李金洋，陳儀香，3，王振輝

(1.華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件工程學(xué)院嵌入式軟件與系統(tǒng)系，上海 200062; 2.教育部軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用工程研究中心，上海 200062; 3.國(guó)家可信嵌入式軟件工程技術(shù)研究中心，上海 200062)

基于車(chē)速的自適應(yīng)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)

李金洋1，2，陳儀香1，2，3，王振輝1，3

(1.華東師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件工程學(xué)院嵌入式軟件與系統(tǒng)系，上海 200062; 2.教育部軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用工程研究中心，上海 200062; 3.國(guó)家可信嵌入式軟件工程技術(shù)研究中心，上海 200062)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人們生活水平的提高，城市機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量快速增長(zhǎng)，城市交通引發(fā)的擁堵、環(huán)境污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重。智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究人員討論和研究的最熱門(mén)課題之一，其中如何解決交通擁堵問(wèn)題尤為重要。為了改善路口交通狀況，提高通行效率，提出了一種基于車(chē)速的自適應(yīng)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用車(chē)聯(lián)網(wǎng)V2I(Vehicle to Infrastructure)通訊模式，利用V2I通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)與交通信號(hào)燈之間數(shù)據(jù)的傳輸。汽車(chē)在通過(guò)路口時(shí)將車(chē)速信息發(fā)送給該路口的交通信號(hào)燈，系統(tǒng)通過(guò)分析十字路口和十字路口前方車(chē)速信息和交通信號(hào)燈當(dāng)前狀態(tài)，實(shí)時(shí)地控制紅綠燈的顯示，實(shí)現(xiàn)紅綠燈控制依據(jù)實(shí)時(shí)車(chē)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整。該系統(tǒng)能夠減少十字路口的擁堵，從而有效緩解交通擁堵，提高道路通行能力。

智能交通系統(tǒng);自適應(yīng);交通信號(hào)燈控制;V2I通訊

0 引言

交通與人們的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)，可以說(shuō)人們對(duì)交通的依賴(lài)十分強(qiáng)烈。交通體系一直在發(fā)展，但是在大部分國(guó)家和城市，道路交通建設(shè)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量增長(zhǎng)的速度，這兩者發(fā)展速度的不平衡導(dǎo)致了交通擁堵、交通事故頻發(fā)、環(huán)境污染等問(wèn)題的出現(xiàn)。其中最嚴(yán)重的就是交通擁堵問(wèn)題。很長(zhǎng)一段時(shí)間，國(guó)內(nèi)外許多研究人員都致力于解決這一問(wèn)題，隨著智能交通系統(tǒng)［1-2］的發(fā)展，提出了許多交通控制系統(tǒng)。

目前，大部分交通信號(hào)燈采用的控制算法的制定流程是:對(duì)路口車(chē)輛流量信息進(jìn)行采樣方法統(tǒng)計(jì)調(diào)查，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理計(jì)算兩個(gè)方向交通信號(hào)燈的延遲時(shí)間并按此預(yù)先設(shè)定好［3］，信號(hào)燈屬于靜態(tài)自動(dòng)調(diào)整。而實(shí)際中，路口交通的車(chē)流量和車(chē)速往往是動(dòng)態(tài)的，不同時(shí)段路口的路況信息存在很大差異，固定時(shí)長(zhǎng)的交通信號(hào)燈控制策略并不能滿(mǎn)足實(shí)際路口的需要。所以必須尋求一種智能的交通控制系統(tǒng)，它能夠根據(jù)道路車(chē)流量和車(chē)速變化實(shí)時(shí)自動(dòng)地調(diào)節(jié)交通信號(hào)燈時(shí)間的長(zhǎng)短，最大限度地減少路口的車(chē)輛滯留數(shù)目，有效緩解交通擁堵?tīng)顩r，實(shí)現(xiàn)交通控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制，這就是自適應(yīng)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)。當(dāng)前世界上比較完善的自適應(yīng)控制系統(tǒng)有英國(guó)的SCOOT系統(tǒng)［4］和澳大利亞的SCATS系統(tǒng)［5］，這兩個(gè)系統(tǒng)都是區(qū)域控制。此外還有針對(duì)單個(gè)交叉路口的自適應(yīng)交通燈控制系統(tǒng)。例如，文獻(xiàn)［6］提出一種基于光-電開(kāi)關(guān)計(jì)數(shù)器計(jì)算車(chē)流量的自適應(yīng)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng);文獻(xiàn)［7-8］提出基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)交通燈控制系統(tǒng);文獻(xiàn)［9］提出協(xié)調(diào)模糊擁堵控制系統(tǒng)。但這些系統(tǒng)多是根據(jù)車(chē)輛數(shù)目信息來(lái)進(jìn)行控制，不能完全反映路口狀況。

