平行系统理论及其在抗辐射性能评估中的应用探讨

吴　伟，周　辉，陈　伟，赵　墨

(西北核技术研究所，西安710024；强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安710024)



平行系统理论及其在抗辐射性能评估中的应用探讨

吴伟，周辉，陈伟，赵墨

(西北核技术研究所，西安710024；强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安710024)

回顾了平行系统理论的提出过程，总结了理论的具体内容，介绍了理论的发展和应用情况。通过分析抗辐射加固系统的特点，认为运用平行系统理论解决抗辐射性能评估难题在理论上是基本可行的。最后，提出了开展抗辐射性能评估平行试验需要重点研究的几个关键问题。

复杂系统；平行系统理论；ACP方法；抗辐射性能评估

复杂系统研究与复杂性科学是当代国际前沿热点研究问题之一，戴汝为称其为一门“21世纪的科学”[1]，霍金也曾在2000年指出：“我认为，下个世纪将是复杂性的世界。”[2]自1945年生物学家贝塔朗菲(Bertalanffy)发表“关于一般系统论”[3]以来，众多领域的研究人员努力摆脱自然科学还原论的研究方法，试图从整体的角度研究系统的特性和演化行为，揭示复杂系统的自组织、自适应和涌现(emergency)等复杂现象以及复杂系统“整体大于局部之和”的奥秘。系统、复杂系统和复杂性的研究孕育出系统科学、系统科学哲学2个新兴科学门类[4]，推动了复杂性科学[1，5-7]的研究热潮，促进了系统科学体系的建立。钱学森曾指出，系统科学体系的建立也必将影响其他现代科学技术的发展，并促进比较早建立的科学技术部门，如自然科学和社会科学。这种变革孕育着一场21世纪初的科学新飞跃，即一次科学革命[8]。文献[9]总结了国外复杂性科学和国内系统科学的发展历程，如图1所示。文献[10]总结了中美欧复杂性科学研究的代表理论，即国内钱学森提出的“开放的复杂巨系统及其方法论”[11]，国外以美国圣菲研究所(Santa fe Institute, SFI)为代表的复杂自适应系统(CAS)理论[12-13]，欧洲以普利高津(I. Prigogine)[14-15]和哈肯(H. Haken)[16-17]为代表的远离平衡态的自组织理论。文献[5]介绍了美国复杂性科学研究的5个学派，表1列出了各学派的代表人物、主要观点和研究方向。文献[18]从系统科学哲学的3种研究脉络、复杂性的科学哲学研究、国内外复杂性研究差异及未来研究展望3个方面，总结了中国系统科学和复杂性的哲学研究历程。

图1复杂系统的发展历程[9]Fig.1Developed course of complex systems[9]表1美国复杂性科学5个学派的主要学术观点及研究方向[5]Tab.1Main academic views and research directions of the five schools of complexity science in the United States[5]

SchoolnameRepresentativeresearchersTheoreticaltoolComplexityofextractionMainresearchdirectionsSystemDynamicsForrester,Meadows,Senge,etal.OrdinarydifferentialequationInsystemOrganizationtheory,especiallylearningorganizationComplexAdaptiveSystemsCowen,Kauffman,Holland,Arhur,Casti,etal.PartialdifferentialequationInsystemEconomic,biological,cognitiveandothersystemsChaoticDynamicsNonlinearityResearchCenterInLosAlamosNonlinearordinarydifferentialequationInsystemPhysical,economicandothersystemsStructureBasisWarfield,Vickers,Piece,Polanyi,Piager,etal.westernformallogic,suchassettheory,relationtheory,graphTheory,etal.InthehumanbrainManagementtheory,especiallyinteractivemanagementAmbiguitySomeindependentstudyscholarsDisciplinescrossingand/orPostmodernistMethodologyUncertainSocial,scientific,languageandothersystems

