压舱水水样采集装置及深度调控采样方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010166454.1 (22)申请日 2020.03.11 (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路800号 (72)发明人 张卫东孙志坚邢博闻张国庆 沙志军 (74)专利代理机构 上海科盛知识产权代理有限 公司 31225 代理人 杨宏泰 (51)Int.Cl. G01N 1/14(2006.01) G01N 1/34(2006.01) G01D 21/02(2006.01) H04N 5/225(2006.01) H04N 7/18(200。

2、6.01) B01D 33/46(2006.01) (54)发明名称 一种压舱水水样采集装置及深度调控采样 方法 (57)摘要 本发明涉及一种压舱水水样采集装置及深 度调控采样方法， 该装置包括： 集控柜： 由操作平 台和储水舱组成， 所述的操作平台包括核心控制 器以及储水舱采水组件， 所述的储水舱上设有与 压舱水水质分析设备连接的水样提取口； 电控吸 水端： 分别与集控柜中的储水舱进行水连通并且 与操作平台进行采集控制通信， 实现姿态调控以 及曲折舱体内的多区域水样采集； 转轴： 通过第 一柔性管线与集控柜连接， 并且通过第二柔性管 线与电控吸水端连接， 并且第二柔性管线缠绕在 转轴外表面由。

3、转轴旋转实现释放与回收。 与现有 技术相比， 本发明具有吸水端自清洁、 自由控制 采水区域、 节省空间、 防止缠绕等优点。 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 CN 111307528 A 2020.06.19 CN 111307528 A 1.一种压舱水水样采集装置， 用以实现在曲折舱体内的多区域水样采集， 其特征在于， 该装置包括： 集控柜(A)： 由操作平台和储水舱(G)组成， 所述的操作平台包括核心控制器(U1)以及 储水舱采水组件， 所述的储水舱(G)上设有与压舱水水质分析设备连接的水样提取口(H)； 电控吸水端(M)： 分别与集控柜(A)中的储水舱(G)进行水连通并且与操作平台进。

4、行采 集控制通信， 实现姿态调控以及曲折舱体内的多区域水样采集； 转轴(K)： 通过第一柔性管线(J)与集控柜(A)连接， 并且通过第二柔性管线(L)与电控 吸水端(M)连接， 并且第二柔性管线(L)缠绕在转轴(K)外表面由转轴旋转实现释放与回收。 2.根据权利要求1所述的一种压舱水水样采集装置， 其特征在于， 所述的储水舱采水组 件包括在储水舱(G)的上方推杆(E)上运动的活塞(F)以及控制活塞(F)运动的活塞电机 (D)， 所述的核心控制器(U1)通过电机驱动模块(U2)控制活塞电机(D)。 3.根据权利要求2所述的一种压舱水水样采集装置， 其特征在于， 所述的操作平台还包 括分别与核心控。

5、制器(U1)连接的显示屏(B)、 键盘(C)和电源接口(Z)， 所述的核心控制器 (U1)分别通过GPIO接口与键盘(C)和电机驱动模块(U2)连接， 并且通过HDMI接口与显示屏 (B)连接。 4.根据权利要求1所述的一种压舱水水样采集装置， 其特征在于， 所述的电控吸水端 (M)包括采水管、 包裹在采水管外的吸水端主体、 设置在吸水端主体上的电控吸水端控制器 (U0)、 分别安装在吸水端主体前端且与电控吸水端控制器(U0)连接的水下推进器、 传感器 模组(W)、 水下摄像头(V)和两个LED灯， 所述的水下推进器设有四个， 分别安装在吸水端主 体前端四角处， 并且电控吸水端控制器(U0)通。

6、过电机驱动模块(U6)控制水下推进器的电 机。 5.根据权利要求4所述的一种压舱水水样采集装置， 其特征在于， 所述的电控吸水端 (M)还包括设置在采水管入口处的滤网(Y)以及用以清洗滤网(Y)的刷头组件， 所述的刷头 组件包括依次传动的叶片(X3)、 轴(X1)和自旋转刷头(X)， 所述的叶片(X3)通过固定杆(X2) 固定设置在采水管内， 当电控吸水端采水时， 水流带动叶片(X3)转动从而实现自旋转刷头 (X)转动清洗滤网(Y)。 6.根据权利要求4所述的一种压舱水水样采集装置， 其特征在于， 所述的传感器模组 (M)包括水深压力传感器、 温度传感器以及六自由度惯性传感器。 7.根据权利要。

