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    基于避災(zāi)人口預(yù)測的城市綜合體應(yīng)急疏散仿真試驗*

    2017-10-11 09:11:13江輝仙聶名萱
    災(zāi)害學(xué) 2017年4期
    關(guān)鍵詞:綜合體分配應(yīng)急

    江輝仙,聶名萱,吳 娟,吳 廣

    (1.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350007;2.福建省陸地災(zāi)害監(jiān)測評估工程技術(shù)研究中心,福建 福州 350007)

    基于避災(zāi)人口預(yù)測的城市綜合體應(yīng)急疏散仿真試驗*

    江輝仙1,2,聶名萱1,吳 娟1,吳 廣1

    (1.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350007;2.福建省陸地災(zāi)害監(jiān)測評估工程技術(shù)研究中心,福建 福州 350007)

    以福州市萬達廣場作為城市綜合體研究案例,在區(qū)域范圍內(nèi)選取臨時避災(zāi)點,確定城市綜合體內(nèi)大型商場出口和居住樓宇疏散點等疏散單元及預(yù)測相應(yīng)人口數(shù)量,構(gòu)建適應(yīng)人口分布的避災(zāi)場所應(yīng)急疏散分配模型并驗證其有效性;設(shè)計城市綜合體應(yīng)急疏散仿真試驗系統(tǒng),為受災(zāi)民眾快速準確地到達指定的避災(zāi)點提供最快、最安全的路徑導(dǎo)航方案。該研究可為城市災(zāi)害性事件的虛擬演練和應(yīng)急救援提供決策輔助支持。

    應(yīng)急疏散;路徑;城市綜合體;避災(zāi)點;動態(tài)分配

    隨著社會的不斷發(fā)展,城市化進程的加快,城市化規(guī)模和人口數(shù)量越來越大,不斷新建起了各種類型城市綜合體,如中央商務(wù)區(qū)建筑群、大劇院、體育場館等。這些城市綜合體一般具有人群高度集中,地處繁華區(qū)域等多重性質(zhì)。一旦發(fā)生緊急事件(如地震、火災(zāi)、危險品泄漏等),必將威脅到建筑物內(nèi)的人員安全,因此安全高效的疏散顯得尤為重要[1]。在突發(fā)事件發(fā)生過程中,疏散的行為不當會造成許多人員傷亡,較大的自然或人為災(zāi)害發(fā)生時,還往往伴隨著眾多的次生災(zāi)害。災(zāi)害類型不同,其性質(zhì)和范圍大小,會帶來不同程度的危險,在避災(zāi)所分析過程中,疏散撤離過程也是錯綜復(fù)雜的,也應(yīng)區(qū)別分析。

    本文以中國地產(chǎn)商業(yè)的典型代表萬達廣場城市綜合體作為研究案例,根據(jù)應(yīng)急避災(zāi)時的人口數(shù)量預(yù)測,結(jié)合分析研究區(qū)范圍內(nèi)避災(zāi)空間服務(wù)能力,分析各應(yīng)急避災(zāi)場所服務(wù)范圍內(nèi)的人口數(shù)量,科學(xué)合理地將所有預(yù)計受災(zāi)人員進行有效分配,尋求一定條件下滿足的最優(yōu)疏散路徑解決方案,并最終快速疏散到相應(yīng)的避災(zāi)點,從而實現(xiàn)在突發(fā)事件發(fā)生后,信息正面、及時、有效的傳播,方便相關(guān)部門進行緊急救援工作,將損失降低到最低點。通過對城市綜合體應(yīng)急避災(zāi)疏散過程所涉及到交叉學(xué)科領(lǐng)域相關(guān)模型和方法進行分析,在避災(zāi)路徑規(guī)劃以及應(yīng)急避災(zāi)點動態(tài)分配方面探討[2],針對越來越復(fù)雜的城市結(jié)構(gòu)的災(zāi)害應(yīng)急避災(zāi)問題,最大化融合各種災(zāi)害或仿真信息,兼顧災(zāi)難區(qū)域復(fù)雜多變的狀況,提供應(yīng)急避災(zāi)最優(yōu)動態(tài)分配方案,使救援人員與物資最快的到達救援地點,以保證城市居民的生命財產(chǎn)安全。