在复杂系统与复杂性研究催生出许多新理论和新思想的同时，人们也在努力发展具体的研究手段和方法来解决实际问题。成思危认为，研究复杂系统的基本方法应当是在唯物辩证法指导下的系统科学方法[5]。黄欣荣将复杂系统与复杂性研究的新方法归纳总结为隐喻、模型、数值、计算、虚拟和综合集成6种具体方法[19]。为了寻求解决复杂系统控制与管理问题的新思路和新方法，王飞跃等针对社会管理与控制领域中，实际社会系统中不可准确预测、难以拆分还原、无法重复实验等复杂性问题[20]，将人工社会思想引入控制领域，提出以人工社会(artificial societies)、计算实验(computational experiments)、平行执行(parallel execution)方法(简称ACP方法)为核心的平行系统理论[21-22]。平行系统理论及ACP方法自提出以来，在多个领域得到推广应用，如交通物流、工业管理和军事领域等。

本文试图通过对平行系统理论及其应用的分析和讨论，探讨将平行系统思想引入到抗辐射加固技术领域，以解决复杂系统抗辐射性能评估难题的可行性。论文首先回顾了平行系统理论的提出，并将理论的具体内容概括为“一个框架、两个假设、五个核心概念、一套实施方法”。其次，介绍了平行系统理论在社会管理与军事等领域的发展和应用情况。最后，讨论了应用平行系统理论解决复杂系统抗辐射性能评估问题的可行性，并提出了需要重点研究的几个关键问题。

1平行系统理论简介

20世纪以来，人们在研究社会时开始引入系统的思想，钱学森认为社会就是由大量的复杂巨系统为子系统组成的一个巨系统[11]。然而与自然系统相比，社会系统是异常复杂的，因为社会既是物质的又是思想的[23]。随着计算机科学技术的发展，基于代理(agent)的人工社会研究方法逐渐成为研究社会问题的一种主流方法，Epstein和Axtell构建的“糖之世界”[24-25]成为这种新方法的一个典范。受到人工社会研究方法和平行世界及多维空间等新思想的启发，2004年，王飞跃等先后发表了多篇论文[22，24，26-29]，提出了解决现实社会系统的控制与管理难题的平行系统理论。文献[21,30]对平行系统理论及ACP方法进行了比较系统的阐述。

平行系统理论[30]的核心思想是：针对复杂系统，构造其实际系统与人工系统并行互动的平行系统，目标是使实际系统趋向人工系统，而非人工系统逼近实际系统，进而借助人工系统使复杂问题简单化，以此实现复杂系统的控制与管理。该理论的具体内容可以概括为“一个框架、两个假设、五个核心概念、一套实施方法”。

1.1一个框架

一个框架是指平行系统运行的基本框架[22]，如图2所示。通过实际系统与人工系统的相互作用，完成对实际系统的管理与控制，对相关行为和决策的实验与评估，对有关人员和系统的学习和培训等等。平行系统运行包括3个过程或操作模式，即学习与培训、实验与评估、管理与控制。在学习与培训过程中，人工系统是掌握实际复杂系统的各种状况以及对应行动的学习平台，同时又是管理和控制实际系统的培训平台。在实验与评估过程中，通过对人工系统进行计算实验，分析了解实际复杂系统的行为和反应，评估不同的解决方案。在管理和控制过程中，通过人工系统与实际系统的平行执行，对实际系统的行为进行预估，为确定和优化实际系统的解决方案提供依据。第一个过程不要求人工系统与实际系统进行互动和平行执行，后两个过程则要求人工系统与实际系统必须进行互动。需要指出的是，现实系统对应的人工系统并不是唯一的，一个现实系统可以对应多个人工系统。将平行系统的基本运行框架嵌入经典控制系统的基本框架，即形成平行控制的基本框架，如图3、图4所示。从经典控制到平行控制，中间有一个自然的过渡，就是自适应控制(也包括内模控制)，如图5所示[30]。

图2平行系统运行的基本框架[22]Fig.2Basic framework and processes for execution of parallel systems[22]

图3经典控制系统[30]Fig.3Classical control systems[30]

图4平行控制系统[30]Fig.4Parallel control systems[30]

图5自适应系统[30]Fig.5Adaptive control systems[30]