7、求4所述的一种压舱水水样采集装置， 其特征在于， 所述的转轴(K)内部 设有用以实现转轴旋转的转轴控制模块(U5)和转轴电机。 8.根据权利要求7所述的一种压舱水水样采集装置， 其特征在于， 所述的柔性管线包括 绝缘橡胶护壁(N)以及分别设置在绝缘橡胶护壁(N)内的接口(O)和水管(P)， 所述的转轴控 制模块(U5)依次通过第一柔性管线(J)内的接口(O)和USB-485总线模块(U4)与核心控制器 (U1)通信， 并且通过第二柔性管线(L)内的接口(O)与电控吸水端控制器(U0)通信， 所述的 电控吸水端(M)的采水管通过第一柔性管线(J)内的水管(P)和第二柔性管线(L)内的水管 (P)。

8、与储水舱(G)水连通。 9.根据权利要求8所述的一种压舱水水样采集装置， 其特征在于， 所述的接口(O)为12 针接口， 满足M12-12标准， 其1-8号管脚依次对应RJ45接口线序、 9号管脚接12V电源正极、 10 号管脚接12V电源负极、 11和12号管脚为RS485总线的AB端。 权利要求书 1/2 页 2 CN 111307528 A 2 10.一种应用如权利要求1-9任一项所述的压舱水水样采集装置的深度调控采样方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 步骤1： 初始化； 步骤2： 获取电控吸水端(M)的位置设定信息、 第二柔性管线(L)的释放长度信息和储水 舱(G)的水位信息， 进入。

9、步骤3； 步骤3： 采集电控吸水端控制器(U0)的信息， 包括当前电控吸水端(M)的实时姿态/深度 信息、 各推进器的转速信息、 所在水域的水温信息、 LED灯的亮灭信息， 进入步骤4； 步骤4： 采集水下摄像头(V)的图像信息， 进入步骤5； 步骤5： 采集储水舱(G)的水位信息， 通过控制活塞电机(D)的转动状态确定推杆E的伸 缩量调节储水舱(G)的容积， 进入步骤6； 步骤6： 更新存储显示信息， 在显示屏(B)上持续显示步骤3、 步骤4和步骤5所获得的 数据信息及视频信息， 并进行更新和存储， 进入步骤7； 步骤7： 获取通过键盘(C)输入的按键指令， 进入步骤8； 步骤8： 判断电控。

10、吸水端(M)的位置和LED灯的亮度是否需要调节， 如果需要则进入步骤 9， 如果不需要进入步骤12； 步骤9： 核心控制器(U1)向电控吸水端(M)发送水下推进器控制指令和LED灯亮灭控制 指令， 完成后进入步骤10； 步骤10： 判断第二柔性管线(L)的长度是否需要调节， 并根据电控吸水端(M)的位置设 定长度信息， 确定当前第二柔性管线(L)长度的释放量是否满足电控吸水端(M)的运动需 求， 如果需要调节则进入步骤11， 不需要则进入步骤12； 步骤11： 向转轴(K)的转轴控制模块(U5)发布电机控制指令， 以此调节第二柔性管线 (L)的释放与回收， 进入步骤12； 步骤12： 判断储水。

11、舱(G)的水位是否需要调节， 即是否需要采集/排放压舱水， 如果需要 则进入步骤13， 如果不需要则返回步骤4； 步骤13： 控制活塞电机(D)正反转调节推杆(E)的伸缩量， 从而改变储水舱(G)内压舱水 的采集量。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111307528 A 3 一种压舱水水样采集装置及深度调控采样方法 技术领域 0001 本发明涉及船舶压舱水处理领域， 尤其是涉及一种压舱水水样采集装置及深度调 控采样方法。 背景技术 0002 压舱水是为了保持船舶平衡而专门注入的水， 是船舶安全航行的重要保证， 特别 是对没有装载适量货物的船舶， 适量的压舱水可保证船舶的螺旋桨吃水充分， 将。

