自动化灌溉控制工程技术的研究与应用

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文章编号 :100722284 (2006) 0620066203

中国农村水利水电 ? 2006 年第 6 期

自动化灌溉控制工程技术的研究与应用
徐征和1 ,吴俊河2 ,丁若冰1 ,韩合忠1
( 1. 山东省水利科学研究院 ,济南 250013 ;2. 山东省聊城市水利局 ,山东 聊城 25200

0)

　　 　 : 现代化农业对作物生长微环境要求高 ,对灌水时间 、 摘 要 灌水量 、 灌水部位 、 水肥营养供给等都有更精确要求 ,自

动化灌溉控制工程技术正是支撑现代化农业的一项基础性技术措施 。为此 ,山东省水科院技术人员 ,经过多年来的技术 开发与工程实践 ,集成电子信息技术 、 远程测控网络技术 、 计算机控制技术及信息采集处理技术 ,通过计算机通用化和模 块化的设计程序 ,构筑供水流量 、 压力 、 土壤水分 、 作物生长信息 、 气象资料的自动监测控制系统 , 进行水 、 土环境因子的 模拟优化 ,实现灌溉节水 、 作物生理 、 土壤湿度等技术控制指标的逼近控制 ,从而将农业高效节水的理论研究提高到现实 的应用技术水平 。该项技术已针对山东省不同种植作物 、 不同灌溉措施进行了系列推广 ,逐步形成了一套成熟的完整的 应用技术体系 。 　　 关键词 : 自动化灌溉 ; 系统特点与功能 ; 工程应用 　　 中图分类号 : S277. 9 　　　 文献标识码 :A

Study and Application of Automatic Irrigation Control Engineering Technique
XU ZhengΟ 1 , WU JunΟ 2 , D ING RuoΟ he he bing1 , XU ZhengΟ 1 he

(1. Shando ng Provincial Instit ute of Water Co nservancy Science , Jinan City 250013 , Shando ng Province , China ; 2. Liaocheng Bureau of Water Co nservance , Liaocheng 252000 , Shando ng Province)

Abstract : Modernized agricult ure has high demand o n crop growt h microenvironment , irrigatio n time , quantity , cont rol zoon , and

ernization. The aut ho rs have been researching in technique develop ment and applicatio n of integration elect ro nic informatio n , remote

jectives of t he st udy include land and water enviro nment factors simulation and optimization , crop p hysiology , soil moist ure co nt rol ferent crop s and different irrigation met hods of t he p rovince to fo rm an application system of wellΟ unded and co mplete technique. ro Key words : auto matic irrigatio n ; feat ures and f unction of system ; engineering application

p rogram to const ruct water supply discharge , p ressure , soil moist ure , crop growt h , meteo rological data monito ring system. The o b2

时期 。现代化农业要求有更高的抗御洪 、 、 、 涝 渍 旱等自然灾害 的能力 ,要求水资源达到优化配置 , 实现现代化运行管理 。现 代化农业对土壤水分 、 空气温度 、 湿度等作物生长的环境要求 更高 ,对灌水时间 、 灌水量 、 灌水部位 、 水肥营养供给等都有更 精确要求 。传统的灌溉管理技术无法实现 , 必须依靠现代化灌
收稿日期 :2005210225

waterΟ fertilizer regime , while auto matic irrigatio n co nt rol engineering technique is a fo undational support to realize agricult ural mod2 monito ring network , comp uter co nt rol and info rmation acquisition and p rocessing to develop co mp uter universal and modular design to apply t he agricult ural highΟ efficiency waterΟ saving t heo ry in p ractical uses. Currently , t he technique has been extended to t he dif 2

　　 我国的农业正处在从传统农业向现代农业转变的历史性

溉设备和技术才能做到 。经济较为发达的地区 , 劳动力缺乏 , 水资源危机问题突出 ,实行农业高效用水现代化技术有着良好 的基础条件 ,因为现代化的农业将为这一部分地区的发展创造 条件 ,将使剩余了的大量劳动力转移到非农业生产中 , 现代化 水利的实施 ,将改善本地区的水环境条件 , 有力地促进本地区 工业的发展 。因此在经济较发达地区建立农业高效用水灌溉 自动化控制工程 ,实施现代化农业 ,实现水资源高效利用 ,是经 济发达缺水区域农业发展的必然趋势 。 自动化灌溉控制系统是将灌溉节水技术 、 农作物栽培技术

