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    一種應(yīng)用于綜合艦橋系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

    2014-12-02 06:06:48欒厚斌
    艦船電子工程 2014年3期
    關(guān)鍵詞:體系結(jié)構(gòu)航海艦船

    欒厚斌 王 立

    (1.海軍駐426廠軍事代表室 大連 116005)(2.河南大學(xué)歐亞國(guó)際學(xué)院 鄭州 475001)

    1 引言

    綜合艦橋系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)存在多種多樣的方法,目前基本達(dá)成共識(shí)的是一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)必須由多種視圖才能比較充分地描述出來(lái)。在分析研究當(dāng)前多種先進(jìn)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想后,參考國(guó)外綜合艦橋系統(tǒng)的總體架構(gòu),本文對(duì)三維綜合艦橋系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),包括運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述。

    2 運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)

    運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)規(guī)定實(shí)現(xiàn)艦船安全經(jīng)濟(jì)航行所需執(zhí)行的任務(wù)和活動(dòng)、主要節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)之間的信息流程,用于監(jiān)控艦船安全經(jīng)濟(jì)航行的工作過(guò)程。運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)明確地描述了信息交換的狀態(tài),確定需要何種層次的互操作能力。

    運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)可以作為高層體系結(jié)構(gòu),指導(dǎo)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。本文主要從工作流程和信息流程兩個(gè)角度表述綜合艦橋的運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)。

    1)綜合艦橋系統(tǒng)的工作流程

    綜合艦橋的工作任務(wù)由信息探測(cè)采集任務(wù)、綜合決策任務(wù)、控制執(zhí)行任務(wù)與狀態(tài)監(jiān)視任務(wù)四個(gè)部分組成。

    (1)信息探測(cè)采集任務(wù)通過(guò)各種傳感器感知和采集艦船的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、主機(jī)狀態(tài)信息、艦船平臺(tái)狀態(tài)、周圍環(huán)境的信息與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息,形成綜合航海態(tài)勢(shì);

    (2)綜合決策任務(wù)完成系統(tǒng)航行計(jì)劃業(yè)務(wù),并根據(jù)航行計(jì)劃和綜合航海態(tài)勢(shì),在航海專家知識(shí)庫(kù)支持下制定航行策略;

    (3)控制執(zhí)行任務(wù)根據(jù)航行決策指令確定航行控制參數(shù),通過(guò)車、舵聯(lián)合操縱,控制艦船按指定要求航行并記錄艦船航行過(guò)程;

    (4)狀態(tài)監(jiān)視任務(wù)監(jiān)視艦船的航行狀態(tài)與艦船設(shè)備安全運(yùn)行狀態(tài)。

    2)綜合艦橋系統(tǒng)的信息流程

    綜合艦橋系統(tǒng)經(jīng)歷40年的發(fā)展,已經(jīng)集成了導(dǎo)航、駕控、航務(wù)管理、艦船安全、輪機(jī)控制、安全管理、通訊、艦船裝載、卸載和載荷控制等多種功能,這些功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程也就是相關(guān)信息的采集、處理及融合過(guò)程。所以,當(dāng)前最先進(jìn)的綜合艦橋系統(tǒng)被稱為綜合艦船信息系統(tǒng)(即Integrated Ship Information System,ISIS)。IBS 的信息流包含三個(gè)基本環(huán)節(jié):一是導(dǎo)航信息獲取,即從導(dǎo)航傳感器獲取信息;二是航行規(guī)劃和指揮控制,即人的意志表達(dá);三是操縱和控制,即意志的實(shí)現(xiàn)。因此,IBS 也是典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

    導(dǎo)航傳感器是信息流的始端,艦船綜合導(dǎo)航系統(tǒng)利用慣性、水聲、衛(wèi)星無(wú)線電、機(jī)械和電子傳感器測(cè)量艦船平臺(tái)的航向、位置、速度、縱橫搖及其變化率等平臺(tái)航姿信息,利用氣象、水文接受處理設(shè)備獲取海洋環(huán)境信息,建立導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)庫(kù),經(jīng)集成處理后,通過(guò)船用網(wǎng)絡(luò)提供給作戰(zhàn)平臺(tái)和艦船平臺(tái)。

