基于交點(diǎn)質(zhì)心算法的人員區(qū)域定位系統(tǒng)研究

蔣春利+李政林+羅文廣+王志

摘 要： 采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套地下人員區(qū)域定位的安全管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用智能安全識(shí)別卡作為當(dāng)前移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置的發(fā)出者，無線定位基站作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置的接收者，基于交點(diǎn)質(zhì)心定位算法定位地下工作人員的三維坐標(biāo)位置，并通過以太網(wǎng)將采集到的坐標(biāo)信息傳輸至地面監(jiān)控調(diào)度中心。地面監(jiān)控調(diào)度中心根據(jù)接收到的信息自動(dòng)記錄地下工作人員的相關(guān)信息，并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)生成考勤報(bào)表。整套定位系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)度強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的采集和工作人員的定位，通過與傳統(tǒng)的四邊測(cè)量法實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基于交點(diǎn)質(zhì)心的三維空間定位算法定位效果更好，誤差更小。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 智能安全識(shí)別卡； 無線定位基站； 交點(diǎn)質(zhì)心定位算法

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）17?0027?05

Research on staff regional positioning system based on intersection centroid algorithm

JIANG Chunli， LI Zhenglin， LUO Wenguang， WANG Zhi

（School of Electrical and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China）

Abstract： A safety management system for underground staff regional positioning was designed by means of Internet of Things technology. The intelligent security identification card is taken as the initiator of the current mobile node coordinate location in the system， and the wireless positioning base station is taken as the receiver of the mobile node coordinate position. The three?dimensional coordinate location of the underground staff is located on the basis of intersection centroid localization algorithm. The coordinate information acquired through Ethernet is transmitted to the ground monitoring and dispatching center. The ground monitoring and dispatching center records the relevant information of the underground staff automatically according to the received information， and analyzes and generates the attendance report automatically. The whole positioning system has strong environment adaptability， and can acquire the environment information and locate the staff. In comparison with the experimental result of the traditional four?side measurement method， it is found that the three?dimensional space localization algorithm based on intersection centroid has better positioning effect and smaller error.

Keywords： Internet of Things； intelligent security identification card； wireless positioning base station； intersection centroid localization algorithm

0 引 言

基于多因素下考慮的安全型管理系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)要求需要對(duì)地下的活動(dòng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，還需要具備及時(shí)調(diào)度地下人員與設(shè)備自動(dòng)化操作的能力，從源頭上提高地下工作的生產(chǎn)效率和安全性[1]。當(dāng)前，地下有線監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展得越來越快，作為地下安全生產(chǎn)的重要因素，普遍采用工業(yè)總線的方式，利用電纜、光纖搭建起地下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與地面信息中心的平臺(tái)媒介，這在一定程度上可以確保地下生產(chǎn)工作的有序進(jìn)行，從真正意義上起到安全監(jiān)控的作用[2?3]。但是由于地下工作環(huán)境的復(fù)雜性、有線監(jiān)控系統(tǒng)自身的局限性、不同基站之間的相互干擾等因素，很難對(duì)溫度、濕度、氣壓、風(fēng)力速度、瓦斯?jié)舛?、煤礦塵含量等不利于地下安全生產(chǎn)的性能指標(biāo)實(shí)施全面高效的監(jiān)測(cè)。隨著移動(dòng)通信領(lǐng)域和電子器件領(lǐng)域的快速發(fā)展，低功耗、具有可編程計(jì)算、多參數(shù)感應(yīng)和無線通信能力的傳感器開始得到實(shí)際應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在動(dòng)態(tài)、惡劣、陌生環(huán)境下實(shí)施靈活可靠的監(jiān)測(cè)與定位起著至關(guān)重要的作用[4?7]。

