重大進(jìn)展特刊┃西安煤科透明地質(zhì)公司總經(jīng)理劉再斌：煤礦遠(yuǎn)距離綜合物探及透明地質(zhì)保障系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

重大進(jìn)展特刊

為宣傳推廣煤礦智能化建設(shè)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新成果，發(fā)揮典型示范引領(lǐng)作用，《智能礦山》于2025年第2期策劃出版了《2024年煤礦智能化重大進(jìn)展成果特刊》，刊登代表新時(shí)代煤礦人創(chuàng)造性實(shí)踐和智慧結(jié)晶的11項(xiàng)智能化建設(shè)成果，以饗讀者。

文章來(lái)源：《智能礦山》2025年第2期“2024年煤礦智能化重大進(jìn)展成果特刊”

第一作者：劉再斌，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任西安煤科透明地質(zhì)科技有限公司總經(jīng)理，主要從事礦山透明地質(zhì)技術(shù)相關(guān)研究工作。E-mail：zaibinliu@163.com

通訊作者：范濤，研究員，博士，現(xiàn)任中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司首席科學(xué)家、西安煤科透明地質(zhì)科技有限公司副總經(jīng)理，主要從事地球物理智能化探測(cè)方法、地質(zhì)透明化技術(shù)與裝備的相關(guān)研究工作。E-mail：fantao@cctegxian.com

作者單位：西安煤科透明地質(zhì)科技有限公司；中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司

引用格式：劉再斌，范濤，李萍，等. 煤礦遠(yuǎn)距離綜合物探及透明地質(zhì)保障系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(2)：7-12.

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隨著煤礦智能化快速發(fā)展，生產(chǎn)效率大幅提高，煤炭行業(yè)迎來(lái)了以精準(zhǔn)探測(cè)、智能監(jiān)測(cè)、地質(zhì)透明化為特色的智能開(kāi)采地質(zhì)保障新階段。地質(zhì)透明化是煤礦智能化建設(shè)的基礎(chǔ)和前提，是保障煤礦安全、高效、智能開(kāi)采的重要舉措?，F(xiàn)階段煤礦遠(yuǎn)距離綜合物探及透明地質(zhì)保障智能化建設(shè)中存在4個(gè)主要問(wèn)題。

（1）探掘沖突，常規(guī)探掘存在時(shí)空沖突，鉆探、物探分離，干擾源復(fù)雜，探測(cè)距離短等問(wèn)題。

（2）數(shù)據(jù)解譯困難，現(xiàn)有探測(cè)數(shù)據(jù)處理解釋智能化水平低，多源地質(zhì)感知數(shù)據(jù)融合解譯困難。

（3）模型表達(dá)能力弱，傳統(tǒng)手段模型表達(dá)能力弱，復(fù)雜構(gòu)造三維模型構(gòu)建難度大且缺少災(zāi)害屬性。

（4）系統(tǒng)支撐能力不足，傳統(tǒng)地質(zhì)保障技術(shù)難以為智能采掘提供準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、地質(zhì)輔助分析與設(shè)計(jì)支撐。

透明地質(zhì)保障系統(tǒng)架構(gòu)

通過(guò)地質(zhì)探測(cè)手段查明當(dāng)前及未來(lái)采掘活動(dòng)范圍內(nèi)，開(kāi)采地質(zhì)條件及隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素的空間分布與屬性特征，厘清采動(dòng)條件下各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害的孕育演化機(jī)理，以鉆探、物探、采掘揭露等地質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建煤礦地質(zhì)體、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)屬性、采掘工程等三維模型，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型與采掘工程的深度融合，超前識(shí)別采掘前方隱蔽災(zāi)害的類(lèi)別、危害范圍、危險(xiǎn)程度等信息，為煤礦生產(chǎn)場(chǎng)景提供地質(zhì)條件準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，為地質(zhì)災(zāi)害的識(shí)別、評(píng)判、治理決策提供支撐。