基金项目 : 国家高技术研究发展计划 ( 863 ” “ 计划)“华东北部半湿 润偏旱井渠结合灌区节水农业综合技术体系集成与示
( 范”编号 :2002AA2Z4241) 项目的部分内容 。

及节水灌溉工程的运行管理技术有机结合 ,通过计算机通用化 和模块化的设计程序 , 构筑供水流量 、 压力 、 土壤水分 、 作物生 长信息 、 气象资料的自动监测控制系统 ,能够进行水 、 土环境因 子的模拟优化 ,实现灌溉节水 、 作物生理 、 土壤湿度等技术控制

作者简介 : 徐征和 (19682) ,男 ,高级工程师 ,主要从事农业节水技术 的研究与技术推广工作 。

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自动化灌溉控制工程技术的研究与应用 　　 徐征和 　 吴俊河 　 丁若冰 　 等 指标的逼近控制 ,从而将农业高效节水的理论研究提高到新的 现实应用水平 。 过程处于无人值守的控制状态 。

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该系统的最大特点是 : 高产高效优质作物与现代化的科学 的自动化灌溉技术相结合 ,替代了传统的粗放的灌溉方式 。建 立在对气温 、 湿度 、 土壤含水量 、 降雨 、 蒸发量及不同作物不同 生育期所需适宜含水量及相应的气象参数的综合分析基础上 的灌溉专家决策支持系统 , 可根据作物生长需要 , 支持机泵及 电磁阀按照预定的供水计划实施启闭 ,使不同的作物在不同的 生育期可以科学地获取适宜的灌水时间和适宜的灌水量 ,从而 使有限的水资源发挥最大效益 。其系统流程如图 1 。

1　 关键技术与特点
该系统的关键技术是 : 精确可靠地实现对作物生长过程中 的湿度 、 温度 、 降雨量 、 蒸发量及土壤水分含量等因子的自动采 集、 、 传输 分析 ,并作出综合判断 ; 根据不同作物不同生育阶段 所需求的适宜土壤含水量及其他因素实时作出控制机泵开启 的指令 ,并根据预置的灌水计划有序的启闭闸阀 , 使整个灌水

图1　 自动灌溉控制系统流程图

2　 系统功能
系统的设计思路采用了先进的农业节水灌溉测控技术 ,测 控设备规范 、 成熟 、 性能稳定 , 在保证系统技术功能先进性 、 扩 展性和可靠性的基础上 , 充分考虑系统的易于操作性 、 经济实 用性 。该系统工程主要包括主控中心 、 灌溉自动气象观测站 、 田间测控设备及远程监控通讯设备等 。主要功能如下 。
(1) 信息自动采集 : 具有对与作物生长有关的气象因素如

及灌水时间 。
( 5 ) 查询功能 : 对运行时的工作压力 、 灌水量 、 土壤实时含

水量及气象实时信息等进行查询 。
(6) 远程监控功能 : 可以通过 GSM 无线网络和通讯设备远

距离发送信息 ,对灌水的过程进行人工控制 , 关闭机泵和电磁 阀。
( 7) 灌溉预报功能 : 根据当日土壤含水量以及气象信息分

析以后 5 天之内土壤墒情 ,逐段进行灌溉预报 。
(8) 预警保护功能 : 对机泵电流过限 , 管道工作压力超限及

温度 、 湿度 、 蒸发 、 降雨及土壤含水量等信息自动采集 、 传输的 功能 。
( 2) 灌溉决策支持功能 : 根据采集传输的信息进行综合分

水泵等设备发生故障前进行预警保护直至自动修正运行等 。

析判断 ,确定出土壤含水量的可实时值 , 然后与作物生长所需 适宜含水量的上限比较 ,当小于或等于设定的土壤含水量上限 时 ,发出使机泵自动开启的指令 , 并且根据预先制定的灌水计 划 ,按灌溉顺序 、 灌溉时间 ,自动执行 ,直至机泵自行关闭 。
(3) 自动监控功能 : 系统运行时 , 微机可自动显示机泵 、 阀

