一种土压平衡盾构渣土处理智能控制系统及应用的制作方法

1.本发明涉及固体废弃物环保处理领域，特别是涉及土压平衡盾构渣土处理智能控制系统。


背景技术：

2.随着全国城市化进程的推进和城市的快速发展，人们对地下空间的利用越来越广泛，特别是地铁的建设，伴随着新基建的浪潮成为城市发展的重要组成部分。我国大多数地铁隧道采用盾构掘进技术，由此产生的盾构渣土含水量大，占地面积大，不易贮存，且存在环境污染和安全风险。因此在许多城市，盾构渣土处理设施应运而生。
3.土压平衡盾构渣土处理技术是应用较为广泛的一种盾构渣土处理工艺，通过对土压平衡盾构产生的渣土进行造浆、预筛分、螺旋提升、洗砂、泥砂分离、泥浆调理、泥水分离等步骤，将渣土转化为碎石、中粗砂、细砂、干土和水，其中固体物料可以作为建材回收利用或外运，水循环利用或外排，实现了渣土的无害化、减量化处理。目前大多数盾构渣土处理工程主要依赖操作人员在设备旁手动控制所有设备进完成渣土处理的各个阶段，设备自动化程度低，对操作人员技术要求高，且存在施工安全风险；没有安装传感器监测系统，操作人员主要依靠肉眼观察和经验控制设备的运行状态和施工参数，施工连续性和稳定性无法保证；设备数量多，生产记录需要专人负责，并且人工记录数据工作量大，精准度不高，整体运行对操作人员的数量和素质要求高，人工成本高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种土压平衡盾构渣土处理智能控制系统，在现有渣土处理设备设施的基础上，通过安装上位机、plc控制系统、传感器监测系统和生产信息记录系统，实现盾构渣土处理设备智能控制。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种土压平衡盾构渣土处理智能控制系统，包括设备系统、上位机、plc控制系统、传感器监测系统和生产信息记录系统。
7.所述设备系统包括预处理系统1、泥砂分离系统2、泥浆调理系统3、泥水分离系统4和水循环系统5，其中：
8.所述预处理系统1包括滚筒化浆筛分机11、螺旋提升机12、斗轮洗砂机13、一级脱水筛14、皮带机15和预处理池16。所述滚筒化浆筛分机11安装在预处理池16外，出浆口通过钢结构斜槽与螺旋提升机12入料口相连，所述螺旋提升机12和斗轮洗砂机13安装于预处理池16内，所述一级脱水筛安装于预处理池16外，出料口下方安装皮带机15。
9.所述泥砂分离系统2包括砂泵21、旋流器22、二级脱水筛23和皮带机24。所述砂泵21安装在预处理池16外，进料口连接管道延伸入预处理池16中，出料口通过管道与旋流器22进料口连接，所述旋流器22架设在二级脱水筛23上，泥浆出料口通过管道延伸至泥浆池33上方，所述二级脱水筛23出料口下方安装皮带机24。
10.所述泥浆调理系统3包括搅拌器31、储料罐32和泥浆池33。所述搅拌器31安装在泥浆池33中，所述储料罐32安装在泥浆池33上方，包括罐体321、螺旋卸料器322和气动阀门323，气动阀门323通过橡胶气管与气罐42管道相连，螺旋卸料器322电机通过控制线和气动阀门323相连。
11.所述泥水分离系统4包括空压机41、气罐42、板框压滤机43、进料泵44和皮带机45。所述进料泵44安装在泥浆池33外，进料口连接管道延伸至泥浆池33内，出料口通过管道与板框压滤机43的进料口相连，所述板框压滤机43下方安装皮带机45，滤液出水口连接管道延伸至滤液池54上方，所述空压机41连接管道延伸入气罐42内，所述气罐42出气口通过管道与板框压滤机43进气口相连。所述板框压滤机43包括液压站431、压力表432、控制柜433、滤板434、机体435和液压油缸436，进料过程开始时，液压油缸436将滤板434压紧，开始进料，进料完成后，开始压榨过程，气罐42中的气体进入滤板434开始压榨，压力表432监测压榨压力，压榨完成后，待滤板434内气体放空后，开始卸料过程，液压油缸436松开，待卸料完成后开始下一个循环。
