航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng)的智慧物聯(lián)感知 體系架構(gòu)研究與應(yīng)用

陳洪雁 萬俊偉 李文溯 翟文麗

摘? 要： 在分析航天業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀及需求的基礎(chǔ)上，面對新興的智聯(lián)感知體系條件下，對現(xiàn)有航天業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的不足，尤其是現(xiàn)有體系架構(gòu)的不適應(yīng)之處進行了總結(jié)分析，提出基于航天試驗任務(wù)網(wǎng)的智慧物聯(lián)感知信息系統(tǒng)體系架構(gòu)，從系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)特點等方面對新體系架構(gòu)與現(xiàn)存體系架構(gòu)進行分析比較，探討了在新的體系架構(gòu)下，構(gòu)建未來航天業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)以及應(yīng)用優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： 航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng); 智慧感知; 物聯(lián)網(wǎng); 體系架構(gòu); 基礎(chǔ)設(shè)施及服務(wù); 信息系統(tǒng)

中圖分類號： TN99?34; TP393.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）13?0021?04

Research and application of intelligent perceptive IOT architecture

for aerospace experiment service network

CHEN Hongyan， WAN Junwei， LI Wensu， ZHAI Wenli

（Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology， Beijing 100094， China）

Abstract： On the basis of analyzing the current situation and requirements of the aerospace service network， the shortcomings of the existing aerospace service network， especially the inadequacies of the existing architecture， are summarized and analyzed under the background of the emerging intelligent perceptive system. The intelligent perceptive IOT information system architecture based on the aerospace experiment service network is proposed to analyze and compare the proposed system architecture and the existing one in the aspects of system composition and structural characteristics. The key technologies in the construction of future aerospace service network and its application advantages under the proposed architecture are discussed.

Keywords： aerospace experiment service network; intelligent perception; IOT; system architecture; infrastructure and service; information system

0? 引? 言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、下一代互聯(lián)網(wǎng)和新一代移動網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使得“實時感知、海量計算、及時反饋”的“智慧系統(tǒng)”的概念有了可能性和技術(shù)基礎(chǔ)。智慧系統(tǒng)建設(shè)是通過物聯(lián)網(wǎng)把無處不在的被植入系統(tǒng)的智能傳感器連接起來，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的全面感知，利用云計算等智能處理技術(shù)對海量感知信息進行處理和分析，實現(xiàn)網(wǎng)上系統(tǒng)數(shù)字空間與物聯(lián)網(wǎng)的融合并發(fā)出指令，對包括科研辦公、裝備資產(chǎn)、環(huán)境安全等在內(nèi)的各種需求做出智能化響應(yīng)和智能化決策支持[1]。

航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng)是為了滿足特定試驗任務(wù)要求設(shè)計建設(shè)的專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是我國航天力量的重要支撐，是連接各類航天任務(wù)中所有參試要素，實現(xiàn)信息交互融合以及資源網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化、體系化協(xié)同運用的基礎(chǔ)平臺。它對實時性、可靠性和安全性有特定的高要求，智慧物聯(lián)感知系統(tǒng)的“實時感知、海量計算、及時反饋”等技術(shù)特征和應(yīng)用優(yōu)勢為航天試驗領(lǐng)域信息系統(tǒng)在體系架構(gòu)擴展、系統(tǒng)資源共享、任務(wù)能力生成、運行模式優(yōu)化等方面提供了契機[2]。

本文通過對航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng)的智慧物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)資源體系的建設(shè)，實現(xiàn)航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)感知信息采集、匯聚、管理、共享，完善航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng)的實時感知體系建設(shè)，為大數(shù)據(jù)管理平臺提供動態(tài)感知數(shù)據(jù)支撐，并實現(xiàn)基于綜合業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)整合，為精細化航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng)管理的綜合研判和快速決策提供支持，優(yōu)化并提升協(xié)同保障機制和效率，強化多體系協(xié)同管理與綜合治理機制。

1? 現(xiàn)狀分析

1.1? 體系架構(gòu)現(xiàn)狀

航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng)以原航天試驗通信網(wǎng)為核心，在整合各航天力量的業(yè)務(wù)專網(wǎng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建，其體系架構(gòu)主要由業(yè)務(wù)層、承載層、傳送層以及通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、通信安全保密系統(tǒng)組成，如圖1所示。