1.2两个假设

两个假设是指两个关于复杂系统的基本假设[27]，即1)相对于任何有限资源，在本质上，一个复杂系统的整体行为不能通过独立分析其各部分的行为来确定；2)相对于任何有限资源，在本质上，一个复杂系统的整体行为不能预先在大尺度上(例如长时间或大空间)确定。第1个假设指出了复杂系统的整体论研究方法，第2个假设则强调了复杂系统行为的不确定性。文献[31]又进一步将第1个假设称为不可分假设，第2个假设称为不可知假设。文献[30]指出：大家对第1个假设认识比较一致，对第2个假设可能会有很多看法。而实际上，这两个假设体现了复杂性问题的矛盾实质。研究复杂系统要面临许多矛盾，如要对不能建模的系统进行建模、要对不能分析的东西进行分析、要对不能预测的事情进行预测等，这都是表面上的矛盾，反映了有限资源与无限需求之间永恒且本质性的矛盾。解决的核心是“对立统一”的思想：对立是矛盾，问题是如何进行“统一”？找到了如何统一的方法，也就找到了解决复杂系统问题的途径[30]。文献[31]将系统分成了牛顿系统、量子系统和复杂系统3类，并补充了关于复杂系统的初步看法：针对“不可分”与“不可知”假设下的复杂系统，描述的“精度”必须从牛顿力学的“确定性”、量子力学的“随机性”，进入到复杂系统的“可能性”，如表2所列。

表2复杂系统分析的比较与认识[31]

1.3五个核心概念

五个核心概念包括平行系统、人工社会、计算实验、简单一致、虚实结合。平行系统是指[22]由某一个自然的现实系统和对应的一个或多个虚拟或理想的人工系统所组成的共同系统。人工社会是现实世界系统或社会在计算机世界的映射[32]，包括两层含义：1)人工社会是一种自底向上建模的新范型；2)人工社会是对现实社会系统抽象及建模后的虚拟模型。平行系统论理论认为[29]人工社会也是一种现实，是现实社会的一种可能的替代形式。计算实验指的是基于人工社会理念的一种复杂系统研究方法，是仿真模拟的升华[33]。在计算实验方法中，传统的计算模拟变成了“计算实验室”里的“实验”过程，成为“生长培育”各类复杂系统的手段，而实际系统只是这个计算实验的一种可能结果而已[28]。计算实验不同于追求“逼近真实”的传统仿真，而把计算模拟也看作是一种“现实”，是现实系统的一种可能的替代形式和另一种可能的实现方式。简单一致是指对简单事物往往会有一致的看法[27]。尽管人们容易对复杂系统的整体行为的认识产生分歧，但对相对简单的人工对象的局部行为和模型的认识往往能够取得一致，从而对基于这些认识较为一致的局部行为所产生的复杂整体行为也能够理解和接受[27]，这就是复杂系统能够采用自下而上研究方法的理论基础之一。虚实结合是指将实际问题向虚空间扩展，通过虚实互动完成复杂系统控制和管理的一种复杂系统和复杂性问题的研究思路[30]，图6描述了平行系统理论参照复数空间构成发展的虚实结合的复杂空间[30]。五个核心概念是平行系统理论范畴内的概念。平行系统和人工社会体现了理论的建设或发展目标，计算实验体现了理论的方法论内涵，简单一致体现了理论的建模原则，虚实结合体现了理论的研究思路。

(a)Complex numbers　　　(b)Complex spaces图6复数空间与复杂空间[30]Fig.6Complex numbers and complex spaces[30]

1.4一套实施方法

一套实施方法是指平行理论在实践中运用的ACP方法。ACP方法是指人工社会、计算实验、平行执行的有机组合[30]。该方法从提出到最终确立，经历了3年左右的时间。2004年正式提出平行系统理论；2005年在文献[34]中首次将平行系统理论的主要方法简称为ACP方法，该文献中ACP中的“P”指的是平行系统；2006年在文献[31]中则将“P”修改为平行执行；2007年王飞跃在IEEE Intelligent Systems发表了“Toward a paradigm shift in social computing: the ACP approach”一文[35]，确立了现在广泛引用的ACP这一术语，并将ACP方法描述为：Artificial societies for modeling, computational experiments for analysis, and parallel execution for control，同时指出了ACP方法的哲学和科学基础，如图7所示。文献[30]对ACP方法的概念进行了深入描述。该方法是在钱学森、于景元、戴汝为提出的综合集成科学思想和综合研讨厅体系技术的基础之上，把信息、心理、仿真、决策融为一体，以可计算、可操作、可实现的方式为研究复杂性和控制与管理复杂系统提供了一个思路及方法。理念是通过ACP的组合，将人工的虚拟空间变成解决复杂问题的新的另一半空间，同自然的物理空间一起构成求解“复杂系统方程”的完整的“复杂空间”，如图6所示。新兴的“互联网”、“云计算”、“物联网”等技术，是支撑ACP方法的核心技术。

