業(yè)整體一直未能擺脫高損耗和低效率的困局這制約著我國制造業(yè)的發(fā)展。我國的能源利用率是33%，比發(fā)達國家低約10個百分點[2]。

為了產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，需要轉(zhuǎn)變這種不健康的發(fā)展方式，借助技術(shù)進步促進產(chǎn)出的快速增長，形成一套完善的綠色技術(shù)發(fā)展體系[3]。通過技術(shù)研發(fā)過程創(chuàng)新和產(chǎn)品設(shè)計方法與工具的創(chuàng)新、管理模式的創(chuàng)新、制造模式的創(chuàng)新，來降低生產(chǎn)過程中的物耗、能耗和排放以及人力成本，快速響應(yīng)市場變化，同時實現(xiàn)所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有綠色智能、可回收、易拆卸，部件或整機可翻新和循環(huán)利用等特性[4]。

表1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類

ClusterIDSizeSilhouetteLable(tf*idf)0210.880裝備制造技術(shù)、物流裝備、測控裝置1190.888工業(yè)機器人、再工業(yè)化、羅克韋爾自動化2180.907物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動技術(shù)、離散制造3101.000綠色增長、熱論、綠色智能、熱處理4150.9513D打印、打印設(shè)備、增材制造551.000制造控制系統(tǒng)、知識功能塊、智能重構(gòu)651.000敏捷化智能制造系統(tǒng)、敏捷制造790.929數(shù)字化制造技術(shù)、人工智能技術(shù)

3.2 智能制造系統(tǒng)

本熱點主要涉及多種智能制造系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)集合了柔性制造、虛擬制造、系統(tǒng)控制、網(wǎng)絡(luò)集成、信息處理等技術(shù)，由原來的能量驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓夹g(shù)驅(qū)動[5]。能夠?qū)崿F(xiàn)各種制造過程自動化、智能化、精益化、綠色化，應(yīng)對大量的復(fù)雜信息、瞬息萬變的市場需求和激烈競爭[6]。

不同行業(yè)的智能制造系統(tǒng)有不同的特點。針對柔性智能制造系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中環(huán)境參數(shù)、操作行為、隨機事件對產(chǎn)品質(zhì)量的影響的判斷數(shù)據(jù)不完善等問題，劉昭斌等人給出了一種融合多種傳感器為一體的三維虛擬監(jiān)控的設(shè)計方法，該系統(tǒng)從數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、建模、通信，以及工件的庫存狀態(tài)顯示，構(gòu)建了一個完整的物聯(lián)網(wǎng)3D監(jiān)控體系[7]；針對工序離散型程度大、品種規(guī)格多等特點的系統(tǒng)，陳大川等人設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能制造系統(tǒng)，系統(tǒng)基于SOA(面向服務(wù))架構(gòu)，采用SQL數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用RFID(無線射頻識別)把人、機、料接入物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)在制品信息與服務(wù)器實時交互[8]；針對某些無法實現(xiàn)全面自動化須考慮人為因素的情況，常濤等人將人為現(xiàn)場智能體的一部分也納入到整個智能制造系統(tǒng)中并橫向劃分為三層架構(gòu)：MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))層、信息采集平臺、人機共事層，在MES層需要根據(jù)現(xiàn)場工藝流程和作業(yè)現(xiàn)狀綜合分析，在信息采集平臺層將車間各個設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng)根據(jù)需求傳感信息，在人機共事層增加傳感器，實現(xiàn)關(guān)鍵過程參數(shù)全覆蓋，增加執(zhí)行器，降低人在生產(chǎn)過程中所占的比重，建立專家系統(tǒng)，降低該工序/設(shè)備生產(chǎn)對人員的技能以及人員情緒、責(zé)任心等的要求[9]。

面臨越來越激烈的市場競爭和動態(tài)多變的制造環(huán)境，制造企業(yè)需要不斷提高對制造控制系統(tǒng)可重構(gòu)性能的要求，最初是簡單重構(gòu)，然后是動態(tài)重構(gòu)，未來實現(xiàn)智能重構(gòu)[10]。

3.3 智能制造裝備

智能制造裝備是先進制造技術(shù)、信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)在制造裝備上的集成和深度融合，是實現(xiàn)高效、高品質(zhì)、節(jié)能環(huán)保和安全可靠生產(chǎn)的新一代制造裝備[11]。

近幾年國家通過智能制造裝備立項來加強和推進智能制造裝備領(lǐng)域的研發(fā)，針對智能制造裝備產(chǎn)業(yè)推出的多項政策[12]，將從智能化、精密化、綠色化和集成化等方面提升裝備制造產(chǎn)業(yè)走向高端市場，這些領(lǐng)域涉及汽車制造、飼料加工、家電、輪胎、煤炭、港口、液壓油缸、工程機械、軌道交通、化工、新材料等[13]。