12、船舶尾波 引发的船体震动降低到最低限度， 并维持推进效率。 0003 然而随着远洋航运市场的持续发展， 船舶进出港前所进行的压载水排放的体量与 规模也在逐步扩展， 这种远距离人为的水体交互在一定程度上导致了海洋有害生物的传 播， 为此， 如何检验、 鉴定、 测试和认证相关船舶压载水是否满足相关压载水管理公约标准 是允许其进行排放的先决条件， 而这又依赖于检测过程中水样采集的有效程度。 0004 对于大型船只而言， 压载水舱的空间较大， 单一或固定位置的水样采集， 难以代表 整个压载水水体的合标水平， 因此需要设计一款适用于曲折舱体结构条件下， 具备可控深 度汲取功能的压载水样采集装置。 发明内。

13、容 0005 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种压舱水水样采 集装置及深度调控采样方法。 0006 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： 0007 一种压舱水水样采集装置， 用以实现在曲折舱体内的多区域水样采集， 该装置包 括： 0008 集控柜： 由操作平台和储水舱组成， 所述的操作平台包括核心控制器以及储水舱 采水组件， 所述的储水舱上设有与压舱水水质分析设备连接的水样提取口； 0009 电控吸水端： 分别与集控柜中的储水舱进行水连通并且与操作平台进行采集控制 通信， 实现姿态调控以及曲折舱体内的多区域水样采集； 0010 转轴： 通过第一柔性管线与集控柜连接， 。

14、并且通过第二柔性管线与电控吸水端连 接， 并且第二柔性管线缠绕在转轴外表面由转轴旋转实现释放与回收。 0011 所述的储水舱采水组件包括在储水舱的上方推杆上运动的活塞以及控制活塞运 动的活塞电机， 所述的核心控制器通过电机驱动模块控制活塞电机。 0012 所述的操作平台还包括分别与核心控制器连接的显示屏、 键盘和电源接口， 所述 的核心控制器分别通过GPIO接口与键盘和电机驱动模块连接， 并且通过HDMI接口与显示屏 连接。 0013 所述的电控吸水端包括采水管、 包裹在采水管外的吸水端主体、 设置在吸水端主 体上的电控吸水端控制器、 分别安装在吸水端主体前端且与电控吸水端控制器连接的水下 推。

15、进器、 传感器模组、 水下摄像头和两个LED灯， 所述的水下推进器设有四个， 分别安装在吸 说明书 1/5 页 4 CN 111307528 A 4 水端主体前端四角处， 并且电控吸水端控制器通过电机驱动模块控制水下推进器的电机。 0014 所述的电控吸水端还包括设置在采水管入口处的滤网以及用以清洗滤网的刷头 组件， 所述的刷头组件包括依次传动的叶片、 轴和自旋转刷头， 所述的叶片通过固定杆固定 设置在采水管内， 当电控吸水端采水时， 水流带动叶片转动从而实现自旋转刷头转动清洗 滤网。 0015 所述的传感器模组包括水深压力传感器、 温度传感器以及六自由度惯性传感器。 0016 所述的转轴内部。

16、设有用以实现转轴旋转的转轴控制模块和转轴电机。 0017 所述的柔性管线包括绝缘橡胶护壁以及分别设置在绝缘橡胶护壁内的接口和水 管， 所述的转轴控制模块依次通过第一柔性管线内的接口和USB-485总线模块与核心控制 器通信， 并且通过第二柔性管线内的接口与电控吸水端控制器通信， 所述的电控吸水端的 采水管通过第一柔性管线内的水管和第二柔性管线内的水管与储水舱水连通。 0018 所述的接口为12针接口， 满足M12-12标准， 其1-8号管脚依次对应RJ45接口线序、 9 号管脚接12V电源正极、 10号管脚接12V电源负极、 11和12号管脚为RS485总线的AB端。 0019 一种压舱水水样。