12.所述水循环系统5包括排水泵51、高压冲水泵52、清水池53和滤液池54。所述排水泵51安装在清水池53中，出水口通过管道接入市政管网，所述高压冲水泵52安装在滤液池54中，出水口连接管道延伸至滚筒化浆筛分机11、螺旋提升机12和斗轮洗砂机13处，所述滤液池54设溢流口与清水池53相连。
13.所述传感器监测系统包括预处理池液位计c1、压力传感器c2、称重传感器c3、泥浆池液位计c4、进料流量计c5、清水池液位计c6、滤液流量计c7和泥浆浓度计c8。所述预处理池液位计c1、泥浆池液位计c4和清水池液位计c6分别安装在预处理池16、泥浆池33和清水池53内壁上，用以监测各池子的液位。所述压力传感器c2安装在泥沙泵21与旋流器22之间的管道上，用以监测旋流器22入料的压力。所述称重传感器c3安装在储料罐32的支撑下方，用以监测储料罐32的重量，进而计算得到添加药剂的量。所述进料流量计c5和滤液流量计c7分别安装在泥浆进料管道和滤液出水管道上，用以监测泥浆进料流量和滤液出水流量。所述泥浆浓度计c8安装在泥浆池33内壁上，用以监测进料泥浆的浓度。各传感器所监测到的数据均通过控制线转换为信号传递给plc控制系统，并在上位机的人机交互界面中显示实时数据。
14.所述上位机包括主机、显示屏和操作系统。上位机与plc控制系统连接，两系统间数据实时通讯，上位机接收plc控制系统传输的信号，由操作系统将其转换为可视化信号，具象化显示在人机交互界面上，操作人员在操作系统上做出的指令由上位机转化为电信号传输给plc系统执行。操作系统界面设置有设备状态界面、设备控制界面、参数设置界面和报警提示界面，设备状态界面显示所有设备的实时状态，运行状态显示绿色，停止状态显示红色，故障状态显示黄色，同时显示各传感器的数据；设备控制界面显示各个系统和设备的启停按钮，停止时按钮显示灰色，启动时显示绿色；参数设置界面显示板框压滤机43的进料时间、压榨时间以及进料泵44的频率等参数，操作人员可以根据生产情况进行调整；报警提示界面显示预处理池16、泥浆池33和清水池53高液位报警提示，以及板框压滤机43进料过程、压榨过程和卸料过程异常暂停提示。
15.所述plc控制系统与上位机、传感器监测系统、设备系统的执行部件连接，具有传感器数据的收集、根据上位机信号进行设备控制等功能；plc控制系统与设备系统单向指令
通讯，即plc控制系统通过发出指令信号控制设备系统中设备的启停状态，而设备运行状态也可通过电路反馈至plc控制系统。所述设备系统由plc控制系统统一半自动控制，操作人员在上位机的界面上点击相应按钮进行操作。
16.所谓“一半自动控制”是指：人工在上位机点击相应处理过程的启停按钮，则该过程所包含的设备可自动运行至再次按下启停按钮。
17.水循环系统5中，排水泵51设置启停按钮，可人工控制排水，同时上位机接收清水池液位计c6的信号，当清水池液位高于预设的高液位值时，出现报警提示；高压冲水泵52设置启停按钮，由人工控制冲水启停，同时接收清水池液位计c6的信号，清水池液位低于预设的低液位值时自动停止高压冲水泵52或禁止启动(按钮无法点击)。
18.预处理系统1设置一键启停按钮，启动时，皮带机15首先接收启动信号启动，一级脱水筛14接收到皮带机15的启动信号后启动，依此类推，斗轮洗砂机13、螺旋提升机12和滚筒化浆筛分机11先后启动，停止时，滚筒化浆筛分机11首先接收停止信号停止，螺旋提升机12、斗轮洗砂机13、一级脱水筛14和皮带机15依次停止，完成预处理过程。plc控制系统接收预处理池液位计c1的信号，当预处理池液位高于预设的高液位值时，出现报警提示。