    1 基于城市綜合體應(yīng)急疏散情景分析

    1.1 問題的描述

    城市綜合體區(qū)域內(nèi)人口居住密集,生活工作等各種功能完善,包含有商業(yè)賣場、廣場、居民區(qū)、公共綠地、公園等各種建筑和場所。在如此密集人口情景下,面對突發(fā)性各種災(zāi)害事件,如地震、火災(zāi)、毒氣泄露、恐怖襲擊等事件,受災(zāi)個體將表現(xiàn)更加敏感脆弱,處于該區(qū)域的所有人員都將成為受災(zāi)體。因此,決策者應(yīng)在盡可能短的時間內(nèi)制定出相應(yīng)應(yīng)急疏散方案,能夠安全、快速、有效的將受災(zāi)人員進行疏散并實施救援。

    如何選擇合適疏散規(guī)劃方案將商業(yè)綜合體區(qū)域內(nèi)預(yù)估人口進行快速的逃生到合適避災(zāi)點?即將研究區(qū)內(nèi)的避災(zāi)人員以疏散點為單元分配到一個或多個避災(zāi)場所[3]。

    1.2 樣本的選擇

    本文以福州倉山萬達廣場商業(yè)圈以及周邊的5個小區(qū)為研究樣本區(qū),總面積約30 hm2,包含了城市生態(tài)所具有的公園、綠地、操場。研究樣本區(qū)所涉及到道路網(wǎng)有金港路、浦上大道、金榕南路和金州南路等五條大道的部分路段,以及其它縱橫交錯的次級道路;同時包含能作為臨時避災(zāi)點的1個公園、1個學(xué)校操場、1個廣場、2塊綠地區(qū)域。如圖1所示。

    1.3 預(yù)測人口數(shù)據(jù)空間化

    人口流量數(shù)據(jù)采用概率預(yù)測方法,通過比較各種概率預(yù)測方法的適用性,選取出針對其研究區(qū)最佳的人口預(yù)測方法。根據(jù)樣本研究區(qū)特征,可以將受災(zāi)人員分為以下幾種類型。(1)萬達廣場商業(yè)圈人口數(shù)據(jù)。其中人員構(gòu)成主要包括商場顧客、店鋪導(dǎo)購、辦公人員以及商場管理人員等。商場人口數(shù)據(jù)預(yù)測主要通過三種方式:①獲取商場3~5 km范圍內(nèi)居民區(qū)的人口數(shù)據(jù)的比例值;②通過商場面積和店鋪數(shù)目獲取數(shù)據(jù);③通過實地調(diào)研咨詢相關(guān)管理人員獲得數(shù)據(jù)值。再由三者平均求得商場人口數(shù)據(jù),分別統(tǒng)計出商場4個出口的人流量。(2)居住小區(qū)人口數(shù)據(jù)。人口普查是世界各國廣泛采用的一種搜集人口資料的科學(xué)方法,是獲取基本人口數(shù)據(jù)的主要渠道[4]。可對居住小區(qū)人口預(yù)測使用人口普查數(shù)據(jù)。特別是含有性別、年齡等屬性信息,能夠為避災(zāi)人口預(yù)測提供切實可靠的參考價值。(3)街道人流量數(shù)據(jù)。通過不同時間段實地調(diào)研來獲取一個平均人口流量數(shù)據(jù)。

    在突發(fā)事件應(yīng)急疏散研究中,如何設(shè)計更加貼近真實受災(zāi)人員分布的空間位置模型,這是人口數(shù)據(jù)空間化需要研究的一個重要問題。本文采用多元回歸建模方法獲取研究分區(qū)域內(nèi)以100 m的格網(wǎng)形成人口空間數(shù)據(jù),并以流的形式儲存在于路網(wǎng)的節(jié)點中。