17、采集装置的深度调控采样方法， 包括以下步骤： 0020 步骤1： 初始化； 0021 步骤2： 获取电控吸水端的位置设定信息、 第二柔性管线的释放长度信息和储水舱 的水位信息， 进入步骤3； 0022 步骤3： 采集电控吸水端控制器的信息， 包括当前电控吸水端的实时姿态/深度信 息、 各推进器的转速信息、 所在水域的水温信息、 LED灯的亮灭信息， 进入步骤4； 0023 步骤4： 采集水下摄像头的图像信息， 进入步骤5； 0024 步骤5： 采集储水舱的水位信息， 通过控制活塞电机的转动状态确定推杆E的伸缩 量调节储水舱的容积， 进入步骤6； 0025 步骤6： 更新存储显示信息， 在显示屏。

18、上持续显示步骤3、 步骤4和步骤5所获得的 数据信息及视频信息， 并进行更新和存储， 进入步骤7； 0026 步骤7： 获取通过键盘输入的按键指令， 进入步骤8； 0027 步骤8： 判断电控吸水端的位置和LED灯的亮度是否需要调节， 如果需要则进入步 骤9， 如果不需要进入步骤12； 0028 步骤9： 核心控制器向电控吸水端发送水下推进器控制指令和LED灯亮灭控制指 令， 完成后进入步骤10； 0029 步骤10： 判断第二柔性管线的长度是否需要调节， 并根据电控吸水端的位置设定 长度信息， 确定当前第二柔性管线长度的释放量是否满足电控吸水端的运动需求， 如果需 要调节则进入步骤11， 不。

19、需要则进入步骤12； 0030 步骤11： 向转轴的转轴控制模块发布电机控制指令， 以此调节第二柔性管线的释 放与回收， 进入步骤12； 0031 步骤12： 判断储水舱的水位是否需要调节， 即是否需要采集/排放压舱水， 如果需 要则进入步骤13， 如果不需要则返回步骤4； 0032 步骤13： 控制活塞电机正反转调节推杆的伸缩量， 从而改变储水舱内压舱水的采 集量。 0033 与现有技术相比， 本发明具有以下优点： 说明书 2/5 页 5 CN 111307528 A 5 0034 一、 本发明通过设置自旋转刷头， 在采水的过程中利用水流的动能实现了对压载 水吸水端的清洁。 0035 二、 。

20、本发明采用柔性管线与推进器实现了吸水端在压载水舱的自由运动， 能够一 次完成了对不同区域水样的吸取， 并且能够自由控制采水区域。 0036 三、 本发明通过控制转轴完成对管线的有效释放与回收， 能够有效的节省空间， 防 止缠绕。 0037 四、 采用管线与泵体相结合的模式， 完成了水样的直接实时吸取。 附图说明 0038 图1为发本发明的装置结构示意图。 0039 图2为柔性管线接口结构示意图， 其中， 图(2a)为主视图， 图(2b)为左视图。 0040 图3为电控吸水端的结构示意图， 其中， 图(3a)为俯视图， 图(3b)为切面图。 0041 图4为本发明的系统组成图。 0042 图5为。

21、本发明的控制流程图。 0043 图中标记说明： 0044 A、 集控柜， B、 显示屏， C、 键盘， D、 活塞电机， E、 推杆， F、 活塞， G、 储水舱， H、 水样提取 口， I、 水样吸入口， J、 第一柔性管线， K、 转轴， L、 第二柔性管线， M、 电控吸水端， N、 绝缘橡胶 护壁， O、 接口， P、 水管， Q、 防震螺栓， R、 防震螺栓， S1、 第一水下推进器， S2、 第二水下推进器， S3、 第三水下推进器， S4、 第四水下推进器， T1、 LED灯， T2、 LED灯， U0、 电控吸水端控制器， U1、 核心控制器， U2、 电机驱动模块， U3、 。

22、电源转换模块， U4、 USB-485总线模块， U5、 转轴控制模 块， U6、 电机驱动模块， V、 水下摄像头， W、 传感器模组， X、 自旋转刷头， X1、 轴， X2、 固定杆， X3、 叶片， Y、 滤网， Z、 电源接口。 具体实施方式 0045 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 0046 实施例 0047 如图1-4所示， 本发明为解决传统压载水采集装置智能采集表层或者固定区域水 样的不足， 提供一种压舱水水样采集装置及深度调控采样方法， 本发明的目的通过以下技 术实现： 0048 1、 采用柔性管道实现面向曲折舱体内的多区域水样采集； 0049 2、 通过安装。

