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“带宽”能通达 “无线”正精彩 |
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记中科院上海微系统所宽带无线技术实验室 |
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中科院上海微系统所为宽带无线技术实验室团队出征四川灾区送行
中科院上海微系统所宽带无线技术实验室团队在四川灾区架设基站天线
□本报记者 郑千里 □王晨绯
2011年5月1日，美国的海豹突击队神不知鬼不觉，降落在巴基斯坦的一个边远小镇，执行刺杀本·拉登的秘密任务，此时，奥巴马总统端坐在白宫的办公室，运用宽带无线通信系统可视化垂直监察此次行动。
这不是科幻电影中才能出现的场景——“反恐”，世界各国都要付诸实际的行动。“如若我国‘海豹突击队’需要行动，我们科研团队就必须满足国家需求，拿出类似的宽带无线通信系统，可视化垂直监察那些恐怖组织的活动，以及监察其他危及国家和人类社会安全的活动。”中科院上海微系统研究所研究员卜智勇对《科学时报》记者说。
2008年5月12日汶川的大地震，使四川一些重灾区成为了“信息孤岛”，时任中科院微系统所所长的封松林和同仁们以最快的速度主动请缨，经与绵阳市政府紧急磋商，5月16日，中科院上海微系统所组织了一支通信专家救援队，以第一速度赶赴北川。卜智勇临危受命担任救援队的队长，首次将他参与研发的宽带无线应急通信技术成功应用于地震灾区，显现出了神勇的威力。
作为中科院知识创新的重要成果之一，宽带无线通信系统这几年迅猛的发展态势，再一次验证了当年中科院科研布局的战略性和前瞻性。
在这一科研布局中发展起来的微系统所宽带无线技术实验室，在此后发生的多次国家重大事件中登台亮相，扮演了不可或缺、越来越显得重要的角色。
美丽转身中的蜕变
1997年7月，留美多年回国的江绵恒，出任了中科院上海冶金所（中科院上海微系统所前身）所长，按中科院党组的统一部署，开展了建所以来一次最大规模的学科方向调整，将原来的近100个研究项目进行筛选甄别，最终凝练成为“微结构材料与器件”等6个知识创新项目。2001年11月，研究所更名为“微系统与信息技术研究所”。微系统所进入知识创新工程二期以后，学科方向进一步凝练为无线信息系统及网络、微系统、信息功能材料与器件等，确定了“系统带器件，器件带材料”的发展战略。
2002年5月封松林出任中科院上海微系统所所长。卜智勇早年曾在芬兰的诺基亚公司做博士后，归国后，作为引进的优秀人才，卜智勇欣然加盟了微系统所，“我来微系统所工作不是考虑待遇问题，而是受封松林的热忱打动，考虑未来的发展舞台”。卜智勇接受采访时快人快语。
2004年夏天，前往赫尔辛基的一条邮轮上海风送爽，封松林与东南大学移动通信国家重点实验室主任尤肖虎教授，以及诺基亚公司的有识之士交谈甚欢——他们之间达成了在未来的合作中图谋发展的共识。国家正在部署下一代的移动通讯项目，“863”计划设立了一个重大专项，微系统所正在作积极的筹划，卜智勇的到来可谓恰逢其时，为研究所开辟了一个新领域。
微系统所在恰当的时机找到了合适的关键人才，选好了科研能长驱直入的突破口，又有了合适的组织机制保障，打开了今天发展的新局面。
以封松林其学术带头人的亲和力和凝聚力，加上卜智勇对科研的专注和悟性，以及他带来的一定人脉关系，微系统所通过广泛的外引内联，在无线通讯方面建起了国际化的合作平台，迅速地带起了一支队伍。
在短短几年间，卜智勇凭借微系统所搭就的平台，先后从事了第三代移动通信标准的开发、主持中国第一款CDMA2000手机的研制、国家“863”计划等多项重大课题，并参与了欧盟第六框架科技发展计划相关项目，还率先在国内开发出了拥有自主知识产权、兼容国际标准的宽带无线接入系统。