图7ACP方法的哲学和科学基础[35]Fig.7Logical and disciplinary foundations for ACP approach[35]

与其他复杂系统理论或研究方法相比，平行系统理论有鲜明的特点，主要包括：1)对复杂系统“不可分”特征与“不可知”特征的认识；2)现实系统向人工系统逼近的计算实验方法；3)将计算模拟和模型看作是一种“现实”，是实际系统的替代形式和另一种可能的实现方式的观点。这3个特点构成了平行系统理论的基本观点和理论基础，特别是后2个观点更是颠覆了一些传统观点或认识。

2平行系统理论应用

平行系统理论从2004年提出后，在多个领域进行了应用，发展了相应的平行系统，文献[30]对平行系统理论的应用与研究进行了深入讨论。图8列出了目前平行系统理论主要应用领域及对应的平行系统类型，包括平行管理系统、平行军事系统、平行指控系统和平行情报系统。

社会与企业管理是平行系统理论研究和应用的主要领域，目前发展的平行管理系统主要包括平行交通管理系统[30,36-38]、平行应急管理系统[20，39-42]和平行企业管理系统[30,43-44]，其中，交通管理是平行系统理论最早应用也是应用最广泛的领域。中国科学院复杂系统管理与控制国家重点实验室针对城市综合交通问题，共开发了4代的城市交通的平行与控制系统(PtMS)[30]，如图9所示，其中，第4代PtMS 4.0在2010年亚运会期间，成功用于广州出租车和快速公交的管理和运营。针对乙烯的长周期安全生产问题，从2005年起，复杂系统管理与控制国家重点实验室做了一个面向管理的人工乙烯生产系统[30]，包括平行培训PTS系统、平行评估PES系统和平行管理PMS系统，如图10所示。在此基础上，对管理制度进行计算实验，最终通过虚实结合对乙烯生产进行平行控制和管理，并在中石化茂名公司进行了试点应用，取得了很好的应用效果。城市综合交通管理PtMS系统和乙烯长周期生产管理PTS-PES-PMS系统是应用平行系统理论的2个比较典型的应用案例。

图8平行系统类型Fig.8Classification of parallel systems

图9平行智能交通控制系统PtMS[30]Fig.9Parallel traffic control systems for ITS：PtMS[30]

图10乙烯生产平行管理系统Fig.10Parallel control for management of ethylene production[30]

在军事领域[33，45-51]，主要是通过构建平行军事系统来研究体系效能和涌现等行为，文献[46]对平行系统理论在军事领域的研究和应用做了很好的总结。2012年6月在北京召开了主题为“ACP方法与平行军事体系(SoPMS)”的第428次香山科学会议，围绕平行军事系统、平行系统技术、平行计算等中心议题进行了讨论和交流，并对多类平行军事体系的应用前景进行了探讨，使平行军事体系的思想得到了广泛关注[47]。值得一提的是，张育林、杨雪榕等针对军事领域体系效能评估难题，提出了基于平行系统理论的平行试验方法[49-50]，现已得到初步应用[51-52]。平行试验的基本原理是构造一个人工系统及其使用场景和环境，扩展现实中的物理试验边界，构建物理试验无法研究的体系，然后通过虚拟空间的计算试验与现实中的物理试验交互的方式，获得系统运用的可能效果，并为体系效能评估提供信息。图11[52]给出了航天发射场平行试验系统的框架结构，包括航天发射场自然系统、人工航天发射场系统和运行支撑系统。

此外，在情报学和指挥控制领域，也分别研究了平行情报系统[53-54]和平行指挥控制系统[55]的框架体系，提出了情报5.0和指控5.0的新概念。总之，平行系统理论自提出以来，其应用领域不断扩大，日益受到复杂系统及复杂性科学研究人员的关注。但与广泛的平行系统理论应用性研究相比，平行系统理论本身的研究进展较为缓慢。而且同其他复杂系统研究方法一样，实践检验问题同样是平行系统理论及方法研究面临的难题。