    1.4 情景設(shè)計

    城市綜合體區(qū)域內(nèi)大型商場及周邊配套小區(qū)內(nèi)建筑密度大、樓層高、人員密集,且能作為避災(zāi)區(qū)域的地點比較缺乏。本文對選取的原則、方式、影響因子以及評價方法進行綜合分析,采用層次分析法對臨時應(yīng)急避災(zāi)點進行適宜性分級,并排除不可作為臨時應(yīng)急避災(zāi)點的位置及場所。最后,將規(guī)劃出的應(yīng)急避災(zāi)點輸入矢量化路網(wǎng)交通網(wǎng)絡(luò)中,同時把避災(zāi)點面積作為臨時避災(zāi)所容量的一個重要衡量因素。以格網(wǎng)單元形式把分布于道路網(wǎng)中社區(qū)單元樓或商場出口的節(jié)點作為疏散單元,綜合分析得到基于道路網(wǎng)的避災(zāi)點最優(yōu)分配方案。

    把試驗所獲取的避災(zāi)點最優(yōu)分配方案實現(xiàn)過程進行可視化仿真模擬。即通過設(shè)計一個針對城市綜合體類型災(zāi)害應(yīng)急疏散的分析模擬和仿真演示系統(tǒng),對應(yīng)急避災(zāi)疏散過程中所涉及到的模型和影響因子的綜合分析,將疏散模擬與仿真技術(shù)相結(jié)合,從二維和三維兩個方面對應(yīng)急疏散結(jié)果進行可視化表現(xiàn)。運用該系統(tǒng),模擬者可以進行地圖操作來定位避災(zāi)點和應(yīng)急避災(zāi)點的人員動態(tài)分配,并根據(jù)計算分析結(jié)果制定詳細的路徑規(guī)劃方案,從而在仿真演示中,針對演示過程出現(xiàn)的問題來改進疏散規(guī)劃方案[5]。

    2 基于應(yīng)急疏散路徑的避災(zāi)空間分配

    2.1 路徑規(guī)劃

    路經(jīng)規(guī)劃就是把現(xiàn)實空間中的評價對象進行空間概化,轉(zhuǎn)換為空間幾何數(shù)據(jù)點、線等矢量數(shù)據(jù),將相關(guān)的影響因子引入到路徑中,采用科學(xué)計算的方式獲得某幾個點到目標點的線路規(guī)劃相關(guān)問題,并獲取最優(yōu)方案應(yīng)用到現(xiàn)實生活中。

    2.1.1 應(yīng)急避災(zāi)路徑空間模型構(gòu)建

    應(yīng)急避災(zāi)路徑空間模型包括從各個疏散點到臨時避災(zāi)場所的所有路網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)。其中起始點為疏散點,包含居民樓、城市綜合體商場出口等,中間結(jié)點主要為路網(wǎng)叉路點,終點為研究區(qū)范圍內(nèi)的臨時避災(zāi)點。起始點主要屬性數(shù)據(jù)為每個疏散點受災(zāi)人口數(shù)目,終點主要屬性數(shù)據(jù)是每個臨時避災(zāi)點能夠安置人員數(shù)目,路網(wǎng)所構(gòu)成的線段屬性各種影響因子權(quán)重值疊加。具體實現(xiàn)如圖2所示。

    2.1.2 路徑分析影響因子確定

    網(wǎng)絡(luò)路徑中連接各個關(guān)鍵點(主要有疏散點、臨時避災(zāi)點、路網(wǎng)交叉路口)的線段是各種大小的交通道路,抽象為線段。其中每條線段權(quán)重主要有以下幾個影響因子疊加而成。

    (1)道路長度

    道路長度作為路徑分析的主要指標,反映該路段的直線距離,值與疏散時間成反比。

    (2)道路寬度

    反映該路段在某一時刻并排通過的人員數(shù)量的最大值。疏散時間與路段寬度成正比,該路段越寬,單位時間內(nèi)能夠通過人數(shù)越多。

    (3)道路坡度

    (4)路段滯留時間

    路段滯留時間是指個體從到達該路口開始到完全通過該路段所花費的時間,疏散人員在每條路線段都有行走滯留時間,即人員從進入該路段到走出該路段的時間。反映出兩個交叉口之間路段每個時間段可通過人數(shù)值。滯留時間與路段長度成正比,與速度和寬度成反比。