3　 系统工作过程
系统的工作过程如下 : 首先自动气象站采集的气象因子 、 田间土壤传感器采集的土壤墒情等实时信息通过不同的信号 输入转换模块进入灌溉专家支持决策系统分析判断 ,然后向田 间测控站 、 水源测控站 、 动力测控站及时发出指令 , 实施水泵 、 电磁阀的启闭 。同时 ,运行过程中的灌水流量 、 工作压力 、 田间 墒情 、 气象信息等数据自动存储于上位机 ,以供查询 、 输出 。系 统还编制了可根据降雨 、 蒸发 、 土壤墒情等资料 ,采用田间土壤 水量平衡计算公式 , 预测土壤水分短历时状况的动态变化软 件 ,对土壤含水量逐段实行灌溉预报 。

门的实时工作状态 , 如工作压力 、 灌水流量 、 水位 、 土壤含水量 及气象等信息的实时数据 。
( 4) 预置修改功能 : 具有对运行参数进行预置和实时修改

的功能 。即在每一个灌溉过程之后 ,根据下一次作物生长阶段 所需的适宜含水量的上限修改有关数据 ,并重新预置灌水顺序

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自动化灌溉控制工程技术的研究与应用 　　 徐征和 　 吴俊河 　 丁若冰 　 等 线的第一级进行防雷处理 ,以防止雷电干扰对系统造成极大的 损失甚至系统崩溃 。第二级安装净化稳压电源设备 ,为整个系 统提供稳定而洁净的电源 。第三级做漏电处理 ,加装漏电保护 器 ,以防止系统漏电或人为触电后及时切断电源 , 保护人身安 全 。第四级为弱电部分 ,包括传感器和现场显示变送器等设备 需要的 24 V 直流电源和电磁阀需要的 24 V 交流电源 。
( 2) 线路部分 。由于电源首端和最末端的用电设备之间的

4　 应用实例介绍
4. 1 　 应用工程概况简介
本滴灌自动控制系统工程位于山东省乳山市南黄镇 ,工程 设计灌溉面积 38 hm 。项目区内灌溉基础设施基本完善 ,农田
2

路、 林网 、 沟渠配套齐全 。区内现有 1 眼大口井 , 出水量 150
m / h 左右 ,动水位 10 m ,完全能满足灌溉需要 , 故项目区设计
3

为 1 个独立的自动控制工程系统 。 乳山市南黄镇农田节水灌溉自动控制系统 ,是由井下水位 、 管道流量 、 管道压力 、 电量 、 土壤含水量等传感器 , 自动气象站 、 电磁阀 、 变频器 、 接触器等伺服机构 ,远程测控终端和计算机网 络等测控自动化设备组成 ,控制水泵向田间的灌溉管网提供恒 压力灌溉用水 ,并实现水泵电机的过压 、 过流 、 断相 、 空抽等保护 和告警 、 灌溉水量统计 、 水情墒情工情监控 、 灌溉预报 、 报表输 出、 远程测控 、 资料查询等功能 。并可显示工程运行界面 。

距离较远 ,因此要使末端的设备也能够得到其额定的电压 , 经 计算 ,220 V 交流公共电源和 24 V 交流公共电源线路采用 6
mm2 电缆 ,RS485 的通讯线路一般用双绞线即可 , 但防止外界

杂波的干扰使信号失真 , 甚至造成系统无法正常运行 , 所以通 讯线路选用带屏蔽层的 RVV P 2 × 5 mm2 通讯电缆 。 1.

4. 3 　 专家软件设计原理及控制方式
我院技术人员经过多年研究 ,开发出一套适合农业灌溉的 先进的控制技术 。农业灌溉控制不再只是单纯的控制开关水 泵、 电磁阀 ,而是让系统有了自己的 “大脑”它能根据气象环境 , 和作物生长的变化情况 ,作出相应的调整和灌溉方案并自动实 施 ,真正实现了无人值守 。智能灌溉专家系统根据现代控制理 论 ,采用状态空间分析方法 , 将温室大棚内的气温 、 湿度 、 土壤 墒情等数据和作物的生长期所适宜的各种环境参数 ( 水 、 ) 肥等 建立专家 系 统 知 识 库 和 规 则 库 , 由 先 进 的 推 理 机 形 成 灌 溉 方案 。 面向控制对象的操作平台有 5 种不同控制方式 。
(1) 智能控制方式 : 专家软件将系统各功能部件采集的数