本文結(jié)合地下環(huán)境的特點(diǎn)，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套地下人員區(qū)域定位的安全管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由無線定位基站（簡(jiǎn)稱讀卡器）、智能安全識(shí)別卡（簡(jiǎn)稱識(shí)別卡）、數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)換器三大部分組成，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)地下生產(chǎn)環(huán)境，進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警和跟蹤定位地下工作人員，使管理人員能夠時(shí)刻掌握地下工作人員的位置、人數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)分布和人員的工作路徑，實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；一旦有緊急情況發(fā)生時(shí)，救援人員也可以根據(jù)該定位系統(tǒng)所提供的人員位置坐標(biāo)信息制定相應(yīng)的救援計(jì)劃，確保所有被困人員在最短的時(shí)間里得到救助，將人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失降低到最小范圍。endprint

1 移動(dòng)目標(biāo)下的定位算法

多個(gè)定位基站、參考節(jié)點(diǎn)、用戶界面和通信中的鏈路構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型。以降落傘方式放置的參考節(jié)點(diǎn)部署在整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)中，或者由人工主動(dòng)安置在被監(jiān)控對(duì)象內(nèi)，自發(fā)式搭建網(wǎng)絡(luò)[8?10]。參考節(jié)點(diǎn)主要用于收集周圍的物理量數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)逐條傳遞給基站，并通過互聯(lián)網(wǎng)傳送到監(jiān)測(cè)中心。同時(shí)，控制中心產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，基站和無線傳感器收到相應(yīng)信號(hào)后，會(huì)產(chǎn)生新的監(jiān)測(cè)任務(wù)或者收集監(jiān)測(cè)到的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)信息，如圖1所示。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)主要由單功能的通信設(shè)備構(gòu)成，設(shè)備能夠單獨(dú)對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼、解碼，含有位置的信息通過信號(hào)處理后發(fā)送出去，同時(shí)也能接收來自基站的定位控制信息，并通過已確定的參考節(jié)點(diǎn)無線接收器接收、處理后傳輸至網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器。當(dāng)?shù)孛姹O(jiān)控調(diào)度中心檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，上位機(jī)的反饋信號(hào)將會(huì)傳送給網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器，采用有線傳輸方式傳送至地面監(jiān)控調(diào)度中心，通過調(diào)度中心原有的數(shù)據(jù)庫信息與之對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果鎖定人員身份，之后按先前給定的RSSI定位算法來確定鎖定人員的實(shí)際位置。為了準(zhǔn)確完成移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位，在整個(gè)系統(tǒng)中，一定要保證所有的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在任何情況下都能被3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)或大于3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的路由器接收，從而保證更加準(zhǔn)確地確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息[11]。

為改善三維空間定位精度低的情況，本文提出一種三維空間交點(diǎn)質(zhì)心算法。該定位算法擁有較高的空間定位精度，但對(duì)參考節(jié)點(diǎn)有很高的要求，需要篩選出距離移動(dòng)節(jié)點(diǎn)最近的幾個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，并通過RSSI測(cè)出其與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離，根據(jù)測(cè)距結(jié)果搭建空間模型，構(gòu)造出相鄰兩球心連線與球面的交點(diǎn)，根據(jù)交點(diǎn)與質(zhì)心及兩球心的距離等已知因素求出待測(cè)節(jié)點(diǎn)在空間中的三維坐標(biāo)量。假設(shè)地下環(huán)境中的移動(dòng)物體（即地下工作人員）經(jīng)過距離后的路徑損耗為：

（1）

式中：為待測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在處接收到參考節(jié)點(diǎn)信息的信號(hào)強(qiáng)度；表示待測(cè)節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)之間的距離；為待測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在處接收到參考節(jié)點(diǎn)信息的信號(hào)強(qiáng)度；表示參考距離；為路徑衰落指數(shù)，在不同的環(huán)境下取值不同，一般取2～5；表示均值為0的高斯分布隨機(jī)變量，標(biāo)準(zhǔn)差范圍為4～10。

設(shè)選中的4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)分別為通過RSSI測(cè)距得到待測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的距離分別為可得到以為球心，為半徑的4個(gè)三維空間球面方程為：

（2）

（3）

（4）

（5）

然后將參考節(jié)點(diǎn)兩兩連線，可得到6組方程：

（6）

（7）

（8）

（9）

（10）

（11）

聯(lián)立式（2），式（3），式（6）解得與的交點(diǎn)求得：

（12）

比較的大小，取中間大小的兩個(gè)點(diǎn)為第一組的交點(diǎn)，記為。同理，聯(lián)立其他公式，可以得到另外5組交點(diǎn)。根據(jù)以上12個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)，可以求得待測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)為：