图11航天发射管理平行试验框架[52]Fig.11Parallel experiment framework for the space flight launch experiment management[52]

3　　　基于平行系统理论的抗辐射性能评估的

可行性分析

抗辐射性能评估是研究在规定的时间内，采取了加固措施的系统在辐射环境中完成规定任务的能力问题，是目前抗辐射加固技术领域中的研究热点和难点。抗辐射加固技术研究关心的辐射环境均比较复杂，构成要素多样，无法在实验室内再现，如核爆辐射环境包括中子、γ射线、X射线、光辐射和电磁脉冲几种要素，空间天然辐射环境则主要由高能电子、质子、重离子等构成。针对辐射环境多种构成要素加固的系统或电子元器件，最可信的试验评估手段就是现场试验或空间飞行试验。目前，现场试验进行核爆效应研究难以实施，而进行空间飞行试验则需要高昂的成本。但如果不进行抗辐射性能评估，就无法确认加固手段的有效性，也就意味着无法正确使用加固的产品。虽然，国内抗辐射加固技术领域对抗辐射性能评估研究给予了足够的重视，但至今尚未发现有标志性的技术突破。

平行系统理论及ACP方法的提出及发展为突破抗辐射性能评估提供了新途径。特别是以评估体系效能为目标的平行试验方法，具有解决系统抗辐射性能评估的潜在优势。平行试验方法以平行系统理论为基础，以复杂系统及其与应用场景和使用环境的相互作用为研究对象，以评估整个体系的效能为目标。抗辐射性能描述的是一个系统在复杂或极端环境下完成规定功能或任务的能力，表征的是系统行为受辐射环境的影响程度，所以抗辐射性能评估也是体系效能评估的研究内容。因此，根据基本原理，平行系统理论及平行试验方法是适用于抗辐射性能评估问题的。

抗辐射性能评估的复杂系统具有“不可分”和“不可知”特征。抗辐射性能评估的复杂系统是指采取了加固措施的复杂系统。目前，对于采取了防护措施的加固系统，其具体抗辐射要求通常是针对单一辐射效应。单一辐射效应的抗辐射性能一般可以通过模拟试验检验，但是，对于多种效应共同作用时，系统的抗辐射性能则不具备试验验证条件。而在真实辐射环境中，系统的辐射损伤是多种效应协同作用的结果，因此，单一因素的抗辐射性能验证并不能代表系统的整体抗辐射性能。所以，采取了加固措施的系统抗辐射性能不能通过独立分析单一因素抗辐射性能来确定，具有“不可分”特征。另外，系统因辐射损伤导致性能或功能下降是一个概率问题，比如，在空间天然辐射环境中，在轨卫星的数字集成电路可能发生单粒子翻转效应，但是，由于系统采取了冗余等措施，发生少量的单粒子翻转并不能导致系统功能或性能下降。因此，对于采取了加固措施的系统，其整体的抗辐射性能通常无法预先确定，具有“不可知”特征。

所以，根据平行系统理论和平行试验方法的基本原理和应用范围以及抗辐射性能评估的复杂系统所具有的“不可分”和“不可知”特征，应用平行系统理论及平行试验方法解决抗辐射性能评估问题在理论上是基本可行的。

4　　　抗辐射性能评估平行试验系统框架和

关键问题

根据平行系统理论和平行试验方法的基本原理，抗辐射性能评估平行试验基本框架，如图12所示。根据系统科学的观点，如果一个采取了加固措施的实际系统，在一个模拟系统工作的场景和环境中进行物理试验，那么这个实际对象加上模拟场景和环境以及所进行的物理试验，就构成了一个物理试验系统。同样，与实际对象相对应的人工对象在虚拟空间中的想定场景和环境中进行计算试验，也就构成了一个计算试验系统。物理试验系统与计算试验系统共同组成了抗辐射性能评估的平行试验系统。物理试验系统与计算试验系统既相互独立运行，又互相关联。物理试验系统是计算试验系统的一个子集，或者说物理试验系统是计算试验系统的一个实现。计算试验系统的构建旨在打破现实中的物理试验限制，在“虚拟世界”中进行各种想定条件下的计算试验，获得系统运用的可能效果，为系统抗辐射性能评估提供信息。计算试验系统不仅是现实世界中物理试验系统的抽象和拓展，更重要的是能够表现复杂系统自组织、自适应、涌现等特点。因此，从某种意义上可以认为，以检验系统性能指标为目的物理试验系统是“死的”或“静止的”，而具备自主演化能力的计算试验系统是“活的”或“动态的”。