    操縱和航行控制是信息流的終端,根據(jù)航海人員的思想通過(guò)智能控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船航行和導(dǎo)航設(shè)備的控制,并將控制結(jié)果反饋給IBS平臺(tái),從而實(shí)現(xiàn)艦船自動(dòng)控制。

    3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)將運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)定義的任務(wù)和活動(dòng)轉(zhuǎn)換為一系列系統(tǒng)功能模塊,定義支持信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)體系,以保證系統(tǒng)使命任務(wù)的完成。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)關(guān)注物理組件(包括軟件模塊)的耦合關(guān)系,描述實(shí)現(xiàn)運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)所需軟硬件資源的層次結(jié)構(gòu),促進(jìn)系統(tǒng)組件間的互操作和重用[1~2]。

    1)綜合艦橋系統(tǒng)的組成元素

    綜合艦橋系統(tǒng)(IBS)是在組合導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型、功能更強(qiáng)的海上自動(dòng)航行系統(tǒng),圖1給出了國(guó)際海事組織對(duì)IBS及INS的定義。從圖中可以看出IBS的主要功能體現(xiàn)在對(duì)艦船的監(jiān)測(cè)和控制以及輔助其實(shí)現(xiàn)的通信功能上。INS是IBS完成監(jiān)測(cè)和控制艦船的信息來(lái)源。IBS采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法,將船上的各種導(dǎo)航設(shè)備、艦船操作控制設(shè)備和雷達(dá)避碰設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合起來(lái),利用計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代控制、信息融合等技術(shù)實(shí)現(xiàn)艦船的自動(dòng)、安全和經(jīng)濟(jì)航行。系統(tǒng)具有完善的導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛、自動(dòng)避碰、通信和航行管理控制等多種功能。

    圖1 國(guó)際海事組織定義的IBS和INS

    目前IBS已發(fā)展成集導(dǎo)航、控制、顯示、監(jiān)視、管理和通信等功能于一體的綜合艦船航行、控制系統(tǒng),主要由以下幾部分組成:

    (1)電子海圖顯示與信息系統(tǒng)ECDIS(Electronic Chart Display and Information System)通過(guò)電子海圖及導(dǎo)航傳感器的定位信息幫助航海人員進(jìn)行航線規(guī)劃和航線監(jiān)測(cè),還可以按照航海人員的需要顯示其它相關(guān)航行信息。ECDIS是在專用計(jì)算機(jī)的控制下,集中處理海圖數(shù)據(jù)以及從慣性系統(tǒng)、GPS、羅蘭-C、雷達(dá)等獲得的導(dǎo)航信息以及艦船運(yùn)動(dòng)參數(shù),實(shí)時(shí)顯示航海信息。它可顯示海區(qū)情況、提供航海資料、自動(dòng)進(jìn)行海圖作業(yè)、進(jìn)行航路監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)情況自動(dòng)告警等。

    (2)艦船自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)艦船自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS(Automated Identification System)是一種新型的輔助航行系統(tǒng)。AIS能夠自動(dòng)向裝備AIS設(shè)備的海岸電臺(tái)、其它艦船及航空器提供或接收相關(guān)信息,包括國(guó)籍、船型、位置、航向、航速、航行狀態(tài)及其它相關(guān)的安全信息,監(jiān)視和跟蹤這些艦船并能與岸基電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

    (3)自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪輔助系統(tǒng)ARPA(Automated Radar Plotting Aid)自動(dòng)獲得和追蹤避碰點(diǎn),給觀察人員提供準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的避碰信息。ARPA主要包括以下功能:避碰點(diǎn)自動(dòng)探測(cè)、濾波跟蹤、碰危預(yù)判、避碰路線、速度和CPA 自動(dòng)計(jì)算、雷達(dá)疊層圖、航向操縱等。