4. 2 　 自动控制系统硬件设计及拓扑结构详述
本系统采用集 - 散控制结构 。在中心控制室安装工业控制 计算机和智能灌溉专家软件 ,主要用于集中控制分布在泵房的 变频控制柜 、 分布在田间的 PLC 控制器 ,监测泵房内的水位 、 压 力、 流量等管道状态及水泵状态 、 监测分布在各温室大棚内的土 壤墒情 、 、 温度 湿度等温室大棚环境信息 ,采集自动气象站的气 象信息等 。
4. 2. 1 　 控制及数据监测

智能灌溉专家软件将监测控制命令由计算机串口发出 ,通 过 RS232/ RS485 转换模块将信号转换为传输距离较远的 RS485 信号格式 ,信号通过 RS485 网络传送至分布在泵房的变频恒压 控制柜内的变频控制器和水位 、 压力 、 流量的采集变送设备 ,田 间的 PLC 控制器 ,各温室大棚内的土壤墒情 、 温室温度 、 湿度采 集变送设备 ,及气象站的各设备上并对命令进行解码处理后执
DEM 是否有远程监控信号 ,当接收到远程监控信号时立即进行

据与软件知识库数据对当前的各灌区的土壤含水量进行综合 处理分析 ,推导出相应的灌水方案并自动实施 。
(2) 监测控制方式 : 专家软件将实测土壤含水量数据与软

件知识库中关于土壤湿度方面的数据进行综合处理分析 ,确定 相应的灌水方案并自动实施 。
(3) 预置控制方式 : 专家软件根据操作人员预先设置的灌

D EM ,可以实现全球无线监控 ,使用户随时随地都能对系统进

行相应的操作 。专家软件同时还时时监测 GPRS 远程监控 MO2 命令解密 、 解码处理并执行相应的操作 。
4. 2. 2 　 主要设备及功能详述 GPRS 远程监控 MOD EM : 接收来自远程的监控信息 , 发

水计划自动实施 。
( 4) 随机控制方式 : 专家软件根据操作人员对软件操作平

台上泵阀的操作实施灌溉 。
( 5) 远程控制方式 : 专家软件对 GPRS 远程监控 MOD EM

工业控制计算机 :灌溉专家软件的载体 ,控制中心的主要设备。

送专家软件执行后的结果 。此为真正的全球无线控制 MO2 行监控 ,对系统运行状况了如指掌 。
RS232/ RS485 模块 : 进行信号的电气格式转换 。

设备接收到的命令进行分析并实施 。

4. 4 　 系统特点
本系统有如下特点 。
(1) 控制技术先进 , 采用集中管理体系 。本系统的所有控

变频控制器 : 控制水泵的运转速度来对管道的压力进行恒
PL C 控制器 : 负责将工业控制计算机所发来的控制电磁阀

制操作均在中心控制室由管理员完成 ,防止管理混乱 。
( 2) 水肥耦合技术减轻人工负担 ,提高工作效率 。 (3) 依据温室大棚内多种参数做出客观的节水灌溉方案 ,

定 ,以达到最佳的灌溉压力和保障管道和水泵的安全 。 启闭的命令进行解码 ,并执行继电器输出控制 。

节约水资源 。
( 4 ) 对系统电源进行了防雷 、 稳压 、 净化和防漏电处理 , 主

传感器 : 包括水位 、 压力 、 流量 、 土壤墒情 、 温度 、 湿度等 。 自动气象站 : 监测采集田间气象资料 。

这些设备负责将实际的量转化为可以容易处理的电气信号 。

要设备采用国外著名厂家产品 ,保证系统的安全稳定可靠 。
( 5) 对所有数据进行现场显示 , 使用户在现场即可以了解

现场显示型变送仪 : 将传感器采集的信号进行 16Bit 的 A/

变化状态 。
(6) 采用集 - 散控制方式 ,方便检修和增容 。 ( 7) 软件采用多媒体技术编程 , 人机界面友好 , 形象逼真 ,

D 转换 ,并将数据进行现场显示 。

4. 2. 3 　 供电电源及电源线路 、 通讯线路部分

( 1) 电源部分 。系统总供电采用 220 V 交流电源 , 并在进

方便不同层次用户操作 。

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闸门结构的自振频率总的趋势是随着闸门开度的减小 ( 也 即附加水体耦合影响的增大 ) 而降低 , 尤其是第 1 阶频率 。以