為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離精準(zhǔn)探測(cè)，有效解譯及利用來(lái)源廣泛、結(jié)構(gòu)多樣、精度各異的全要素地質(zhì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建反映復(fù)雜地質(zhì)規(guī)律與多重災(zāi)害特征的動(dòng)態(tài)三維地質(zhì)模型，透明地質(zhì)保障系統(tǒng)支撐解決煤礦安全高效生產(chǎn)的技術(shù)難題，提出透明地質(zhì)保障系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、模型表達(dá)、場(chǎng)景應(yīng)用”3層技術(shù)架構(gòu)，通過(guò)構(gòu)建“礦區(qū)-礦井-工作面”3級(jí)透明地質(zhì)保障技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、地測(cè)業(yè)務(wù)流程化、透明地質(zhì)保障平臺(tái)實(shí)用化的建設(shè)路徑，透明地質(zhì)保障系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 透明地質(zhì)保障系統(tǒng)架構(gòu)

透明地質(zhì)保障系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

煤礦遠(yuǎn)距離綜合物探及透明地質(zhì)保障系統(tǒng)取得了4項(xiàng)創(chuàng)新性成果，研發(fā)出快速掘進(jìn)工作面定向長(zhǎng)鉆孔孔中電磁法徑向遠(yuǎn)距離探測(cè)方法及裝備、基于AI算法的地質(zhì)感知數(shù)據(jù)融合解譯技術(shù)、強(qiáng)表達(dá)-高分辨-多承載的三維地質(zhì)模型構(gòu)建方法與技術(shù)、評(píng)價(jià)-分析-預(yù)測(cè)一體化的透明地質(zhì)保障系統(tǒng)。

2.1 徑向遠(yuǎn)距離探測(cè)方法及裝備

針對(duì)常規(guī)超前探測(cè)效率無(wú)法匹配快速掘進(jìn)速度，擠占掘進(jìn)時(shí)間，且快速掘進(jìn)設(shè)備與礦井超前物探裝備存在空間沖突等問(wèn)題，提出了快速掘進(jìn)工作面定向長(zhǎng)鉆孔孔中電磁法徑向遠(yuǎn)距離探測(cè)方法及裝備，解決了快掘工作面定向長(zhǎng)鉆孔孔周含水異常體、地質(zhì)構(gòu)造遠(yuǎn)距離探測(cè)的難題，攻克了鉆孔綜合物探數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下快掘工作面千米定向鉆孔孔中多方法綜合物探，“長(zhǎng)掘長(zhǎng)探”孔中物探探測(cè)模式如圖2所示。

圖2 “長(zhǎng)掘長(zhǎng)探”孔中物探探測(cè)模式

研發(fā)了鉆孔瞬變電磁動(dòng)源動(dòng)接收技術(shù)，確保了瞬變電磁收發(fā)信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定，不受鉆孔長(zhǎng)度限制。提出采用極小線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)發(fā)射，突破了鉆孔孔徑限制，擬中心回線(xiàn)裝置使異常場(chǎng)相對(duì)背景場(chǎng)更為顯著，且響應(yīng)形態(tài)對(duì)稱(chēng)，資料解釋難度低，異常定位精度高。采用雙路高低參數(shù)收發(fā)天線(xiàn)進(jìn)行交替組合探測(cè)，兼顧信號(hào)的早晚期，有效提高了徑向探測(cè)半徑。可實(shí)現(xiàn)千米超前鉆孔徑向30m的地質(zhì)電性高精度探測(cè)，孔中瞬變電磁探測(cè)技術(shù)原理如圖3所示。

圖3 孔中瞬變電磁探測(cè)技術(shù)原理

開(kāi)發(fā)了基于GPU并行計(jì)算的鉆孔地質(zhì)雷達(dá)數(shù)值模擬分析云平臺(tái)，通過(guò)海量模型計(jì)算，分析總結(jié)地質(zhì)構(gòu)造響應(yīng)特征和地質(zhì)構(gòu)造邊界分辨能力，驗(yàn)證鉆孔雷達(dá)超前探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造能力，確定鉆孔雷達(dá)發(fā)射主頻和有效探測(cè)半徑，實(shí)現(xiàn)了千米超前鉆孔徑向20m的地質(zhì)構(gòu)造精準(zhǔn)探測(cè)。

