CN113341446B - 无人机载地表α、β辐射剂量测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机载地表α、β辐射剂量测量装置及方法,解决现有无人机载测量设备无法实现地表α、β辐射剂量数据测量的问题。装置包括辐射测量装置本体、辐射测量装置固定架、测量组件及无人机吊板;辐射测量装置本体安装在辐射测量装置固定架上;测量组件安装在辐射测量装置固定架与无人机吊板之间;无人机吊板用于与无人机连接;本发明还提供采用该装置进行α、β辐射剂量测量方法。该测量装置可以在核设施严事故工况下实现厂区以及厂外地表α、β辐射剂量分布的远程遥控测量,在避免辐射剂量监测人员受到剂量伤害的同时及时高效地获取测点数据,有利于事故后果的快速评价。
Description
技术领域
本发明属于辐射剂量测量技术领域,具体涉及一种无人机载地表α、β辐射剂量测量装置及方法。
背景技术
核设施在严重事故工况下,放射性物质很有可能从安全壳内逸出,从而使得厂区内以及厂区周围遭受严重的放射性污染。为了及时评估厂区及周围地区地表遭受放射性污染的严重程度,给应急人员提供有效可靠参考信息,需要获取这些地区地表的辐射剂量分布数据。
传统的测量方式包括人工直接测量以及布置固定式自动化测量仪等方式。人工测量指操作人员用手持式剂量测量仪直接进入辐射沾染区进行测量并记录数据,显然这种测量方式会使操作人员受到明显的剂量照射,且在污染区停留越久,对人体的伤害也会越严重,不利于操作人员的健康及安全;此外,人工测量方式明显受制于厂区周围的地形地貌条件,如果厂区周围地形地貌条件非常复杂,操作人员可能难以达到某些必要测点进行测量,会大大降低测量效率。因此人工测量方式虽然成本低,但存在明显的不足之处。布置固定式自动化测量仪虽然可以避免人员进入污染区进行操作,但是会明显增加测量成本,最重要的是,固定式测量仪只能布置在有限而固定的测量点位,无法满足核电厂严重事故后果评价对于大量点位剂量测量的需求。
近些年来基于无人机进行辐射测量的方法可以同时避免人工测量以及固定式自动化测量仪的缺点,目前已经有学者开展过相关技术的研究工作:专利《一种用于核电站安全壳内环境监测的无人机及其控制方法》(公开号:CN10829702A)将无人机技术引入核电厂安全壳内的物理参数测量;专利《基于无人机的核污染区域核辐射监测***及方法》(公开号:CN109061707A)以及专利《基于无人机的核污染区域核辐射监测***》(公开号:CN208367220U)等开发了核辐射检测***中,其中无人机与辐射测量装置采用一体化刚性连接设计;专利《一种矿山陆地γ辐射剂量率测量无人机》(公开号:CN111856544A)等将无人机技术引入到了γ剂量率的测量技术中。
尽管无人机在辐射剂量测量方面已经得到了一定范围的应用,但是存在如下主要问题:由于γ射线的穿透能力强,在空气中具有很长的射程,因此机载的射线探测装置在测量地表γ射线的过程中可以悬停在空中进行远距离测量,因此在目前公开发表的专利中绝大多数主要集中于机载测量装置对于γ剂量的监测。与γ射线不同,由于α、β射线的穿透能力弱,在空气中随着距离变化衰减非常明显,因此地表的α、β剂量无法像γ剂量那样直接从空中进行远距离测量,测量装置的探头必须足够贴近地面才能够获得α、β剂量的有效数据。从目前公开发表的专利来看,仅有专利《核辐射探测方法、装置和***》(公开号:CN108363088A)宣称其测量***可以实现空气中α、β剂量的测量,没有证据表明该测量***可以实现地表α、β剂量数据的有效测量。综上所述,采用无人机技术进行地表α、β剂量数据的有效测量技术目前仍处于空白状态。