大跨度平面闸门的自振特性研究 　　 谢智雄 　 贺高年 　 　 　 黄 峻 等
11. 065 Hz 降低为 8. 563 Hz ( 降幅 29 %) 。 (6) 底缘倾角及门背封板对闸门振动有一定影响 。

设计方 案 6 为 例 , 随 着 开 度 从 3. 50 m 、 24 m 、 016 m 、 3. 3.
2. 826 m 、 638 m依次下降到 0 开度 , 考虑流固耦合效应之后 2.

在以上 6 个设计方案中 , 方案 5 是在综合方案 1 ～ 4 的基 础上 提出 的 , 该方案 下闸 门在开 启瞬 间的基 频由 方案 1 的
5. 931 Hz 提高到 7. 488 Hz ( 增幅 26 %) , 从提高闸门基频的角

闸门 基 频 依 次 降 低 为 空 气 中 的 65. 3 % , 64. 5 % 、 8 % 、 63.
63. 3 % 、 7 % 、 2 % 。此外 , 考虑流固耦合效应后 , 闸门低 62. 51.

度来看是有利的 ,但流激振动试验结果表明 , 由于闸门底缘倾 角减小 ,底缘投影面积增加 , 导致闸门水力学条件劣化闸门振 动加剧而不宜采纳 。方案 6 综合前述方案的特点 ,在不改变底 缘倾角的情况下 ,将部件厚度及竖梁腹板结构作了调整 , 门背 采用整板全封 ,仅在门槽附近跨 7 、 8 内门背板上开孔 , 与方 跨 案 1 、 相比闸门结构刚度有所增强 , 基频有所提高 。此外 , 门 2 背封闭 ,能在一定程度上改善闸门运行时的水力学条件 , 提高 闸门抗振能力 ,为最终的推荐方案 。

阶振型与空气中相比也发生了一定的变化 ,不同开度下闸门第
1 阶次整体振动均为水流向 。分析其原因 , 在于附加水体质量

仅沿闸门水流向分布 , 主要影响闸门结构沿水流向的振动 , 可 见 ,流固耦合效应不容忽视 。
( 3) 闸门边界约束情况对闸门基频率有一定影响 。

无水时 ,6 种设计方案不同工况下当闸门无边界约束时闸 门基频为 21. 181～30. 153 Hz ,施加边界约束条件之后 ,闸门基 频为 11. 469～12. 375 Hz ( 降幅 42 %～ 53 %) 。有水时 , 以设计 方案 6 为例进行分析 , 在闭门状态下 , 当闸门无边界约束时闸 门基频为 7. 774 Hz ( 表中未列出 ) ,施加边界约束之后 , 闸门基 频为 3. 790 Hz ( 降幅 51 %) 。 从理论上分析 ,西南水闸跨度约为横截面轮廓尺寸的 9 倍 左右 ,如果将其简化为一根梁 , 在梁端简支情况下的基频率约 为在无约束情况下的 44 % ( 降幅 56 %) ,可见 ,有限元计算结果 与理论分析的结果基本相同 。
(4) 梁高增加在一定程度上能提高闸门基频 。

4　 　 结 语
(1) 关于计算方法 : 大跨度宽高比悬殊的平面闸门的自振

特性 ,按平面简支梁与按空间体结构计算的结果存在差异 , 特 别是在考虑流固耦合效应之后 , 差异更大 , 因此只能按空间结 构计算 。
( 2) 关于流固耦合 : 闸门结构的自振频率总的趋势是随着

闸门开度的减小 ( 也即附加水体耦合影响的增大 ) 而降低 ,流固 耦合效应使得闸门结构自振频率降低 、 振型发生变化其影响不 容忽视 。
(3) 关于边界约束 : 闸门滑块支撑处沿水流向受到约束之