临危受命中的大显身手
卜智勇没有想到，他参与研发的宽带无线应急通信技术，首次实际使用竟然是在四川的地震灾区。地震曾使得灾区的通讯一度全部中断，2008年5月17日凌晨3点多，卜智勇等15名科研人员抵达北川，立即着手寻找基站的架设位置。他们驻扎在北川中学，距离选定架设基站的山头将近5公里，从上海带来的设备重达1吨，包括5套基站、30个移动终端，都需要翻山越岭地自己扛上去。
灾区没有电动设备，基站要打地桩、架天线，只能靠铲子和铁锹。他们终于把基站牢牢竖在了山头上。系统架网成功之后，北川县救灾指挥部的指挥长宋民牢牢“霸”住了其中一个终端，在第一时间了解到民政部等部门联合制定的《“5·12”地震遇难人员遗体处理意见》，并整整看了2个小时的网络信息。他激动地紧紧抓住专家队队员的手，说：“你们真是帮了我们的大忙啊！”
5月25日中午，卜智勇等到达了青川，顾不上吃饭便投入到搭建宽带无线应急通信系统的工作，仅用2个多小时便完成了站址勘测、基站架设和系统调试的任务，使得无线信号能够覆盖青川县城。
25日下午4时，青川又突发6.4级的余震，所有的手机通信都被中断，大家心急如焚。刚架设完毕的宽带无线应急通信系统及时发挥了作用。卜智勇身处青川震中毫不惧缩，他第一时间通过系统与上海进行了视频连线，描述了余震造成的山体滑坡、泥石流和房屋倒塌状况。
过后差不多每个把小时就有一次轻微余震。救援专家队员从营地前往架设在半山腰的基站检查设备，周边不断有巨石从山上滚下，泥石流也随处可见。队员们为保证这条唯一畅通的信息传输生命线不中断，冒着危险爬到基站架设点加固安装设备。
微系统所急速的科技救援，使得北川、平武、青川、唐家山堰塞湖等救灾现场，都可以通过这一应急通信系统，将视频传送到相关指挥部，让指挥部直观快速地了解情况；参加救援的卫生检疫、武警、军队、消防等许多单位，也都便捷地通过该系统，回传了业务资料和现场照片等信息。对此，水利部部长陈雷专门批示：微系统所在处置唐家山堰塞湖风险的过程中，及时准确地显示了现场及全过程的影像，为科学决策、夺取工程排险全面胜利提供了主要的高科技支撑和保障，为确保下游人民的生命安全作出了重要贡献！
2010年4月24日，青海玉树发生7.1级地震，各种基础设施和通讯系统损毁严重，对救灾行动造成了极大的不便。微系统所应青海省科技厅要求，又一次派出专家队伍赶到了灾害第一现场。
玉树抗震救灾前线指挥部等部门联合作战，都利用无线宽带应急系统接入互联网、传输数据。青海省地震局利用无线宽带应急系统，在短时间内实现了上Ｇ的大容量遥感图片的远距离传输；中国军网利用这一宽带技术实现了灾区的网络现场直播，而且画面非常流畅。
“在灾情这么严重的情况下，还能有宽带，实在太不可想象了！”一位外国媒体记者由衷地说。
微系统所研究员郑敏介绍说，最初研发无线宽带系统的时候，并没有太多地考虑到灾害地区的环境。由于长期在救灾第一线的实践，课题组对这一系统进行了“升级改造”，使之能够适应于复杂恶劣的环境，“娇贵的瓷娃娃”，变成了具有很强适应性的“铜豌豆”。这一系统对电力要求不高，可自行充电使用；抗风沙、防水，对高低温环境适应性广；抗电磁场干扰，可自行跳过干扰频段。同时，研发部门还开发出更多的装载形式，有便携式、单兵式、车载式等可适应不同的环境和需求。
“经过两次地震和一些突发事件的检验，由我国自主研发的宽带网络系统，可用于各种重大灾难和突发事件的应急处置，作为国家应急技术储备。”许多业内权威人士对该技术给予了肯定。目前有不少部门提出，将其作为灾后重点部门通讯保障技术。
在国家最需要的那一刻