未來幾年，我國智能制造裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展將圍繞智能制造過程中的感知、決策、執(zhí)行3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)[14]，開發(fā)工業(yè)機器人感知系統(tǒng)等典型的測控裝置并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，研發(fā)基于機器人的自動化成型與加工裝備生產(chǎn)線、自動化倉儲與分揀系統(tǒng)以及數(shù)字化車間等一批智能決策與執(zhí)行的成套裝備。

3.4 智能制造技術(shù)

智能制造技術(shù)是在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)、擬人化智能技術(shù)等先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過智能化的感知、人機交互、決策和執(zhí)行技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)計過程、制造過程智能化[15]。目前比較熱門的智能技術(shù)主要有：云計算、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字制造、工業(yè)機器人、3D打印等。

云計算就是把大量的軟、硬件和數(shù)據(jù)等用戶所需要的資料傳送到網(wǎng)絡(luò)上，讓用戶可以在任何的時間、地點，使用不同的終端設(shè)備進行連接，最終實現(xiàn)資源共享[16]。近幾年我國在服務(wù)器、存儲設(shè)備、云操作系統(tǒng)等領(lǐng)域取得一批具有知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)成果。但是我國在基礎(chǔ)軟件、高端存儲設(shè)備等領(lǐng)域的技術(shù)和產(chǎn)品仍很薄弱，基礎(chǔ)架構(gòu)軟件和數(shù)據(jù)中心整體設(shè)計水平偏低，且虛擬化軟件、云操作系統(tǒng)等關(guān)鍵軟件產(chǎn)品性能同國外比有相當(dāng)大差距[17]。美國在云計算技術(shù)領(lǐng)域掌握了分布式體系架構(gòu)、虛擬資源管理、海量存儲等全球云計算的核心技術(shù)[18]。

物聯(lián)網(wǎng)是物物相連接的互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)除用在智能家居外還能用在安防、電力、交通、物流、環(huán)保、市政設(shè)施監(jiān)控、節(jié)能減排、食品安全等領(lǐng)域中[19]。目前我國已經(jīng)擁有從材料、技術(shù)、器件、系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，但是我國的傳感器技術(shù)、和超高頻、微波頻段RFID技術(shù)和發(fā)達國家還存在一定的差距[20]。美國的在RFID和無線傳感網(wǎng)絡(luò)處于領(lǐng)先地位，美國在RFID的應(yīng)用案例占到了全球的59%[21]。

數(shù)字制造技術(shù)是制造業(yè)信息化的基礎(chǔ)，是制造企業(yè)的神經(jīng)系統(tǒng)和核心技術(shù)。

數(shù)字制造技術(shù)具有提高產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計能力、提高資源利用利率、節(jié)省時間降低成本等特點。目前數(shù)字制造技術(shù)已發(fā)展得比較成熟，各種計算機輔助技術(shù)和系統(tǒng)，如CAD(輔助設(shè)計)、CAM(輔助制造)、CAPP(輔助工藝規(guī)劃)等[22]。

工業(yè)機器人是可編程序的多功能操作器，通過改變程序可以完成各種工作的特殊機械裝置。我國工業(yè)機器人近幾年得到了快速的發(fā)展，在工業(yè)機器人研發(fā)方面，沈陽新松機器人自動化股份有限公司在自動導(dǎo)引車(AGV)方面取得重要市場突破，哈爾濱博實自動化股份有限公司重點在石化行業(yè)的自動包裝與碼垛機器人方面進行產(chǎn)品開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用[23]，廣州數(shù)控設(shè)備有限公司研發(fā)了用于機床上下料的工業(yè)機器人產(chǎn)品，上海沃迪科技公司聯(lián)合上海交通大學(xué)研制成功了碼垛機器人并進行市場化推廣等。然而我國機器人企業(yè)在關(guān)鍵核心部件上如：高性能交流伺服電動機、精密減速器及控制器等長期依賴進口[24]。歐洲、日本在工業(yè)機器人的研發(fā)與應(yīng)用方面占有絕對優(yōu)勢，其中知名的機器人公司包括ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA等這四家占到整個行業(yè)市場份額的60%～80%[25]。