    圖1 樣本區(qū)示意圖

    圖2 研究區(qū)網(wǎng)絡(luò)空間模型

    2.2 空間分配

    2.2.1 算法描述

    一個合理的疏散模型路徑規(guī)劃需要涉及到空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)表達、路徑算法、權(quán)重影響因子、方案優(yōu)化策略等諸多關(guān)鍵問題。本文路徑求解算法采用迪杰斯特拉算法(Dijkstra)。Dijkstra算法是由荷蘭計算機科學(xué)家迪杰斯特拉(Dijkstra)于1959 年提出的,是從一個頂點到其余各頂點的最短路徑算法,解決的是有向圖中最短路徑問題[6]。該算法可以計算從起點到終點之間的最短路徑,基本原理以起點為中心逐條向外遍歷,當每次遍歷搜索一個距離最短的經(jīng)過點,實時更新與其相鄰的點的距離,一直搜索到終點目標。

    2.2.2 分配模型構(gòu)建原理

    (1)條件假設(shè)

    ①應(yīng)急疏散時間是以第一個人開始疏散到最后一個人進入其分配災(zāi)點這個時間段,所以要保證疏散距離最長的疏散點總長度盡可能小。

    ②每個避災(zāi)點空間區(qū)域范圍限制,安置人數(shù)有一個最大容納量,因此每個避災(zāi)點動態(tài)分配避災(zāi)人員不超過能容納最大量。

    式中:M表示需求價格彈性系數(shù)矩陣。從式(6)易推導(dǎo)出在分時電價機制下電動汽車代理商在峰、谷、平時段的等效充值需求可以描述為式(7)所示的一個關(guān)于分時電價的函數(shù)[16]:

    ③疏散路線不能重復(fù)或呈現(xiàn)返回。在分配方案中,保證每個疏散點行進到所分配的避災(zāi)點,不能與其他疏散點產(chǎn)生重復(fù)路線或相反方向,從而產(chǎn)生碰撞及擁堵。

    ④每一個避災(zāi)點有多條疏散路徑,但每條路徑有容量限制;

    ⑤在疏散的過程中滿足先到避災(zāi)點,先進避災(zāi)點的原則。

    圖3 基于道路網(wǎng)的單元替換原理圖

    (2)分配模型構(gòu)建原理

    避災(zāi)場所動態(tài)分配過程中,對于每一個疏散點分配所在臨時避災(zāi)點,設(shè)定以下兩個條件:①VB≤VBmax;②VB>VBmax,且dBjlast>dBa,式中jlast表示已經(jīng)被分配到避難所B的疏散單元中距離避難所B最遠的疏散單元。條件①表示避災(zāi)點B仍有空可容納避災(zāi)人數(shù),可直接疏散到當前避災(zāi)點B。條件②表示空間單元a比已經(jīng)分配給避難所B的疏散單元jlast距離避難所B更近,應(yīng)優(yōu)先被分配到避難所B。上述兩個條件只要有一個條件滿足要求,疏散單元a即可直接被分配到避災(zāi)點B。對于每個疏散單元j,按照其與每一避難所i距離遠近dij進行排序,尋找最近的避災(zāi)點;如果最近避難所滿足條件,則直接將疏散單元j分配給到距離最短的避災(zāi)點,若不滿足條件,則采用單元替換的方法對當前分配方案進行調(diào)整;這樣通過幾次回溯調(diào)整保證疏散總長度距離最小,滿足每個避災(zāi)點分配到的疏散單元在網(wǎng)絡(luò)空間上連續(xù)[7]。

    當某一疏散單元離其最近避災(zāi)點不滿足直接分配條件時,則基于道路網(wǎng)利用空間單元替換方法對分配方案進行調(diào)整。過程如圖3所示。

    圖3中三個避難所:S1、S2和S3,按照距離遠近均被分配有若干疏散單元。圖3a中B8未被分配,其與三個避難所的最短距離關(guān)系為:dS2B8tska+tsfb對待選擇替換單元是否可作為替換單元進行替換進行查找判斷。如果不等式成立,則進行單元替換;否則直接跳過,繼續(xù)查找[1]。