2009年新疆发生了“7·5事件”，微系统所被中科院成都分院紧急推荐给中科院新疆分院。新疆分院院长张小雷连忙上书给新疆自治区，请求给予设备支持。中科院高技术局局长田静立即批复：请上海微系统所迅速组织力量支援。
7月8日获得批准后，很快卜智勇便率领一支精干的团队，在武警的护送下抵达乌鲁木齐，将15套设备直接运到新疆的公安厅开始架设。
作业面临双重危险，一是形势的危急，二是高空作业的危险，“我们的工程技术人员在没有系安全带的情况下，在40楼的高层作业，中科院新疆理化所的同事们也参与了天线架设”。
乌鲁木齐电磁环境非常复杂，设备最初设定的频率总是受到干扰，团队第一次将最新科研成果“频谱感知”技术派上了用场——该技术能够发现被占用的频率并自动调整自身的频率。
卜智勇团队在新疆一共作业了20天，“我们和中科院新疆理化所以及中科院微电子所等单位协力合作，又干了一件足以让国家放心和满意的事情，充分体现并彰显了中科院的办院方针”。卜智勇言语中透着些许的自豪。
“当时乌鲁木齐社会治安曾一度比较严峻，要说我们心里一点都不怕那是假的，但我们想到，自己作为‘一介书生’，能够奔赴新疆从事的这一科研工作，能够让高层领导作出正确的决策、保障新疆人民的安宁，个人安危也就置之度外了。”
“7·5事件”后，围绕国家安全、社会安定和经济建设的迫切需求，上海微系统所、新疆理化所、北京微电子所等协作和联合，研制出反恐维稳专用的感知网络的总体技术方案和关键技术，开发了反恐维稳可视化指挥系统、石油天然气管道无人值守安全预警系统、基于多种传感信息的边境封控系统的设备和应用支撑系统，在乌鲁木齐、果子沟、红其拉甫部署应用示范网络，对关键技术和核心设备进行测试验证与完善，为反恐维稳工作提供了安全、可靠、智能、高效的信息化解决方案。
2010年，上海微系统所负责研发的可视化指挥系统，参与到上海世博会安保系统中。上海市委书记俞正声在检查世博会的安保情况时，对拿到手中的可视化指挥“小盒子”非常震惊：有了这个“小盒子”，所有的监控都能是双向的，指挥者与被指挥者之间能够达到很好的互动。俞正声当即便通过移动化的视频，对现场安保人员表示了亲切慰问。
世博会期间，韩国馆因为一场演唱会造成骚乱，原本最多只能容纳6000人的场馆，当晚竟聚集了10000多人。情况危急，安保部门迅速调出5套可视化设备，通过对现场四周的拍摄，并将视频及时传输到指挥部，为高层领导的决策提供了很好的依据。
“比身临现场还要清楚，我当时虽然身在远方的指挥所，可视化指挥系统发挥了很好作用，那次情况处置很得体。”世博会安保的最高负责人对此仍记忆犹新。
此外，在西藏“3·14事件”、海南博鳌论坛等国家重大事件中，也总能看到卜智勇等人的身影。
在高铁上续写的辉煌
2008年之后，卜智勇团队与铁道部铁路运输局以及通号集团合作，将研究成果运用于高速铁路，进行传输系统系列产品的开发。
“我们原来设想能不能把天线设到外面，但真要在沪杭高铁上设置这样一个装置费用不菲，车厢里增一个插座都要加3万到40万元。”参与该科研项目的郑敏研究员说，“故此，我们只能把原来的吸盘天线改成平板天线，放在车厢里面，但由于车厢的信号屏蔽影响很大。我们团队又动脑筋，最终将天线设置在窗子上。”
基于方案设计与实际操作中的许多问题，合作双方展开了激烈讨论。“我们认为，应该采取位置信息切换技术，而最初通号集团想采用传统的GSM基于信号强度的切换。”通过对现场临时快速通讯几个方案的比较，通号集团认识到前者的优越性，非常认可该方案。
整个铁路沿线基站怎么同步的问题，通号集团的科研人员提出同步时钟源方案，宽带无线实验室的科研人员认为此方案优于最初设计，便对原方案及时进行了修改。“铁路系统是个比较有‘战斗力’的系统，是和咱们能相匹配的系统。”郑敏如此总结。