19.泥砂分离系统2设置一键启停按钮，接收预处理池液位计c1的信号，预处理池液位低于预设的低液位值时自动停止泥砂分离系统2或禁止启动。泥砂分离系统2启动时，皮带机24首先接收启动信号启动，二级脱水筛23接收到皮带机24的启动信号后启动，砂泵21接收到二级脱水筛23的启动信号后启动，停止时，砂泵21首先接收停止信号停止，二级脱水筛23和皮带机24依次停止，完成泥砂分离过程。plc控制系统接收压力传感器c2的信号，上位机显示旋流器22入料压力。
20.泥浆调理系统3中搅拌器31和储料罐32单独设置启停按钮，根据上位机界面显示的泥浆浓度判断是否需要加药调理。储料罐32启动时，气动阀门323接收启动信号开启，螺旋卸料器322接收到气动阀门323的启动信号后启动，开始卸料，停止时，螺旋卸料器322接收停止信号停止，气动阀门323接着关闭，完成卸料过程。plc控制系统接收称重传感器c3和泥浆池液位计c4的信号，上位机实时显示储料罐32的重量和泥浆池液位，当泥浆池液位高于预设的高液位值时，出现报警提示。
21.泥水分离系统4设置板框压滤机43的一键启停按钮，空压机41、进料泵44和皮带机45的远程控制信号直接接入板框压滤机的控制柜433中，plc控制系统只需对板框压滤机43进行半自动控制即可实现对泥水分离系统4的控制。板框压滤机43启动时，空压机41同时启动，向气罐42中打气，直到气罐42自带的压力表达到6kpa时暂停，压力表在2kpa以下时，空压机41启动，循环工作。当板框压滤机43开始进入进料过程时，进料泵44会自动运行，在经过参数设定界面设定的延时时间之后，如果plc控制系统未收到进料泵44的运行信号，则自动暂停板框压滤机43的当前进料过程，并且软件界面给出相应的提示；当板框压滤机43已经在进料过程中正常工作时，在进料泵44突然停止或者突然出现故障而停止的情况下，自动暂停当前进料过程，并且软件界面给出相应的提示。在板框压滤机43进入压榨过程时，进料泵44停止，自带的压力表测得的压力大于参数设定页面设定的空气压力低值时，压榨过程继续进行，否则暂停，并且软件界面给出相应的提示。当板框压滤机43开始进入卸料过程时，皮带机45会自动运行，在经过参数设定界面设定的延时时间之后，如果plc控制系统未收到皮带机45的运行信号，则自动暂停当前卸料过程，并且软件界面给出相应的提示；当板
框压滤机43已经在卸料过程中正常工作时，在皮带机45突然停止或者因为故障而停止的情况下，自动暂停当前卸料过程，并且软件界面给出相应的提示。板框压滤机43在完成进料
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压榨
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卸料过程后，皮带机45停止，自动进行下一个循环，无需人工控制。
22.本发明系统还可以包括数据接收设备系统，用于接受和存储可记录生产数据。举例而非限定，用于数据接收设备系统可以包括板框压滤机，生产数据主要包括板框压滤机的进料时间、压榨时间、进料压力、压榨压力等
23.所述生产信息记录系统安装在上位机的电脑终端，接收设备系统传输到上位机的生产数据，通过生产信息记录系统对生产参数数据进行处理分析后，电脑终端能根据每个设备的参数数据自动生成生产报表。
24.本方案的有益效果在于：
25.本发明提供了土压平衡盾构渣土处理智能化控制系统，该系统上位机具有状态显示、控制操作、参数调整和报警提示的功能；该系统使得处理设备自动化程度提高，根据plc控制系统内部程序可实现处理设备的半自动控制，操作人员经短期培训后即可通过上位机操作控制系统，同时制定操作规范，减少误操作；传感器监测系统使得生产过程中各数据直观地表现在界面上，有利于操作人员快速准确地掌握生产情况；该系统具有生产信息记录系统，能够实现生产数据的自动记录和生产报表的自动生成，大大缩减了人工记录和录入生产数据的工作量；搭载了该系统的盾构渣土处理设施在生产过程中更加安全、高效、智能、稳定，有效地降低了管理成本，提升了生产效率。
附图说明
26.图1土压平衡盾构渣土处理智能控制系统示意图
27.图2储料罐结构示意图