    (4)艦船綜合報(bào)警系統(tǒng)(Alarm System)。IBS的報(bào)警系統(tǒng)能提醒值班駕駛員及時(shí)注意潛在的危險(xiǎn)局面。一旦值班駕駛員在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有對(duì)報(bào)警進(jìn)行確認(rèn),警報(bào)將會(huì)被自動(dòng)轉(zhuǎn)到駕駛員房間、辦公室和餐廳,以要求援助(Call For Back-up Assistance)。所有主要導(dǎo)航設(shè)備的報(bào)警都必須接入IBS報(bào)警系統(tǒng)。

    (5)綜合顯示信息系統(tǒng)(Conning Display)。在IBS系統(tǒng)的控制位置必須能顯示所有與航行和靠泊有關(guān)的重要設(shè)備的信息。在中央控制位置,必須能監(jiān)控主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和駕駛員設(shè)定的狀態(tài),從而進(jìn)行比較和判斷。

    另外IBS還包括數(shù)字通訊子系統(tǒng)、操縱與控制子系統(tǒng)、航行數(shù)據(jù)記錄儀等部分。這些子系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接,通過(guò)相應(yīng)軟件在綜導(dǎo)數(shù)據(jù)庫(kù)的支撐下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、駕控與艦船安全管理。

    目前尚無(wú)國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)對(duì)IBS的組成提出具體要求,但世界著名的船級(jí)社對(duì)綜合艦橋系統(tǒng)應(yīng)具備的功能和設(shè)備都有具體的要求,從中我們可以看出IBS的基本必要的組成。

    2)系統(tǒng)功能

    目前國(guó)際上各類IBS產(chǎn)品都具有五大基本功能。綜合導(dǎo)航、綜合駕控、雷達(dá)避碰輔助決策、安全與綜合報(bào)警、通信和航海輔助控制等是各類IBS產(chǎn)品都具有的五大基本功能[2],這正是解決艦船出航五項(xiàng)基本工作任務(wù)所需要的。

    各類典型的IBS產(chǎn)品既有共性又有個(gè)性,共性就是五大基本功能,而在提供自動(dòng)化、智能化水平、體系結(jié)構(gòu)、配套設(shè)備的完備程度和人機(jī)界面的人性化水平等方面又各具特色。仔細(xì)分析各個(gè)廠家典型產(chǎn)品的特點(diǎn),不難看到,Sperry Marine最新的VisionMaster FT 產(chǎn)品在通導(dǎo)和駕控功能方面的設(shè)計(jì)和配備比較全面;Konsberg最新的K-Bridge產(chǎn)品新開(kāi)發(fā)的功能有動(dòng)力定位(DP)和綜合艦船管理(IVMS)功能;Sam 的新一代IBS系統(tǒng)是NACOS 55,這是在新系列1100雷達(dá)設(shè)備基礎(chǔ)上,把雷達(dá)和駕控、電子海圖完美結(jié)合的系統(tǒng);L3Navigation的典型產(chǎn)品是Navinet,在人機(jī)工程學(xué)方面很有特色,具備一人艦橋的能力;還有Norcontrol/Kelvin-Hughes/Raytheon Anschutz都有新品IBS推出,可見(jiàn)IBS系統(tǒng)技術(shù)確實(shí)是最具活力、其發(fā)展勢(shì)頭經(jīng)久不衰,這些特色值得借鑒。

    3)綜合艦橋系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)描述了艦橋系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)以及各部分之間的相互聯(lián)系方式。綜合艦橋系統(tǒng)通過(guò)一體化通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航傳感器、駕控設(shè)備、工作臺(tái)等各種設(shè)備及儀器的互聯(lián);通過(guò)對(duì)艦船航行綜合態(tài)勢(shì)信息的探測(cè)、采集、處理、融合及決策實(shí)現(xiàn)艦船安全經(jīng)濟(jì)航行。因此,依據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和信息處理過(guò)程將系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)劃分為三個(gè)層次。

    第一層為信息采集層,包括了艦橋系統(tǒng)的所有傳感器、通信接口及現(xiàn)場(chǎng)總線(含通信協(xié)議)。該層完成導(dǎo)航信息、操舵信息、操車信息、艦船狀態(tài)信息、設(shè)備故障監(jiān)視和報(bào)警信息以及艦船安全性信息的探測(cè)及采集。