（13）

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及構(gòu)成

2.1 無線定位基站

基站起到了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)之間交換的橋梁作用，基站將采集到的數(shù)據(jù)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)媒介發(fā)送給外部網(wǎng)絡(luò)，管理控制信息或者新的任務(wù)信息通過無線定位基站控制節(jié)點(diǎn)的方式發(fā)送給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[12]。本文采用 KJ1080B無線定位基站，該基站主要由無線接收、SPI通信、E2PROM存儲(chǔ)器及信號(hào)輸出等模塊組成，使用意法半導(dǎo)體推出的CORTEX M0作為主芯片，主頻最高可達(dá)48 MHz，內(nèi)含32 KB的FLASH程序存儲(chǔ)器，8 KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及高性能的32位ARM，1路以太網(wǎng)通信和1個(gè)看門狗（有獨(dú)立的看門狗時(shí)鐘），原理圖如圖2所示。

2.2 智能安全識(shí)別卡

智能安全識(shí)別卡采用nRF24LU1P作為主芯片，它是一款世界通用ISM頻段在2.4～2.5 GHz的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括調(diào)制器、功率放大器、頻率發(fā)生器、控制器、晶體振蕩器、增強(qiáng)型SchockBurstTM模式、解調(diào)器?？梢酝ㄟ^SPI的片選引腳CSN，SPI時(shí)鐘引腳CLK，SPI的MOSI與MISO等對(duì)信號(hào)的功率、選擇頻道和通信協(xié)議等進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，具有極低的電流消耗：當(dāng)發(fā)射功率為-6 dBm且工作在發(fā)射模式時(shí)，電流的有效消耗為9.0 mA；工作在接收模式時(shí)，電流的有效消耗為12.3 mA；工作在待機(jī)和掉電模式時(shí)，則有更低的電流消耗。智能安全識(shí)別卡原理框圖如圖3所示，傳輸示意圖如圖4所示。

2.3 參考節(jié)點(diǎn)

參考節(jié)點(diǎn)接收器主要針對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)設(shè)置好參照節(jié)點(diǎn)，便于準(zhǔn)確地對(duì)其定位，然后將測(cè)量信息量傳輸出去。整個(gè)參考節(jié)點(diǎn)路由器是由外部電源模塊等相關(guān)外接電路和CC2430芯片組成，電路基本構(gòu)成如圖5所示。

使用較少的元器件搭建CC2430外圍電路能夠有效的完成接收和發(fā)送功能，可見CC2430芯片的功能非常強(qiáng)大，衡變器必須連接到天線上，這樣，全部電路產(chǎn)生的信號(hào)都經(jīng)過同一根天線衡變之后發(fā)送或者接收，保證信號(hào)可靠。CC2430芯片在正常模式下的最大輸出功率為0.6 dBm，即使處于完全空曠的場(chǎng)地上其最大的通信范圍為100 m。如果使其工作在多變且復(fù)雜的環(huán)境中，相同路徑傳輸?shù)哪芰繐p耗也將會(huì)大幅度增加，使信號(hào)傳輸?shù)木嚯x變短，嚴(yán)重時(shí)甚至不能滿足實(shí)際需求。當(dāng)監(jiān)測(cè)范圍不夠時(shí)，考慮到增大發(fā)射功率能夠有效地覆蓋全部區(qū)域，因此可以增加一個(gè)前端放大器來增大功率。采用CC2591作為前置芯片是因?yàn)镃C2591的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用方便，內(nèi)部集成度高，在一定范圍內(nèi)能增加覆蓋面，使得CC2430的節(jié)點(diǎn)覆蓋更加有效，同時(shí)可適當(dāng)減少路由器數(shù)量，能在更短的時(shí)間內(nèi)傳送完?？紤]到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置信息發(fā)送無周期性，為保證安全起見，確保CC2430處于工作狀態(tài)是必要的。電源最好是使用地下的動(dòng)力電源進(jìn)行供電，同時(shí)還要配備獨(dú)立電源，保證動(dòng)力電源線路發(fā)生故障時(shí)，仍然能正常工作。endprint