2010年8月，卜智勇带队领麾下的一支科研队伍，赶赴沪杭高铁屠甸段进行实测。“他们都是一些无线宽带通讯的高手，这几年跟着我吃了不少苦，但也都成长起来了。”卜智勇说。
白天，他们在轨道车上进行测试，“我们原以为轨道车有空调，可能会比较舒服，结果根本不是想象的那样。”陆犇博士笑言。
测试轨道车长15米，是老式的燃油发动机。一开始大家按常理关掉车窗打开空调，结果十几分钟过去，车厢里温度反而更高，大家只好把车窗打开才舒服点。晚上，他们在公路上开着汽车实测，对白天的数据进行修改。
正在建设中的高铁，许多站点都比较偏僻，连司机也找不到路，“我们一直连夜跑路，人家起初以为我们是借助夜幕搞破坏，后来几个公路收费口的人都认识我们的面孔，我们甚至开玩笑能不能少收点费”。卜智勇团队所经历的科研实践，是许多实验里没经历的趣事。
现场测试中暴露出很多实验室没有出现的问题。他们临时架起小型实验室，一边作实际的测量，现场设计新的算法，一边现场写代码，重新调试设备。
“我们去的那些博士从没受过那份罪，当时天很炎热不说，他们还被蚊子叮的浑身都是包。”卜智勇有些心疼他的团队。
“其实铁路部门对我们还是很‘宽容’的，最初就让我们要做好一个月下来什么也测不到的心理准备，因为火车行进过程中速度很快，可控性不强，但我们一次测下来，数据流量和时延就把他们给震住了。”郑敏对此感到颇为欣慰，“他们不仅对我们技术认可，对我们整个战备状态也很满意。”
2010年9月，通过高铁上一系列试验，他们做成了世界上第一套在实际线路上跑的传输系统。该系统支持列车的最高运行时速为416公里，提供车地之间30兆的传输速率。
采取根据火车位置的信息切换，取代了传统根据信号强度切换，在信号的准确性以及时延性上有了好的进展。根据火车速度算出多普勒效应，在发送机和接收机中作预补偿，克服了火车移动的双倍多普勒效应。因为火车在行进过程中，基站位置离铁轨大概有100至300米距离，针对线状结构网络，团队研发出频分二维交叉覆盖体系，解决了火车从远处开来出现的“灯下黑”现象。基站和基站之间可以横联，传统式光纤联系，涉及到广义多载波技术，涡轮迭代接收机技术，朴实的多天线、多接收技术。
围绕铁路的通讯传输系统问题，卜智勇团队也展开了一系列的技术研发，如路轨的沉降监测等。用传感器测量路轨状态、风速、应力，为沪杭铁路沿线路况提供状态信息。
庆功宴上，铁路方面的代表孙毅高举酒杯，向立下战功的伙伴们逐一敬酒，“我在一旁盯着你们测数据，几乎都熬不住了，你们却白天黑夜一直在工作，这种战斗精神真是难得可贵！”
中国科学院时任院长路甬祥对无线宽带实验室的出色工作赞赏有加，曾写下这样一句批示：“这是一个特别能吃苦和能战斗的实验室！”
智能电网又添精彩
2009年5月，国家电网公司在“2009特高压输电技术国际会议”上，提出了“坚强智能电网”的发展规划。
卜智勇介绍说：“智能电网”是新兴战略领域，所以我们和国家电网研究院合作，围绕“坚强智能电网”做了三件事情。
首先是做了一个线路监测系统，目的是避免类似北美大停电的现象出现，提供线路传输保障。系统并不需要测量电流和电压来保障高压电路的安全性，而是通过把电力线的弧垂、风速、应力、浮冰等九大类信息测量出来，再通过监控平台，可视化监测每一个塔的张力情况。
该技术的难点不是传感器本身而是信息传输。以前为了解决传输问题只能将光纤熔断，熔断过多有将带来负面效应，无线宽带便解决了这个困扰已久的难题。但两个变电站之间的正常距离为200～300公里，而每个电线塔之间的距离将近500米，需要采用多跳的网络技术进行传输。同时国家电网希望监测可视化，这对带宽、传输速率、多跳后的时延有一定要求，并且要求系统的网络架构具有抗毁性的多跳架构，网络具备自测和自愈功能。
高压线监测方案一经提出，就有好几个省提出了合作的期望。