其中，傳送層的主要任務(wù)是為承載層提供傳送通道，業(yè)務(wù)層設(shè)備不直接與傳送層設(shè)備連接，傳送層內(nèi)部系統(tǒng)的相互連接不涉及業(yè)務(wù)層面。業(yè)務(wù)承載層統(tǒng)一采用IP技術(shù)體制，通過統(tǒng)一的組網(wǎng)模式和接口綜合承載各類業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)層提供業(yè)務(wù)應(yīng)用，利用承載層實現(xiàn)信息獲取、處理和應(yīng)用功能。通信安全保密主要采用網(wǎng)絡(luò)加密和安全防護等手段，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各類節(jié)點和傳輸網(wǎng)的安全防護。通信網(wǎng)絡(luò)管理按照“設(shè)備?專業(yè)?系統(tǒng)”的模式實現(xiàn)分級組織、層次管理，完成通信系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)視、設(shè)備遠程監(jiān)控以及資源調(diào)度等功能。

1.2? 不足與差距

根據(jù)現(xiàn)有航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng)的使用情況，存在一系列迫切需要解決的問題，分析如下：目前，測控、遙感、通信、導(dǎo)航、氣象等各航天力量業(yè)務(wù)專網(wǎng)正在進行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相關(guān)建設(shè)，但重建設(shè)、輕標準，重系統(tǒng)、輕互通問題突出，形成新一輪“信息孤島”，此問題在各型業(yè)務(wù)專網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理中心尤為突出，缺乏全局的統(tǒng)一管理和資源動態(tài)調(diào)配機制，導(dǎo)致系統(tǒng)資源使用效率不高，資源動態(tài)調(diào)控能力低，難以實現(xiàn)資源共享與高效運維，無法滿足各航天力量多元信息傳輸需求，限制了數(shù)據(jù)和信息共享、服務(wù)和應(yīng)用融合。

航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng)內(nèi)部目前的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測手段有限，實時監(jiān)測能力不足，且尚未實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的感知與互動，面向服務(wù)的感知能力和手段不足，將直接影響體系協(xié)同能力。新的歷史時期，航天力量所面對的外部形勢更加復(fù)雜多變，各型任務(wù)組織模式機動、靈活，空間和地面組網(wǎng)形態(tài)多樣，航天任務(wù)中精確預(yù)報、快速響應(yīng)等需求日益增強，面對上述新的要求，對信息網(wǎng)絡(luò)自愈能力和信息傳輸?shù)目煽啃砸笕找嫣岣摺?/p>

因此，迫切需要按照統(tǒng)一規(guī)劃，構(gòu)建網(wǎng)系劃分合理、功能定位明確、技術(shù)手段先進的體系架構(gòu)的智慧物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)資源信息系統(tǒng)，實現(xiàn)航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng)數(shù)據(jù)和信息的共享、服務(wù)、應(yīng)用的融合。

2? 體系架構(gòu)設(shè)計

2.1? 建設(shè)需求

從航天試驗智慧物聯(lián)感知信息系統(tǒng)統(tǒng)一建設(shè)、管理、整合和共享的層面，在整體思路框架下進行物聯(lián)網(wǎng)管理平臺及配套設(shè)施體系的建設(shè)。根據(jù)經(jīng)濟和信息系統(tǒng)的發(fā)展，分階段實施，確保各階段成果成為平臺的一個有機整體，促進平臺的可持續(xù)發(fā)展。

1） 物聯(lián)網(wǎng)管理平臺系統(tǒng)具有如下功能：設(shè)備管理、連接管理、數(shù)據(jù)管理、應(yīng)用支撐、網(wǎng)絡(luò)管理、安全管理、系統(tǒng)管理、統(tǒng)一展示門戶、業(yè)務(wù)門戶、平臺管理與運維門戶等。

2） 由物聯(lián)網(wǎng)管理平臺進行系統(tǒng)間對接，包括：大數(shù)據(jù)平臺、信息資源共享交換平臺、業(yè)務(wù)網(wǎng)運行指揮中心、視頻監(jiān)控平臺和樓宇控制管理系統(tǒng)等。