文中對(duì)單個(gè)交叉路口自適應(yīng)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種以車(chē)速信息為判斷依據(jù)的自適應(yīng)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能交通。該系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整交通信號(hào)燈顯示狀態(tài)和時(shí)長(zhǎng)，以規(guī)避交通擁堵的發(fā)生，并且能夠在一旦發(fā)生擁堵的情況下盡快緩解擁堵情況、疏通路口車(chē)輛。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 場(chǎng)景描述

該系統(tǒng)適應(yīng)的場(chǎng)景為十字交叉路口。為了減小系統(tǒng)復(fù)雜性、便于實(shí)現(xiàn)，暫不考慮車(chē)輛左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)的情況，即假設(shè)每個(gè)方向通過(guò)路口的汽車(chē)都是直行。

交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)可接收各個(gè)方向的汽車(chē)在通過(guò)路口時(shí)的速度和通過(guò)路口之后在下一路段的車(chē)速，以判斷整個(gè)路口的通行情況，然后根據(jù)路口實(shí)時(shí)路況給紅綠燈發(fā)出相應(yīng)指令，如延長(zhǎng)紅綠燈時(shí)長(zhǎng)、進(jìn)行紅綠燈轉(zhuǎn)換等。其中東西方向紅綠燈顯示一致，南北方向顯示一致。該交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)所起到的作用就相當(dāng)于在十字路口站了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的交通警察，能夠依據(jù)當(dāng)前車(chē)流情況，實(shí)時(shí)控制整個(gè)路口的行車(chē)情況，指揮交通，尤其在擁堵發(fā)生時(shí)起到疏導(dǎo)作用。

1.2 通訊模式

V2I(Vehicle to Infrastructure)［10-11］通訊是車(chē)聯(lián)網(wǎng)［12］中的概念，指汽車(chē)與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的通訊，這些基礎(chǔ)設(shè)施包括道路、路燈、交通燈、電子路障等。該系統(tǒng)是一個(gè)典型的V2I模式的通訊系統(tǒng)。從圖1可以看出，系統(tǒng)通訊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎眯切途W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即所有通過(guò)路口的汽車(chē)都與基礎(chǔ)設(shè)施交通信號(hào)燈進(jìn)行通訊。

1.3 模塊化體系架構(gòu)

系統(tǒng)中兩個(gè)主體為交通信號(hào)燈和汽車(chē)，按照功能可將其分為不同模塊，其體系架構(gòu)如圖2所示。

交通信號(hào)燈部分包括數(shù)據(jù)接收模塊、控制模塊和信號(hào)燈模塊。數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)接收由汽車(chē)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù);控制模塊即TLS(Traffic Light System)控制器部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和發(fā)出指令對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行控制;信號(hào)燈模塊則負(fù)責(zé)顯示。汽車(chē)上有數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，分別負(fù)責(zé)汽車(chē)行駛過(guò)程中車(chē)速、位置、方向等數(shù)據(jù)信息的采集和發(fā)送。

在此架構(gòu)下，系統(tǒng)活動(dòng)可以描述為:當(dāng)汽車(chē)駛?cè)胂到y(tǒng)范圍(即系統(tǒng)支持的最大數(shù)據(jù)傳輸距離)之內(nèi)，汽車(chē)上的數(shù)據(jù)采集模塊采集汽車(chē)行駛過(guò)程中一系列車(chē)輛信息(如車(chē)速、位置、行駛方向等);然后由數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送給交通信號(hào)燈上的數(shù)據(jù)接收模塊;交通信號(hào)燈接收到數(shù)據(jù)之后將其傳送給控制模塊;控制模塊則根據(jù)相應(yīng)算法判斷路口通行情況，做出相應(yīng)處理，給信號(hào)燈下達(dá)正確指令;信號(hào)燈則受控制模塊控制，延長(zhǎng)信號(hào)燈時(shí)間或切換信號(hào)燈。整個(gè)過(guò)程是一直循環(huán)往復(fù)的。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集與發(fā)送所使用的裝置為國(guó)家可信嵌入式軟件工程技術(shù)研究中心研發(fā)的車(chē)載OBD(On-Board Diagnostic System)［13］設(shè)備。該設(shè)備能自動(dòng)適配多種車(chē)輛總線(xiàn)，適應(yīng)性較強(qiáng)，并且能夠自主采集車(chē)輛數(shù)據(jù)，有針對(duì)性地進(jìn)行車(chē)輛數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)整理。在使用時(shí)直接將其與汽車(chē)的OBD接口相連，便可對(duì)汽車(chē)數(shù)據(jù)總線(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。對(duì)其進(jìn)行配置并連接通訊模塊即可按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2 V2I通訊模塊