28.图3板框压滤机结构示意图
29.图4各系统之间数据传输和控制示意图
30.图5实施例系统业务过程流程图
31.图6泥水分离系统即板框压滤机控制流程图
32.图7系统报警提示流程图
33.附图标记说明
34.筒化浆筛分机11、螺旋提升机12、斗轮洗砂机13、一级脱水筛14、皮带机15、预处理池16、砂泵21、旋流器22、二级脱水筛23、皮带机24、搅拌器31、储料罐32、罐体321、螺旋卸料器322、气动阀门323、泥浆池33、空压机41、气罐42、板框压滤机43、液压站431、压力表432、控制柜433、滤板434、机体435、液压油缸436、进料泵44、皮带机45、排水泵51、高压冲水泵52、清水池53、滤液池54、预处理池液位计c1、压力传感器c2、称重传感器c3、泥浆池液位计c4、进料流量计c5、清水池液位计c6、滤液流量计c7、泥浆浓度计c8。
具体实施方式
35.下面结合附图说明本申请的具体实施方式。
36.如图1所示，一种土压平衡盾构渣土处理智能控制系统，包括设备系统、上位机、plc控制系统、传感器监测系统和生产信息记录系统。
37.所述设备系统包括预处理系统1、泥砂分离系统2、泥浆调理系统3、泥水分离系统4和水循环系统5，其中：
38.所述预处理系统1包括滚筒化浆筛分机11、螺旋提升机12、斗轮洗砂机13、一级脱水筛14、皮带机15和预处理池16。所述滚筒化浆筛分机11安装在预处理池16外，出浆口通过钢结构斜槽与螺旋提升机12入料口相连，所述螺旋提升机12和斗轮洗砂机13安装于预处理池16内，所述一级脱水筛安装于预处理池16外，出料口下方安装皮带机15。
39.所述泥砂分离系统2包括砂泵21、旋流器22、二级脱水筛23和皮带机24。所述砂泵21安装在预处理池16外，进料口连接管道延伸入预处理池16中，出料口通过管道与旋流器22进料口连接，所述旋流器22架设在二级脱水筛23上，泥浆出料口通过管道延伸至泥浆池33上方，所述二级脱水筛23出料口下方安装皮带机24。
40.所述泥浆调理系统3包括搅拌器31、储料罐32和泥浆池33。所述搅拌器31安装在泥浆池33中，如图2所示，所述储料罐32安装在泥浆池33上方，包括罐体321、螺旋卸料器322和气动阀门323，气动阀门323通过橡胶气管与气罐42管道相连，螺旋卸料器322电机通过控制线和气动阀门323相连。
41.所述泥水分离系统4包括空压机41、气罐42、板框压滤机43、进料泵44和皮带机45。所述进料泵44安装在泥浆池33外，进料口连接管道延伸至泥浆池33内，出料口通过管道与板框压滤机43的进料口相连，所述板框压滤机43下方安装皮带机45，滤液出水口连接管道延伸至滤液池54上方，所述空压机41连接管道延伸入气罐42内，所述气罐42出气口通过管道与板框压滤机43进气口相连。如图3所示，所述板框压滤机43包括液压站431、压力表432、控制柜433、滤板434、机体435和液压油缸436，进料过程开始时，液压油缸436将滤板434压紧，开始进料，进料完成后，开始压榨过程，气罐42中的气体进入滤板434开始压榨，压力表432监测压榨压力，压榨完成后，待滤板434内气体放空后，开始卸料过程，液压油缸436松开，待卸料完成后开始下一个循环。
42.所述水循环系统5包括排水泵51、高压冲水泵52、清水池53和滤液池54。所述排水泵51安装在清水池53中，出水口通过管道接入市政管网，所述高压冲水泵52安装在滤液池54中，出水口连接管道延伸至滚筒化浆筛分机11、螺旋提升机12和斗轮洗砂机13处，所述滤液池54设溢流口与清水池53相连。