3） 由物聯(lián)網(wǎng)管理平臺進行物聯(lián)感知終端集成，提供相關(guān)感知數(shù)據(jù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)支撐以及統(tǒng)一智慧終端管理，包括：智慧測控、智慧遙感、智慧通信、智慧導(dǎo)航、智慧氣象、智慧測繪等智慧應(yīng)用[3]，為信息資源系統(tǒng)管理平臺提供感知數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)支撐。

4） 基于業(yè)務(wù)私有云基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境進行物聯(lián)網(wǎng)管理平臺部署。

2.2? 總體架構(gòu)設(shè)計

基于航天業(yè)務(wù)網(wǎng)的智慧物聯(lián)感知管理網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，以智聯(lián)網(wǎng)要求實現(xiàn)航天業(yè)務(wù)網(wǎng)統(tǒng)一傳感設(shè)備資產(chǎn)管理，強化精細化管理能力，同時，以形成一套創(chuàng)新的物聯(lián)感知管理模式的標準和規(guī)范體系的整體項目建設(shè)目的為要求，分為應(yīng)用、平臺、數(shù)據(jù)、云基礎(chǔ)設(shè)施及感知網(wǎng)絡(luò)等幾個層次，以及安全保密管理體系和運維標準管理體系進行總體架構(gòu)設(shè)計，如圖2所示。

2.2.1? 應(yīng)用層

面向航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng)的智慧物聯(lián)感知體系運行管理中心以及相關(guān)測控、遙感、通信、導(dǎo)航、氣象等智聯(lián)感知應(yīng)用，通過物聯(lián)網(wǎng)管理平臺獲取本業(yè)務(wù)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測與感知數(shù)據(jù)，同時根據(jù)業(yè)務(wù)協(xié)同的需要獲取其他業(yè)務(wù)監(jiān)測與感知共享數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一通過物聯(lián)網(wǎng)管理平臺進行相關(guān)傳感設(shè)備的統(tǒng)一管理與運行狀態(tài)的監(jiān)控。各領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用及航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng)綜合應(yīng)用等業(yè)務(wù)，根據(jù)各自業(yè)務(wù)管理與區(qū)域業(yè)務(wù)管理的需求與特點，調(diào)用相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺提供各類服務(wù)與開放接口，提升智慧化業(yè)務(wù)能力。

2.2.2? 平臺層

實現(xiàn)多樣化感知設(shè)備管理能力統(tǒng)一傳感設(shè)備資產(chǎn)與管理、物聯(lián)網(wǎng)感知信息匯聚與共享，實現(xiàn)統(tǒng)一感知資產(chǎn)管理與精細化管理，同時，形成物聯(lián)感知管理模式的標準和規(guī)范體系，建設(shè)統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)管理平臺。

物聯(lián)網(wǎng)管理平臺包含感知系統(tǒng)、管理系統(tǒng)以及統(tǒng)一的系統(tǒng)管理及安全管理，其中感知系統(tǒng)包括：感知業(yè)務(wù)運營子門戶、物聯(lián)平臺運營子門戶、物聯(lián)平臺維護子門戶，以及感知數(shù)據(jù)管理、感知管理、應(yīng)用支撐、綜合服務(wù)等模塊。管理系統(tǒng)負責(zé)接入感知層的終端設(shè)備，并進行統(tǒng)一管理，包括應(yīng)用使能、設(shè)備管理、鏈接管理等模塊，在確保物聯(lián)網(wǎng)安全可靠的前提下，原則上應(yīng)實現(xiàn)區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)資源統(tǒng)一接入、統(tǒng)一管理，物聯(lián)感知數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚與服務(wù)，并提供相關(guān)面向多個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

2.2.3? 數(shù)據(jù)層

面向智慧感知物聯(lián)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，依托物聯(lián)網(wǎng)管理平臺，形成相關(guān)基礎(chǔ)信息庫及物聯(lián)感知業(yè)務(wù)庫?；诳臻g信息、感知設(shè)備信息、對象管理維度形成基礎(chǔ)信息庫。同時，結(jié)合實際的業(yè)務(wù)需求及相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)資產(chǎn)管理、信息目錄、編碼賦碼、信息融合等業(yè)務(wù)需求，建立相應(yīng)的物聯(lián)感知業(yè)務(wù)庫。同時，在業(yè)務(wù)網(wǎng)已有的相關(guān)標準規(guī)范框架要求下，結(jié)合本項目需求形成新的物聯(lián)網(wǎng)基于數(shù)據(jù)相關(guān)標準與規(guī)范補充。