2.2.1 通訊設(shè)備

系統(tǒng)中的V2I通訊所使用的模塊是ZigBee模塊。ZigBee［14］技術(shù)是一種短距離、低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到30～50 m的作用距離，而在室外則能達(dá)到100 m左右，并且ZigBee有比較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈能力，網(wǎng)絡(luò)容量大，通訊可靠，所以能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。

2.2.2 數(shù)據(jù)格式

系統(tǒng)中將汽車(chē)采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇煌ㄐ盘?hào)燈時(shí)的數(shù)據(jù)格式定義如下:數(shù)據(jù)設(shè)為19個(gè)字節(jié)，分別為Date［0］到Date［18］。其中，Date［0］是數(shù)據(jù)頭，使用固定值0x55。然后是車(chē)輛ID，占用2個(gè)字節(jié)。接下來(lái)是汽車(chē)的一系列信息，包括行駛速度2個(gè)字節(jié)，緯度4個(gè)字節(jié)，經(jīng)度4個(gè)字節(jié)，行駛方向4個(gè)字節(jié)。車(chē)載OBD采集到的行駛速度單位為km/h，并且全是整數(shù)，因此可直接轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制;經(jīng)緯度是小數(shù)位為5位的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)緯度，因此要將其化為整數(shù)后再轉(zhuǎn)為十六進(jìn)制傳輸;行駛方向用方位角來(lái)表示，以正北方為基準(zhǔn)設(shè)為0°，正東方為90°，以此類(lèi)推，方位角的范圍是0°～360°，同樣將其轉(zhuǎn)為十六進(jìn)制后按字節(jié)傳輸。最后的Date［17］［18］設(shè)為固定值0x0D 0xAA，作為一條數(shù)據(jù)的結(jié)尾，這里使用兩個(gè)字節(jié)而不是使用單個(gè)字節(jié)是因?yàn)榍懊娴臄?shù)據(jù)都是隨機(jī)的，可能出現(xiàn)0D或AA，會(huì)影響判斷，所以用兩個(gè)字節(jié)表示數(shù)據(jù)尾來(lái)避免這種情況。

具體數(shù)據(jù)格式定義如表1所示。

車(chē)載OBD按照上述格式發(fā)送數(shù)據(jù)，控制模塊接收到數(shù)據(jù)之后按照同樣的邏輯將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，分別得到每一個(gè)信息。

2.3 控制模塊

2.3.1 控制器

交通信號(hào)燈控制器是系統(tǒng)中最重要的部分，負(fù)責(zé)運(yùn)行控制算法以及控制信號(hào)燈。系統(tǒng)要求控制器可以接收車(chē)速信息作為輸入，調(diào)整信號(hào)燈顯示時(shí)長(zhǎng)作為輸出，以控制信號(hào)燈的顯示。

2.3.2 控制算法

交通信號(hào)燈控制算法要解決的問(wèn)題是如何根據(jù)車(chē)速信息判斷路口通行情況并給信號(hào)燈發(fā)送正確指令控制其顯示，令其切換信號(hào)燈的狀態(tài)或者延長(zhǎng)顯示時(shí)間，這是該系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。

