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文檔簡(jiǎn)介

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第一單元 層次分析法AHP簡(jiǎn)介(The Analgtic Hierarachy Process-AHP)前言最優(yōu)化技術(shù)在決策分析中占著極重要的位置,數(shù)學(xué)模型在最優(yōu)化技術(shù)中占著統(tǒng)治地位;由于系統(tǒng)越來(lái)復(fù)雜,數(shù)學(xué)模型也越來(lái)越復(fù)雜,掌握運(yùn)用困難很多,并且隨著復(fù)雜性增加,模型解與實(shí)際要求距離也在增加。事實(shí)上,數(shù)學(xué)模型也非萬(wàn)能,決策中大量因素?zé)o法定量表示,所以,有時(shí)人們不得不回到?jīng)Q策的起點(diǎn)和終點(diǎn):人的選擇和判斷,需要認(rèn)真地研究選擇和判斷的規(guī)律,這就是AHP產(chǎn)生的背景。匹茲堡大學(xué)Saaty教授于七十年代中期提出層次分析法AHP。于80年代初由Saaty的學(xué)生介紹到我國(guó)。層次分析AH

2、P的特點(diǎn):1. 輸入信息主要是決策者的選擇和判斷。決策過(guò)程充分反映了決策者對(duì)決策問(wèn)題的認(rèn)識(shí);2. 簡(jiǎn)潔性:基于高中知識(shí),可不用計(jì)算機(jī)完成計(jì)算;3. 實(shí)用性:能進(jìn)行定量分析,也可定性分析;而通常最優(yōu)化方法只能用于定量分析;4. 系統(tǒng)性:人們決策大致分三種:(因果判斷、概率推斷和系統(tǒng)推斷),AHP把問(wèn)題看作一個(gè)系統(tǒng)屬于第三種,真正要搞清楚AHP原理,需要深刻的數(shù)學(xué)背景。好在我們只重應(yīng)用,并不過(guò)多涉及AHP的數(shù)學(xué)背景。AHP的主要不足在于:1. AHP只能用于選擇方案,而不能生成方案;主觀性太強(qiáng),從層次結(jié)構(gòu)建立,判斷矩陣的構(gòu)造,均依賴(lài)決策人的主觀判斷,選擇,偏好,若判斷失誤,即可能造成決策失誤。規(guī)劃

3、論采用較嚴(yán)格的數(shù)學(xué)計(jì)算,把人的主觀性降到最低程度;但有些決策結(jié)果令決策人難以接受。AHP從本質(zhì)上講是試圖使人的判斷條理化,所得結(jié)果基本上依據(jù)人的主觀判斷,當(dāng)決策者的判斷因受個(gè)人偏好影響對(duì)客觀規(guī)律歪曲時(shí),AHP的結(jié)果顯然靠不住,所以,AHP中通常是群組判斷方式。盡管AHP在理論上尚不完善,應(yīng)用中也有缺陷;但由于AHP簡(jiǎn)單、實(shí)用,仍被視為是多目標(biāo)決策的有效方法,至今仍被廣泛應(yīng)用的一種無(wú)結(jié)構(gòu)決策方法。§1 AHP預(yù)備知識(shí)(一)1. 特征根與特征向量設(shè)為n階方陣,若存在常數(shù)和非零n維向量,使得 (1)則稱(chēng),是矩陣A的特征根(或特征值),非零向量是矩陣A關(guān)于特征根的特征向量。1.1 特征根的求

4、法由(1)得,這是一個(gè)n元一次線性齊次方程組,按題意該方程組有非零解,則其充分必要條件為:系數(shù)行列式為零,即 (2)稱(chēng)(2)式為矩陣A的特征方程,它是一個(gè)一元n次方程,由代數(shù)基本定理知,該方程有且只有n個(gè)根。2. 重量模型設(shè)為n個(gè)物體,重量分別是。但是,我們并不知道物體的重量,只知兩兩之間重量比的比值:設(shè)準(zhǔn)則C為重量,問(wèn)題是:已知,在準(zhǔn)則C下對(duì)元素排序,也就是按其重量大小排序已知。顯然滿足(1)(2):(1) (2) (3)但是,(3)式通常不被滿足,滿足(1)、(2)的A為正互反矩陣;滿足(1)、(2)并且(3)也成立時(shí)的稱(chēng)為一致性判斷矩陣。問(wèn)題是:已知判斷矩陣A,在準(zhǔn)則C下對(duì)n個(gè)物體排序。