    2.2.3 基于應(yīng)急疏散路徑的避災(zāi)空間分配

    本文以福州市倉山區(qū)萬達廣場這個城市綜合體(包含周邊部分居住社區(qū))作為研究區(qū)域范圍,以每棟樓或每個商場出口作為一個疏散單元,把受災(zāi)人員作為一個集體進行研究,利用道路網(wǎng)數(shù)據(jù)、社區(qū)單元樓空間分布及樓宇人口調(diào)查數(shù)據(jù)、萬達廣場疏散點及疏散人口數(shù)據(jù)進行避災(zāi)動態(tài)分配,從總行程距離、連續(xù)性、疏散過程時間以及容量等四個方面進行綜合分析驗證動態(tài)分配方案有效性。采用空間單元替換的應(yīng)急避災(zāi)點動態(tài)分配不僅能夠有效避免避災(zāi)點容量超限問題,還能夠做到在避災(zāi)容量不超限情況下的總行程距離最小化使疏散總時間最小,使得分配方案更加的科學(xué)合理,如圖4所示。

    3 應(yīng)急疏散仿真系統(tǒng)設(shè)計

    3.1 總體設(shè)計

    從地理學(xué)的空間視角出發(fā),確定研究區(qū)中能作為應(yīng)急避災(zāi)場所的空間位置。通過對研究區(qū)域內(nèi)受災(zāi)人口、避災(zāi)點和疏散點三者之間分配模型的梳理,研究城市綜合體應(yīng)急疏散路徑導(dǎo)航路徑優(yōu)化等問題,按照系統(tǒng)論的研究思路設(shè)計城市綜合體應(yīng)急疏散路徑導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對城市突發(fā)事件中災(zāi)害模擬應(yīng)急疏散仿真演示,分析計算在滿足基本理想值下多點對多點最優(yōu)疏散路徑方案,實現(xiàn)在系統(tǒng)中進行基本地圖查詢、避災(zāi)所在地圖上空間定位、三維場景模擬、最優(yōu)路徑分析,以及應(yīng)急避災(zāi)所的人口動態(tài)分配,并根據(jù)計算分析結(jié)果制定路徑導(dǎo)航實現(xiàn)仿真演示。在針對仿真模擬過程中出現(xiàn)的問題進行,最終實現(xiàn)基于unity3D發(fā)布的程序通過過程數(shù)據(jù)控制疏散模擬。

    3.2 實現(xiàn)流程

    實現(xiàn)流程圖如圖5所示。

    3.3 主要模塊示例

    基于Unity 3D中嚴肅游戲引擎設(shè)計城市綜合體應(yīng)急疏散路徑導(dǎo)航系統(tǒng),如圖6所示。該模塊主要由三維展示和二維模擬兩部分組成,其中三維展示主要實現(xiàn)對研究區(qū)域內(nèi)三維場景的瀏覽,二維模擬采用微觀建模方法中的Agent技術(shù)不斷產(chǎn)生行人、載人車輛等智能體模擬真實災(zāi)害場景中人群疏散路徑,如圖7所示[8]。

    根據(jù)疏散區(qū)域內(nèi)的所有受災(zāi)體和臨時避災(zāi)點空間分布,綜合各類影響因素計算其權(quán)重值,獲得所有受災(zāi)人員最佳的避災(zāi)點分配方案以及相對應(yīng)的受災(zāi)人員的緊急疏散路徑。在模擬驗證中,可以及時更新受災(zāi)區(qū)域內(nèi)的路況通達信息,及時修正分配結(jié)果以及路徑規(guī)劃方案。其后,把避災(zāi)所分配以及路徑規(guī)劃方案作為模擬數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng),進行仿真模擬,驗證其結(jié)果,并針對模擬過程中出現(xiàn)的問題進行改進[7]。疏散仿真試驗采用預(yù)案數(shù)據(jù)控制的方式進行模擬,通過增加時間節(jié)點指定不同時間段場景設(shè)置以及相應(yīng)的模擬對象的屬性、位置等信息的設(shè)定,使用圖像表達的形式在系統(tǒng)界面進行實時的演示。即不同時間段受災(zāi)人員空間位置不同,有些疏散點的受災(zāi)人員被分成了幾個部分遵循不同的路徑規(guī)劃方案進行疏散,整個過程中不同疏散點的疏散人員在路口相遇,可以從圖中清晰地看到道路網(wǎng)中人流集中的路段與位置,如圖8所示。如發(fā)現(xiàn)問題,改進參數(shù)數(shù)據(jù),直到達到合適效果后,再根據(jù)系統(tǒng)的最終結(jié)果,生成實際的預(yù)案腳本,用于后續(xù)演習(xí)指導(dǎo)。