另一方面,测量装置不能直接与无人机采用刚性连接或直接挂在在无人机下方,因为刚性连接会使探头在接地过程中受到较大冲击力,容易导致探头损坏,探头直接挂在无人机下方,无人机必然需要降落在测点的地表,降落过程中产生的下洗气流很有可能会破坏测点四周原始的剂量率分布情况,而且无人机的上升下降动作极大延长了测量的总时间。
为了使无人机技术在核设施严重事故工况下的后果评价中得到更好的应用,在获取准确而丰富的厂区及厂外地表α、β剂量测量数据的同时,为决策人员争取更多的决策时间,使决策人员正确而有效地做出评价及判断,需要设计一种全新的机载地表α、β辐射剂量测量装置及测量方法,该测量装置中的测量探头能够贴近地面,使其满足地表α、β辐射剂量有效测量的需求;此外,利用该测量装置无人机能够实现悬停操作即可满足测量需求,无需降落,从而满足地表α、β辐射剂量快速测量的需求。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题,本发明提供一种无人机载α、β辐射剂量测量装置及方法,该装置能够配合无人机技术在核设施严重事故工况下准确而快速地测量并获取厂区及厂外地表大量测点的α、β辐射剂量数据,解决现有技术中,无人机载测量设备无法实现地表α、β辐射剂量数据测量的问题;本发明测量方法能够使得无人机操控与参数测量实现高度配合,从而在优化飞行路线的同时保证测点数据的准确性及有效性,解决了现有技术中,无法保证测量数据有效性的问题。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种无人机载地表α、β辐射剂量测量装置,其特殊之处在于:包括辐射测量装置本体、辐射测量装置固定架、测量组件及无人机吊板;上述辐射测量装置本体安装在辐射测量装置固定架上,防止辐射测量装置本体与地面直接接触;上述测量组件安装在辐射测量装置固定架与无人机吊板之间;上述无人机吊板用于与无人机连接;
上述测量组件包括底座、支撑架、集成电路装置、压力传感装置、吊轴、旋转支撑机构、承重绳、重承绳收放装置及数据通讯装置;
上述底座固定在辐射测量装置本体顶部;上述支撑架固定在底座上;
上述集成电路装置焊接在底座或支撑架上,用于接收并处理辐射测量装置本体传来的剂量数据信号,并将剂量数据信号按照通讯协议传递给数据通讯装置;
上述压力传感装置的两个受力端分别与支撑架顶部及吊轴一端连接,用于测量吊轴与支撑架之间的作用力,并将作用力数据信号按照通讯协议传递给数据通讯装置,根据作用力的大小判断辐射测量装置固定架是否接地;
上述吊轴另一端贯穿旋转支撑机构底部,并能够相对于旋转支撑机构自转;
上述承重绳的一端与旋转支撑机构的顶部连接,另一端通过承重绳收放装置与无人机吊板连接;
上述数据通讯装置固定在无人机吊板上,用于接收并输出集成电路装置发送的剂量数据信号、接收并输出压力传感装置发送的作用力数据信号以及根据控制指令控制承重绳收放装置。
进一步地,上述辐射测量装置固定架与辐射测量装置本体之间通过至少两个对称的L形卡扣进行刚性连接;
将组成L形卡扣的两个固定杆分别定义为竖向固定杆与横向固定杆;竖向固定杆上端设有螺杆,横向固定杆与竖向固定杆上端配合部位处开设螺纹孔,通过调节旋入螺纹孔中螺杆的长度,调节辐射测量装置固定架的下端面与辐射测量装置本体的下端面之间的距离。
进一步地,上述旋转支撑机构包括支撑框架及位于支撑框架内的相互平行的支撑板;上述支撑板上开设通孔,上述吊轴另一端依次穿过两个通孔后,通过挡片进行限位,上述吊轴能够在通孔内自转。
进一步地,上述支撑架包括两块相互平行的支撑板。
进一步地,该测量装置还包括安装在底座上的至少两个充电装置,至少两个充电装置关于吊轴延长线对称布置,用于在测量过程中对辐射测量装置本体进行充电。
进一步地,上述压力传感装置为轮辐式拉压力传感器。
本发明还提供一种无人机载辐射剂量测量装置的辐射剂量测量方法,其特殊之处在于,包括以下步骤:
步骤1、确定预设测点的位置,将预设测点位置的坐标信息录入无人机控制***;
步骤2、根据建筑物及地形地貌相关资料确定在每两个预设测点之间行进过程中无人机的安全飞行高度,无人机的安全飞行高度是指无人机在该安全飞行高度飞行时,辐射剂量测量装置中的任何部件均不会与地面相关物体发生触碰;
步骤3、通过无人机吊板将辐射剂量测量装置与无人机的底部进行连接,随后将辐射剂量测量装置以及无人机开机,确认各个设备的工作状态正常;
步骤4、利用信号接收装置接收辐射剂量测量装置中数据通讯装置传递的剂量数据信号以及压力传感装置测量的吊轴与支撑架之间的作用力数据,确认信号传输正常;
步骤5、将无人机从初始地面位置垂直上升到安全高度,在上升过程中,当辐射测量装置固定架离开地面且压力传感装置测量的吊轴与支撑架之间的作用力数据突然增大,并持续稳定在某个数值,则说明整个辐射剂量测量装置已经脱离地面;
步骤6、无人机根据坐标数据飞行至初始测点的正上空并作悬停,然后无人机操作员通过数据通讯装置远程控制承重绳收放装置开始动作,逐渐放下承重绳,辐射测量装置本体按照安全下降速度缓慢下降,当压力传感装置测量的吊轴与支撑架之间的作用力数据减为0时,控制承重绳收放装置立即停止工作,此时辐射测量装置固定架已经接触地面,满足测量要求;
步骤7、在保证压力传感装置测量的吊轴与支撑架之间的作用力数据稳定的前提下,连续记录多个测量数据,该测点即测量完成;
步骤8、控制承重绳收放装置继续动作,逐渐收起承重绳,直到辐射测量装置本体到达初始高度位置;
步骤9、无人机根据下一测点的坐标数据飞行至下一测点,重复步骤6至步骤8的过程;
步骤10、所有测点辐射剂量数据测量完毕后,无人机根据回收点的坐标数据飞行至回收点的正上空,然后以安全回收速度缓慢下降,降落到地面后即可开展设备的洗消及回收工作。
和现有技术相比较,本发明具有以下有益效果:
(1)该辐射剂量测量装置可以配合无人机技术实现α、β剂量数据的有效测量:一方面无人机技术的应用使得操作人员无需进入沾染区即可实现α、β剂量数据的远程测量,极大降低了测量人员受辐射沾染的风险,另一方面相比于人工测量极大提高了测量的效率,适合于复杂地形地貌条件下大量点位的迅速测量,为核事故应急决策提供了宝贵的时间;同时该测量装置中的测量探头能够贴近地面,使其满足地表α、β辐射剂量有效测量的需求此外,利用该测量装置无人机能够实现悬停操作即可满足测量需求,无需降落,从而满足地表α、β辐射剂量快速测量的需求。
(2)本发明通过在辐射测量装置固定架上固定压力传感装置,使得无人机在下降过程中可以根据压力传感装置示值的变化迅速判断辐射测量装置固定架是否接地,极大提高了测量效率。
(3)本发明在无人机与辐射剂量测量装置主体之间采用承重绳进行连接,并且有承重绳收放装置,而非传统的一体化刚性结构,这样一方面使得辐射测量装置固定架在接地过程中由于刚性冲击导致设备被损坏的概率极大减小。
(4)该装置的应用使得在地表辐射剂量的测量过程中无人机无需降落到地面,因此一方面在提高测量效率的同时大大降低了无人机操控人员的工作量以及操作难度,另一方面极大程度上避免了无人机降落过程中下洗气流对于地表原始剂量分布情况的破坏,使得测量结果更为可信。
附图说明
图1为无人机载辐射剂量测量装置的正视图。
图2为采用无人机载辐射剂量测量装置进行剂量测量的流程图。
图中附图标记为:
1-辐射测量装置固定架,2-底座,3-集成电路装置,4-压力传感装置,5-旋转支撑机构,7-重承绳收放装置,8-无人机吊板,9-数据通讯装置,10-承重绳,11-支撑板,12-吊轴,13-支撑架,14-充电装置,15-L形卡扣,16-辐射测量装置本体。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,任何结构的修饰、比例关系的修改或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达到的目的下,均应仍落在本发明所解释的技术内容能涵盖的范围内。同时,本说明书中所引用的如“上”“中”“下”“左”“右”等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明的可实施的范畴。
如图1所示,本发明一种无人机载辐射剂量测量装置,包括辐射测量装置本体16、辐射测量装置固定架1、测量组件及无人机吊板8;辐射测量装置本体16用来测量污染区地表的剂量。辐射测量装置本体16安装在辐射测量装置固定架1上,防止辐射测量装置本体16与地面直接接触;同时控制辐射测量装置本体16下端面与地面的距离;具体可通过至少两个对称的L形卡扣15将辐射测量装置固定架1与辐射测量装置本体16进行刚性连接;将组成L形卡扣15的两个固定杆分别定义为竖向固定杆与横向固定杆;竖向固定杆上端设有螺杆,横向固定杆与竖向固定杆上端配合部位处开设螺纹孔,通过调节旋入螺纹孔中螺杆的长度,进而调节辐射测量装置固定架1的下端面与辐射测量装置本体16的下端面之间的距离。测量组件安装在辐射测量装置固定架1与无人机吊板8之间;无人机吊板8用于与无人机连接。
测量组件由下至上依次为:底座2、支撑架13、吊轴12、旋转支撑机构5、承重绳10及重承绳收放装置7;还包括充电装置14、集成电路装置3、压力传感装置4及数据通讯装置9。
底座2可以为圆形,主要用来安装支撑架13以及充电装置14,固定在辐射测量装置本体16顶部。支撑架13固定在底座2上,可以为两块平行的支撑平板,用于固定集成电路装置3。集成电路装置3,主要用来处理辐射测量装置本体16传过来的信号,并将其发送给数据通讯装置9。压力传感装置4的两个受力端分别与支撑架13顶端及吊轴12下端连接,主要用来测量吊轴12与支撑架13之间的作用力,从而在无人机缓慢下降过程中迅速判断辐射测量装置固定架1是否接地。本实施例可采用轮辐式拉压力传感器。吊轴12上端贯穿旋转支撑机构5底部,并能够相对于旋转支撑机构5自转;旋转支撑机构5与吊轴12配合,使得辐射剂量测量装置主体具有一定旋转自由度,避免零部件及线路因扭转造成损坏;旋转支撑机构5具体可包括支撑框架及位于支撑框架内的相互平行的支撑板11;两块支撑板11上均开设通孔,吊轴12上端依次穿过两个通孔后,通过挡片进行限位,吊轴12能够在通孔内自转。承重绳10的一端与旋转支撑机构5的顶部连接,另一端通过承重绳收放装置7与无人机吊板8连接。无人机吊板8,主要用来连接无人机与辐射剂量测量装置。数据通讯装置9固定在无人机吊板8的底端,数据通讯装置9主要用来将各种测量信号通过无线传输方式传递给接收端。充电装置14固定在底座2上,主要用来为辐射测量装置本体16充电,延长装置使用时间。
如图2所示,利用上述装置进行辐射剂量测量的过程,包括以下步骤:
1)确定预设测点的位置,将预设测点位置的坐标信息录入无人机控制***;
2)根据建筑物及地形地貌相关资料确定在每两个预设测点之间行进过程中无人机的安全飞行高度,无人机在每两个测点之间行进过程中的安全飞行高度是指无人机处于该安全飞行高度下进行的过程中,辐射剂量测量装置中的任何部件均不会与其它物体(建筑物、树木等)发生触碰,从而保证测量装置不被损坏;
3)将辐射剂量测量装置通过无人机吊板8与无人机的底部进行连接,随后将辐射测量装置以及无人机开机,确认各个设备的工作状态正常;
4)利用操作人员处显示终端的信号接收装置接收辐射剂量测量装置中数据通讯装置9传递的剂量数据以及压力传感装置4数据,确认信号传输正常;