5、即按重量大小排序。如果,是,是重量的精確值,此時(shí)(3)式必定成立,即A是一致性矩陣。令則顯見(jiàn)n是方陣A的特征根,g是A的與對(duì)應(yīng)的特征向量;事實(shí)上此時(shí)不難驗(yàn)證:n是方陣A=(aij)的最大特征根,其余n-1個(gè)特征根全為零,而g是A的與最大特征根n對(duì)應(yīng)的特征向量。(證明見(jiàn)附錄)g的n個(gè)分量是物體的相對(duì)重量,因此,可按此對(duì)排序。如果對(duì)矩陣A有一個(gè)小的擾動(dòng),即不再是真實(shí)重量的比值,這時(shí)顯然A不滿足一致性條件,此時(shí)A的最大特征根不再是n;因擾動(dòng)很小,自然離n不遠(yuǎn),這時(shí)對(duì)應(yīng)的特征向量雖然不會(huì)是n個(gè)物體的真實(shí)重量,但是,變動(dòng)也不會(huì)太大。我們?cè)O(shè)想:如果擾動(dòng)不大,則離n就不遠(yuǎn),此時(shí)對(duì)應(yīng)的特征向量與差不多,如果不

6、改變g的各分量的大小次序,則同樣給出n個(gè)物體按重量大小的真實(shí)排序。 這樣,對(duì)不滿足一致性的正互反矩陣,我們求其最大特征根,再求與對(duì)應(yīng)的特征向量g,則可按g對(duì)n個(gè)物體按重量大小排序。但是,這一番理論有幾個(gè)疑點(diǎn):當(dāng)A不滿足一致性時(shí),A還有沒(méi)有最大正的特征根;既使A有最大特征根,那么,這個(gè)最大特征根對(duì)應(yīng)的特征向量的全部分量能否還是正數(shù)?因?yàn)椋撎卣飨蛄康母鱾€(gè)分量對(duì)應(yīng)的是n個(gè)物體的相對(duì)重量(特征向量乘一個(gè)非零常數(shù)仍是特征向量)。因?yàn)榫仃嚧鷶?shù)中PerroFrobineus理論明確地回答了這個(gè)問(wèn)題。 Perro-Frobineus定理:1. 正矩陣存在重?cái)?shù)為1重的正特征根,其它特征根的模均小于這個(gè)正特征根

7、,該正特征根對(duì)應(yīng)的特征向量可以全部由正分量組成,經(jīng)“歸一化”處理后該特征向量是帷一的。(證明略)Perron定理明白地告訴我們,對(duì)正的互反矩陣A,既使它不滿足一致性,也一定存在最大正的實(shí)特征根,它對(duì)應(yīng)的特征向量的各個(gè)分量都可以是正數(shù),并且“歸一化”后是帷一的。但是,我們能否按這個(gè)“歸一化”后是帷一的特征向量對(duì)n個(gè)物體按重量大小排序呢?或說(shuō)這個(gè)“歸一化”后的特征向量是否會(huì)改變擾動(dòng)前的一致性矩陣A的最大特征根=n對(duì)應(yīng)的特征向量的各分量間大小的排序呢?這個(gè)問(wèn)題太難了,人們簡(jiǎn)直難于正面明確地回答,而只能給出一個(gè)并不是十分令人滿意的簡(jiǎn)接回答。那就是對(duì)判斷矩陣的一致性滿意程度進(jìn)行檢驗(yàn):我們說(shuō)過(guò),由于對(duì)A不