    第二層為數(shù)據(jù)處理層,包括了艦橋集成駕駛臺(tái)的所有導(dǎo)航、駕控、雷達(dá)、安全、通訊工作站。其中,導(dǎo)航工作站完成速度、航向、姿態(tài)與艦位推算,海圖數(shù)據(jù)顯示,計(jì)劃航線設(shè)計(jì)等工作;駕控工作站完成航線跟蹤、自動(dòng)操舵、自動(dòng)操車及與艦船駕駛有關(guān)的重要信息顯示;雷達(dá)工作站完成目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、碰危預(yù)判、速度和CPA 自動(dòng)計(jì)算等;安全管理及綜合報(bào)警工作站完成系統(tǒng)狀態(tài)和各種配套設(shè)備故障監(jiān)視和報(bào)警。另外,艦橋各工作臺(tái)之間以及與外系統(tǒng)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。

    第三層為綜合決策層,在該層,經(jīng)過(guò)處理的各類艦船狀態(tài)信息及綜合態(tài)勢(shì)信息進(jìn)一步融合,并運(yùn)用人工智能技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、多信息融合技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等對(duì)自動(dòng)航行、避碰、安全管理作出最優(yōu)決策,達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)航行的目的。

    這樣設(shè)計(jì)的系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)形成了支持系統(tǒng)各類應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、信息流通和運(yùn)作各項(xiàng)任務(wù)的基礎(chǔ)框架,為功能和信息集成的實(shí)現(xiàn)提供安全性、可用性和可靠性;在這個(gè)基礎(chǔ)框架上可以實(shí)現(xiàn)各工作站之間的互連、互通,可以實(shí)時(shí)傳播和接收各類導(dǎo)航信息和航行數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)存貯并可以通過(guò)體系結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)控制總線傳播和接收各類操控命令、實(shí)施遠(yuǎn)程操控和監(jiān)視,在一個(gè)全集成的綜合艦橋中央駕駛工作站上實(shí)施對(duì)整艘艦船的監(jiān)視和控制;實(shí)現(xiàn)了艦船的導(dǎo)航、駕控、雷達(dá)探測(cè)、航行監(jiān)視、通訊和報(bào)警的高度綜合和一體化。

    4 技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

    技術(shù)體系結(jié)構(gòu)是決定系統(tǒng)部件或組成要素的安排、相互配合和相互依存的最低限度的一組規(guī)則,其目的是確保組成的系統(tǒng)滿足一系列特定的要求。

    技術(shù)體系結(jié)構(gòu)定義了一系列系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作時(shí)必須遵守的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),這些規(guī)范包括起支配作用的全局標(biāo)準(zhǔn)以及局部范圍有效的約定。綜合艦橋是一個(gè)多種工作平臺(tái)、多種導(dǎo)航傳感器信息源的集成處理工作系統(tǒng),系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的基本目標(biāo)是促進(jìn)各工作平臺(tái)、多種導(dǎo)航傳感器信息源之間的數(shù)據(jù)傳輸,以及信息、資源的互操作和重用,這一目標(biāo)在體系結(jié)構(gòu)中某些機(jī)制的支持下得以部分實(shí)現(xiàn),例如網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)、數(shù)據(jù)共享服務(wù)等。但是,這些機(jī)制只是簡(jiǎn)單的使信息共享和重用成為可能,必須定義適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn),并在研制過(guò)程中強(qiáng)制執(zhí)行,才能真正實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。此外,標(biāo)準(zhǔn)還包括指定工具和資源在體系結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用范圍,定義各種模塊投入實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程和方法等。對(duì)于那些可以應(yīng)用于整個(gè)體系結(jié)構(gòu)的公共工具、資源和基礎(chǔ)設(shè)施,建立全局范圍的標(biāo)準(zhǔn)將有助于重用、互操作和信息共享。

    技術(shù)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循國(guó)際通用的各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,盡可能的涵蓋系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)中所需的所有標(biāo)準(zhǔn),包括全局標(biāo)準(zhǔn)和部門局部規(guī)范[3]。