5)将无人机从初始地面位置垂直上升到安全高度,在上升过程中,当辐射测量装置固定架1离开地面时压力传感装置4的示数会突然增大(压力传感器受到测量装置的重力,因此示数增大,主要用来指示测量装置已经脱离地面),并持续稳定在某个示值,说明整个辐射剂量测量装置已经脱离地面;
6)无人机根据测点1的坐标数据飞行至初始测点的正上空并作悬停,然后无人机操作员通过数据通讯装置9远程控制承重绳收放装置7开始动作,逐渐放下承重绳10,辐射测量装置本体16按照安全下降速度缓慢下降,当压力传感装置4的示值减为0时承重绳收放装置7立即停止工作,此时辐射测量装置固定架1已经接触地面,满足测量要求;
7)在保证压力示值稳定的前提下,连续记录多个测量数据(一般为5个),该测点即测量完成;
8)承重绳收放装置7继续动作,逐渐收起承重绳10,直到辐射测量装置到达初始高度位置;
9)无人机根据下一测点的坐标数据飞行至下一测点,重复上述过程;
10)所有测点辐射剂量数据测量完毕后,无人机根据回收点的坐标数据飞行至回收点的正上空,然后以安全回收速度缓慢下降,降落到地面后即可开展设备的洗消及回收工作。
综上所述,本发明一种无人机载地表α、β辐射剂量测量装置能够在核设施严重事故工况下配合无人机技术通过远程控制的方式对厂区及厂区周地表大量测点的α、β辐射剂量实现迅速测量,为事故后果评价提供准确而及时的剂量场分布信息;本发明辐射剂量测量方法能够在测量过程中避免无人机落地的操作,在提高测量效率的同时避免探测装置与地面刚性冲击导致装置损坏,同时极大程度降低了无人机操作人员的工作量及操作难度,从而保证了数据的成功获取,降低了失败风险。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度的利用价值。
以上内容仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施方式仅限于此,对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单的推演或替换,都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (7)
1.一种无人机载地表α、β辐射剂量测量装置,其特征在于:包括辐射测量装置本体(16)、辐射测量装置固定架(1)、测量组件及无人机吊板(8);所述辐射测量装置本体(16)安装在辐射测量装置固定架(1)上,防止辐射测量装置本体(16)与地面直接接触;所述测量组件安装在辐射测量装置固定架(1)与无人机吊板(8)之间;所述无人机吊板(8)用于与无人机连接;
所述测量组件包括底座(2)、支撑架(13)、集成电路装置(3)、压力传感装置(4)、吊轴(12)、旋转支撑机构(5)、承重绳(10)、重承绳收放装置(7)及数据通讯装置(9);
所述底座(2)固定在辐射测量装置本体(16)顶部;所述支撑架(13)固定在底座(2)上;
所述集成电路装置(3)焊接在底座(2)或支撑架(13)上,用于接收并处理辐射测量装置本体(16)传来的剂量数据信号,并将剂量数据信号按照通讯协议传递给数据通讯装置(9);
所述压力传感装置(4)的两个受力端分别与支撑架(13)顶部及吊轴(12)一端连接,用于测量吊轴(12)与支撑架(13)之间的作用力,并将作用力数据信号按照通讯协议传递给数据通讯装置(9),根据作用力的大小判断辐射测量装置固定架(1)是否接地;
所述吊轴(12)另一端贯穿旋转支撑机构(5)底部,并能够相对于旋转支撑机构(5)自转;
所述承重绳(10)的一端与旋转支撑机构(5)的顶部连接,另一端通过承重绳收放装置(7)与无人机吊板(8)连接;
所述数据通讯装置(9)固定在无人机吊板(8)上,用于接收并输出集成电路装置(3)发送的剂量数据信号、接收并输出压力传感装置(4)发送的作用力数据信号以及根据控制指令控制承重绳收放装置(7)。