第二件事情，是做了无线配网自动化系统。智能电网要求智能配电设备增加，通讯和传输的手段也同时水涨船高。像扬州这样规模的城市大概需要5万至10万个节点，这时光纤通讯就存在着问题，无线通信成为可选手段。无线通信中的GPRS虽然能满足需求，但可靠性和安全性得不到保障，并且产生大量的费用。针对这种国家需求，无线宽带实验室和国家电网科学研究院合作，专门定制了一套应用于电力运行的光载通讯系统。国家电网研究院根据了解、收集到的情况提出需求，无线宽带实验室提供技术支撑。
该技术成功解决了智能电网的无线传输和控制通道问题。电力设备的控制时间是2毫秒，一个基站大约存在1万个用户，涉及无线资源调度分配和优先级的设定，所以对控制信号的反馈时间要求很短，而业务种类的等级要求多，则需要整个系统能够频率自适应。系统能自动侦测到当地有否电台，频率是多少，并根据被占用的频率，再自身分配新的频率。
卜智勇说，该技术世界很多国家还处于理论研究阶段，我们已经在工程上做出来，而且在南京已经开通实验网。此外，实验室还与许继集团和南瑞集团合作，将此项技术加以产业化应用。
第三件事情，是基于配电提供线损能耗节约手段。目前国家电网中很多电能损耗和信号匹配有关，原因在于用电设备的增加导致线路状态变化。如果使网络信号匹配更好即可降低线损。研究团队在传统变压器附近放了一个电容，根据侦测到的信号，调节后感电容。方法看似简单，但实际运用的效果非常理想。
卜智勇称，与国家电网研究院的合作将使该技术的实时性增强，“我们做通讯，他们做电力，我们一合作就形成这个技术”。已分别与国网电科院、中国电科院、中电装备等相关单位在前期互相了解的基础上展开了联合科研，产业化前景看好。
中科院新疆理化所的同仁，与宽带无线技术实验室因在新疆“7·5事件”中的科研合作，从此结下了深厚的战斗友谊。一次偶然的机会，卜智勇团队与他们谈到想在智能电网方面发展，他们主动请缨，帮忙张罗介绍了老同学，成功为与许继集团的合作牵线搭桥。
有一次，和许继集团珠海分公司约定在珠海进行技术交流，卜智勇和郑敏头天还在无锡开项目验收会，第二天一早赶去珠海参加10点半的会议，打“飞的”上了一整天班，“郑敏当晚在上海下飞机，坐出租车快到家时才突然发现身上没有现金，翻遍衣兜只找出1个钢镚儿，只好深更半夜打电话把老婆叫醒，拿着车钱到家楼下等他。我们团队有好多这样的人，工作的事情特别上心，生活上却经常马大哈”。团队的“知情者”这样“爆料”。
“目前南京江宁正在打造国家智能电网基地，把我们列为重要的研发机构，这得益于我们的科技创新，拥有的自主知识产权和技术更领先了一步。”卜智勇对本报记者透露。
“带宽”能通达 “无线”正精彩，卜智勇领导的团队和中国智能电网研究院合作，已开展了一些相应的测试规范，形成行业标准和规范。
荣耀感将大家凝聚
卜智勇戏称他们团队的成员大都是“名校之花”。
赵宇是中国科技大学自动化系毕业的博士，上学读书一路被保送的他，从未曾参加过大型的考试。2005年，他博士毕业到上海微系统所附近的公司应聘Synopsis，因为之前听导师介绍过卜智勇，他便提前给卜智勇打了个电话想“聊一聊”。卜智勇见到赵宇第一眼，就觉得“这个小伙子非常儒雅，很踏实”。没想到十分钟交谈下来，用他们的行话叫做“频点”对上了。赵宇当即决定加盟到团队。
赵宇现在是中科院南京无线宽带移动通信研发中心主任，在团队的工作中还协助承担了“基于NGB无线网络的城域行业专网建设方案”，他对南京市的无线宽带专网的技术路线和应用前景充满了信心——团队前期建设的试验专网在公安移动视频监控、GPS定位跟踪、重大建设项目现场巡视、实时应急指挥调度、重大活动保障等领域的示范应用，已得到业内同行的高度认可。