43.所述传感器监测系统包括预处理池液位计c1、压力传感器c2、称重传感器c3、泥浆池液位计c4、进料流量计c5、清水池液位计c6、滤液流量计c7和泥浆浓度计c8。所述预处理池液位计c1、泥浆池液位计c4和清水池液位计c6分别安装在预处理池16、泥浆池33和清水池53内壁上，用以监测各池子的液位。所述压力传感器c2安装在泥沙泵21与旋流器22之间的管道上，用以监测旋流器22入料的压力。所述称重传感器c3安装在储料罐32的支撑下方，用以监测储料罐32的重量，进而计算得到添加药剂的量。所述进料流量计c5和滤液流量计c7分别安装在泥浆进料管道和滤液出水管道上，用以监测泥浆进料流量和滤液出水流量。所述泥浆浓度计c8安装在泥浆池33内壁上，用以监测进料泥浆的浓度。各传感器所监测到的数据均通过控制线转换为信号传递给plc控制系统，并在上位机的人机交互界面中显示实时数据。
44.所述上位机包括主机、显示屏和操作系统。上位机与plc控制系统连接，两系统间数据实时通讯，上位机接收plc控制系统传输的信号，由操作系统将其转换为可视化信号，
具象化显示在人机交互界面上，操作人员在操作系统上做出的指令由上位机转化为电信号传输给plc系统执行。操作系统界面设置有设备状态界面、设备控制界面、参数设置界面和报警提示界面，设备状态界面显示所有设备的实时状态，运行状态显示绿色，停止状态显示红色，故障状态显示黄色，同时显示各传感器的数据；设备控制界面显示各个系统和设备的启停按钮，停止时按钮显示灰色，启动时显示绿色；参数设置界面显示板框压滤机43的进料时间、压榨时间以及进料泵44的频率等参数，操作人员可以根据生产情况进行调整；报警提示界面显示预处理池16、泥浆池33和清水池53高液位报警提示，以及板框压滤机43进料过程、压榨过程和卸料过程异常暂停提示。
45.如图4所示，所述plc控制系统与上位机、传感器监测系统、设备系统的执行部件连接，具有传感器数据的收集、根据上位机信号进行设备控制等功能；plc控制系统与设备系统单向指令通讯，即plc控制系统通过发出指令信号控制设备系统中设备的启停状态，而设备运行状态也可通过电路反馈至plc控制系统。所述设备系统由plc控制系统统一半自动控制，操作人员在上位机的界面上点击相应按钮进行操作。
46.水循环系统5中，排水泵51设置启停按钮，可人工控制排水，同时上位机接收清水池液位计c6的信号，当清水池液位高于预设的高液位值时，出现报警提示；高压冲水泵52设置启停按钮，由人工控制冲水启停，同时接收清水池液位计c6的信号，清水池液位低于预设的低液位值时自动停止高压冲水泵52或禁止启动(按钮无法点击)。
47.预处理系统1设置一键启停按钮，启动时，皮带机15首先接收启动信号启动，一级脱水筛14接收到皮带机15的启动信号后启动，依此类推，斗轮洗砂机13、螺旋提升机12和滚筒化浆筛分机11先后启动，停止时，滚筒化浆筛分机11首先接收停止信号停止，螺旋提升机12、斗轮洗砂机13、一级脱水筛14和皮带机15依次停止，完成预处理过程。plc控制系统接收预处理池液位计c1的信号，当预处理池液位高于预设的高液位值时，出现报警提示。
48.泥砂分离系统2设置一键启停按钮，接收预处理池液位计c1的信号，预处理池液位低于预设的低液位值时自动停止泥砂分离系统2或禁止启动。泥砂分离系统2启动时，皮带机24首先接收启动信号启动，二级脱水筛23接收到皮带机24的启动信号后启动，砂泵21接收到二级脱水筛23的启动信号后启动，停止时，砂泵21首先接收停止信号停止，二级脱水筛23和皮带机24依次停止，完成泥砂分离过程。plc控制系统接收压力传感器c2的信号，上位机显示旋流器22入料压力。
49.泥浆调理系统3中搅拌器31和储料罐32单独设置启停按钮，根据上位机界面显示的泥浆浓度判断是否需要加药调理。储料罐32启动时，气动阀门323接收启动信号开启，螺旋卸料器322接收到气动阀门323的启动信号后启动，开始卸料，停止时，螺旋卸料器322接收停止信号停止，气动阀门323接着关闭，完成卸料过程。plc控制系统接收称重传感器c3和泥浆池液位计c4的信号，上位机实时显示储料罐32的重量和泥浆池液位，当泥浆池液位高于预设的高液位值时，出现报警提示。