    圖4 分配方案可視化

    圖5 實現(xiàn)技術(shù)流程圖

    圖6 系統(tǒng)主界面

    圖7 三維場景瀏覽

    圖8 疏散過程仿真試驗

    4 總結(jié)

    針對錯綜復(fù)雜的大型建筑體災(zāi)害應(yīng)急處置問題,本文以福州市倉山區(qū)萬達廣場城市綜合體為研究單元,從應(yīng)急避災(zāi)路徑影響因子出發(fā),分析并構(gòu)建應(yīng)急避災(zāi)網(wǎng)絡(luò)路徑模型,采用空間單元替換的方法對研究區(qū)域內(nèi)從應(yīng)急疏散到避災(zāi)點之間人口和路徑動態(tài)分配,模擬實驗驗證其方法有效性;利用模擬仿真技術(shù)構(gòu)建適應(yīng)人口分布的避災(zāi)點應(yīng)急疏散路徑導(dǎo)航系統(tǒng),以實現(xiàn)分區(qū)域進行疏散,得出最優(yōu)避災(zāi)路徑,對大型商場及其周邊應(yīng)急避災(zāi)疏散的過程分析以及仿真展示。該研究可快速高效地為城市災(zāi)害性事件的虛擬演練、應(yīng)急救援提供數(shù)據(jù)驗證和決策輔助支持,對于城市防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。當然,群體人員應(yīng)急疏散必定是一個非常復(fù)雜的問題,各種因素如人的心理素質(zhì)、道路人流量限制以及生活習(xí)慣等都會影響應(yīng)急避難方式的選取及路徑規(guī)劃方案的制定,進而對應(yīng)急避難疏散帶來很大的難度[9]。

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    [9] Kepaptsoglou K,Karlaftis M G,Mintsis G. Model for planning emergency response services in road safety[J]. Journal of Urban Planning and Development,2011,138(1): 18-25.

    Abstract:This article takes Fuzhou Wanda Plaza as a case to study urban complex, and it selects the temporary refuge in the region, and then determine the unit of evacuation and the corresponding population forecast for exports in the large-scale shopping malls and residential buildings of urban complex. It also constructs allocated models of emergency evacuation for the prevention of disaster which corresponds with the population distribution and verifies its effectiveness. Besides, it designs a system of simulation test about urban complex emergency evacuation for the affects people quickly and accurately reach the designated refuge, which provides the fastest and safest way of navigation program. This research can provide decision and support for virtual drill emergency rescue of urban catastrophic events.

    Key words:emergency evacuation; path guidance; urban complex; refuge; space allocation

    A Simulation Experiment of Urban Complex Emergency EvacuationBased on the Forecast of Disaster-evaded Population

    JIANG Huixian1, 2, NIE Minxuan1, WU Juan1and WU Guang1

    (1.SchoolofGeographicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China; 2.FujianProvincialEngineeringResearchCenterforMonitoringAndAssessingTerrestrialDisasters,Fuzhou350007,China)

    江輝仙,聶名萱,吳娟,等. 基于避災(zāi)人口預(yù)測的城市綜合體應(yīng)急疏散仿真試驗[J]. 災(zāi)害學(xué),2017,32(4):184-188,213. [JIANG Huixian and WU Guang. A Simulation Experiment of Urban Complex Emergency Evacuation Based on the Forecast of Disaster-evaded Population[J]. Journal of Catastrophology,2017,32(4):184-188,213.

    10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.031.]

    X43

    A

    1000-811X(2017)04-0184-06

    2017-03-30

    2017-06-12

    國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0502905);福建省科技廳公益類項目(2015R1034-6)

    江輝仙(1975-),福建仙游人,副教授,研究方向為虛擬地理環(huán)境.E-mail: jhx155@163.com

    10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.031

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