2.根据权利要求1所述的无人机载地表α、β辐射剂量测量装置,其特征在于:所述辐射测量装置固定架(1)与辐射测量装置本体(16)之间通过至少两个对称的L形卡扣(15)进行刚性连接;
将组成L形卡扣(15)的两个固定杆分别定义为竖向固定杆与横向固定杆;竖向固定杆上端设有螺杆,横向固定杆与竖向固定杆上端配合部位处开设螺纹孔,通过调节旋入螺纹孔中螺杆的长度,调节辐射测量装置固定架(1)的下端面与辐射测量装置本体(16)的下端面之间的距离。
3.根据权利要求2所述的无人机载地表α、β辐射剂量测量装置,其特征在于:所述旋转支撑机构(5)包括支撑框架及位于支撑框架内的相互平行的支撑板(11);所述支撑板(11)上开设通孔,所述吊轴(12)另一端依次穿过两个通孔后,通过挡片进行限位,所述吊轴(12)能够在通孔内自转。
4.根据权利要求1至3任一所述的无人机载地表α、β辐射剂量测量装置,其特征在于:所述支撑架(13)包括两块相互平行的支撑平板。
5.根据权利要求4所述的无人机载地表α、β辐射剂量测量装置,其特征在于:还包括安装在底座(2)上的至少两个充电装置(14),至少两个充电装置(14)关于吊轴(12)延长线对称布置,用于在测量过程中对辐射测量装置本体(16)进行充电。
6.根据权利要求5所述的无人机载地表α、β辐射剂量测量装置,其特征在于:所述压力传感装置(4)为轮辐式拉压力传感器。
7.一种无人机载辐射剂量测量装置的辐射剂量测量方法,基于权利要求1-6任一所述的无人机载地表α、β辐射剂量测量装置,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、确定预设测点的位置,将预设测点位置的坐标信息录入无人机控制***;
步骤2、根据建筑物及地形地貌相关资料确定在每两个预设测点之间行进过程中无人机的安全飞行高度,无人机的安全飞行高度是指无人机在该安全飞行高度飞行时,辐射剂量测量装置中的任何部件均不会与地面相关物体发生触碰;
步骤3、通过无人机吊板(8)将辐射剂量测量装置与无人机的底部进行连接,随后将辐射剂量测量装置以及无人机开机,确认各个设备的工作状态正常;
步骤4、利用信号接收装置接收辐射剂量测量装置中数据通讯装置(9)传递的剂量数据信号以及压力传感装置(4)测量的吊轴(12)与支撑架(13)之间的作用力数据,确认信号传输正常;
步骤5、将无人机从初始地面位置垂直上升到安全高度,在上升过程中,当辐射测量装置固定架(1)离开地面且压力传感装置(4)测量的吊轴(12)与支撑架(13)之间的作用力数据突然增大,并持续稳定在某个数值,则说明整个辐射剂量测量装置已经脱离地面;
步骤6、无人机根据坐标数据飞行至初始测点的正上空并作悬停,然后无人机操作员通过数据通讯装置(9)远程控制承重绳收放装置(7)开始动作,逐渐放下承重绳(10),辐射测量装置本体(16)按照安全下降速度缓慢下降,当压力传感装置(4)测量的吊轴(12)与支撑架(13)之间的作用力数据减为0时,控制承重绳收放装置(7)立即停止工作,此时辐射测量装置固定架(1)已经接触地面,满足测量要求;
步骤7、在保证压力传感装置(4)测量的吊轴(12)与支撑架(13)之间的作用力数据稳定的前提下,连续记录多个测量数据,该测点即测量完成;
步骤8、控制承重绳收放装置(7)继续动作,逐渐收起承重绳(10),直到辐射测量装置本体(16)到达初始高度位置;
步骤9、无人机根据下一测点的坐标数据飞行至下一测点,重复步骤6至步骤8的过程;
步骤10、所有测点辐射剂量数据测量完毕后,无人机根据回收点的坐标数据飞行至回收点的正上空,然后以安全回收速度缓慢下降,降落到地面后即可开展设备的洗消及回收工作。
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