該控制算法的主要思想為:算法中考慮的是東西方向紅綠燈的情況，由于當(dāng)前硬件設(shè)備限制，南北方向紅綠燈只是簡(jiǎn)單對(duì)其取反，即東西方向?yàn)榧t燈時(shí)，南北方向?yàn)榫G燈，黃燈時(shí)兩個(gè)方向都為黃燈;相反地，東西方向?yàn)榫G燈時(shí)，南北方向?yàn)榧t燈。而且為了避免控制出現(xiàn)矛盾，只考慮由西向東和由南向北方向的車(chē)輛。在沒(méi)有特殊情況的條件下，紅燈和綠燈的基本亮起時(shí)間都是60 s，紅燈綠燈切換之間黃燈閃爍時(shí)間為5 s。對(duì)于車(chē)速的判斷為:設(shè)置兩個(gè)臨界車(chē)速Vmax和Vmin。車(chē)速大于Vmax即表示暢通，車(chē)速小于Vmin時(shí)表示擁堵。由道路經(jīng)驗(yàn)設(shè)定Vmax為40 km/h，Vmin為20 km/h。根據(jù)車(chē)速以及當(dāng)前顯示燈情況對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行控制:當(dāng)前為綠燈時(shí)，有兩種情況要延長(zhǎng)綠燈時(shí)間，一是本方向暢通，另一方向擁堵，那么不讓擁堵方向的車(chē)輛進(jìn)入路口，要延長(zhǎng)本方向綠燈時(shí)間;二是本方向沒(méi)有發(fā)生擁堵，且有車(chē)要通過(guò)路口，這時(shí)另一方向沒(méi)有車(chē)要通過(guò)，那么就延長(zhǎng)本方向綠燈時(shí)間，減少道路資源浪費(fèi)。一旦這個(gè)方向發(fā)生了擁堵，就將其變?yōu)榧t燈，紅燈之前黃燈同樣要閃爍5 s。當(dāng)前為紅燈時(shí)，情況基本和綠燈條件下相似。但在改變顯示燈狀態(tài)時(shí)要注意剩余時(shí)間是否小于或大于5 s，以避免資源浪費(fèi)和顯示燈切換過(guò)于頻繁。具體算法如下:

算法1:交通信號(hào)燈控制算法。

輸入:不同方向位置車(chē)速;

輸出:顯示燈時(shí)間。

當(dāng)前東西方向?yàn)榫G燈:

則綠燈時(shí)間延長(zhǎng)10 s;

則綠燈時(shí)間延長(zhǎng)10 s;

則綠燈變?yōu)辄S燈，黃燈亮5 s后變紅燈;

則綠燈變?yōu)辄S燈，黃燈亮5 s后變紅燈;

其他情況則不對(duì)綠燈做延長(zhǎng)或縮短處理。

當(dāng)前東西方向?yàn)榧t燈:

則紅燈時(shí)間延長(zhǎng)10 s;

則紅燈時(shí)間延長(zhǎng)10 s;

判斷紅燈剩余時(shí)間是否大于5 s，若是，則紅燈變?yōu)辄S燈，黃燈亮5 s后變綠燈;

判斷紅燈剩余時(shí)間是否大于5 s，若是，則紅燈變?yōu)辄S燈，黃燈亮5 s后變綠燈;

其他情況則不對(duì)紅燈做延長(zhǎng)或縮短處理。

(1)算法分析。

(2)算法驗(yàn)證。

為了更清楚地描述算法并便于驗(yàn)證，將算法中的8種情況分別設(shè)為case1，case2，…，case8，則該算法可用圖3所示有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)來(lái)表示。

為了驗(yàn)證該算法是否正確，利用Matlab/Simulink對(duì)上述狀態(tài)自動(dòng)機(jī)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。在路口沒(méi)有異常的情況下，300 s之內(nèi)路口交通信號(hào)燈變化如圖4所示。圖中3條線(xiàn)分別表示綠燈、黃燈和紅燈的顯示情況，高電平表示亮起，低電平表示不亮?？煽闯霎?dāng)前信號(hào)燈變化為綠燈亮60 s，黃燈亮5 s，紅燈亮60 s，按此循環(huán)。

為驗(yàn)證該交通信號(hào)燈能否正確判斷路口實(shí)時(shí)情況并調(diào)整信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)，模擬了如圖5所示的路口車(chē)速值，自上往下四條線(xiàn)分別為、、和。