2.2.4? 云基礎(chǔ)設(shè)施及網(wǎng)絡(luò)層

針對物聯(lián)網(wǎng)管理平臺基礎(chǔ)設(shè)施部署環(huán)境，基于航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng)私有云管理的要求，物聯(lián)網(wǎng)管理平臺在業(yè)務(wù)網(wǎng)私有云基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境上進行部署。私有云提供本計算資源服務(wù)、存儲資源服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)、安全資源服務(wù)，同時，平臺可在私有云環(huán)境中部署運行程序、中間件、數(shù)據(jù)庫軟件、操作系統(tǒng)等。

感知回傳網(wǎng)絡(luò)一般包括運營商蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)、有限感知回傳網(wǎng)絡(luò)。同時，針對安防視頻監(jiān)控平臺、管理系統(tǒng)、智慧應(yīng)用等相關(guān)物聯(lián)傳感數(shù)據(jù)，與物聯(lián)網(wǎng)管理平臺進行數(shù)據(jù)交互時，需要采取必要網(wǎng)絡(luò)安全保障與防護。對于依托智慧應(yīng)用進行有線感知采集獲取相關(guān)氣象、遙感、測控等傳感器數(shù)據(jù)，形成基于智慧應(yīng)用為依托，打造業(yè)務(wù)網(wǎng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)區(qū)域業(yè)務(wù)網(wǎng)的精細化管理，并以此促進基于智慧應(yīng)用統(tǒng)一感知設(shè)施掛載服務(wù)模式與管理模式。

2.2.5? 感知層

業(yè)務(wù)網(wǎng)物聯(lián)感知設(shè)備采集物聯(lián)感知信息，并通過感知網(wǎng)絡(luò)接入物聯(lián)網(wǎng)管理平臺，相關(guān)測控、遙感、通信、導(dǎo)航、氣象等物聯(lián)感知應(yīng)用通過物聯(lián)網(wǎng)管理平臺獲取本業(yè)務(wù)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測與感知數(shù)據(jù)，同時，根據(jù)業(yè)務(wù)協(xié)同的需要獲取其他業(yè)務(wù)監(jiān)測與感知共享數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一通過物聯(lián)網(wǎng)管理平臺進行相關(guān)傳感設(shè)備的統(tǒng)一管理與運行狀態(tài)的監(jiān)控。各領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用及區(qū)域管理應(yīng)用可以依托感知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行相關(guān)數(shù)據(jù)回傳與采集，并調(diào)用相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺提供各類服務(wù)與開放接口，提升智慧化業(yè)務(wù)能力。

2.2.6? 安全保密管理體系

安全保密系統(tǒng)主要包括安全運維、安全態(tài)勢、監(jiān)測預(yù)警、安全防護等功能。從終端接入、網(wǎng)絡(luò)傳輸、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和網(wǎng)間隔離交換等多個方面為地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供多層次的安全防護。

2.2.7? 運維管理標準體系

運維管理系統(tǒng)是確保航天業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)高效可靠運行的重要支撐系統(tǒng)，提供應(yīng)用主動感知、多維多域態(tài)勢融合呈現(xiàn)等功能，提供資源按需調(diào)控策略決策等智能化管理手段，實現(xiàn)統(tǒng)一運維管理。

3? 關(guān)鍵技術(shù)

1） 采用設(shè)備代理及云網(wǎng)關(guān)支持各種類型設(shè)備的接入

業(yè)務(wù)網(wǎng)的智慧感知系統(tǒng)面臨多種多樣的物聯(lián)感知設(shè)備，這些設(shè)備有各種類型的硬件，包括8051，ARM，Intel等，運行著各種類型的操作系統(tǒng)，包括Linux，RTOS，WinCE，Android。接入方式也不同，包括RS 232/RS 485/Ethernet等有線方式，也包括2G/3G/4G/NB?IoT/eLTE等無線方式。接入?yún)f(xié)議也多種多樣，包括MQTT/COAP/HTTP/JT808以及一些私有協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)管理平臺通過設(shè)備代理及云網(wǎng)關(guān)做到接入設(shè)備類型、廠家無關(guān)，支持各樣的物聯(lián)感知設(shè)備的接入。