将跨 1～跨 6 的梁高增加 500 mm ( 增幅 22 %) ,结构沿水流 向的刚度增大 ,而闸门第 1 阶次的振动也主要为沿水流向 ,因此 闸门基频率得以相应的增大 。闭门状态下 ,方案 3 与方案 1 相 比 ,则由 3. 546 Hz 增大为 4. 190 Hz (增幅 18 %) ,方案 4 与方案 2 相比 ,闸门基频率由 3. 610 Hz 增大为 4. 228 Hz , (增幅 11. 7 %) 。 开启瞬间 ,方案 3 与方案 1 相比 ,由 5. 931 Hz 增大为 6. 951 Hz
(增幅 17 %) ,方案 4 与方案 2 相比 , 由 6. 016 Hz 增大为 6. 973 Hz(增幅 16 %) 。可见 ,闸门基频增幅度小于梁高增幅 。 ( 5) 门槽附近梁高降低对闸门基频影响不大 。

后 ,闸门基频率会有很大降低 。
( 4) 关于结构设计 : 梁高增加在一定程度上能提高闸门基

频 ,但是门槽附近梁高降低对闸门基频影响不大 。此外 , 闸门 底缘倾角减小 ,底缘投影面积增加 , 会导致闸门水力学条件劣 化 ,闸门振动加剧 ,而门背封闭 ,则能在一定程度上改善闸门运 行时的水力学条件 ,提高闸门抗振能力 。 参考文献 :
[1] 　 严根华 ,阎诗武 . 水工弧形闸门的水弹性耦合自振特性研究 [J ] .

□

从表 3 、 4 的计算结果来看 ,方案 2 与方案 1 ,方案 4 与方 表 案 3 下闸门基频基本相同 , 也即 , 门槽附近跨 7 、 8 内梁高降 跨 低对闸门基频影响不大 。同时还应指出的是 ,门槽附近处梁高 降低之后 ,闸门结构绕横向 ( X 向 ) 扭转刚度有所降低 , 相应的 闸门结构绕横向扭转振动的固有频率也有所降低 ,闭门状态有 水时 ,方案 2 与方案 1 相比 ,绕横向扭转振动的基频从 10. 966
Hz 降低为 8. 161 Hz ( 降幅 34 %) ; 方案 4 与方案 3 相比 , 则由 ( 上接第 68 页) (8) 采用多种控制方式 , 以方便用户根据不同情况进行

水利学报 ,1990 , (7) :49 - 55.
[2] 　 吴一红 ,谢省宗 . 水工结构流固耦合动力特性分析 [ J ] . 水利学

报 ,1995 , (1) :27 - 34.
[3] 　 DL/ T5013 - 95 , 水利水电工程钢闸门设计规范 [ S] . [4] 　 水电站机电设计手册编写组 . 水电站机电设计手册 . 金属结构 ( 一) [ M ] . 北京 : 水利电力出版社 ,1988.

统 ,为促进现代节水灌溉奠定了物质基础 。现代化自动控制灌 溉技术 ,实现了现代农业的实时精准灌溉 , 完成了灌溉工程的 现代化运行管理 ,取得了良好的经济效益和社会效益 , 极大地 推动了山东省现代节水农业的发展 。 参考文献 :
[1] 　 李龙昌 . 多灌溉水源联网调度类型区农业高效用水模式及产业化

操作 。 ( 9) 采用先进的 GPRS 远程监控设备 , 方便用户在异地对 灌区的监控 。 ( 10) 系统功能强大 ,但投入减少 ,性价比很高 。

□

5　 　 结 语
几年来 , 针对山东省农业灌溉发展的新形势 , 坚持产品研 制集成与实践应用相结合的原则 ,研究集成了现代节水农业的 各种自动化控制技术 , 形成具有自主知识产权的灌溉自控系

示范 ( 山东) 技术工作报告 [ R ] . 山东省水利科学研究院 ,2002.
[2] 　 徐征和 . 乳山市南黄镇大棚滴灌自动化控制灌溉系统技术方案 [ R ] . 山东省水利科学研究院 ,2004.

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  本文关键词：自动化灌溉控制工程技术的研究与应用，由笔耕文化传播整理发布。