23、在管道末端的四个推进器实现管道的水下运动； 0050 3、 通过安装在管道末端的水下摄像头完成对压舱水探测区域的视频监测； 0051 4、 通过安装在管道末端顶侧的圆锥形镂空网体实现对水体中大型水生动植物的 阻挡； 0052 5、 通过安装在圆锥形镂空网体外端的自选转刷体实现对网体附着物的清理； 0053 6、 通过安装在管道顶端的泵体实现对管内水体的吸取； 0054 7、 通过独立的电动轴体实现对管道的释放与回收； 0055 8、 通过安装在管道末端的水深压力传感器完成对吸水深度的测量。 0056 结合图1为压舱水水样采集装置结构图， 其中， A为压舱水水样采集装置的集控柜， 说明书 3/5。

24、 页 6 CN 111307528 A 6 M为压舱水水样采集装置的电控吸水端， M上搭载有四个螺旋推进器、 1个水下摄像头V及传 感器模组W， B为显示屏， 用以显示M实时姿态、 水下摄像头V采集的图像、 储水舱G的采水量、 第二柔性管线L的释放速度等信息， C为操控平台上的键盘， 操控平台内的核心控制器U1控 制M上四个推进器的转速以实现对M的运动控制、 控制活塞电机D完成针对推杆E的上下运动 以实现对活塞F的位置控制从而吸取水样流入储水舱G、 控制转轴K内转轴电机的转速转向 以实现对第二柔性管线L的释放与回收， Z为电源接口， 为整个装置提供12V直流电源， I为水 样吸入口， 其与第一。

25、柔性管线J之间采用防水隔水接口连接， 第一柔性管线J与转轴K间亦 采用防水隔水接口连接、 第二柔性管线L与转轴K间采用防水隔水接口连接、 第二柔性管 线L与电控吸水端M间采用防水隔水接口连接， H为水样提取口， 用以连接压舱水水质分析 设备。 0057 如图2所示， 其适用于第一柔性管线J与第二柔性管线L， N为绝缘橡胶护壁， R、 Q为 防震螺栓， 用以实现接口间的固定， O为12针接口， 满足M12-12标准， 其中管脚1-8依次对应 RJ45接口线序、 9管脚接12V电源正极、 10管脚接12V的电源负极、 1112管脚为RS485总线的 AB端， P为带有橡胶气密接口的水样运送管(以下。

26、简称水管)， 以第一柔性管线J与第二柔性 管线L为例， 其对应的接口O以公头、 母头匹配连接， 第一柔性管线J中的水管P与I通过插入 连接的方式实现密合防漏。 0058 如图3所示， 图中， S1、 S2、 S3、 S4均为水下推进器， 通过结算后的转速差实现电控吸 水端的姿态控制， T1、 T2为LED灯， 其作用是为水下摄像头V提供拍摄所需的光源， W为传感器 模组， 包括水深压力传感器、 温度传感器、 六自由度(姿态)惯性传感器， X为自旋转刷头， 通 过旋转实现对滤网Y的清理， U0为电控吸水端控制器， 通过接口O和线缆与核心控制器U1之 间进行数据传输， 并完成对S1、 S2、 S3。

27、、 S4的转速控制、 驱动T1、 T2两个LED灯、 传输摄像头V的 图像信息以及采集传感器组W的数据， 自旋转刷头X的工作原理为： 活塞电机D通过推杆E带 动活塞F进行升降运动， 从而在储水舱G内产生压差， 使得压舱水在水管P内自M经由第二柔 性管线L-第一柔性管线J-水样吸入口I进入储水舱G， 以此实现压舱水的有效采集， 压舱水 吸取过程中， 水管P内产生的水流带动叶片X3旋转， 所产生转动力经由轴X1带动X同步旋转， 以此实现对Y的清理。 0059 结合图4为压舱水水样采集装置系统组成图， 其中， U1为Raspberry Pi微型电脑主 板是压舱水水样采集装置核心控制器， 安装在操控平。