2011年赵宇回母校中国科技大学招聘学生时，对他的师弟师妹们是这样说的：“我们追求的是事业和人生的成就感，国家大的事件都参与进去。我们无线宽带应急系统可说的故事很多，几乎每次国家的重大事件我们都参加了，感觉到在帮国家做些事情，这种主人翁的感觉是不可替代的。”
陆犇是东南大学毕业的学生，当年他是无线电系最优秀的学生之一，毕业后曾去美国创业型的公司干过一段时间，考虑到父母年迈需要照顾的因素回国，前些年加入到团队中来。在大家的印象中，陆犇做事极度认真，一丝不苟。因为每次交待事情需要给出很多边界条件的定义，而他又能在定义的范围内最优化地完成团队交代的任务。卜智勇私底下称陆犇是一位“杀手级别的人物”。
郑敏自北京邮电大学毕业后到微系统所做博士后，出站后就留在所里，现在担任实验室的副主任。“郑敏在事关抗震救灾、西藏‘3·14事件’、新疆‘7·5事件’等科研项目中，都绝对是一等的中坚分子。目前他主要在抓我们高铁、智能电网的项目拓展。平时我们自我吹嘘，他的资本就是高考时化学考满分。”实验室的同事如此亦庄亦谐地调侃郑敏。
顾小华本科毕业后，曾去英国Essex大学攻读知识产权硕士学位。2003年11月份回到中国，在一次聚餐中认识卜智勇。当时团队中特别需要一位既懂得知识产权又精通英语的人，卜智勇得知顾小华的简历后，便询问她是否有意向加入到团队当中。当她了解到无线宽带实验室团队所从事的项目后，觉得非常新鲜，也欣然同意加盟。
“记得汶川地震的时候，卜智勇老师给我打了电话，让我要准备好应付媒体的‘轰炸’——我们团队就是在这期间声名鹊起的。紧接着果然记者就狂轰乱炸给我打电话，那时我正在月子里，就一边给孩子喂奶，一边不停地接听媒体的电话，充当起团队临时的新闻发言人角色。”顾小华似乎对这段经历颇为自豪，“家里人都在电视里看到对我们工作的报道，自己感觉还蛮好的，有时还能给他们披露点‘内幕消息’。”
“我们所做的事情，像高考交答卷一样，必须是建立在认真准备的基础上，所以我们做任何项目都要成绩好的人。说我们团队成员都是名校之花不为过，他们很多都是英语六级考满分、高考省状元、高考单科状元。”卜智勇这样介绍团队的成员，“当然，他们步出校门加盟团队后的工作表现也很棒，如我们做硬件的团队是个金牌团队，十几层电路板子，一轮就做成功了。他们觉得没有做好没脸见大家，做得好是理所应当。”
主持硬件团队的杨洪生是1967年生人，曾在解放军信息工程大学任教，之后到微系统所进站做博士后，2004年加入到团队中。
“杨洪生老师特别纯真，有一次做EMC测试，我们相互之间打赌看是否能一次就过，赌注是一个月奖金，鉴于行业内能一次性通过EMC测试的，基本属于小概率事件，杨老师考虑再三还是不赌了。没想到真的一轮测试就通过了，杨老师捶胸顿足。”顾小华仍记得杨老师当时“可爱”的模样。
卜智勇认为，现在社会的商业气氛很浓，团队挑选的人才必须是冲着事业来的，这也是团队的核心理念所在。
卜智勇带领的这支团队，已在诸多的“实战演练”中逐渐壮大起来，现在无线宽带技术实验室的课题组有将近300人，他们采取的作战方式为“军团作战”。卜智勇说：微系统所的现任所长王曦院士也是一位很有科研战略眼光的帅才，“王曦所长对宽带无线技术实验室的未来发展和学科方向很有洞察力，给予了我们很好的宏观上的指导，而且他能够知人善任，使我们的工作即便再苦再累也感到很舒心”。
带领着这样一支优秀的团队，当被记者问及以后有何目标时，卜智勇如是回答：第一，在国家的战略高技术装备建设上，我们要成为无线通讯领域里不可或缺的重要力量；第二，我们要成为专用通讯网络的龙头力量；第三，在“十二五”期间，我们要通过自主创新的成果打造出一个成功的上市企业。
智者，因国家需求而能不惑；勇者，因国家利益而可不惧。我们无需做什么占卜，就可以毫无悬念地说：机遇，垂青那些有准备的勇者和智者！
《科学时报》 (2011-06-21 A4 专题)