預(yù)先設(shè)置好的固定參考節(jié)點(diǎn)路由器通電后第一時(shí)間就會(huì)開始搜索附近是否有其他網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)出加入請(qǐng)求，一旦加入成功后，工作指示燈就會(huì)點(diǎn)亮，之后開始對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行搜尋，搜尋到后接收的信息，同時(shí)狀態(tài)燈中的紅燈將會(huì)被點(diǎn)亮，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前接收到的信號(hào)進(jìn)行分析判斷，即信號(hào)頻率、頻段等是否匹配，如果匹配則發(fā)送確認(rèn)信號(hào)給它，并對(duì)接收的信號(hào)強(qiáng)度及信號(hào)中包含的位置信息等進(jìn)行信號(hào)處理，處理后的信息量將通過設(shè)置相關(guān)寄存器以最快的傳輸路徑傳送給網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器，傳輸路徑是由各個(gè)路由器和基站等網(wǎng)絡(luò)層組件構(gòu)成，其優(yōu)點(diǎn)是可操作性強(qiáng)。

2.4 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)

為了保證地下安全生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)電路要求具有能量損耗低，工作性能穩(wěn)定可靠，重量體積都不大的特點(diǎn)，這里選擇CC2430芯片作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，它的特點(diǎn)是耗能低，發(fā)射功率低于1 mW。正常工作時(shí)，微處理器的運(yùn)行頻率為32 MHz，工作在接收模式時(shí)能量損耗為27 mA，工作在發(fā)射模式時(shí)為25 mA。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間不是連續(xù)的，當(dāng)工作一次發(fā)送完定位信號(hào)，在接收到回復(fù)信息后立刻進(jìn)入到休眠狀態(tài)。這樣，電源的使用時(shí)間得到了更好的提高，當(dāng)進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，芯片的靜態(tài)電流為0.9 A，改變電流，隨時(shí)能喚醒芯片。CC2430能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)休眠狀態(tài)與工作狀態(tài)的相互切換，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

CC2430芯片內(nèi)部集成了8051 CPU，不需要外接微型處理器，僅需要很少的外圍設(shè)備連接就能完成數(shù)據(jù)信息的接收、發(fā)送及處理。地下工作人員需要佩戴各自的射頻芯片，芯片中含有各自的地址信息，每個(gè)人都不盡相同，當(dāng)工作人員走入某個(gè)參考節(jié)點(diǎn)輻射范圍內(nèi)或者是多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的輻射范圍內(nèi)，隨身的射頻芯片能周期性的自動(dòng)發(fā)射攜帶的獨(dú)特信息等，同時(shí)，也會(huì)自動(dòng)接收來自上層設(shè)備發(fā)出的確定信息或者控制信號(hào)，因?yàn)閰⒖脊?jié)點(diǎn)在接收到信號(hào)后會(huì)反饋發(fā)出一個(gè)確定信號(hào)，確定信號(hào)一旦傳送到射頻芯片后，射頻芯片將會(huì)停止工作進(jìn)入休眠模式，等待一分鐘后再次啟動(dòng)工作模式。

3 系統(tǒng)仿真與測(cè)試

本文改進(jìn)了傳統(tǒng)的基于質(zhì)心算法的三維空間定位算法，首先要測(cè)量出各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)與待測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離量在本文中采用RSSI距離損耗模型求得，通過選取各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)為圓心，半徑為各個(gè)節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離量從而可以畫出四個(gè)三維空間的球面，四個(gè)球面圍成的一個(gè)小空間區(qū)域?yàn)榇郎y(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的所處區(qū)域，然后根據(jù)已知的距離量即邊長(zhǎng)，由三角公式計(jì)算出兩兩球心間距及球心到球面12個(gè)交點(diǎn)的距離，最后將這12個(gè)交點(diǎn)的質(zhì)心作為待測(cè)點(diǎn)的位置估計(jì)。模擬一個(gè)長(zhǎng)1 000 m，寬8 m，高5 m的三維隧道模型，從隧道的入口開始，均勻放置參考節(jié)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)中添加方差為20，均值為4的隨機(jī)噪聲，用來模擬實(shí)際環(huán)境中反射、干擾等影響，如圖7所示，總共設(shè)置有22個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)的具體位置坐標(biāo)如表1所示。