基于鑲嵌工藝設(shè)計(jì)了無(wú)纜高強(qiáng)度非金屬儀器組合外管結(jié)構(gòu)，研制出最大承受轉(zhuǎn)矩3352N·m、最大承受水壓3MPa的水平定向鉆孔多參數(shù)無(wú)纜一體化組合探管，為目前唯一能夠在孔中收發(fā)的多參數(shù)、多分量煤礦井下電磁探測(cè)裝備，實(shí)現(xiàn)了瞬變電磁+地質(zhì)雷達(dá)+自然伽馬+軌跡測(cè)量多參數(shù)“一趟鉆”聯(lián)合探測(cè)，鉆孔瞬變電磁探測(cè)儀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 鉆孔瞬變電磁探測(cè)儀結(jié)構(gòu)

針對(duì)無(wú)纜鉆孔綜合物探裝備海量多源探測(cè)數(shù)據(jù)的按需識(shí)別提取問(wèn)題，基于鉆桿推送狀態(tài)與探管測(cè)量姿態(tài)信息統(tǒng)計(jì)分析，研發(fā)了探管靜止?fàn)顟B(tài)下瞬變電磁數(shù)據(jù)和探管連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，地質(zhì)雷達(dá)和伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的自適應(yīng)識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度鉆孔綜合物探數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和有效提取。

2.2 AI地質(zhì)感知數(shù)據(jù)融合解譯技術(shù)

針對(duì)鉆孔物探適用數(shù)據(jù)處理解釋技術(shù)缺乏，地質(zhì)資料數(shù)字化程度較低，現(xiàn)有數(shù)據(jù)融合方法地質(zhì)解釋精度低等難題，研發(fā)了基于AI算法的地質(zhì)感知數(shù)據(jù)融合解譯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤礦鉆孔物探的高精度解釋?zhuān)邪l(fā)出隱蔽致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)了多源地測(cè)感知數(shù)據(jù)融合解譯。

采用長(zhǎng)短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法，提升鉆孔瞬變電磁反演效果的大規(guī)模訓(xùn)練置于非探測(cè)時(shí)間，形成專(zhuān)用高精度反演模型，在探測(cè)時(shí)直接應(yīng)用模型實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反演耗時(shí)<1s，引入聚類(lèi)算法精準(zhǔn)刻畫(huà)電性異常體邊界。提取水平分量異常場(chǎng)數(shù)據(jù)特征，采用無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)算法，根據(jù)形態(tài)組合和幅值數(shù)學(xué)關(guān)系建立反演電阻率、深度與采樣時(shí)間的正確映射，實(shí)現(xiàn)鉆孔徑向電性信息智能立體成像，將隱伏水害解釋水平從平面提升至立體。

提出了利用孔口巷道反射波，標(biāo)定煤礦井下煤層原位介電常數(shù)的算法，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)波精準(zhǔn)速度分析和精細(xì)偏移成像。針對(duì)掘進(jìn)工作面前方小斷層快速識(shí)別難題，在混沌屬性處理和邊緣檢測(cè)增強(qiáng)基礎(chǔ)上，采用蟻群算法實(shí)現(xiàn)了斷層反射波的高效追蹤，高精度反演信息立體成像方法如圖5所示。

圖5 高精度反演信息立體成像方法

提出了地質(zhì)數(shù)據(jù)融合的一致性原則、高精度數(shù)據(jù)和專(zhuān)用數(shù)據(jù)優(yōu)先原則，研發(fā)了數(shù)據(jù)分類(lèi)、空間配準(zhǔn)、交叉驗(yàn)證、數(shù)據(jù)處理和地震數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)標(biāo)定等煤礦多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)。利用高精度鉆孔、孔中物探、測(cè)量、寫(xiě)實(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)煤層底板反射層位進(jìn)行相關(guān)性分析和標(biāo)定，提高點(diǎn)與點(diǎn)、點(diǎn)與線(xiàn)、線(xiàn)與線(xiàn)之間面的數(shù)據(jù)精度，多源地質(zhì)數(shù)據(jù)交叉驗(yàn)證方法如圖6所示，多源數(shù)據(jù)融合效果如圖7所示。