    1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

    關(guān)于綜合艦橋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在國(guó)際上已有一部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,歸納起來(lái)可以概括為:首先是SOLAR公約關(guān)于艦載設(shè)備的規(guī)定,IMO MSC RESOLUTIONS\MSC.64(67)決議是從IBS應(yīng)具有的功能、性能方面做了總體規(guī)定,而IEC 61209 標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)IMO MSC RESOLUTIONS\MSC.64(67)的細(xì)化規(guī)定,ISO 8468-1990是從IBS在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)方面做了具體的規(guī)定。各國(guó)著名船級(jí)社在消化這些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定基礎(chǔ)上,對(duì)IBS提出了應(yīng)具備的60項(xiàng)功能規(guī)定以及電氣電子產(chǎn)品型式認(rèn)可試驗(yàn)指南。另外,還有與IBS配套的一系列設(shè)備IMO、IEC、IHO等國(guó)際組織都有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,這些都是我們進(jìn)行綜合艦橋系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)該弄清楚的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,是設(shè)計(jì)的總體依據(jù)。

    2)數(shù)字接口與通信標(biāo)準(zhǔn)

    (1)IEC 61162-1:航海導(dǎo)航與無(wú)線電通訊設(shè)備和系統(tǒng)數(shù)字接口(Part 1:Single talker and multiple listeners)

    本標(biāo)準(zhǔn)是單播者和多個(gè)接收者、高速發(fā)送的數(shù)字接口的總體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

    (2)IEC 61162-2(第一版1998-09):航海導(dǎo)航與無(wú)線電通訊設(shè)備和系統(tǒng)數(shù)字接口(Part 2:Single talker and multiple listeners,high-speed transmission)

    本標(biāo)準(zhǔn)是航海導(dǎo)航與無(wú)線電通訊設(shè)備和系統(tǒng)數(shù)字接口的第一部分:?jiǎn)尾ザ嗦?tīng),包含了對(duì)航海電子儀器,導(dǎo)航和無(wú)線電通訊設(shè)備互連之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的要求。它是61162-1認(rèn)可的各條語(yǔ)句的補(bǔ)充規(guī)定,對(duì)語(yǔ)句中各個(gè)字段做了具體規(guī)定。

    3)RS-232、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)

    RS-232、RS-422與RS-485都是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn),是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制訂并發(fā)布的,RS-232在1962年發(fā)布,命名為EIA-232-E。RS-422由RS-232發(fā)展而來(lái),它是為彌補(bǔ)RS-232的不足而提出的。為擴(kuò)展應(yīng)用范圍,EIA 又于1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn),增加了多點(diǎn)、雙向通信能力,即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上,同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性,擴(kuò)展了總線共模范圍,后命名為TIA/EIA-485-A 標(biāo)準(zhǔn)。由于EIA 提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是以“RS”作為前綴,所以在通訊工業(yè)領(lǐng)域,仍然習(xí)慣將上述標(biāo)準(zhǔn)以RS作前綴稱謂。

    4)NMEA 0183標(biāo)準(zhǔn)

    NMEA 0183標(biāo)準(zhǔn)定義了航海儀器間通信的電器接口和數(shù)據(jù)協(xié)議。

    5)CAN 2.0規(guī)范(ISO11898)

    CAN 2.0規(guī)范分為CAN 2.0A 與CAN 2.0B。CAN 2.0A 支持標(biāo)準(zhǔn)的11 位標(biāo)識(shí)符;CAN 2.0B同時(shí)支持標(biāo)準(zhǔn)的11位標(biāo)識(shí)符和擴(kuò)展的29位標(biāo)識(shí)符。CAN 2.0規(guī)范的目的是為了在任何兩個(gè)基于CAN-bus的儀器之間建立兼容性;規(guī)范定義了傳輸層,并定義了CAN 協(xié)議在周圍各層當(dāng)中所發(fā)揮的作用。CAN 2.0規(guī)范涉及兼容性的不同方面比如電氣特性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的解釋。

    [1]沈中杰,王武宏,侯福國(guó),等.智能交通信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)字駕駛系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2002,2(1):96-100.

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