50.如图6所示，板框压滤机集成了空压机、进料泵和皮带机的远程控制信号，该设备的控制流程即为泥水分离系统的控制过程。
51.泥水分离系统4设置板框压滤机43的一键启停按钮，空压机41、进料泵44和皮带机45的远程控制信号直接接入板框压滤机的控制柜433中，plc控制系统只需对板框压滤机43进行半自动控制即可实现对泥水分离系统4的控制。板框压滤机43启动时，空压机41同时启
动，向气罐42中打气，直到气罐42自带的压力表达到6kpa时暂停，压力表在2kpa以下时，空压机41启动，循环工作。当板框压滤机43开始进入进料过程时，进料泵44会自动运行，在经过参数设定界面设定的延时时间之后，如果plc控制系统未收到进料泵44的运行信号，则自动暂停板框压滤机43的当前进料过程，并且软件界面给出相应的提示；当板框压滤机43已经在进料过程中正常工作时，在进料泵44突然停止或者突然出现故障而停止的情况下，自动暂停当前进料过程，并且软件界面给出相应的提示。在板框压滤机43进入压榨过程时，进料泵44停止，自带的压力表测得的压力大于参数设定页面设定的空气压力低值时，压榨过程继续进行，否则暂停，并且软件界面给出相应的提示。当板框压滤机43开始进入卸料过程时，皮带机45会自动运行，在经过参数设定界面设定的延时时间之后，如果plc控制系统未收到皮带机45的运行信号，则自动暂停当前卸料过程，并且软件界面给出相应的提示；当板框压滤机43已经在卸料过程中正常工作时，在皮带机45突然停止或者因为故障而停止的情况下，自动暂停当前卸料过程，并且软件界面给出相应的提示。板框压滤机43在完成进料
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压榨
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卸料过程后，皮带机45停止，自动进行下一个循环，无需人工控制。
52.所述生产信息记录系统安装在上位机的电脑终端，接收设备系统传输到上位机的生产数据，通过生产信息记录系统对生产参数数据进行处理分析后，电脑终端能根据每个设备的参数数据自动生成生产报表。
53.实施例：
54.如图5
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图7所示的实施例的控制流程，一种土压平衡盾构渣土处理智能控制系统及应用介绍如下：
55.s1在上位机参数调整界面设定好施工参数，在设备控制界面中点击搅拌器启停按钮，启动搅拌器，在设备状态界面中观察泥浆池液位，低于高液位值时可进行下一步；
56.s2清水池液位高于低液位值后，点击高压冲水泵启停按钮，启动高压冲水泵；
57.s3点击预处理系统一键启停按钮，依此启动皮带机、一级脱水筛、斗轮洗砂机、螺旋提升机和滚筒化浆筛分机；
58.s4预处理池液位高于低液位值后，点击泥砂分离系统一键启停按钮，依此启动皮带机、二级脱水筛和砂泵；
59.s5观察上位机界面中泥浆浓度数值，若浓度较低，点击储料罐启停按钮，依此开启气动阀门和螺旋卸料器，加药调理，加完料后再次点击按钮关闭气动阀门和螺旋卸料器，等待泥浆调理至合适浓度；
60.s6泥浆池液位高于低液位值，泥浆浓度合适后，点击泥水分离系统一键启停按钮，板框压滤机自动开始进料过程，随后进料泵启动，开始进料；进料完成后，进料泵停止，板框压滤机、空压机启动，开始压榨过程；压榨完成后，皮带机启动，开始卸料过程；卸料完成后，皮带机停止，进行下一个循环；
61.s7预处理池液位高于高液位值时，出现报警提示，点击预处理系统一键启停按钮停止预处理设备；泥浆池液位高于高液位值时，出现报警提示，点击泥砂分离系统一键启停按钮停止泥砂分离设备；清水池液位高于高液位值时，出现报警提示，点击排水泵启停按钮启动排水泵。
62.以上描述是对本申请的解释，只是阐述本申请较好的实施方法，不是对申请的限定，在不违背申请精神的情况下，本申请可以作任何形式的修改、等同替换、改进等。