圖6 多源地質(zhì)數(shù)據(jù)交叉驗(yàn)證方法

圖7 多源數(shù)據(jù)融合效果

2.3 構(gòu)建精細(xì)化三維地質(zhì)模型

針對(duì)三維模型地質(zhì)規(guī)律表達(dá)不強(qiáng)、模型精度不高、地質(zhì)屬性承載不足等難題，研發(fā)強(qiáng)表達(dá)-高分辨-多承載的三維地質(zhì)模型構(gòu)建方法與技術(shù)，解決復(fù)雜構(gòu)造三維地質(zhì)模型和水火瓦斯屬性模型構(gòu)建及更新難題。

研發(fā)沉積構(gòu)造演化規(guī)律分析方法，通過(guò)沉積環(huán)境恢復(fù)與沉積微相劃分，精細(xì)劃分地層、煤巖層建模單元及展布特征，有效提高古河道等沉積規(guī)律在模型中的表達(dá)。通過(guò)礦區(qū)構(gòu)造特征解析及多期斷層組合表達(dá)研究，精細(xì)刻畫(huà)斷層屬性及展布特征，有效提高了礦區(qū)復(fù)雜斷層形態(tài)在模型中的表達(dá)，疊瓦狀逆掩斷層組合建模界面如圖8所示。

圖8 逆斷層組合建模界面

研發(fā)了動(dòng)態(tài)高精度三維模型精細(xì)構(gòu)建技術(shù)與軟件，開(kāi)發(fā)了基于DSI算法的專(zhuān)用三維地質(zhì)建模系統(tǒng)TIM-3D，解決了逆掩斷層邊界約束問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)全要素地質(zhì)模型構(gòu)建與動(dòng)態(tài)更新。提出了隱蔽致災(zāi)屬性網(wǎng)格體元模型構(gòu)建方法，構(gòu)建礦區(qū)水、瓦斯多屬性地質(zhì)模型；接入礦區(qū)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了隱蔽致災(zāi)屬性與模型的同步映射，隱蔽致災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同步映射更新界面如圖9所示。

圖9 隱蔽致災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同步映射更新界面

2.4 一體化透明地質(zhì)保障系統(tǒng)

針對(duì)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)難、地測(cè)業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)分析難、地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確難題，研究評(píng)價(jià)-分析-預(yù)測(cè)一體化綜合透明地質(zhì)保障關(guān)鍵技術(shù)，解決了多災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、地質(zhì)分析評(píng)價(jià)、隨采掘推進(jìn)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等難題。形成“礦區(qū)-礦井-工作面”3級(jí)技術(shù)體系，打造涵蓋Web端、桌面端、移動(dòng)端APP軟件的地質(zhì)保障算法庫(kù)、工具包和應(yīng)用集。

建立與地質(zhì)模型耦合的瓦斯含量、壓力與涌出量預(yù)測(cè)模型，提出基于PCA-Aprori算法的隱蔽災(zāi)害關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了礦井工作面相對(duì)瓦斯涌出量。

研究基于WEB并行融合編碼的模型交互分析與工程輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，開(kāi)發(fā)模型在線(xiàn)分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了虛擬鉆孔柱狀圖、任意剖面圖實(shí)時(shí)在線(xiàn)生成，大幅縮短了制圖工時(shí)。開(kāi)發(fā)的緩坡斜井輔助設(shè)計(jì)工具，在穿烏達(dá)逆斷層掘進(jìn)中，突破了復(fù)雜工程二維設(shè)計(jì)瓶頸，單次緩坡斜井設(shè)計(jì)節(jié)約工時(shí)3h，地質(zhì)分析效率提升40%。研發(fā)基于隨采隨掘的工作面地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了采掘前方150m范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力集中區(qū)的超前預(yù)報(bào)，保障工作面安全生產(chǎn)，落差1m以上斷層預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率大于80%，地質(zhì)保障系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖10 地質(zhì)保障系統(tǒng)界面

應(yīng)用效果

煤礦遠(yuǎn)距離綜合物探及透明地質(zhì)保障系統(tǒng)已在內(nèi)蒙古烏海、東勝、準(zhǔn)格爾，陜西彬長(zhǎng)、黃陵、蒲白，新疆準(zhǔn)東、哈密等地區(qū)的36座礦井進(jìn)行應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。