图12抗辐射性能评估平行试验框架Fig.12Basic framework for parallel experiment of the evaluation for radiation hardness

抗辐射性能评估平行试验系统框架构建之后，面临的就是如何着手开展平行试验研究。根据文献[27]阐述的复杂系统研究所必须解决的4个关键性科学问题，即建模问题、实验问题、决策问题和计算问题，开展抗辐射性能评估平行试验需重点研究以下几个关键问题：

1)抗辐射性能评估平行试验系统构建问题。平行试验系统的构建是首先需要解决的问题。由于很多辐射效应最终是由电子元器件和集成电路的辐射损伤引起，因此，辐射环境中系统的易损性通常需要将系统层级划分到器件级，即系统的层级划分通常为全系统、分系统、关键设备、核心电子器件4个层级。此划分带来的问题就是由于器件数量与种类繁多，会导致系统层级划分以及平行试验系统的构建异常复杂。

2)辐射与系统相互作用的行为建模问题。前文已经介绍过实际的辐射环境构成要素多样，而不同构成要素对系统的作用机制互不相同，如仅空间辐射效应就包括电离总剂量效应、单粒子效应、充放电效应、中子位移损伤效应等，其中，尤以单粒子效应最为复杂，因为单粒子效应本身又包括单粒子翻转、单粒子瞬态、单粒子锁定等多种类型，而不同效应的作用结果也不相同。因此，辐射与系统相互作用的行为建模必须要掌握辐射效应的物理机制。

3)计算试验系统与物理试验系统相互作用问题。计算试验系统与物理试验系统相互作用、相互补充是平行试验的重要内容。但在现实中，系统级的辐射试验结果通常难以获取，只能获取分系统或关键设备，甚至只能得到核心器件的试验数据，因此，2个系统的相互作用就只能在分系统级甚至在底层的器件级，也就是说2个系统的相互作用通常是跨级的。因次，在考虑计算试验系统与物理试验系统相互作用时，需要仔细处理2个系统不同层级之间的相互作用问题。

4)抗辐射性能评估平行试验结果的表征及应用问题。由于加固系统本身的复杂性，以及辐射与系统相互作用机制的复杂性，可能使得平行试验系统经过自主演化会产生不同的现象，这些现象如何表征才能为评价系统在辐射环境中的稳定运行能力提供支撑，目前还没有明确的表征方法。此外，平行试验结果很可能是多样的，那么如何运用这些结果实现系统抗辐射性能的科学评价也是值得深入研究的。

5结语

平行系统理论及平行试验方法的研究及应用仍然处于发展阶段，其理论基础和实践运用都需要深入研究。由于现实中的许多体系本身是一个复杂巨系统，目前能够对其行为特点及规律进行研究的方法手段都十分有限。系统抗辐射性能评估是体系效能评估的一个重要内容，基于平行系统理论和平行试验方法，开展抗辐射性能评估平行试验研究，既为破解全系统在全要素辐射环境中的抗辐射性能评估难题提供了新思路，也为平行系统理论提供了一个新的应用领域。本文的讨论还比较初步，希望文中介绍的平行系统理论及方法能够为抗辐射加固技术提供一个新的研究手段。

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Research on Parallel System Theory and Its Application in the Evaluation for Radiation Hardness

WU Wei,ZHOU Hui,CHEN Wei,ZHAO Mo

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China;State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect,Xi’an,710024,China)

This paper reviewed the development of the parallel system theory, summarized its contents, and introduced its application. Then, the parallel system theory was introduced to evaluate the radiation hardness of a complex system. Finally, several key issues in the evaluation for radiation hardness based on the parallel system theory were discussed.

complex system;parallel system theory;ACP approach;evaluation for radiation hardness

2016-05-05；

2016-06-12

吴伟(1976-)，男，吉林东辽人，高级工程师，硕士，主要从事电磁脉冲效应与抗辐射加固技术研究。 E-mail：wuwei@nint.ac.cn

N949

A

2095-6223(2016)031202(12)