8、大的擾動(dòng),最大特征根離n不應(yīng)太遠(yuǎn),所以一致性檢驗(yàn)自然與n有關(guān)。我們可以證明:只要A的一致性不被滿足,那么A的最大特征根一定比n大,即n>0。(證明略)令 顯然,我們希望盡量??;但是,小到什么程度,才能使與n對(duì)應(yīng)的特征向量“歸一化”后各分量大小次序不被破壞呢?這仍是一個(gè)非常非常困難的問(wèn)題,可以說(shuō),人們難以正面回答這個(gè)問(wèn)題。為此,Saaty給出了平均一致性檢驗(yàn)值。我們重復(fù)1000次,對(duì)隨機(jī)判斷矩陣A的最大特征根進(jìn)行計(jì)算后求取算術(shù)平均值得到如下平均隨機(jī)一致性檢驗(yàn)指標(biāo)如下:階數(shù)123456789101112131415R.I.000.520.891.121.261.361.411.461.491

9、.521.541.561.581.59 令 當(dāng)時(shí),認(rèn)為判斷矩陣A的一致性是可以被接受的。亦即當(dāng)時(shí),就是說(shuō),當(dāng)給定的判斷矩陣的一致性指標(biāo)C.I.不超過(guò)平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.的0.1倍時(shí),認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以被接受的。言外之意:此時(shí)的A的對(duì)應(yīng)的特征向量“歸一化”后,能給出n個(gè)物體按重量大小的真實(shí)排序。明顯看出這個(gè)回答不是正面的,也有些令人難以置信。但是,這已是目前為止最好的回答了,這也是AHP理論上不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膯?wèn)題。不過(guò),從應(yīng)用角度講,當(dāng)C.R.<0.1時(shí),排序的正確性已為所有應(yīng)用例子所證實(shí)。但是,當(dāng)C.R.>0.1時(shí),AHP不再適用,這時(shí),只能回頭考慮,變更遞階層次結(jié)構(gòu),或?qū)?/p>

10、判斷矩陣A重新賦值。 由此得層次分析法AHP的步驟如下。 結(jié)論: 1. 給了A后求及相應(yīng)特征向量; 2. 將特征向量“規(guī)一”后,即得排序向量; 3. 排序向量是否可信,須進(jìn)行一致性檢驗(yàn),若檢驗(yàn)難過(guò)則可信;否則重新檢驗(yàn)A。§2 AHP的基本步驟用AHP解決問(wèn)題,有四個(gè)步驟:1. 建立問(wèn)題的遞階層次結(jié)構(gòu);2. 構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣;3. 由判斷矩陣計(jì)算被比較元素相對(duì)權(quán)重;4. 計(jì)算各層元素組合權(quán)重,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。下面通過(guò)一個(gè)應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明AHP的每個(gè)步驟的實(shí)施。AHP決策方法應(yīng)用實(shí)例例:某鬧市區(qū)一商場(chǎng)附近交通擁擠。目標(biāo)G:改善該街區(qū)交通環(huán)境。有三種方案可供選擇:修天橋或修高架橋;:修地

11、道;:商場(chǎng)搬遷。選擇方案的準(zhǔn)則有5個(gè):通車(chē)能力;:方便市民;:改造費(fèi)用;:安全性;:市容美觀。試用AHP方法決策決策步驟:一、建立遞階層次結(jié)構(gòu):2. 準(zhǔn)則層3. 方案層1. 目標(biāo)層:通車(chē)能力:方便市民:改造費(fèi)用:安全性:市容美觀方案方案方案最高層:目標(biāo)層G:改變交通環(huán)境 遞階層次結(jié)構(gòu)中,每一層的每一個(gè)元素均是下一層中每個(gè)元素的準(zhǔn)則。二、構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣 在單準(zhǔn)則下分別構(gòu)造,即在G下對(duì),構(gòu)造A;分別在下對(duì)構(gòu)造A在單一準(zhǔn)則下,如何具體構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣呢?即如何具體確定比值呢?在AHP中采用19比例標(biāo)度法。2.1 關(guān)于19比例標(biāo)度n個(gè)元素,兩兩比較其重要性共要比較次。第i個(gè)元素與第j個(gè)元素重