2） 采用縱深防御機制保障物聯(lián)網(wǎng)安全

物聯(lián)網(wǎng)管理平臺采用縱深防御機制，在物聯(lián)感知設(shè)備中，通過安全接入為設(shè)備提供一定的安全防護能力。在設(shè)備被侵入后，在平臺中對被入侵的設(shè)備進行檢測與隔離，保障物聯(lián)網(wǎng)安全。

3） 采用云化架構(gòu)支持業(yè)務(wù)的彈性伸縮

物聯(lián)網(wǎng)管理平臺基于云化的架構(gòu)設(shè)計，能夠部署在云平臺上，支持平滑擴容。通過對平臺進行分片，可以靈活對接不同的業(yè)務(wù)需求[4]。

4） 采用多級負載均衡機制實現(xiàn)海量終端接入

物聯(lián)網(wǎng)管理平臺基于SOA（Service Oriented Architecture，面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)）的架構(gòu)設(shè)計，采用無狀態(tài)分布式系統(tǒng)，數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)分離的架構(gòu)。通過多級負載均衡機制實現(xiàn)海量終端接入，最大支持1 000萬并發(fā)聯(lián)接。

5） 采用開放性標準與周邊系統(tǒng)集成

物聯(lián)網(wǎng)管理平臺提供強大的開放能力和集成能力，簡化應(yīng)用開發(fā)和集成難度。平臺提供標準REST接口。

6） 采用邊緣計算架構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用等核心能力

邊緣計算網(wǎng)關(guān)具備豐富的工業(yè)級接口，支持各種有線、無線接入方式，滿足各種終端接入，具有寬溫、防塵防水、抗電磁干擾、抗振動等特點，邊緣計算網(wǎng)關(guān)具備邊緣計算能力，可提供開放的容器、虛擬機和計算資源，可安裝Agent APP在本地快速處理數(shù)據(jù)，支持數(shù)據(jù)本地預(yù)分析，滿足業(yè)務(wù)實時、業(yè)務(wù)智能、數(shù)據(jù)聚合和安全等關(guān)鍵需求。

7） 采用大數(shù)據(jù)、人臉識別等多項技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合

采用大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)，具有海量數(shù)據(jù)處理能力，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、處理、分析一體化結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢。結(jié)合人、車、物進行綜合關(guān)聯(lián)分析，利用視頻識別、物聯(lián)網(wǎng)采集與感知、業(yè)務(wù)網(wǎng)感知WiFi探測等技術(shù)，結(jié)合物聯(lián)感知智能分析算法，實現(xiàn)智慧化物物聯(lián)動、人物互動、對人服務(wù)，有力支撐智慧測控、智慧遙感、智慧通信、智慧導(dǎo)航、智慧氣象、智慧測繪等多個業(yè)務(wù)應(yīng)用場景[5]。

4? 結(jié)? 論

基于航天業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的智慧感知物聯(lián)信息系統(tǒng)是一個與航天力量未來任務(wù)組織指揮模式、信息應(yīng)用和服務(wù)需求、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢密切相關(guān)的復(fù)雜系統(tǒng)，本文對現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)在面向未來航天任務(wù)需求的不足基礎(chǔ)上，針對航天試驗信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)對物聯(lián)信息共享和感知服務(wù)的需求，對平臺的建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展進行統(tǒng)籌規(guī)劃，實現(xiàn)了在一體化、自動化、智能化、服務(wù)化方面更具有優(yōu)越性的新的體系架構(gòu)。

通過物聯(lián)網(wǎng)感知能力有力支撐航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng)整體信息化工作統(tǒng)籌，逐步消除信息孤島，以“對物的全面感知和智能管控，對人的精準服務(wù)和綜合辦公”為目標，基于感知數(shù)據(jù)流為依托，全面打通數(shù)據(jù)線和服務(wù)線，實現(xiàn)全域一網(wǎng)、全域感知、全鏈條打通的航天試驗業(yè)務(wù)網(wǎng)運行管理系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見，未來航天業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)必將在可知、可管、可控、可信等方面得到較大提升，最終為航天力量一體化、協(xié)同化發(fā)展提供良好的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

參考文獻

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