28、台内， U1采用HDMI接口与显示屏B进行 连接， U1采用GPIO与操控平台上的键盘C进行连接， U1通过GPIO与电机驱动模块U2进行连 接， 从而控制活塞电机D正反转， 进而改变推杆E的纵向位置， 以此实现活塞F的升降， 最终调 整储水舱G的容积来完成压舱水的吸取， U4为USB-485总线模块， 其与U1的USB接口连接， U1 可以获取485总线格式的数据信息， U4的485总线数据线(共2根导线)、 Z提供的12V直流电源 正负极(共2根导线)及U1的以太网数据线(共8根导线)合计12根导线组成的数据链路依次 接入接口O。 数据链路与水管P合成的水样吸入口I通过第一柔性管线J与转轴。

29、K连接， U5为转 轴控制模块， 其具备485总线接口， 能获取U1通过U4、 经由J传递的转轴控制指令， 并具备电 机驱动电路完成直流电机的正反转控制， 以此缠绕释放第二柔性管线L， 数据链路与水管P 经由第二柔性管线L与压舱水水样采集装置电控吸水端M连接， 电控吸水端控制器U0具备 485总线接口， 能通过U4、 经由JL完成与U1的数据传输， 数据传输的内容包括： M的运动控制 指令、 传感器组W采集到的M实时姿态、 所处深度水温等信息、 LED灯T1T2的控制指令； U0具 说明书 4/5 页 7 CN 111307528 A 7 备多种协议形式的数据接口用以采集传感器组W采集到的M实。

30、时姿态、 所处深度水温等信 息。 U0通过LED驱动电路实现对T1T2的亮灭控制， U0通过电机驱动模块U6实现对水下推进 器S1S2S3S4的转速控制， V采用以太网摄像头， 其与U1的以太网接口通过数据链路经由 第二柔性管线LJ完成连接， 通过滤网Y的压舱水通过水管P最终到达储水舱G。 0060 结合图5为压舱水水样采集装置核心控制器程序流程图， 其具体流程如下所示： 0061 步骤1， 初始化， 完成后进入步骤2； 0062 步骤2， 读取存储器信息， 确定系统中存储的M位置设定信息、 第二柔性管线L的释 放长度信息、 储水舱G的水位信息， 完成后进入步骤3； 0063 步骤3， 采集U。

31、0信息， 包括当前M的实时姿态/深度信息、 各推进器的转速信息、 M所 在水域的水温信息、 LED灯T1T2的亮灭信息， 完成后进入步骤4； 0064 步骤4， 采集摄像头V的图像信息， 完成后进入步骤5； 0065 步骤5， 采集G的水位信息， 通过确定活塞电机D的转动状态确定推杆E的伸缩量， 计 算G的容积， 完成后进入步骤6； 0066 步骤6， 更新存储显示信息， 在B上持续显示步骤3、 步骤4、 步骤5所获得的数据信 息及视频信息， 并对存储器中的信息进行更新、 存储， 设定完成后进入步骤7； 0067 步骤7， 获取按键指令， 采集使用者通过键盘C进行的控制指令， 完成后进入步骤8。

32、； 0068 步骤8， 判断M位置/LED亮度是否需要调节， 如果需要则进入步骤9， 如果不需要进 入步骤12； 0069 步骤9， 向M发布水下推进器控制指令、 LED灯亮灭控制指令， 完成后进入步骤10； 0070 步骤10， 判断管线长度L是否需要调节(包括释放与回收)， 根据M的位置设定信息， 确定当前L的释放量是否满足M的运动需求， 如果需要调节则进入步骤11， 不需要进入步骤 12； 0071 步骤11， 向转轴K发布电机控制指令， 以此调节第二柔性管线L的释放与回收， 进入 步骤12； 0072 步骤12， 判断G水位是否需要调节， 即是否需要采集/排放压舱水。 如果需要进入步 骤13， 如果不需要返回步骤4； 0073 步骤13， 控制活塞电机D运动， 通过控制活塞电机D的正反转调节推杆E的伸缩量， 改变G内压舱水的采集量。 说明书 5/5 页 8 CN 111307528 A 8 图1 说明书附图 1/4 页 9 CN 111307528 A 9 图2 说明书附图 2/4 页 10 CN 111307528 A 10 图3 图4 说明书附图 3/4 页 11 CN 111307528 A 11 图5 说明书附图 4/4 页 12 CN 111307528 A 12 。