（1）遠(yuǎn)距離綜合物探技術(shù)裝備的探測(cè)精度從70%提升至92.3%，累計(jì)施工進(jìn)尺大于150000m；透明地質(zhì)保障系統(tǒng)改變了以往井下手工記錄數(shù)據(jù)、素描圖繪制，升井后計(jì)算機(jī)輔助制圖、導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量的工作模式，實(shí)現(xiàn)井下地質(zhì)寫(xiě)實(shí)數(shù)據(jù)錄入、在線(xiàn)同步、自動(dòng)計(jì)算、繪制和生成地質(zhì)成果，降低了工作強(qiáng)度。

（2）單次地質(zhì)寫(xiě)實(shí)、導(dǎo)向測(cè)量工作均可節(jié)約工時(shí)約3h，工作效率提升50%。

利用三維地質(zhì)模型的剖面圖生成功能，預(yù)測(cè)存在約8m寬的斷層破碎帶，厘清了煤與斷層空間對(duì)接關(guān)系，為過(guò)斷層掘進(jìn)提供了地質(zhì)依據(jù)；采用透明地質(zhì)+隨采地震進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)5處異常信息均得到驗(yàn)證，無(wú)漏報(bào)現(xiàn)象，保障內(nèi)蒙古公烏素煤礦021601回采工作面安全回采950m。

（3）透明地質(zhì)保障體系建設(shè)了“礦區(qū)-礦井-工作面”3級(jí)地質(zhì)保障體系和系統(tǒng)，以全信息地質(zhì)模型構(gòu)建為核心，實(shí)現(xiàn)隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素精準(zhǔn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有效提升了煤礦智能化水平和地質(zhì)保障能力，實(shí)現(xiàn)了“地測(cè)業(yè)務(wù)輔助”到“地質(zhì)綜合保障”的轉(zhuǎn)變?！翱炀蚬ぷ髅娑ㄏ蜷L(zhǎng)鉆孔孔中綜合物探超前探測(cè)技術(shù)及裝備”“烏海礦區(qū)透明地質(zhì)保障系統(tǒng)研究與示范”2項(xiàng)成果經(jīng)鑒定為國(guó)際領(lǐng)先水平，均獲2024年度中國(guó)煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

總結(jié)

（1）煤礦遠(yuǎn)距離綜合物探及透明地質(zhì)保障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)條件因素超前精準(zhǔn)探測(cè)、多重地質(zhì)數(shù)據(jù)有效解譯融合應(yīng)用、復(fù)雜地質(zhì)規(guī)律與災(zāi)害特征動(dòng)態(tài)構(gòu)建，有力支撐了煤礦安全高效生產(chǎn)。

（2）透明地質(zhì)保障體系創(chuàng)新了地測(cè)業(yè)務(wù)工作模式，為礦區(qū)隱蔽致災(zāi)因素普查治理提供全面的數(shù)據(jù)與模型支撐，準(zhǔn)確描述礦區(qū)煤炭賦存特征及開(kāi)采地質(zhì)條件，打通地質(zhì)模型與智能采掘的數(shù)據(jù)壁壘，為智能采掘提供地質(zhì)綜合保障。

（3）未來(lái)，進(jìn)一步研究透明地質(zhì)保障技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更多場(chǎng)景化應(yīng)用，并致力“AI+地學(xué)”創(chuàng)新研究，實(shí)現(xiàn)人工智能和地質(zhì)保障的有機(jī)結(jié)合，推動(dòng)透明地質(zhì)技術(shù)科學(xué)化、實(shí)用化、智能化發(fā)展。

“煤礦智能化重大進(jìn)展發(fā)布會(huì)”自 2021年開(kāi)始，至今已舉辦4次，發(fā)布會(huì)吸引了眾多煤礦智能化建設(shè)領(lǐng)域的專(zhuān)家及科研、工程技術(shù)人員，成為展示煤礦智能化建設(shè)成果，交流煤礦智能化科技成果的盛會(huì)。

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編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán)成立于2015年，擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國(guó)法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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