12、要性之比為。問(wèn)題是如何得出的值。AHP采用19比例標(biāo)度來(lái)確定;這是AHP的特點(diǎn),也是優(yōu)點(diǎn)。本來(lái),n個(gè)元素比較n1次,即可確定順序,為什么要比較次呢?這是由事物的復(fù)雜性和決策人的局限性決定的,事實(shí)證明,n個(gè)元素按重要性只有兩兩比較,才能揭示重要性的內(nèi)在規(guī)律,僅僅比較n1次是決然不行的,因?yàn)橹槐容^n1次,其中若有一次失誤,則排序就將遭到破壞。而兩兩比較可減少失誤。 19 比例標(biāo)度表1 表示與重量相同,或重要性相同;3 表示比稍重;5 表示比明顯重;7 表示比強(qiáng)烈重;9 表示比極端重;數(shù)2、4、6、8則為上述判斷的中值。 兩兩比較兩個(gè)元素的重要性,總是在某種準(zhǔn)則(準(zhǔn)則層比較是以總目標(biāo)G為準(zhǔn)則,方案層

13、比較,分別以準(zhǔn)則層中各元素為準(zhǔn)則)下進(jìn)行的。至于為什么取19比例標(biāo)度,而不取別的,是因?yàn)槿藗冎庇X(jué)最多只能判斷出9個(gè)等級(jí)的差異,再細(xì)的差異,人的直覺(jué)是分辨不出來(lái)的,而兩兩比較判斷矩陣是領(lǐng)域?qū)<铱扛杏X(jué)去分辨和構(gòu)造的。從理論上講,用115比例標(biāo)度也未嘗不可,只是人的直覺(jué)分辨不出。對(duì)n個(gè)物體,兩兩比較其重要性得判斷矩陣,顯然滿足:, 共計(jì)個(gè)判斷,所以A是正的互反矩陣,且對(duì)角線上元素為1,這樣的n階矩陣可表示為上三角或下三角矩陣。但A的元素通常不具有傳遞性,即 這是由事物的復(fù)雜性和人的認(rèn)識(shí)的局限性造成的。 如果 成立,則稱(chēng)A是一致性矩陣。從判斷矩陣A出發(fā)到導(dǎo)出元素在某種準(zhǔn)則C下按重要性大小的排序,矩陣A

14、的一致性起著至關(guān)重要的作用。 按著19比例標(biāo)度的上述說(shuō)明,具體構(gòu)造應(yīng)用舉例的六個(gè)準(zhǔn)則下的兩兩比較判斷矩陣分別為:G通車(chē)方便費(fèi)用安全市容通車(chē) 13535方便 1/31313費(fèi)用 1/51/311/33安全 1/31313市容 1/51/31/31/31通車(chē)能力方便天橋 115天橋 135地道 115地道 1/312搬遷 1/51/51搬遷 1/51/21費(fèi)用安全天橋 147天橋 11/21/3地道 1/414地道 211搬遷 1/71/41搬遷 311市容天橋 11/21/3地道 211搬遷 311三、計(jì)算單一準(zhǔn)則下各元素的相對(duì)權(quán)重 對(duì)給出的共6個(gè)正互反矩陣,分別求 (1) (2)與對(duì)應(yīng)的特征向

15、量并歸一化得排序相對(duì)權(quán)重向量。 (3)每個(gè)矩陣求后,都要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。例如: 1. 以作準(zhǔn)則的判斷矩陣為: 因階數(shù)低,可直接求出最大特征根。由于A是一致的,知=3,其它的特征根均為0。下面來(lái)驗(yàn)證這一點(diǎn): 2考慮:準(zhǔn)則下的A,顯然A不滿足一致性,如。 由于A出現(xiàn)一個(gè)小的擾動(dòng)而不滿足一致性,此時(shí)不能再有=3,而是>3,這是,通常用迭代算法求解出再進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。 3.1 補(bǔ)充:求最大特征根的迭代算法 步驟1:對(duì),設(shè)初值向量為: 步驟2:計(jì)算 迭代過(guò)程中,每一個(gè)均是“歸一化”了的。 步驟3:對(duì)預(yù)先設(shè)定的閥值,計(jì)算使 時(shí),則停止,否則繼續(xù)。其中,是向量的第i個(gè)分量。 步驟4:計(jì)算 由此求出最大