增材制造(即3D打印)是一種根據(jù)零部件的三維模型數(shù)據(jù)，利用成形設(shè)備以材料堆積的方式制造實體的技術(shù)。3D打印技術(shù)在原形制造、醫(yī)藥工業(yè)、航空工業(yè)、軍事、家居、建筑等領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。目前3D打印存在著一些挑戰(zhàn)例如：成本較高；材料多采用化學(xué)聚合物局限性較大，成型品的物理特性也不理想，并且存在一定安全隱患；3D打印設(shè)備在軟件功能、后處理、設(shè)計軟件與生產(chǎn)控制軟件的無縫對接等方面還有許多問題。總的來說我國在關(guān)鍵器件、成型材料、智能化控制較國外先進水平有一定的差距[26]。

4 結(jié)語

2012年以來關(guān)于智能制造研究文獻發(fā)文量發(fā)生了快速增長，特別是2015年研究成果較上一年增長了240%；《航空制造技術(shù)》、《制造技術(shù)與機床》刊發(fā)的相關(guān)智能制造文章較多。通過對高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析及聚類分析，了解了近幾年研究熱點包括：綠色智能制造、智能制造系統(tǒng)、智能制造裝備、智能制造技術(shù)。針對智能制造領(lǐng)域出現(xiàn)的問題筆者認(rèn)為應(yīng)從以下幾點做出改進：(1)通過產(chǎn)品設(shè)計方法與工具的創(chuàng)新、管理模式的創(chuàng)新、制造模式的創(chuàng)新，降低生產(chǎn)過程中的物耗、能耗和排放，降低人力成本，同時產(chǎn)品應(yīng)具有可回收、易拆卸，部件或整機可翻新和循環(huán)利用的特性。(2)智能制造系統(tǒng)是為了實現(xiàn)各種制造過程自動化、智能化、精益化、綠色化，從而更快速、有效地應(yīng)對越來越激烈的市場競爭和動態(tài)多變的制造環(huán)境。(3)我國智能制造裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展將圍繞智能制造過程中的感知、決策、執(zhí)行3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開發(fā)工業(yè)機器人感知系統(tǒng)、智能儀表等典型的智能測控裝置。(4)在對云計算不斷完善的過程中，應(yīng)對用戶的服務(wù)進行系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的制定，通過該種方式加強云計算的標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)類型。以及基礎(chǔ)軟件、虛擬化軟件、高端存儲設(shè)備、基礎(chǔ)架構(gòu)軟件和數(shù)據(jù)等方面有待提高。物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)需要加強如移動處理器、傳感器、大型服務(wù)器等。工業(yè)機器人領(lǐng)域還需通過提高產(chǎn)業(yè)化促進精密制造技術(shù)，促進機器人控制系統(tǒng)和傳感器產(chǎn)業(yè)化、加強智能制造系統(tǒng)的應(yīng)用，來提高工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用[27]。增材制造未來研究重點應(yīng)放在：降低打印設(shè)備以及打印成本，提高打印精度，打印性能，提高軟件與設(shè)備的無縫對接、軟件功能、后續(xù)處理能力，打印材料安全且易獲取等。

綜上所述，智能制造研究熱點主要集中在智能制造系統(tǒng)和智能制造技術(shù)上，未來智能制造系統(tǒng)應(yīng)能夠快速適應(yīng)市場需求的變化來調(diào)整制造過程、制造功能等。云計算應(yīng)在不斷完善的過程中形成一套標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)體系；物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)需要加強如移動處理器、傳感器、大型服務(wù)器等；工業(yè)機器人還需應(yīng)用在高精密度的工作中，完善機器人控制系統(tǒng)和傳感器產(chǎn)業(yè)化；增材制造應(yīng)提高打印精度降低成本提高后續(xù)處理能力。

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Analysis of the current research status about intelligent manufacturing based on CiteSpace

ZHANG Qingjie①, ZHANG Lianzheng②, DOU Yongxiang①, CHEN Shu①

(①College of Economics and Managerment,Xidian University，Xi’an 710071, CHN; ②Insititute of Electrics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, CHN)

Intelligent manufacturing is a kind of intelligent system composed of intelligent machine and experts.In this paper, the bibliometric analysis and the visualization analysis about intelligent manufacturing are shown by using the CiteSpace based on the data from CNKI.The current research status is summarized and the hot topics of the research field are concluded.In contrast to “Made in China 2025”and the guidance on the promotion of ‘Internet plus’ action about intelligent manufacturing, the problems faced by industry of domestic intelligent manufacturing at the present stage are raised, and then corresponding suggestions are put forward.

intelligent manufacturing; intelligent manufacturing system; intelligent manufacturing technology; intelligent manufacturing equipment

T19

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.006

張青杰，男，1988年生，碩士研究生，研究方向為信息可視化、物流信息系統(tǒng)。

(編輯 汪 藝)

2016-06-20)

161113