針對(duì)傳統(tǒng)的RSSI算法與三維空間交點(diǎn)質(zhì)心算法在定位方面進(jìn)行仿真對(duì)比，隨機(jī)測(cè)試20組待測(cè)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，如表2所示，在三維空間中，不同定位算法的仿真結(jié)果如圖8所示?！啊痢贝硭倪厹y(cè)量定位算法的仿真結(jié)果，“●”代表基于交點(diǎn)質(zhì)心定位算法的仿真結(jié)果。

通過圖9可以看出，三維空間交點(diǎn)質(zhì)心算法與傳統(tǒng)的RSSI測(cè)距的四邊測(cè)量法相比，誤差相對(duì)比較平穩(wěn)，定位精度較高，相對(duì)而言，三維空間交點(diǎn)質(zhì)心定位算法具有更好的定位效果，能夠更好地滿足三維空間定位的需求。

由于施工人員的進(jìn)出時(shí)間不同及進(jìn)出數(shù)量的不同，讀卡器的讀取順序和數(shù)量自然也不相同，讀卡器的數(shù)據(jù)能及時(shí)反映到地面監(jiān)控調(diào)度中心的系統(tǒng)軟件中，并體現(xiàn)到大屏幕上，使考勤情況一目了然?？记诳梢耘宕饔诠ぷ魅藛T身上任何位置，無需拿出來就能自動(dòng)識(shí)別，準(zhǔn)確度高，操作方便，使管理人員在監(jiān)控室就能及時(shí)掌握施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況。管理人員根據(jù)地面監(jiān)控調(diào)度中心的定位數(shù)據(jù)反饋，開始測(cè)試網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器上能夠連接不同種類的傳感器，進(jìn)行地下各種環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、氣體濃度）的實(shí)時(shí)采集，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后與原先設(shè)定的臨界值進(jìn)行對(duì)比，如果環(huán)境指示燈點(diǎn)亮則表示超過臨界值，通過網(wǎng)絡(luò)總線將數(shù)據(jù)傳送至地面的監(jiān)控室，監(jiān)控室系統(tǒng)會(huì)立即分析收到的數(shù)據(jù)，如果參數(shù)屬于危險(xiǎn)值范疇內(nèi)，會(huì)立刻發(fā)送報(bào)警信號(hào)，同時(shí)通知所有人員離開危險(xiǎn)區(qū)域。在接收用戶請(qǐng)求之前，可以預(yù)先設(shè)置符合要求的環(huán)境信息值。當(dāng)在地面監(jiān)控調(diào)度中心時(shí)可以通過電腦終端進(jìn)行檢測(cè)和控制，當(dāng)離開地面監(jiān)控調(diào)度中心時(shí)，可以通過手機(jī)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。

4 結(jié) 語

本文的地下人員區(qū)域定位系統(tǒng)會(huì)根據(jù)接收到的信息自動(dòng)記錄人員姓名、工號(hào)、部門、進(jìn)出時(shí)間、路徑等，并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)生成考勤報(bào)表，為隧道、井下施工提供考勤管理信息。識(shí)別卡可以記錄出工作人員在地下的工作情況，即工作人員何時(shí)經(jīng)過的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在某一區(qū)域的工作時(shí)間。即使工作人員佩戴識(shí)別卡開車進(jìn)入隧道，無線定位基站也能讀取到移動(dòng)人員的位置信息。為了提高定位系統(tǒng)的精度，本文選擇三維空間交點(diǎn)質(zhì)心定位算法，通過與傳統(tǒng)的RSSI測(cè)距的四邊測(cè)量法實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)三維空間交點(diǎn)質(zhì)心定位算法具有更好的定位效果。

注：本文通訊作者為羅文廣。

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