16、特征根,以備作一致性檢驗(yàn)用。在此,歸一化后的便是排序向量。 關(guān)于用迭代法求的思路 1. 由 設(shè)是“歸一化”了的,由Perron定理知與對(duì)應(yīng)的特征向量歸一化后是帷一的,所以,令 每迭代一次得,將歸一化后作為下一次迭代初值,直到 為止,則就是帷一的歸一化后的特征向量。 由 故 結(jié)合上述具體例子,進(jìn)行AHP的第四步 四、計(jì)算各層元素的組合權(quán)重 1. 設(shè)第一層元素相對(duì)于總目標(biāo)的排序權(quán)重向量為: (本例中m=5) 第2層在第一層j元素準(zhǔn)則下的排序向量為: (本例中n=3) 令 (m=5) 則第2層n(n=3)個(gè)元素相對(duì)于總目標(biāo)的組合權(quán)重向量為: 在本例中為: 最后得到的就是方案A、B、C在總目標(biāo)G下的排

17、序向量。 2. 對(duì)于遞階層次組合判斷的一致性檢驗(yàn) 我們要逐層計(jì)算,若得到第一層的計(jì)算結(jié)果為:, 則第二層的相應(yīng)指標(biāo)為: 本例中m=5,則 上面和分別是第一層第i個(gè)準(zhǔn)則下判斷矩陣的一致性指標(biāo)和平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。 當(dāng)時(shí) 認(rèn)為遞階層次在2層水平上整個(gè)判斷有滿意的一致性。 請(qǐng)按本文給的例題,補(bǔ)齊AHP的四個(gè)求解步驟。最后求出方案A、B、C在總目標(biāo)G下的權(quán)重排序,以此作為本單元的考核。§3 層次分析模型AHM與無(wú)結(jié)構(gòu)決策的層次分析法AHP相近的一種層次分析模型是AHM(Analytic Hierarachincal Model)層次分析法AHP是一個(gè)重量模型元素為n個(gè)物體,其重量不知,只知其

18、兩兩比較的比值, 由比例標(biāo)度測(cè)度矩陣A求導(dǎo)出標(biāo)度,則w給出物體按重量大小的排序,從,由特征根法求取,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn),一致性檢驗(yàn)是特征根法要求的。下面給出一種球賽模型:球塞模型:元素為n個(gè)球隊(duì),每?jī)申?duì)進(jìn)行一場(chǎng)比賽,共賽場(chǎng),每場(chǎng)比賽為1分,和比賽得分分別為和。準(zhǔn)則c為得分,在準(zhǔn)則c下對(duì)元素按得分多少排序。與滿足: (表明一個(gè)隊(duì)無(wú)法與自己比賽)在實(shí)際問(wèn)題中,可取到0,1上的一切實(shí)數(shù)。稱(chēng)作和的相對(duì)測(cè)度為兩兩比賽判斷矩陣。如果,則稱(chēng)比強(qiáng),記為>,含意是兩者比賽完后得分比得分多,即勝了;若判斷矩陣()滿足:當(dāng)時(shí),有, 則稱(chēng)判斷矩陣具有一致性。注意:,而在此并不罕見(jiàn),即甲勝乙、乙勝丙,而丙勝甲的連環(huán)

19、套是常有的。一致性矩陣的含意是:全部比賽未出現(xiàn)“連環(huán)套”的情況,允許甲大勝乙,乙大勝丙,而甲僅僅小勝丙的情況出現(xiàn)。此時(shí)重量模型的一致性不被滿足,但是球賽的一致性卻可以被滿足,故球賽型比重量模型的兩兩比較判斷矩陣的一致性要求要低很多。的總得分,顯然 總共比賽場(chǎng),共得分。令 (在得分準(zhǔn)則下)稱(chēng)為相對(duì)權(quán)向量,以上討論可由下表給出:準(zhǔn)則c從逐行檢驗(yàn)就可知是否具有一致性。由于兩兩比較測(cè)度判斷矩陣的一致性是;兩兩比較比例標(biāo)度判斷矩陣的一致性要求,顯然在AHP的判斷矩陣的一致性要求高,通常的判斷矩陣的一致性不被滿足;而AHM的判斷矩陣的一致性要求很低,只要甲比乙強(qiáng)、乙比丙強(qiáng),則甲比丙強(qiáng),至于強(qiáng)多少?zèng)]有具體要