從圖6即接收了模擬車(chē)速之后的信號(hào)燈變化情況可以看出，在44 s的時(shí)候信號(hào)燈由綠燈變?yōu)榱它S燈而后變?yōu)榧t燈，此時(shí)相應(yīng)的車(chē)速:為 30.5、為 18.9、為39.5和為51.2。說(shuō)明此時(shí)東西方向下一路段已經(jīng)發(fā)生了擁堵，符合case4的情況，按照控制算法綠燈變?yōu)榧t燈是正確的。其他情況與此類(lèi)似。

從仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)能夠利用該算法根據(jù)不同的車(chē)速情況進(jìn)行自適應(yīng)控制，調(diào)整交通信號(hào)燈的顯示時(shí)間，表明算法是有效的。

3 結(jié)束語(yǔ)

交通擁堵問(wèn)題是當(dāng)今十分嚴(yán)重的交通問(wèn)題之一，為了提高道路通行能力，緩解路口交通擁擠，文中利用ZigBee、OBD等技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種自適應(yīng)的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，當(dāng)汽車(chē)駛?cè)肼房谝欢ǚ秶鷷r(shí)，會(huì)將采集到的車(chē)速信息發(fā)送給交通信號(hào)燈上的控制器，控制器根據(jù)這些車(chē)速信息對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行控制，信號(hào)燈做出相應(yīng)變化，如切換信號(hào)燈或延長(zhǎng)信號(hào)燈。與其他現(xiàn)有的自適應(yīng)交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)不以車(chē)輛數(shù)目為判斷條件，而是以車(chē)速為依據(jù)判斷路口狀況調(diào)節(jié)信號(hào)燈顯示。相比于原有的固定時(shí)長(zhǎng)的交通燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)預(yù)計(jì)可以有效緩解路口通行壓力、提高路口通行能力，為城市交通提供便利。

由于當(dāng)前硬件等條件的限制，系統(tǒng)還存在諸多不足，例如現(xiàn)在的東西和南北兩個(gè)方向的信號(hào)燈是綁定的，一方為紅燈則另一方直接取反，而不是根據(jù)路況進(jìn)行判斷。在下一步工作中，將重點(diǎn)解決兩個(gè)問(wèn)題:一是實(shí)現(xiàn)對(duì)路口兩個(gè)方向的信號(hào)燈進(jìn)行協(xié)同控制;二是考慮轉(zhuǎn)彎等情況對(duì)信號(hào)燈控制的影響。最終使得該交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)更加完善。

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A Self-adaptive Traffic Light Control System Based on Speed of Vehicles

LI Jin-yang1，2，CHEN Yi-xiang1，2，3，WANG Zhen-hui1，3
(1.Department of Embedded Software and Systems，School of Computer Science and Software Engineering，East China Normal University，Shanghai 200062，China; 2.MOE Engineering Research Center for Software/Hardware Co-design Technology and Application，Shanghai 200062，China; 3.The State Engineering Research Center for Trustworthy-embedded Software，Shanghai 200062，China)

With the development of economy and the improvement of people’s living standard，the number of vehicles in city is growing rapidly，and the congestion and environment pollution and other problems caused by traffic are becoming more serious.ITS(Intelligent Transportation System)has become one of the hottest topics discussed by domestic and foreign researchers，and how to solve the traffic congestion problem is especially important in ITS.In order to improve traffic condition in intersections and to enhance traffic efficiency，a self-adaptive traffic light control system based on vehicle speed is proposed.It is an instance of V2I(Vehicle to Infrastructure)communication model，which realizes data transmission between vehicles and traffic light by using V2I protocols.Vehicles send speed messages to the traffic light when passing the intersection，and the system controls by itself the traffic light by analyzing the speed of cars in both cross and the front and current state of the traffic light.This system can improve the traffic capacity and ease traffic congestion effectively through decreasing the congestion in intersection.

ITS;self-adaptive;traffic light control;V2I

TP302

A

1673-629X(2016)09-0021-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.09.005

2015-09-19

:2016-02-24< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:

時(shí)間:2016-08-23

國(guó)家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB302802);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61370100);上海知識(shí)服務(wù)平臺(tái)計(jì)劃(ZF1213);上海市科委項(xiàng)目(14511100400)

李金洋(1993-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)檐浻布f(xié)同設(shè)計(jì);陳儀香，教授，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)協(xié)同規(guī)范語(yǔ)言設(shè)計(jì)、程序語(yǔ)義模型、軟件可信度量與評(píng)估。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160823.1343.038.html