20、求,所以一致性要求低,在AHP中一致性不被滿足時(shí),對(duì)應(yīng)到AHM時(shí)一致性卻經(jīng)??梢员粷M足,并且一致性可從自身中觀察檢驗(yàn),通常有下述定理:定理(一致性判定定理)若則比較判斷矩陣具有一致性的必要充分條件是:對(duì)任何i,為非空時(shí) (1)符號(hào)解釋?zhuān)悍强帐侵笇?duì)給定的i,至少有一個(gè)j使,即i比j強(qiáng),所以,非空是指i不是最小者。證明:必要性,若一致性成立,即,則成立。因此知,所以(1)成立。充分性:若非空是,試證當(dāng)是,有。證:因?yàn)榉强?,知,又因?yàn)橹强?,且,知,所以,證畢。應(yīng)用中不必用此定理,對(duì)(uij)進(jìn)行逐行檢驗(yàn)即可驗(yàn)證。注:比賽模型有兩類(lèi):一類(lèi)如田徑、游泳、跳水、體操運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)可以單獨(dú)測(cè)量出來(lái);另一類(lèi)如

21、擊劍、拳擊、球賽,只有通過(guò)兩隊(duì)比賽才能定出來(lái)。重量模型、球賽模型反映了這兩類(lèi)不同的比賽。模型不同,處理方法不同:AHP用特征根法,AHM則不用。用特征根法則要求判斷矩陣的一致性被允許條件下,由比較測(cè)度矩陣A轉(zhuǎn)化換后求出導(dǎo)出測(cè)度w,才是重要性排序權(quán)向量。AHM中的比較判斷矩陣通常是難以求出的,但可由AHP中的比較判斷矩陣中導(dǎo)出:轉(zhuǎn)模公式為:或 當(dāng)時(shí),相當(dāng)于兩隊(duì)比賽,一隊(duì)勝得1分,另一隊(duì)敗得0分,當(dāng)取定,如如上右式。k=9,這相當(dāng)于全勝,極端強(qiáng);k=2,微強(qiáng);k=3,0.857,稍強(qiáng);k=5,0.909,明顯強(qiáng);k=6,0.923,特別強(qiáng);通常情況下比較合適。有了上述定理(或從中直接)檢驗(yàn)一致性,

22、就可以應(yīng)用AHM。實(shí)際上當(dāng)一致性成立,就可用來(lái)按分量大小對(duì)ui排序;綜合得分率最高者認(rèn)為名次在前。事實(shí)上,當(dāng)判斷矩陣不滿足一致性時(shí),仍然可以計(jì)算各隊(duì)的得分率,并按得分率對(duì)各隊(duì)排序也是可以的,故一致性檢驗(yàn)是非本質(zhì)的。 AHM層次決策例仍用“AHP”的例子,某鬧市區(qū)一商場(chǎng)附近交通擁擠。目標(biāo)G:為改善該街區(qū)交通環(huán)境。有三種方案可供選擇:修天橋或修高架橋;:修地道;:商場(chǎng)搬遷。選擇方案的準(zhǔn)則有5個(gè):通車(chē)能力;:方便市民;:改造費(fèi)用;:安全性;:市容美觀。兩兩比較的比例標(biāo)度判斷矩陣如前。問(wèn)題:選擇哪種方案?:通車(chē)能力:方便市民:改造費(fèi)用:安全性:市容美觀天橋地道搬遷最高層:目標(biāo)層G:改變交通環(huán)境解:1、

23、建立遞階層次結(jié)構(gòu): 2、單一準(zhǔn)則下的相對(duì)權(quán)向量 轉(zhuǎn)換公式:G通車(chē)方便費(fèi)用安全市容通車(chē) 00.8570.9090.8570.9090.3530方便 0.14300.8570.50.8570.2360費(fèi)用 0.0910.14300.1430.8570.1230安全 0.1430.50.85700.8570.2360市容 0.0910.1430.1430.14300.0520通車(chē)能力方便 天橋 00.50.9090.47天橋 00.8570.9090.589地道 0.500.9090.47地道 0.14300.80.314搬遷 0.0910.09100.06搬遷 0.0910.200.097費(fèi)用 安全 天橋 00.8890.9330.067天橋 00.20.1430.1

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